di  -  lunedì 30 agosto 2010

Riprende dopo questa rigenerante pausa estiva la nostra rubrica Energia e Futuro, e con essa riprendiamo insieme a voi le nostre discussioni sui Motori a Combustione Interna, andando a parlare quest’oggi di un particolare motore poco utilizzato ma che suscita interesse non solamente fra gli appassionati, potendo annoverare un importante casa automobilistica tra i suoi sostenitori… scopriamolo insieme…

DAL MOTO ALTERNATIVO AL MOTO ROTATIVO

Finora abbiamo esaminato motori nei quali l’espansione dei gas conseguenti alla combustione agiva spingendo un pistone in grado di muoversi di moto alternato che veniva poi convertito da un semplice manovellismo (l’albero motore) in moto rotatorio.

Il motore di cui andremo a parlare presenta la particolarità di non richiedere questa conversione in quanto il pistone stesso si muove di moto rotatorio, infatti stiamo parlando del Motore Wankel.

Il motore Wankel, ideato nel 1950 da Felix Wankel, utilizza un particolare “pistone” rotante a forma grossomodo triangolare con i lati curvi, il cui rotolamento in una camera di forma opportuna, permette di realizzare le varie fasi canoniche di un motore, ovvero l’aspirazione della carica, la compressione e la combustione della stessa ed infine lo scarico dei gas combusti.

Un esempio di motore Wankel è presentato nella seguente immagine:

Si possono distinguere chiaramente le parti principali del motore, ovvero il pistone, la camera (o per meglio dire la parte statorica) e l’albero motore, oltre che individuare le due luci di aspirazione e scarico, in quanto nel motore Wankel è il pistone stesso ad aprire e chiudere le luci andandole a coprire o scoprire in funzione delle fasi del ciclo.

Il funzionamento di questo motore è ben rappresentato nelle seguenti due immagini:

Nella prima immagine viene mostrata la fase di aspirazione della carica fresca, con il pistone che ruota e trasferisce la carica vero la sezione dove si trovano le candele, mentre nella seconda immagine viene rappresentata la combustione.

Successivamente ad essa, la rotazione del pistone permette di operare con lo scarico dei gas combusti e di ricominciare il ciclo con una nuova aspirazione della carica.

La camera di combustione (od almeno parte di essa) è ricavata sagomando opportunamente le facce del pistone ricavando una “tasca” in esse.

IL MOTORE WANKEL TRA BENEFICI E PROBLEMI

Il motore Wankel presenta alcune caratteristiche costruttive che consentono allo stesso di sviluppare elevate potenze unitarie sia rispetto alla cilindrata che rispetto al peso,  oltre che permettere una maggiore silenziosità rispetto ai motori tradizionali.

Importante anche notare come tale motore non sia affetto da vibrazioni dovute a parti dotate di moto alternato (vibrazioni di secondo ordine).

I vantaggi appena descritti vengono però bilanciati da una serie di complicazioni e svantaggi per i quali in certi casi ancora oggi si hanno notevoli difficoltà nell’affrontarli in maniera completamente soddisfacente.

Un primo punto negativo è rappresentato dalla scarsità di coppia motrice ai bassi regimi, mentre andando ad esaminare con maggiore cura la forma della camera di combustione si nota che essa è di forma molto allungata.

A causa di questa forma (caratteristica piuttosto negativa ai fini di una buona combustione, e problema comune anche ai motori di Formula 1) risulta in genere adottata una soluzione Twin Spark, ovvero dotata di due candele che possono operare in sincronia tra loro o con un opportuno sfasamento al fine di gestire in maniera più versatile l’innesco della combustione.

Il continuo strisciamento degli spigoli del pistone inoltre usura rapidamente la parte statorica del motore causando trafilamenti della carica, e per ovviare a ciò (seppure non completamente) sono richiesti trattamenti superficiali volti a rendere il materiale maggiormente durevole a tali sollecitazioni.

Un ulteriore problema è rappresentato dalla necessità di una costruzione delle parti estremamente precisa, con l’impiego quindi di processi produttivi più costosi rispetto a quelli di un motore tradizionale.

