Motor Wankel

Motor Wankel en el Deutsches Museum en Múnich (Alemania)

El motor Wankel es un tipo de motor de combustión interna, inventado por Félix Wankel, que utiliza rotores en vez de los pistones de los motores alternativos.

Wankel concibió su motor rotativo en 1924 y recibió su patente en 1929. Durante los años 1940 se dedicó a mejorar el diseño. Se hizo un considerable esfuerzo en el desarrollo de motores rotativos en los 1950 y los 1960. Eran particularmente interesantes por funcionar de un modo suave, silencioso y fiable, gracias a la simplicidad de su diseño.

Funcionamiento

Animación de un motor Wankel

Un motor rotativo o Wankel, en honor a su creador el Dr. Felix Wankel, es un motor de combustión interna que funciona de una manera completamente diferente de los motores alternativos.

En un motor alternativo; en el mismo volumen (mililitros) se efectúan sucesivamente 4 diferentes trabajos —admisión, compresión, combustión y escape. En un motor Wankel se desarrollan los mismos 4 tiempos pero en lugares distintos de la carcasa o bloque; con el pistón moviéndose continuamente de uno a otro. Más concretamente, el cilindro es una cavidad con forma de 8, dentro de la cual se encuentra un rotor triangular que realiza un giro de centro variable. Este pistón comunica su movimiento rotatorio a un cigüeñal que se encuentra en su interior, y que gira ya con un centro único.

Al igual que un motor de pistones, el rotativo emplea la presión creada por la combustión de la mezcla aire-combustible. La diferencia radica en que esta presión está contenida en la cámara formada por una parte del recinto y sellada por uno de los lados del rotor triangular, que en este tipo de motores reemplaza a los pistones.

El rotor sigue un recorrido en el que mantiene sus 3 vértices en contacto con el "freno", delimitando así tres compartimentos separados de mezcla. A medida que el rotor gira dentro de la cámara, cada uno de los 3 volúmenes se expanden y contraen alternativamente; es esta expansión-contracción la que succiona el aire y el combustible hacia el motor, comprime la mezcla, extrae su energía expansiva y la expele hacia el escape.^[1]

Ventajas e inconvenientes

Ventajas

• Menos piezas móviles: el motor Wankel tiene menos piezas móviles que un motor convencional, tan solo 4 piezas; bloque, rotor (que a su vez está formado por segmentos y regletas), árbol motriz y sistema de refrigeración/engrase (similar a los que montan los motores de pistón). Esto redunda en una mayor fiabilidad.
• Suavidad de marcha: todos los componentes de un motor rotativo giran en el mismo sentido (apuntando al sol), en lugar de sufrir las constantes variaciones de sentido a las que está sometido un pistón. Están equilibrados internamente con contrapesos giratorios para suprimir cualquier vibración. Incluso la entrega de potencia se desarrolla en forma más progresiva, dado que cada etapa de combustión dura 90° de giro del rotor y a su vez como cada vuelta del rotor representa 3 vueltas del eje, cada combustión dura 270° de giro del eje, es decir, 3/4 de cada vuelta; compárenlo con un motor monocilíndrico, donde cada combustión transcurre durante 180° de cada 2 revoluciones, o sea 1/4 de cada vuelta del cigüeñal. Se produce una combustión cada 120º del rotor y 360º del eje.
• Menor velocidad de rotación: dado que los rotores giran a 1/3 de la velocidad del eje y al tocar el freno, las piezas principales del motor se mueven más lentamente que las de un motor convencional, aumentando la fiabilidad.
• Menores vibraciones: dado que las inercias internas del motor son muy pequeñas (no hay bielas, ni volante de inercia, ni recorrido de pistones, ni movimiento), solo se producen pequeñas vibraciones en la excéntrica.
• Menor peso: debido al menor número de piezas que forman el motor en comparación con los de pistones y dado que generalmente se construyen motores de dos o tres rotores de 600 cc o 700 cc cada uno, ayuda a conseguir un menor peso final del mismo.

Inconvenientes

• Emisiones: es más complicado (aunque no imposible) ajustarse a las normas de emisiones contaminantes, ya que trabaja igual que un motor de 2 tiempos, consumiendo aire, combustible y aceite.
• Costos de mantenimiento: al no estar tan difundido, su mantenimiento resulta costoso.
• Consumo: la eficiencia termodinámica (relación consumo-potencia) se ve reducida por la forma alargada de las cámaras de combustión y la baja relación de compresión.
• Difícil estanqueidad: resulta muy difícil aislar cada una de las 3 secciones del rotor, que deben ser estancas unas de otras para un buen funcionamiento. Además se hace necesario cambiar el sistema de estanqueidad cada 6 años aproximadamente, por su fuerte desgaste.
• Sincronización: la sincronización de los distintos componentes del motor debe ser muy buena para evitar que la explosión de la mezcla se inicie antes de que el pistón rotativo se encuentre en la posición adecuada. Si esto no ocurre, la ignición empujará en sentido contrario al deseado, pudiendo dañar el motor.
• Mantenimiento: Las pastillas de freno deben ser reemplazadas regularmente debido al constante rozamiento de los vértices del rotor con el freno.

