MOTOR ROTATIVO WANKEL

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

La principal característica de este tipo de motor frente a uno habitual como puede ser un motor de gasolina de cuatro tiempos o uno diesel es el movimiento con el que realizan el trabajo.

Mientras estos lo hacen mediante un movimiento lineal alternativo que es trasformado a uno de rotación con un sistema de biela-manivela, el motor Wankel genera un movimiento de rotación directamente sobre su pistón triangular, que gira dentro de una carcasa sin que exista ninguno alternativo.

Este tipo de motores dentro del mundo del automóvil es utilizado por ejemplo por la marca Mazda con su modelo RX-8.

1.- FUNCIONAMIENTO

En un motor alternativo; en el mismo volumen (cilindro) 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; es decir, viene a ser como tener un cilindro dedicado a cada uno de los tiempos, 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 pistón 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 alojamiento, 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.

Los procesos de admisión y escape se realizan mediante lumbreras (como los motores de dos tiempos) que son controladas por el giro del motor (no se necesita por tanto distribución).

El rotor de forma triangular gira sobre una excéntrica situada en el árbol motriz. Durante su rotación, los tres vértices del rotor están en permanente contacto con la superficie interna de la camisa.

El dentado interno del motor engrana con un piñón describiendo órbitas alrededor de el. El giro del rotor es trasmitido al árbol motriz a través de la excéntrica, de manera que por cada revolución del rotor del árbol motriz gira tres vuelta (el dentado interno describe tres órbitas alrededor del piñón estacionario) o dicho de otro modo cuando el rotor avanza 120º, el árbol motriz o eje de salida a girado 360º. Por ejemplo cuando el motor alcanza un régimen de 3000 rpm el rotor gira solamente a 1000 rpm. (Par motor más uniforme y más tiempo para realizar el intercambio de los gases).

En cada una de las tres cámaras que se forman entre el rotor y la carcasa se llevan a cabo un ciclo de cuatro tiempos en una vuelta del rotor, es decir, tres ciclos completos por revolución, esto significa que el rotor recibe un impulso cada 120º (360º en el árbol motriz)

En el motor rotativo el árbol motriz gira 1080º (tres vueltas) para completar un ciclo en cada una de las tres cámaras, en este tiempo el rotor gira 360º (una vuelta). En cambio en el motor de pistón alternativo un ciclo completo se realiza cada 720º (dos vueltas) de rotación del cigüeñal.

1.1 ADMISION

La admisión de la mezcla aire-combustible comienza cuando el vértice R descubre la lumbrera de admisión, el desplazamiento del rotor aumenta progresivamente el volumen de la cámara que va llenándose de aires frescos, hasta que el vértice E cierra al lumbrera.

1.2 COMPRESION

La mezcla admitida queda encerrada en la cámara de lado RE, que ahora disminuye su volumen produciéndose la compresión de los gases, Antes de llegar a la máxima compresión, con un cierto avance, se produce el encendido mediante el salto de la chispa en la o las bujías, iniciándose la combustión.

1.3 EXPLOSION

El aumento de presión que produce la combustión, impulsa al rotor mientras se realiza la expansión de los gases, que se prolonga hasta que el vértice R abre la lumbrera de escape.

1.4 ESCAPE

Una vez descubierta la lumbrera de escape, los gases quemados son expulsados a gran velocidad debido a la presión residual de la expansión. El giro del rotor va disminuyendo el volumen de la cámara hasta completar el proceso cuando el vértice E rebasa la lumbrera de escape. La eficacia del intercambio de gases depende de la posición de las lumbreras.

2.- 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, 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 mono cilíndrico, 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, 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), 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 600cc o 700cc cada uno, ayuda a conseguir un menor peso final del mismo.

3.- DESVENTAJAS

Emisiones: es más complicado (aunque no imposible) ajustarse a las normas de emisiones contaminantes.

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 cilindro en rotación, que deben ser impermeables 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.

4.- SISTEMA DE REFRIGERACION

Los motores tienen una temperatura óptima de funcionamiento, la cual debe alcanzarse con la máxima rapidez y posteriormente mantenerse en toda circunstancia. Esta va a ser la función encomendada al sistema de refrigeración. En función del agente elegido para la evacuación del calor nos encontramos ante dos tipos de sistemas: refrigeración por agua o refrigeración por aire, este último no utilizado en los motores Wankel.