Tutte queste caratteristiche hanno limitato pesantemente il motore Wankel, che ad oggi trova applicazione nei settori dove la leggerezza e l’elevata densità di potenza sono parametri fondamentali, come piccoli motori per ultraleggeri, mentre nell’ambito delle due e quattro ruote il loro impiego risulta estremamente limitato, esistendo ad oggi solo un produttore automobilistico che investe in essi (Mazda con la Rx8) mentre in passato vi sono stati alcuni esempi anche di moto dotate di motore Wankel.

Anche per quest’oggi è tutto, ci ritroviamo su queste pagine lunedì prossimo, sempre su AppuntiDigitali, sempre sulla rubrica Energia e Futuro.

29 Commenti »

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  • # 1
    Davide
     scrive: 

    ma siamo su appuntidigitali.it o su donne e motori.it?

  • # 2
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ Davide

    ???

  • # 3
    sidewinder
     scrive: 

    Bisognrebbe aggiungere che la Mazda chi ha pure vinto una 24h di LeMans con la 787B nel 1991.

  • # 4
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ sidewinder

    Hai ragione, ho dimenticato di riportarlo nel post… la Mazda con un quadrirotore vinse nel 1991 la 24 ore di Le Mans, poi mi risulta che il regolamento (ma non sono sicuro che questo avvenne già dal 1992) abolì il Wankel tra i motori ammessi alla corsa.
    La particolarità di quelle corse era (ed è ancora oggi) quello di raggruppare vetture dalle caratteristiche tecniche estremamente differenti in termini di peso e motori e questo rende necessarie delle regole che permettano di rendere comparabili le prestazioni, quindi i motori turbo e gli aspirati devono sottostare a vincoli differenti, mentre per il Wankel è molto più difficile definire i parametri di cilindrata e flangiatura necessari per equilibrare le differenti vetture di pari categoria, soprattutto perché il Wankel è un motore rotativo… un problema simile si avrebbe avuto se qualcuno avesse usato una turbina a gas come motore

  • # 5
    tonyNOS
     scrive: 

    L’unico vero problema, secondo me, sono i consumi elevati.

    8,7 km/l di media sono troppi, ad esempio la Madza RX8 motorizzata 1300cc da 230 cv.

    Bisognerebbe vedere se è possibile produrre rotori efficienti senza dover arrivare a queste prestazioni per il mercato di massa.

  • # 6
    symonjfox
     scrive: 

    E’ vero! Il problema della RX8 è che beve tantissimo.

    Io ci sono salito, ma non l’ho mai guidata, ma il contagiri sale come sulle moto 4 cilindri … ;)
    Però quando raggiunge i giri giusti i 230 cv si sentono … eccome!

  • # 7
    v2
     scrive: 

    davide se non t’interessa non leggere.

    tonynos consideriamo un motore a benzina che sviluppi la stessa potenza e vediamo se i consumi sono così alti..

    piuttosto avevo sentito dire che l’usura degli apici del “pistone” (le 3 parti in attrito) e l’eccessivo consumo d’olio (???) potrebbero essere problematici.

    comunque la rx8 non è certo l’unica automobile ad aver montato un wankel.. mazda ha una lunga tradizione. e in passato si è ampiamente sperimentato l’impiego di questo motore, persino su un modello di autobus
    http://en.wikipedia.org/wiki/Mazda_Wankel_engine

  • # 8
    v2
     scrive: 

    questo è un ottimo uso di un motore wankel
    http://www.carsuk.net/audi-a1-e-tron-detail-its-a-wankel-electric/

  • # 9
    streamX
     scrive: 

    Mi chiedo perchè hanno eliminato il turbo dal Renesis (RX-8), dato che ormai è diventato una costante nei motori benzina per mantenere buone performance con consumi quasi da diesel…

  • # 10
    magilla
     scrive: 

    Se non vado errato seppur molto di nicchia la rediviva Norton ha a listino un motore wankel…
    E un altro dei problemi se non ricordo male è la totale assenza di freno motore.

  • # 11
    Luca
     scrive: 

    ho avuto l’rx8 per 6 mesi , dopo di chè rivenduta…
    consuma tanta benzina come tanto olio .
    gli 8 nn si vedono mai .
    Carina come macchina ma consumo uguale ora con un carrera 4s , che è proprio un ‘altra macchina e un altro motore…

    un biturbo wankel da 2 litri farebbe paura , peccato che nn riescono a farlo bere poco… :)

  • # 12
    zephyr83
     scrive: 

    altro problema del wankel è “l’inquinamento”, fanno sempre più fatica ad adeguarsi alle nuove normative (ovviamente parlo in campo automobilistico).
    Sto motore mi ha sempre affascinato, se potessi permettermela comprerei sicuramente la rx-8. Cmq è ormai destinato a rimanere per sempre un prodotto particolare e di nicchia!!