Historia

El NSU Spider fue el primer coche de producción en el mundo propulsado por un motor rotativo Wankel

En Gran Bretaña, Norton Motorcycles desarrolló un motor Wankel para motocicletas, que fue incluido en la Norton Commander; Suzuki también fabricó una moto con motor Wankel, la RE-5. DKW Hercules puso en venta una motocicleta con motor Sachs refrigerado por aire y mezcla; John Deere Inc., en EEUU, invirtió un gran esfuerzo en la investigación de motores rotativos y diseñó una versión que era capaz de usar varios tipos de combustible sin tener que cambiar el motor. El diseño fue propuesto como sistema motriz para varios vehículos de combate de la Marina estadounidense en los últimos años de la década de 1980. Ingersoll-Rand tuvo en venta un motor para usos industriales que quemaba gas y tenía una cilindrada de 41 litros y un sólo rotor. Curtiss-Wright ha fabricado diversos prototipos de motor para aviación general, en donde tendría la ventaja del menor peso y mejor conducta frente a las averías. Rolls-Royce desarrolló un motor de encendido por compresión (Diésel), con etapas de compresión y combustión independientes. Graupner vendió un mini-motor para aeromodelos. La japonesa Yanmar Diésel fabricó varios motores pequeños, incluso una motosierra Wankel.

Tras un uso ocasional en automóviles, por ejemplo NSU con sus modelos Spider y Ro 80^[2] o Citroën con el M 35 y GS Birrotor, e intentos fracasados llevados a cabo por General Motors que anunció haber resuelto el problema del consumo pero no poder con el de las emisiones en los gases de escape, o Mercedes-Benz (véase el prototipo Mercedes-Benz C111), la compañía japonesa Mazda ha sido la que ha hecho un mayor uso de motores Wankel en automóviles.

Después de muchos años de desarrollo, Mazda lanzó sus primeros coches con motores Wankel en los primeros años 1970. Aunque la mayoría de los clientes adoraban estos coches, especialmente por su suavidad, tuvieron la mala suerte de ser puestos a la venta en una época de grandes esfuerzos para reducir las emisiones y aumentar el ahorro de combustible. Mazda abandonó el Wankel casi totalmente en el diseño de sus coches generalistas, pero continuó usando una versión biturbo de dos rotores en su mítico deportivo RX-7 hasta el final de su producción en agosto de 2002. En 2003, la marca japonesa, relanzó el motor Wankel con el RX-8 que contaba con una nueva versión atmosférica birrotor, teóricamente más fiable y con menores consumos tanto de combustible como de lubricante.

En el mundo de las carreras, Mazda ha tenido un éxito sustancial con sus coches de dos y cuatro rotores, y corredores privados han cosechado también un considerable éxito con coches Mazda propulsados por motores Wankel, tanto originales como modificados. En 1991 el motor Wankel llegó a uno de los mejores momentos en competición, al conseguir Mazda la victoria en las 24 horas de Le Mans con su prototipo 787B que montaba un motor de cuatro rotores y 2622 cc de cilindrada, con lumbrera de admisión periférica y conductos de admisión de geometría variable. Este automóvil fue el que menos consumo de combustible tuvo en la carrera de ese año.

Dificultades técnicas

Curtiss-Wright demostró que el factor que controla las emisiones de hidrocarburos no quemados (HC) era la temperatura de la superficie del rotor, a mayor temperatura, menos producción de HC, y demostró también que se podía ensanchar el rotor. Otros fabricantes proponen que la causa fundamental de la emisión de contaminantes a altas rpm es el laminado dentro de la cámara de combustión, y a bajas velocidades, las fugas de estanqueidad. El motor Wankel por sus propias características produce poca contaminación por NO; uno de los procedimientos clásicos de reducción de emisiones de NO ha sido la recirculación de los gases de escape, que en el motor Wankel era un rasgo intrínseco.

Yanmar Diésel ha publicado información referente a las características propias de diversas formas y posiciones del hueco de combustión en la superficie del rotor, (cosa que puede verse también en el libro de Kenichi Yamamoto "Rotary engine"); en sus motores de pequeño desplazamiento y refrigeración del rotor por mezcla aire/combustible, YD comprobaron que la colocación de una válvula de lengüetas (reed-valve) cerca de la lumbrera de admisión mejoraba las actuaciones bajo carga parcial y a bajas rpm.. Inicialmente, los motores Wankel tenían las lumbreras de admisión y escape en las caras laterales del rotor, lo que produjo algún problema de depósitos de carbonilla y distorsiones térmicas, que sólo llegó a resolverse en el motor Renesis de Mazda mediante la colocación de un segmento especial rascador en la cara lateral del rotor.