La refrigeración de los motores Wankel se realiza mediante agua como en la mayoría de los vehículos actuales, el sistema es el mismo que los motores convencionales, la diferencia está en que los motores convencionales el agua circula a través de los orificios que se encuentran en el bloque motor, y en los motores rotativos el agua circula a través del Epitrocoide ó Carcasa.

5.- SISTEMA DE LUBRICACION Y ENGRASE

Son similares a los que montan los motores de pistón alternativo. La lubrificación de los segmentos se realiza añadiendo aceite al combustible mediante un dispositivo dosificador que dosifica la cantidad de aceite necesario según las revoluciones y la carga del motor.

6.- CARACTERISTICAS DEL MOTOR ROTATIVO WANKEL

Para analizar las características específicas del motor Wankel, se va a comparar con un motor convencional de pistón alternativo, para una mejor comprensión:

No hay sistema de distribución.

Realiza la transformación energética en tres fases que corresponden a los tres ciclos de trabajo que se dan en cada vuelta completa del rotor, pero esto lo ejecuta en un ciclo de cuatro tiempos (admisión, compresión, expansión y escape).

La transmisión del movimiento rotativo del rotor cigüeñal se efectúa mediante el engranaje interior del rotor con una relación de transmisión tal que por cada vuelta del rotor el cigüeñal da tres.

La entrada y salida de gases del cilindro no se controla con válvulas, sino que es el propio rotor, en su giro, el que efectúa esta función destapando y tapando las lumbreras.

Comparte las ventajas del motor de dos tiempos, puesto que también carece de distribución y realiza la admisión y el escape a trabes de lumbreras: alto rendimiento mecánico, más económico, etc.

Como consecuencia de lo anterior, el motor es más compacto y ligero: eso hace que pueda girar más rápido, más silencioso y con menos vibraciones (menos inercia de masas oscilantes).

La estanqueidad ha de ser prefecta para evitar que unos tiempos interfieran en otros, pero resulta muy difícil de conseguir. Este sistema sufre gran desgaste, lo que obliga a unos intervalos de mantenimiento más cortos.

Son motores muy suaves, ya que todos los componentes de un motor rotativo giran en el mismo sentido, en lugar de sufrir las constantes variaciones de sentido a las que está sometido un pistón.

La entrega de potencia es mas progresiva y la velocidad de rotación menor, puesto que los rotores giran a 1/3 de la velocidad del eje. Consecuentemente, las piezas principales del motor se mueven más lentamente que las de un motor convencional, aumentado la fiabilidad.

7.- COMPONENTES

Los componentes fundamentales que lo constituyen son:

7.1 BLOQUE O CARCASA O EPITROCOIDE

Carcasa de forma parecida a una elipse que constituye el cilindro, con los huecos y cámaras por donde circula el líquido de refrigeración. Se encuentra cerrada herméticamente por ambos lados, donde van instalados los cojinetes de apoyo.

Aleación ligera, en su interior se encuentra una camisa, superficie de rozamiento, capa de material de cromo molibdeno recubrimiento de grafito por su cualidad de auto lubricación.

Sobre la carcasa van ubicadas las lumbreras de admisión y escape.

7.2 LUMBRERAS DE ADMISON

Situadas a uno de los lados de la carcasa, realizan el

llenado de gases frescos.

El objetivo de las 2 tomas de aire es el de permitir la entrada de aire y al mismo modo atenuar el ruido procedente del interior del motor el máximo posible (por donde entra aire sale también ruido).

7.3 MULTIPLE DE ESCAPE

Conducto por el cual el aire quemado sale del interior de la cámara de combustión y es canalizado hacia el sistema de escape. Se fabrica

en fundición de hierro para que soporte las altas temperaturas de los gases de escape.

Buena parte del esfuerzo puesto para lograr una elevada potencia se ve disminuido si se usan los múltiples de escapes y silenciadores corrientes.

7.4 BUJIAS

Se encuentran en el lado opuesto de las lumbreras y son las encargadas de generar la chispa.