  • # 13
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    Consumi, usura con conseguenti trafilamenti di carica (e lubrificante), curva di coppia abbastanza problematica sono tutti problemi che allontanano l’interesse da parte delle case automobilistiche… e lo dimostra il fatto che alla fine della giostra solo la Mazda continua a tenerlo in considerazione (senza trascurare anche il tradizionale)…

  • # 14
    Riccardo
     scrive: 

    Ma ragazzi.. bellissimo articolo e commenti veramente interessanti.. ma..

    nessuno associa il MITICO quanto STRANO motore WANKEL alla MITICA DMC DeLorean? La famosissima auto di Ritorno al Futuro??

    Possibile che a nessuno sia venuto in mente di ricordare una vettura così particolare e affascinante? :)

    Riccardo

  • # 15
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ Riccardo

    La storia della DeLorean è alquanto “controversa”, ma mi risulta che il motore Wankel non sia stato adottato bensì previsto e poi accantonato, come molte altre cose, nella versione prodotta… ma molto della DeLorean si intreccia con la storia, alquanto controversa e misteriosa nella parte finale, di Colin Chapman…

  • # 16
    sybor78
     scrive: 

    Salve,volevo sapere se il prezzo dell’assicurazione di questa macchina è basata sulla cilindrata

  • # 17
    aceto876
     scrive: 

    La cilindrata del motore Wankel si calcola con una formula abbastanza particolare. Si deve considerare la variazione di volume che UNA camera di lavoro ha durante il ciclo

    Vu= 5,196 B*R*e

    Con B larghezza dello stantuffo, R raggio massimo dello stantuffo (cioè il raggio della circonferenza circoscritta allo stantuffo), e eccentricità dello stantuffo. In pratica è come se 5,196*B*R fosse la superficie dello stantuffo ed e il raggio di manovella. E questa, ripeto, è la cilindrata di una sola camera.

    Adesso si ride: siccome c’è una fase attiva per ogni rotazione dell’albero morore, ogni rotore andrebbe equiparato ad una coppia di cilindri 4T con cilindrata unitaria Vu.
    E qui secondo me nasce l’equivoco della grande potenza specifica. Quando la Mazda dichiara (passatemi l’espressione) la cilindrata di un rotore, conta la cilindrata di una sola camera per rotore. Invece di camere ce ne sono tre per rotore che girano come sappiamo. Quindi quando la Mazda dichiara 654cc per rotore, dichiara la cilindrata di una sola camera.

    In sostanza, per vedere la bontà del ciclo di combustione il confronto va fatto tra il Renesis e un 2600 4T alternativo. In questo modo la massa teorica di fluido processato per ogni giro dell’albero motore è circa equivalente. Si vede subito quanto le fasi attive siano poco energetiche nel wankel. La coppia max della Rx8 è di soli 211Nm, mentre da un 2600cc 4T sportivo mi spetterei almeno 250-270Nm. Data la parità di massa di fluido processato, possiamo considerare la PME come proporzionale alla coppia.
    Quindi la singola fase attiva del Renesis è il 15% meno energetica di quella di un 4T normale. Questo rende conto della scarsa efficienza di combustione che avevo già detto.
    Per avere una alta potenza il Wankel deve quindi fare uso di un’altra sua caratteristica: l’equilibratura perfetta. Potendo salire facilmente coi giri, si possono ottenere alte potenze anche con una coppia relativamente scarsa e spostata verso i regimi più alti.

    Con questo non sto dicendo che il Wankel sia un cattivo motore. Ci mancherebbe. Solo che consuma tanto, anche rispetto ad un motore di prestazioni simili. Considerando il calcolo della cilindrata che fa Mazda(che secondo me è un po’ furbesco), il wankel è molto simile ad un 2T di pari cilindrata per prestazioni. E anche per consumi. Ma come si fa notare, non è una priorità di progetto in un motore sport.

