Il motore Wankel: cos’è e come funziona?

Il motore Wankel è un motore a combustione interna rotativo (perché il pistone non si muove di moto rettilineo alternato, ma ruota intorno a un asse); viene alimentato da un impianto di alimentazione con travasi e da un impianto di scarico che analogamente presenta luci di scarico in posizione periferica o laterale.

Quando nasce il motore Wankel?

Fu presentato da Felix Wankel nel 1957 grazie alla collaborazione con il dott. Froede, capo dei tecnici della N.S.U., che apportò modifiche sostanziali al progetto iniziale del motore. La prima vettura azionata da un motore Wankel fu, nel 1963, la NSU Spider; nonostante il monorotore avesse una cilindrata di soli 498 cm³ sviluppava una potenza di 50 CV e spingeva l’auto ad oltre 150 km/h a fronte di un consumo decisamente parco per l’epoca.

Una sperimentazione su vasta scala fu condotta da Citroën tra il 1970 ed il 1971, con l’introduzione della vettura M35, prodotta in 267 esemplari ed affidata ad altrettanti clienti scelti per l’uso intensivo che facevano della propria vettura. Citroën avviò nel 1973 anche un programma di ricerca in campo aeronautico culminato con la costruzione dell’elicottero RE2 Citroën, che volò nel dicembre del 1975 ma che non ottenne mai una certificazione permanente di idoneità al volo e che oggi si trova al Conservatoire Citroën.

Le prime vetture di serie che adottarono questo tipo di motore furono le NSU, che sviluppò questo tipo di propulsore assieme a Citroën tramite la società controllata Comotor, tra i prodotti di questo accordo, vanno ricordate la Ro 80 per NSU e la GS Birotor per Citroën. Tra il 1963 e il 1970, la Mercedes Benz realizzò una decina di prototipi tra cui le famose C111 a tre e quattro rotori (realizzate tra il 1969 e il 1970) e una 350 SL Quadrirotore utilizzata normalmente da Wankel stesso. Alla Mercedes si affiancò la GM, con i prototipi Chevrolet, e la American Motors, che realizzò una versione rotativa della sua Pacer.

L’Alfa Romeo sperimentò il motore Wankel fino al 1975. Aveva una sala prova motori attrezzata in permanenza per le prove e due vetture su cui era montata la versione birotore di 2200 cm³, la prima era una Giulia berlina, la seconda era una 1750 bianca, che durò in servizio alcuni anni. Le ricerche furono abbandonate dopo che all’ente di ricerca, cui era affidata la sperimentazione, si convinsero che nemmeno applicando l’iniezione elettronica era possibile avvicinarsi ai livelli di inquinamento raggiungibili con i motori alternativi. In campo motociclistico il propulsore rotativo fu utilizzato sporadicamente dalla stessa NSU, dalla Sachs (la “Wankel 2000”, datata 1974, fu la prima moto al mondo a essere spinta da un motore rotativo) dalla Suzuki (sul modello “RE-5” del 1975) e dalla Norton che riuscì anche ad ottenere delle vittorie in gare del campionato inglese.

La casa automobilistica Mazda da oltre trent’anni porta avanti lo studio e lo sviluppo di motori rotativi ad alte prestazioni, l’ultima applicazione è sulla vettura Mazda RX-8 (2003-11) un birotore denominato “Renesis” (fusione delle iniziali di Rotary Engine e della parola Genesis) con cilindrata complessiva di 1.308 cm³, in grado di sviluppare una potenza di 231 CV (170 kW) a 8.500 giri/min ed una coppia massima di 211 N·m a 5.500 giri/min. È a tutt’oggi l’ultima evoluzione del motore di derivazione Wankel.

Come funziona il motore Wankel?

Il principio di funzionamento del Wankel è molto semplice: un rotore a tre lobi ruota eccentricamente intorno all’albero motore, generando con il suo movimento camere di lavoro, all’interno delle quali si compiono ciclicamente le quattro classiche fasi di aspirazione – compressione – combustione – scarico.

Girando all’interno della carcassa con un particolare movimento orbitante, il rotore forma tre camere, il cui volume varia ciclicamente: nelle 3 camere si compiono contemporaneamente 3 cicli Otto a quattro tempi, sfasati tra loro di 120°.

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.

