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El Motor Wankel (I)

El cuándo, el qué y el cómo

El Motor Wankel (I)

No han sido pocos los intentos de construir un motor rotativo que pudiera competir de tú a tú con los propulsores que tenemos hoy en día, pero uno de esos intentos, llamado motor Wankel, casi lo consigue (aunque aún no está muerto del todo).

Este nombre propio evoca varias cosas. Puede recordar ciertos modelos con el apellido RX, también te vienen a la cabeza las altas revoluciones; aunque quizá lo que más te despierta es una admiración mezclada con un poco de miedo a lo desconocido.

La mayoría, además, lo relacionamos directamente con la gente de Hiroshima, la casa Mazda, y la verdad, es que tienen el mérito de haber apostado por el motor Wankel como los que más. Aun así, su historia se remonta varios años antes.

Y yo te pregunto: ¿te apetece saber más de la alternativa a los motores tradicionales de pistones? Pues quédate, vamos a desnudar el motor rotativo inventado por Felix Wankel desde todos sus ángulos.

Primer apunte: ¿Qué es un motor Wankel?

Antes de leer el ladrillo, quizá sería conveniente entender de manera muy general qué es un motor Wankel.

Una explicación rápida y convincente podría ser que se trata de un propulsor formado a partir de un estator o caja en la que en su interior gira un rotor triangular que lleva a cabo los mismos tiempos (admisión, compresión, explosión y escape), pero con la particularidad de que lo hace con menos peso y un menor número de piezas móviles.

Segundo apunte: El Wankel es un motor rotativo, pero no el único

El motor Wankel es un motor rotativo, pero ojo, no es “el motor rotativo”, sino que existen otras variantes y algunas de ellas anteriores a ese. Es más, existen motores rotativos con pistones, donde son esos los que giran alrededor de un cigüeñal estático, muy populares en la aviación de la PGM. También hay alternativas modernas al Wankel, aunque la mayoría sean prototípicas.

Felix Wankel

Detrás de su oscuro pasado relacionado con el partido político de Hitler, encontramos a una mente brillante que nos ha dejado un legado muy valioso

Las circunstancias y como sucedió

Para entender el origen, hay que contar un poquito la vida de Felix Wankel. Este señor nació en 1902 en la ciudad de Lahr, Alemania. Al contrario de lo que se puede imaginar, su trayectoria estudiantil fue más bien breve; no acudió a la universidad ni tampoco obtuvo el equivalente al bachillerato de aquella época. Se dice, además, que no era bueno con las matemáticas. A pesar de su “currículum” veremos de qué fue capaz y, en su defensa, diremos que si era un gran autodidacta.

Como si de una novela de ciencia-ficción se tratase, cuenta la leyenda que el joven Wankel tuvo a sus 17 años un sueño. En esa visión él iba a un concierto con sus amigos y conducía un coche fabricado con sus propias manos. En el trayecto les decía: “mi coche tiene un nuevo propulsor, es un híbrido entre un motor de pistones y una turbina ¡Lo he inventado yo mismo!”

Primer Prototipo 1957

Type DKM54 (1957) – El primer prototipo práctico del Wankel producía 21 CV y tanto el propio rotor como la carcasa eran giratorios

Dicho y hecho, a lo Steve Jobs y a lo largo de sus experimentos caseros, la idea de un motor rotativo práctico va calando en su interior. En 1924, junto a personas de su círculo íntimo, abren un pequeño negocio que funciona como taller de ingeniería; allí continua sus investigaciones.

Paralelamente, el inventor germánico era simpatizante del movimiento nacional-socialista e incluso llegó a ocupar cargos dentro de la SS durante la Segunda Guerra Mundial. Esta correspondencia hizo que el ejército alemán se interesase también por el motor rotativo y que, por ende, financiaran los experimentos de Wankel. Además, trabajó para la marina y la aviación alemana diseñando válvulas y portezuelas e hizo algunos cometidos para BMW y Daimler-Benz.

Tras la guerra, su laboratorio fue clausurado por las tropas francesas, las mismas que lo encarcelaron unos pocos meses.

KKM 400

Type KKM400 (1958) – Segundo prototipo. La carcasa ya es fija pero aún cuenta con un sistema de refrigeración un tanto complejo

Siguiendo con su trayectoria, en 1951 entró a trabajar en el departamento de desarrollo del antiguo fabricante de bicicletas, motos y automóviles NSU Motorenwerk AG. Allí reanuda sus intentos para concebir su propio motor y en 1957 llega el primer prototipo funcional del Motor Wankel. Esta primera muestra recibió mejoras de Curtis-Wright Corporation, mayor fabricante de aviones de los EEUU por entonces.

Este inaugural intento funcionaba, pero no era aplicable a condiciones reales. Su estructura se mostraba demasiado compleja debido a que tanto el rotor como su carcasa eran giratorias. Año después llegaba otro modelo, el KKM 400. Este ya contaba con la carcasa como estator y un rotor triangular. Seguía siendo un prototipo, pero nacía la base de lo que terminaría siendo el Wankel que se conoce hoy en día.

