Motori alternativi a combustione interna

Finora ci siamo occupati della descrizione di un particolare tipo di motore caratterizzato da moto rotativo, il motore Wankel.
In questo articolo introduciamo il concetto di motore alternativo, in sostanza si tratta del propulsore che tutti noi utilizziamo nelle nostre vetture.
Il compito di un motore è quello di trasformare energia termica in moto, mentre nel motore rotativo l'energia di pressione derivante dalla combustione causava la rotazione diretta di un rotore, nel motore alternativo ci sono una serie di pistoni che si muovono con moto alternativo all'interno dei rispettivi cilindri. La spinta sui cilindri è dettata sempre dall'aumento di pressione nella camera di combustione dovuta alla combustione del carburante.

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Dubbi sul motore Wankel

Un gentile lettore mi ha scritto quanto segue:

La NSU fallì dopo il lancio della R80, ottima auto, prima vettura prodotta in serie col motore wankel, ma il motore si rivelò fragilissimo e i costi per l'assistenza esorbitanti(I possessori di R80 quando si incrociavano sulle autostrade tedesche mettevano la mano fuori dal finestrino per indicare con le dita il numero di volte che avano già sostituito il motore!!). Il brevetto passò poi di mano a diverse aziende, tra cui Mercedes, GM, AM, Fiat, e infine Mazda. Tutte queste aziende, dopo averci speso su un bel po' di soldi, conclusero che il motore era impossibile da rendere affidabile per la produzione automobilistica in serie e cercarono di rifilarlo a qualcun altro. Tutte tranne la Mazda, i giapponesi con nipponica tenacia continuarono a lavorare al Wankel per trenta anni fino a renderlo abbastanza affidabile ed efficiente, almeno per la propulsione di un modello di gamma sportiva di lusso. I costi però devono essere stati esorbitanti, e la ditta nel frattempo andò incontro a ben due fallimenti ed alla cessione del principale pacchetto azionario alla Ford, che ne è tuttora proprietaria.

In risposta a questo messaggio, mi sento di condividere i dubbi riguardo la capillarità dell'assistenza su questa tipologia di motori rotativi; ad oggi un possessore di tale tecnologia non può fare altro che rivolgersi alla casa madre per riparazioni, essendo tale tecnologia poco diffusa.
I problemi che nascono durante lo sviluppo di una tecnologia innovativa come quella del motore Wankel, inducono senza dubbio costi e sacrifici elevati, d'altra parte lo stesso motore alternativo è stato causa di ingenti investimenti da parte delle varie case automobilistiche.

Stesso discorso vale per l'affidabilità che è andata via via crescendo negli anni per il motore alternativo, ed è cresciuta in maniera direi "leggermente" meno efficace per il Wankel; considerando però la diffusione della tecnologia e l'ammontare delle somme investite per le due tipologie, onestamente non mi sento di giudicare per questo la bontà del sistema Wankel.
Circa il discorso della crisi finanziaria della Mazda, mi limito a far notare che la stessa Fiat pur utilizzando classici motori senza troppa innovazione non mi sembra che navighi nell'oro.

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Applicazioni del motore Wankel

Il motore Wankel è stato oggetto di studio di molte case automobilistiche nel corso della storia, in particolar modo durante il periodo della sua sperimentazione, che coincide con l'inizio degli anni '70.

Nel seguito sono riportate alcune di quelle autovetture prodotte in serie che sono state equipaggiate col motore rotativo.
NSU Ro-80 (1967) Il motore a due rotori, con un volume unitario di 497,5 cm per ognuna delle tre camere di ogni rotore, raggiunge una potenza di 115 CV a 5500 giri/minuto e pesa poco più di 100 kg; la coppia massima di 16,2 kgm viene raggiunta a 4500 giri/minuto; il rapporto di compressione è 9:1.

Mazda Cosmo Sport (1967) Il motore a doppio rotore, di cilindrata totale pari a 998 cm , eroga una potenza di 110 CV a 7000 giri/minuto; la coppia massima di 13,8 kgm viene raggiunta a 4000 giri/minuto. Rispetto alla sua principale concorrente (la Ro-80) realizza valori più contenuti ma omogenei di coppia e consumo specifico.

Citroén M35 (1969) Il motore monorotore di 497,5 cm eroga una potenza di 49 CV a 5500 giri/minuto; la coppia massima di 7 kgm si ha a 2745 giri/minuto; il rapporto di compressione è 9:1.

Citroén GS "Birotor" (1973) Il motore della GS e costituito da due rotori di cilindrata unitaria pari a 479,5 cm : eroga una potenza massima di 107 CV a 6500 giri/minuto mentre la massima coppia di 14 kgm è disponibile a 3000 giri/minuto. Il rapporto di compressione è 9:1. Questo suggestivo coupé è stato equipaggiato prima con un trirotore da 280 CV e poi con un quadrirotore da 350 CV, con cilindrata unitaria di 600 cm ; l'alimentazione è ad iniezione.

La Mazda è stata la casa automobilistica che più delle altre si è spinta nella ricerca e nello sviluppo del motore rotativo. Lo dimostra il fatto che tutta la serie RX è stata equipaggiata col motore Wankel fino ad arrivare alla coupé RX-8 ancora oggi prodotta in serie.

Quest'auto raggiunge i 239 km/h spinta da un birotore twin spark (due candele per rotore) di una cilindrata complessiva di 1308 cm . La potenza massima è di 170 KW (231CV) a 8200 giri/minuto; la coppia massima è di 211 Nm a 5500 giri/minuto; il rapporto di compressione è 10:1; l'alimentazione è ad iniezione elettronica. In passato sono stati costruiti anche motocicli con motore rotativo: ciò che faceva ben sperare per le due ruote erano il peso ridotto e le sue elevate prestazioni agli alti giri che lo assimilavano ad un motore due tempi. Le moto in questione erano: Suzuki RE5 nel 1975 e Van Veen OCR 100.