La fase di aspirazione della miscela aria-benzina inizia quando il volume della camera in cui sbocca il condotto di aspirazione ed il volume incomincia ad aumentare, creando così una depressione che richiama la miscela all’interno della camera statorica. 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; il conseguente aumento di pressione fa sì che delle forze agiscano sul rotore costringendolo a proseguire nel suo moto rotatorio. Terminata la fase di espansione si ha un’altra riduzione di volume durante la quale i gas combusti vengono spinti fuori del motore attraverso il condotto di scarico. Le pressioni che vengono esercitate sul rotore dai gas in espansione sono trasmesse tramite l’eccentrico sull’albero motore, che, quindi, viene trascinato in rotazione. Dall’albero motore il moto passa direttamente al gruppo frizione e quindi al cambio, da dove viene trasmesso alle ruote motrici.

Quali sono i vantaggi del motore Wankel?

Il motore Wankel, grazie alla sua particolare struttura, presenta numerosi vantaggi rispetto ai vari tipi di motore alternativo a combustione interna:

• un minor numero di parti in movimento;
• una minore rumorosità e minori vibrazioni;
• un’elevata leggerezza dovuta alle dimensioni ridotte ed elevato rapporto potenza/peso;
• una minore emissione inquinante di ossidi di azoto, dovute alla minore temperatura media dei gas;
• una maggiore potenza, a parità di cilindrata, rispetto ad un motore a pistoni alternativo;
• una semplicità progettuale e manutentiva;

Il motore rotativo ha un’incredibile semplicità di progettazione derivante dal suo dettaglio più importante: la presenza di solo due parti in movimento, il rotore e l’albero motore.

È inoltre notevole l’assenza di masse in moto alterno (che sui motori alternativi sono bielle, pistoni e spinotti) e quindi l’assenza di forze di inerzia del secondo ordine che risultano altrimenti difficili da bilanciare L’assenza di queste forze di inerzia nonché di una massa volanica (sostituita dal rotore stesso) consente a questo tipo di motore di avere forti accelerazioni e valori di potenza specifica più elevati rispetto ai motori alternativi grazie alla possibilità di raggiungere regimi di rotazione maggiori.

Ha poi cicli di aspirazione e di scarico più vantaggiosi, dal momento che i fluidi hanno più tempo per entrare e uscire dalla camera di combustione e quindi ha minori perdite di carico. Anche il Wankel può essere dotato di sistemi di sovralimentazione mediante turbina o compressore volumetrico. Il miglior sfruttamento della combustione durante l’espansione fornisce, a parità di cilindrata, una maggior potenza rispetto a un motore alternativo, perché durante l’espansione l’albero ruota di 270° anziché di 180°.

Quali sono gli svantaggi del motore Wankel?

I principali svantaggi sono:

• scarsa durata degli elementi di tenuta del rotore;
• coppia contenuta ai bassi regimi di rotazione;
• consumo di carburante, in generale maggiore rispetto al motore alternativo
• problematica lubrificazione dei segmenti apicali;
• tasso di idrocarburi incombusti molto elevato

I problemi di carattere costruttivo del Wankel riguardano in particolare il rotore, sottoposto a brusche escursioni termiche di circa 900 °C e che deve essere quindi costruito in leghe estremamente resistenti (acciaio e alluminio) e costose. Inoltre, data la conformazione spigolosa del rotore, questo è sottoposto a strisciamento e micro-urti continui contro la parete dello statore che vede presto deteriorarsi la pista di strisciamento riducendo così la tenuta idraulica delle guarnizioni, e conseguente riduzione del rendimento.

Dal punto di vista tecnologico, la costruzione degli organi principali, quali il rotore e lo statore, è complicata: lo statore soprattutto presenta serie difficoltà a causa della lavorazione superficiale della pista di scorrimento, che richiede l’uso di macchine di precisione. Inoltre per garantire una buona resistenza all’usura delle superfici di strisciamento vanno eseguiti processi di indurimento superficiale (tempra) e levigatura molto accurati e costosi. I principali problemi di questi motori riguardavano la durata delle guarnizioni di tenuta del rotore che lavorano in condizioni di pressione e temperatura elevata e la loro scarsa lubrificazione. Grazie allo sviluppo della tecnologia dei materiali, la durata di vita di questi propulsori fu notevolmente aumentata, consentendo una produzione su larga scala.

Questi problemi negli anni sessanta minarono rapidamente il proliferare dei motori rotativi. Le necessarie e costosissime ricerche tecnologiche e produttive furono portate coraggiosamente avanti dalla sola Mazda, che ha proseguito su questa strada sino a pochi anni fa, tornando recentemente sul tema. Che sia una resurrezione?