  • # 18
    Alessio Di Domizio
     scrive: 

    Per avere una alta potenza il Wankel deve quindi fare uso di un’altra sua caratteristica: l’equilibratura perfetta. Potendo salire facilmente coi giri, si possono ottenere alte potenze anche con una coppia relativamente scarsa e spostata verso i regimi più alti.

    A proposito mi pare di ricordare che dalla mitica Mazda 787B (quadrirotore), semplicemente spostando in alto il limitatore si siano otteniti più di 900 cavalli (Wikipedia dice 930 a 10500Rpm). La coppia riportata di 608Nm a 6500rpm mi sembra in linea con auto analoghe e i consumi non devono essere stati troppo dissimili dalle altre concorrenti della 24 ore di LM (l’auto nel 1991 ha vinto).

    http://www.youtube.com/watch?v=Go3Fgd1wgic

  • # 19
    Luca
     scrive: 

    sybor78 scrive:

    Salve,volevo sapere se il prezzo dell’assicurazione di questa macchina è basata sulla cilindrata

    si , di assicurazione paghi come un 1300…
    però li recuperi dopo in benzina :D

  • # 20
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ Alessio Di Domizio

    Il problema sul valore di coppia e potenza non è tanto quella massima, bensì la forma della curva… il motore presentava dei valori interessanti, ma bisogna vedere (onestamente non ho le informazioni) le flange all’aspirazione che venivano imposte per consentire equilibrio tra vetture con motori differenti pur appartenenti alla stessa categoria, come ad esempio i Porsche Turbo e gli aspirati di Peugeot, Toyota, Jaguar ecc e fare le opportune analisi di confronto…

    Il Wankel resta comunque un motore tanto problematico quanto affascinante, e quanto detto da aceto876 è validissimo… la cilindrata di un Wankel resta per certi versi una chimera da definire, ma di fatto comunque la si calcoli resta sempre un motore dotato di valore assoluti di potenza molto elevati in rapporto alle dimensioni del motore

  • # 21
    Alessio Di Domizio
     scrive: 

    @ Simone
    Dalle prove che ho letto negli anni su auto con motori Wankel mi sono fatto l’idea che l’erogazione sia molto “elettrica”, con una capacità di salire molto di giri senza brusche entrate in coppia (tipiche invece dei motori 2T).
    Rimane la curiosità di sapere, in un’epoca in cui i propulsori a ciclo otto sfiorano i 20000 giri in assetto da gara, quanto riuscirebbe a girare un Wankel con materiali moderni e quindi cosa sarebbe in grado di erogare!
    Da quel che leggo, e da semplice appassionato, mi viene da pensare che questo genere di motori sia più idoneo alle competizioni che non all’uso stradale (anche in ottica freno motore, annullato elettronicamente sui motori a ciclo otto, inesistente sul Wankel), se non fosse che da molte competizioni mi pare sia escluso per regolamento!

  • # 22
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ Alessio

    Sulle capacità di salire di giri con una realizzazione moderna non saprei dire… come dici tu nelle competizioni potrebbe “dire la sua”, secondo me soprattutto in quelle tipologie di corse dove il motore gira in alto (penso alle categorie americane sugli ovali – Nascar ed IndyCar) e senza eccessive variazioni di carico.

    Per quello che riguarda la coppia, per quello che so sul Wankel non ci si trova in condizioni “ottimali” per la trazione stradale, ma non ho dati tecnici riguardo il singolo motore oltre al valore massimo, ciò non toglie che in Mazda siano riusciti ad ottimizzarla, di sicuro la coppia influenza fortemente l’accelerazione.

    Certo sarebbe bello vedere fin dove un Wankel può spingersi, ma senza un costruttore che realizza i componenti allo stato dell’arte (e qui credo che siano in pochi a saperlo fare oltre a Mazda) resterà solo un nostro sogno…

  • # 23
    ncc2000
     scrive: 

    salve…non mi addentrero’ in pareri tecnici sul wankel, poiché non ne ho le competenze, ma voglio ricordare che questo motore ha dato vita a, forse, l’auto piu’ bella degli anni ’90: la mazda rx7 http://www.zeckhausen.com/images/Cars/Mazda/RX-7_R1.JPG

  • # 24
    Dreadnought
     scrive: 

    Altro problema di questo affascinante motore è la tenuta laterale della camera di combustione (nelle foto non c’è alcuna visuale adatta per osservare il punto debole): con le dilatazioni delle due calotte che circondano il rotore ci si trova ad avere parte del carburante che finisce incombusto nello scarico, rovinando la marmitta catalitica ed aumentando l’inquinamento.

