Motore Wankel Mazda: quei pochi accorgimenti che migliorano l’efficienza

Continua la nostra rubrica sui motori innovativi che potrebbero rappresentare la rivoluzione dei motori termici così come li conosciamo oggi. Questa volta parliamo di un’azienda del New Jersey che è al lavoro su alcuni prototipi realizzati come motore termico atipico, parliamo quindi di un’architettura che rompe completamente gli schemi convenzionali.

La realtà di cui vi illustriamo l’ultimo ritrovato della tecnica, ovvero il motore Wankel invertito è l’azienda statunitense LiquidPiston che propone un motore a combustione molto leggero e compatto, che potrebbe presto diventare rilevante sui veicoli ibridi nel ruolo di range extender, come già accaduto con Mazda per il normale motore Wankel, ma che all’occorrenza può essere utilizzato anche singolarmente per sviluppare anche 1.000 CV. Come accade nelle migliori realizzazioni tutto parte dalla struttura di base già esistente di un normale rotativo, questo motore Wankel invertito eredita altri vantaggi, tra cui l’assenza di valvole e altre parti mobili.

Contemporaneamente, la LiquidPiston ha modificato in maniera sostanziale i normali motori Wankel cancellando gran parte dei problemi creando una nuova architettura che l’azienda chiama “Wankel invertito”. La prima modifica sostanziale vi è nelle geometrie: il motore è provvisto di uno statore triangolare e un rotore a due lobi, a differenza del motore Wankel normale in cui lo statore presenta forma bilobata mentre il rotore è triangolare. Un’altra inversione la troviamo nelle modalità di ricambio d’aria. Nel Wankel le porte di aspirazione e scarico sono ricavate all’interno dello statore, mentre nel motore Wankel invertito questo si sposta interamente all’interno del rotore.

Si tratta di una differenza molto importante che fa capire quale sia l’ultima grande novità, ovvero parliamo delle camere di combustione delle unità Wankel, le quali con il rotore è fisso, mentre nel rotativo invertito queste restano circoscritte ai tre “vertici” del triangolo ricavato all’interno dello statore. In questo modo si crea una maggiore libertà per controllare fasi, in particolare aumentando quella di espansione per massimizzare il lavoro utile della combustione.

Come funziona il motore Wankel Mazda…invertito

Nel prototipo del motore Wankel invertito vi è un flusso d’aria che attraversa il motore lungo il suo asse. La maggior parte del flusso raffredda l’intero motore passandovi attraverso, ma una frazione dell’aria viene incanalata all’interno dell’albero al motore. L’aria di aspirazione si trova all’interno delle singole camere di combustione incontrate durante la rotazione del rotore.

A quel punto, in maniera identica al normale propulsore Wankel, il movimento del rotore comprime ed espande le camere di combustione, realizzando le fasi di compressione, combustione ed espansione. A questo punto i gas combusti finiscono in un secondo condotto di scarico ricavato nel rotore, nel momento in cui incontra la camera di combustione.

La stessa LiquidPiston, per il suo motore Wankel invertito, evidenzia come il proprio motore conservi i vantaggi di compattezza, leggerezza, semplicità e bilanciamento tipici dei propulsori rotativi. Rispetto al motore Wankel tradizionale, il motore firmato LiquiPiston presenta camere di combustione con un miglior rapporto volume-superficie, capaci di migliorare la fiamma e di ridurre le dispersioni di calore. Il vantaggio risulta essere la crescita dell’efficienza del motore stesso.

Inoltre, grazie alla forma bilobata del rotore, le guarnizioni tra le diverse camere di combustione sono presenti all’interno dello statore. Questo permette di lubrificare solo in loco l’area con accesso dallo statore, senza più la necessità di immettere olio in camera, riducendone il consumo e abbattendo il trafilamento di gas, debolezza che affliggeva molti dei motori Wankel in commercio.