Contiene los electrodos que es donde salta la chispa cuando recibe la alta tensión, además la bujía sirve para hermetizar la cámara de combustión con el exterior.

7.5 PATINES

Son una especie de segmentos dispuestos en los vértices del rotor, que mantienen la estanqueidad radial entre sus lados.

7.6 SEGMENTOS

La estanqueidad de las tres cámaras durante el giro del motor se consigue mediante segmentos.

Los vértices de rotor van ranurados para alojar a los segmentos.

También es necesario estanqueizar los laterales del rotor, para ello se instalan regletas en cada uno de los lados, provistas de muelles expansores para asegurar el contacto con las paredes laterales de la carcasa.

7.7 LAMINAS EN FORMA DE VECTOR

Alojadas en canales laterales a ambos lados del rotor, aseguran la estanqueidad axial.

7.8 ARBOL MOTRIZ

Apoyados en sus extremos por rodamientos en las piezas laterales. Fijado en él se sitúan las excéntricas.

La transmisión de fuerzas entre el rotor y el árbol motriz se realiza a través de la excéntrica.

Generalmente se construyen motores con dos o tres rotores con 600 o 700cc por rotor.

7.9 PIÑON DE ARBOL MOTRIZ

Piñón que engrana con una corona dentada que se dispone en el hueco interior del rotor.

7.10 CAMARA DE COMBUSTION

Lo constituye el vaciado realizado en cada lado del rotor. Cada cámara constituye un cilindro independiente, puesto que realiza el ciclo completo por cada revolución del rotor.

7.11 ROTOR

Tiene forma de prisma Triangular con los tres lados ligeramente convexos, en cada uno de los lados se practica una cámara de combustión.

Cada uno de los lados realiza los cuatro tiempos en una vuelta del motor. En el centro rotor hay un orificio con un dentado interno.

7.12 MARIPOSA DE ADMISION

Es una válvula que regula la cantidad de aire que ingresará al motor. Se llama “mariposa” porque su forma es circular con un eje en el centro que divide el círculo en 2 “alas”. Esto la hace parecer (con algo de imaginación) a una mariposa.En la mayoría de los coches esta válvula está movida por un cable que a su vez es movido por el pedal del acelerador.

7.13 VENTILADOR

Cumple la función de crear un flujo de aire para enfriar el agua que sirve como refrigerante del motor.

7.14 ALETAS DE ENFRIAMEINTO

Son empleadas para disipar el calor. Tienen la propiedad de aumentar la superficie de disipación del calor al estar en contacto con el aire.

7.15 VARILLA DE NIVEL

Sirve para comprobar el nivel de aceite en el cárter del motor.

7.16 BOBINA DE ENCENDIDO

Su función es acumular la energía eléctrica de encendido que después se transmite en forma de impulso de alta tensión a través del distribuidor a las bujías.

7.17 DISTRIBUIDOR DE ENCENDIDO

(También llamado delco): distribuye la alta tensión de encendido a las bujías en un orden predeterminado.

7.18 ALTERNADOR

El alternador es una maquina destinada a transformar la energía mecánica en eléctrica, generando una corriente alterna.

7.19 EL CARBURADOR

Es el elemento que va a preparar la mezcla de gasolina y aire en una proporción adecuada que entrará en los cilindros.

Una de las propiedades que ha de tener este elemento, es la de proporcionar una cantidad de mezcla en cada momento, de acuerdo con las necesidades del motor. Esto es, cuando el vehículo necesita más potencia, el carburador debe aportar la cantidad de mezcla suficiente para poder desarrollar esa potencia.

Cuando la proporción de gasolina es mayor a la citada anteriormente, decimos que la mezcla es "rica" y por el contrario, cuando baja la proporción de gasolina, la mezcla es "pobre".

8.- ESQUEMA DEL SISTEMA DE ALIMENTACION DE UN MASZDA MPI

9.- ESQUEMA DE UN MOTOR WANKEL CON DOS ROTORES

10.- ESQUEMA DE UN MOTOR WANKEL CON INYECTOR DE GAS DE HIDROGENO

11.- ESQUEMA DE LAS PARTES DE UN MOTOR ROTATIVO WANKEL