    @ncc2000 Di tutte le auto con il wankel, la RX7 sicuramente non svettava per bellezza! :D

  • # 25
    Filippo1974
     scrive: 

    @ Riccardo:

    La DeLorean DMC12, perlomeno quella prodotta in serie, adottava un “banale” 6 cilindri a V di produzione congiunta Peugeot-Renault-Volvo (lo stesso adottato dalla Lancia Thema V6). Mi risulta che per ottemperare alle più severe normative anti-inquinamento vigenti negli USA, questo motore abbia visto la sua già scarsa potenza (150 CV per 2.8 litri di cilindrata) ridursi ulteriormente (poco meno di 140 CV); il che, abbinato ad un’auto non propriamente “peso piuma” come la DeLorean, sia risultato in una vettura dalle prestazioni tutt’altro che entusiasmanti (oltre 10 secondi per il classico 0-100 km/h, velocità di punta appena sopra i 200 km/h). Probabilmente non era questo il livello di performance che ci si poteva aspettare da un’auto del genere…

    Ciao
    Filippo

  • # 26
    Phaser
     scrive: 

    Ciao a tutti, io ho l’RX8 e vi posso dire che è come guidare una moto, il motore sale fino a 9000 giri con una progressione costante.
    E’ piccolissimo e fa 8 km con un litro, se non si prova non si può capire la differenza rispetto a un motore normale…

  • # 27
    vodka
     scrive: 

    Credo che un altro problema del motore rotativo sia la differenza di temperatura rispetto ai due lati dello statore: un lato è caldo, mentre l’altro è “freddo”. tutto il motore si ritrova ad avere un lato ‘in tensione’ a causa della espansione termica maggiore rispetto all’altro. Perciò la camera rischia di non tenere più in maniera perfetta, con il trafilamento dei gas da una camera all’altra.

    Per ovviare alla cosa, gli spigoli sono ‘mobili’, dato che all’interno del rotore ci sono una serie di piccole molle che premono sui segmenti inseriti all’interno dei vertici in maniera da farli aderire alle pareti, oltre ad una particolare progettazione delle condutture per il liquido di raffreddamento.

    Il motore Wankel è un mangia-olio poichè dovendo tenere a bada una combustione con maggior ossigeno per bruciare tutti gli HC incombusti dati dalla camera di scoppio così strana, la temperatura è molto alta, quindi si usa uno strato di olio sulle pareti per permettere di raffreddare lo stretto necessario il propulsore – la cosa non accade ai motori a pistoni ‘normali’, e ora vediamo il perchè.

    Una delle particolarità di questo motore è il numero di accensioni che fa in una rotazione del rotore: sono 3 per ogni camera, moltiplicati per 3 camere = 9 combustioni a rotazione(!).
    Tutte le combustioni avvengono consecutivamente nella stessa posizione, senza che si abbiano ‘pause’.
    Nei motori tradizionali, tra 2 combustioni successive, avvengono le altre 3 fasi, tutte nella stessa camera. In questa maniera, il sistema può raffreddarsi per accogliere un nuovo flusso da bruciare – senza contare il fatto che espandendosi, i gas si raffreddano.

    Altro dettaglio non trascurabile, sempre rispetto all’olio: nella combustione dell’idrogeno, il wankel è il motore più adatto grazie a questi segmenti (che sono ceramici) che stisciano contro lo statore anch’esso rivestito in ceramica (nella configurazione per l’idrogeno). In questa maniera non si ha bisogno del lubrificante, che può rischiare di interagire con l’idrogeno e la sua combustione.

  • # 28
    aceto876
     scrive: 

    @ vodka

    Non ho capito come calcoli 9 combustioni per rotazione.
    Il rotore fa un “giro” completo in tre giri dell’albero motore. Avendo il rotore 3 lati, c’è una sola combustione per ogni giro dell’albero motore

  • # 29
    vodka
     scrive: 

    Perchè ho sbagliato XD Credevo che il 13b avesse 3 rotori, invece sono solo 2. Io comunque contavo il numero di combustioni quando tutti i rotori avessero finito di fare 1 rotazione.

    Devo rifare i calcoli XD

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