I due prototipi del motore Wankel Mazda invertito

Guardando nei laboratori della LiquidPiston si testano due prototipi differenti di motore Wankel invertito. Uno di questi è chiamato X-Mini, parliamo di un’unità a benzina a quattro tempi a iniezione indiretta, che con i suoi 70 cc di cilindrata non va oltre i 2 kg di peso. Il suo rapporto di compressione che risulta essere in grado di sviluppare è di 9:1, con una potenza massima di appena 3.6 CV a 9.000 giri al minuto, con un rendimento termico di appena il 22%. Si stima però che, quando potrà essere pienamente a regime il motore potrà arrivare a 5 CV a 14.0000 rpm, con un rendimento del 25% e una potenza specifica di circa 71 CV/litro, meglio quindi di un normale motorino.

Oltre alla versione benzina esiste una versione di Wankel invertito con unità Diesel, che lavora secondo il ciclo termodinamico brevettato HEHC, parliamo dell’High Efficiency Hybrid Cycle, che presenta caratteristiche tipiche dei cicli Otto, Atkinson e Diesel. L’accensione è completamente spontanea, ma contrariamente agli altri motori Diesel si va ad approssimare una combustione a volume costante, per poi seguire una fase di espansione prolungata se paragonata alla use di compressione. Allo stato attuale, il prototipo da 750 cc e 27 Kg eroga 40 CV a 7.000 giri al minuto, con un rapporto di compressione compreso tra i 16 e i 18:1. L’obiettivo ultimo però non è fermarsi, ma scendere a 18 kg e portare il rapporto di compressione a 26:1. Questo dovrebbe permettere di incrementare la potenza a 50 CV, innalzando l’efficienza termica dal 33 al 45%.  

Per entrambe le unità vi è la possibilità di scalare la potenza, andando a variare spessore e diametro del rotore, oltre che aumentare i giri del rotore come visto anche sui powertrain Wankel normali di Mazda. Per altre operazioni sono presenti strategie di controllo per disattivare in ordine alternato le accensioni nelle singole camere. Stiamo parlando di una logica molto simile al principio di disattivazione dei cilindri, che punta a ridurre il numero di camere attive per massimizzarne il carico e l’efficienza. Oltre a questo il motore Wankel invertito di LiquidPiston propone l’iniezione diretta di acqua in camera di combustione, sia con azione refrigerante che con l’obiettivo di aumentare la pressione interna per mezzo del vapore.

I possibili usi del motore Wankel invertito

Tra i vantaggi citati dall’azienda LiquidPiston, che con il suo motore Wankel invertito, oltre alla compattezza e leggerezza, spicca l’assenza di valvole e di un impianto di distribuzione, che al tempo stesso aumenta l’efficienza meccanica e semplifica l’intera architettura, contenendo i costi di produzione.

Grazie all’estensione della fase di espansione, la turbolenza nel flusso di scarico è notevolmente ridotta, in modo da non dover usare il silenziatore. Infine, come accade per gli altri propulsori rotativi, le vibrazioni sono limitate dal bilanciamento complessivo, ma contrariamente ai Wankel il consumo di olio e i fenomeni di blow-by tra le camere sono ridotti.

L’azienda statunitense ha pensato molteplici applicazioni per i loro motori Wankel invertito, come range extender sui veicoli ibridi, generatori portatili, droni, veicoli da giardino, go-kart, propulsione navale e unità di potenza ausiliarie per barche e aerei.

Torniamo però allo stesso discorso, parliamo dell’elettrificazione imperante nell’industria automobilistica che scoraggia i grandi costruttori dall’investire su tecnologie che cambino l’architettura ultracentenaria del motore termico, il cui però, come sappiamo, futuro rimane decisamente incerto. LiquidPiston, come altre aziende nel mondo, in primis Avadi con la sua idea di motore termico, proseguono i test in attesa di trovare uno sbocco commerciale per le loro invenzioni.