De las dos disposiciones posibles para las lumbreras de admisión, la periférica y la lateral, se sabe que la periférica produce la máxima presión media efectiva (PME) en el motor, pero en uso automovilista se ha preferido (Mazda) la lumbrera lateral que proporciona un mejor régimen de ralentí y bajo carga parcial. El motor Renesis del RX8 de Mazda, emplea lumbreras de admisión y escape laterales, con lo que elimina totalmente el cruce o solapamiento entre las fases de admisión y escape, suprimiendo la recirculación de gases de escape y la fuga de mezcla aire/combustible sin quemar por el escape, posibilitando unos consumos razonables y cumpliendo al mismo tiempo las normas anticontaminación más severas. Algún motor de los primeros tiempos producía un ruido que los mecánicos comparaban al que hace un motor convencional antes de fundir una biela; el ruido se debía a las tolerancias entre el engranaje del eje y el del rotor que era necesario establecer para no comprometer la duración del motor. Ya se ha solucionado.

Otro problema inicial fue la aparición de ralladuras y fisuras en la superficie de la epitrocoide, llamadas "arañazos del diablo" por los ingenieros. Se resolvió colocando la bujía en un casquillo incrustado en el bloque, en vez de directamente sobre el bloque mismo, y también a través de la mejora de materiales del epitrocoide y rotor, y la eliminación de vibraciones en los segmentos de vértice.

Los motores Wankel en producción actualmente son motores rápidos, que entregan su potencia a altas rpm, y con peor rendimiento en todos los sentidos en la zona de carga parcial y bajas rpm. David W. Garside, de Norton, declaró que habían conseguido solucionar el problema de la elasticidad, y construir un motor que daba toda su potencia a pocas rpm. Parece que una apertura más temprana en el ciclo de la lumbrera de admisión, y la existencia de unos conductos de admisión más largos, que favorecen la resonancia, con ondas de presión que mejoran el llenado, permiten conseguir motores con más par y potencia a bajo régimen de giro.

Materiales

Para el estátor o bloque motor se utilizan aleaciones de aluminio, aluminio/silicio o Al/Si/Cu como por ejemplo la aleación Alcoa A-132, ya que el aluminio tiene una mayor conductividad térmica y un coeficiente de dilatación más adecuado. En el interior del bloque se coloca una lámina de acero con la forma de la epitrocoide, con rugosidades en su cara externa para asegurar el anclado al bloque, y sobre esta lámina se aplica una capa de revestimiento antifricción, como por ejemplo el Nickasil de Citroen.^[3] Los rotores se fabrican en fundición. Suzuki resolvió el problema de la duración del motor, extendiéndola a más de 250.000 km, empleando segmentos de vértice hechos de la aleación ferrotic.

Combustible

Dada la ausencia de puntos calientes en la cámara de combustión, se ha calculado que una gasolina con un octanaje de 87 es suficiente, lo que puede representar una ventaja práctica. Para la lubricación, que se hace como en los motor de dos tiempos mediante mezcla combustible/aceite, se han usado los sistemas de mezcla previa o una bomba dosificadora que añade una pequeña cantidad de aceite a la admisión, igual al empleado para lubricación y refrigeración del rotor. En los motores con refrigeración por la mezcla de aire/combustible, uno de los aceites que ha dado mejores resultados es el Shell Rotella 30. Los motores con refrigeración por líquido necesitan un lubricante multígrado para facilitar los arranques en frío, aceite que debe ser de naturaleza mineral y no sintético para evitar la producción de cenizas y gomas en la combustión.^[4]

Bibliografía

• Arnold E Biermann y Hermann H Ellerbrock, Jr: "The design of fins for air cooled cylinders", NACA Report Nº 726, 1939. (descarga gratis desde el sitio web de la NASA);
• R.F. Ansdale: "The Wankel RC Engine, Design and Performance" , Iliffe, 1968;
• Kenichi Yamamoto: "Rotary engine", Toyo Kogyo Co. Ltd., Mazda, Eds. 1969 y 1981;
• Dante Giacosa: "Motores endotérmicos", Ed. Omega, 2000

Véase también

• Motor Diésel
• Motor Stirling
• http://www.youtube.com/watch?v=6j6NNDNcKiQ

Referencias

Enlaces externos

• Wikimedia Commons alberga contenido multimedia sobre motor Wankel. Commons
• Video de Mazda explicando su motor rotativo
• Motor rotatorio ilustrado - Animaciones del motor
• Rueda de optimodesign Aplicación en un transporte recreativo