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Ciclo di funzionamento del motore Wankel

Analizziamo ora nel dettaglio le fasi del ciclo di funzionamento mettendole a confronto con quelle di un motore alternativo:

ASPIRAZIONE
La fase di aspirazione della miscela aria-benzina inizia quando il volume della camera in cui sbocca il condotto di aspirazione incomincia ad aumentare, creando così una depressione che richiama la miscela all'interno dello statore. In un motore alternativo
a quattro tempi questo si ha quando la valvola di aspirazione è aperta e il pistone scende verso il punto morto inferiore. Nel motore rotativo ciò avviene quando il condotto di aspirazione non è ostruito dal rotore, che con il suo moto rotatorio determina
un aumento di volume della camera e apre le luci di aspirazione.


COMPRESSIONE
Una camera chiusa il cui volume è in diminuzione descrive il processo di compressione. Un motore a pistone è in fase di compressione quando tutte le valvole sono chiuse e il pistone sta salendo. La compressione nel motore rotativo dipende esclusivamente dal proseguimento del movimento del rotore che, in un primo momento, chiude la luce di aspirazione creando uno spazio chiuso compreso tra la sua parete e quella dello statore e, successivamente, riduce questo spazio, cosicché la miscela aspirata viene compressa.


COMBUSTIONE ED ESPANSIONE
Il processo di combustione ed espansione comincia quando la scintilla di una candela incendia il gas compresso che si espande grazie al calore generato dalla combustione del carburante; quando la compressione ha raggiunto il valore ottimale, scocca la scintilla attraverso gli elettrodi della candela. I motori ricavano la loro potenza trasformando l'espansione del gas in lavoro.
In un tradizionale motore a pistoni il gas spinge il pistone che a sua volta muove biella e manovella e quindi l'albero. Nel motore rotativo questa forza fa muovere il rotore nella direzione in cui la camera contenente il gas in combustione si espande e di conseguenza fa ruotare l'albero eccentrico tramite ingranaggi.


SCARICO
La fase di scarico libera la camera dai residui della combustione preparandola per un altro ciclo. Nei motori a quattro tempi questo avviene quando la valvola di scarico è aperta mentre il pistone sale verso il punto morto superiore. Nel motore rotativo il rotore prima apre la camera di combustione al condotto di espulsione e poi, con il suo movimento, espelle completamente i gas di scarico.

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Funzionamento base del motore Wankel

Girando all'interno della carcassa con un particolare movimento orbitante, il rotore
forma tre camere, il cui volume varia ciclicamente: nelle tre camere si compiono
contemporaneamente tre cicli Otto a quattro tempi, sfasati tra loro di 120°. La fase di
aspirazione della miscela aria-benzina inizia quando il volume della camera in cui
sbocca il condotto di aspirazione incomincia ad aumentare, creando così una
depressione che richiama la miscela all'interno dello statore. Proseguendo nel suo
movimento, il rotore provoca una riduzione dello spazio compreso tra la sua parete e quella
dello statore, cosicché la miscela aspirata viene compressa. Quando la compressione ha
raggiunto il valore ottimale, scocca la scintilla attraverso gli elettrodi della candela; ha così
inizio la fase di combustione e, quindi, l'espansione dei gas; la conseguente pressione
agisce sul rotore costringendolo a proseguire nel suo moto rotatorio. Terminata la fase di
espansione, si ha un'altra riduzione di volume, questa volta in corrispondenza del condotto
di scarico; in questa fase i gas combusti vengono così spinti fuori dal motore. Il ciclo di
funzionamento del motore Wankel è uguale a quello di un classico motore alternativo a
pistoni, ma, avendo il rotore tre lati uguali, il processo avviene in modo sequenziale 3
volte a ogni giro del rotore stesso (corrispondente a 3 giri dell'albero motore), con un
notevole vantaggio ai fini della potenza erogata e della regolarità di funzionamento.

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Schema di un motore Wankel

Il "motore Wankel", nella soluzione industriale oggi conosciuta, è dunque costituito da un capsulismo con statore epitrocoidale a due lobi e rotore a tre cuspidi: in quanto tale è stato abitualmente designato con la sigla "KKM-EPI, 2/3", coniata dagli stessi tecnici tedeschi. Il capsulismo consta fondamentalmente dell'involucro periferico, con profilo interno epitrocoidale, di due piastre laterali, attraversate dall'albero cui fanno da
supporto, e del rotore pseudoprismatico. Questo ha un foro centrale differenziato, nel senso della sua profondità, secondo due zone adibite a diverse funzioni: una parte è dentata, secondo una corona che ingrana su di un pignone statorico (solidale ad una piastra laterale), l'altra è cilindrica e costituisce la porzione esterna di una bronzina la cui porzione interna è ricavata eccentricamente sull'albero.

Il cinematismo (schematizzato in figura) ha dunque un elemento di spinta nell'eccentrico dell'albero ed un elemento di reazione nel pignone statorico: il primo riceve la coppia motrice mentre il secondo, che guida il moto planetario del rotore, ne raccoglie la

reazione. E' interessante osservare, a tale proposito, come l'eccentrico costituisca una manovella collegata direttamente al "pistone rotante", il cui moto di rivoluzione è appunto definito dalla rotazione del proprio asse intorno a quello statorico.

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