NSU Spider

NSU Spider (1964-1967) – Fue el coche con el que el motor Wankel hizo su debut en un coche de producción. Sus 498 cc le otorgaban 50 CV a 6.000 RPM

En 1960 el motor es presentado oficialmente delante de la prensa y los especialistas en el Deutsches Museum en Munich. El mismo año, y ya no como prototipo, sino como modelo funcional, el propulsor Wankel se muestra montado en uno de los modelos de la fábrica, el NSU Prinz. Con el viento a favor, tras todas esas pruebas que han salido bien, NSU apuesta por el motor rotativo de su ingeniero y en 1964 sacan al mercado el primer coche de producción con motor Wankel, el NSU spider.

Unos años más tarde, en 1967, NSU remataria la faena con un coche mucho más sofisticado, el Ro 80. Se trataba de un sedán de cuatro puertas que plasmaba la evolución del motor Wankel. Bajo su capó escondía un motor rotativo de 995 cc que, con dos rotores, producía 114 CV. Juntamente a una caja de cambios semi-automática innovadora, le hicieron valer el título de Coche del año en 1968.

Nsu Ro 80

NSU Ro 80 (1967-1977) – Motor y tracción delantera. El motor rotativo le confería menor peso y un bajo centro de gravedad. Se comercializó durante 10 años

Ahora que tenemos en el bolsillo los primeros pasos de este peculiar propulsor. Hagamos un paréntesis para hablar de su estructura y funcionamiento básico.

Partes Wankel

Composición básica

En un primer momento, tanto al explicar el despiece como el funcionamiento, nos basaremos en un motor Wankel de un solo rotor para facilitarnos la tarea.

Tal y como se observa en la imagen superior, el motor Wankel cuenta con dos piezas clave: el estator o carcasa y el rotor triangular. La primera tiene un interior con forma de ocho o elíptica (casi, no totalmente). La segunda gira dentro de esa cavidad. Por otra parte, las holguras o espacios que separan la caja fija y el rotor son los volúmenes donde se llevaran a cabo los cuatro tiempos (ciclo Otto).

El interior del rotor es el que determinará el movimiento de este. Se divide en dos partes:

Una es la corona dentada, que va engranada con el piñón fijo, que tal y como indica su nombre permanece inmóvil. Este encaje, permitirá al rotor un movimiento de rotación, además de dotarle de una órbita; que juntamente con la forma de la “caja fija”, a medida que gire el rotor, el espacio de los volúmenes irá variando.

La otra mitad es lisa y se apoya sobre una excéntrica. La función de ese elemento se basa en “recoger” el movimiento de rotación y traslación del rotor y convertirlo en giratorio a la salida del eje, que posteriormente transmitirá el par al resto de la cadena cinemática (embrague, caja cambios, árbol de transmisión, diferencial y ruedas). La relación de transmisión del rotor respecto al árbol de salida es de 1/3, es decir que, si el rotor se mueve a 9.000 RPM, el eje motriz lo hará en 3.000 RPM.

Patines Y Camara

Marcadas en rojo hay las cámaras de combustión, donde se llevará a cabo ese tiempo y, los patines de las aristas, para sellar cada uno de los volúmenes. Las flechas verdes señalan los patines de las caras laterales – Fotograma tomado de un video perteneciente a http://www.mattrittman.com

No abandonamos el rotor, ya que en él se encuentran los componentes que se encargaran de la estanqueidad de las tres cámaras que se forman. Tal y como un motor de pistones tiene sus segmentos, el Wankel tiene algo parecido llamado patines.

Hay uno por cada arista, es decir tres, e impiden que se comuniquen los volúmenes manteniendo siempre el contacto con la superficie interior de la carcasa. Las caras laterales también deben de estar aisladas respecto al cuerpo del rotor, por lo que cuentan con patines de igual manera.

En las paredes o caras del rotor, hay practicadas unas cavidades que funcionaran como cámaras de combustión. Si no existieran, el conjunto aire-combustible se comprimiría demasiado.

Asimismo, las bujías son necesarias en el motor rotativo, pero en este caso, encontramos que lleva dos. Eso es debido a que es difícil producir una combustión homogénea a causa de la forma de la cámara, que es muy alargada. Entonces tenemos que la primera bujía, llamada conductora, produce la chispa inicial, empezando a inflamar la mezcla. Seguidamente, salta la chispa de la segunda bujía, la de arrastre, que termina de quemar el resto de aire-combustible. Su desfase se cuenta en unos 10-15 grados.

Para terminar con lo básico, citaremos la puerta de admisión, por donde entra la mezcla aire-combustible y la puerta de escape, salida en la que se evacuan los gases quemados. Esas dos lumbreras están comunicadas por el colector de admisión y colector de escape respectivamente.

Despiece

Despiece de un Wankel de 2 rotores

  1. Carcasa lateral trasera
  2. Estator núm. 1
  3. Carcasa lateral central
  4. Estator núm. 2
  5. Carcasa lateral Frontal
  6. Colector Admisión parte 1
  7. Mariposa electrónica
  8. Piñón fijo núm. 1
  9. Rotor núm. 1
  10. Rotor núm. 2
  11. Piñón fijo núm. 2
  12. Colector Admisión parte 2
  13. Árbol motriz
  14. Colector Escape

Funcionamiento elemental

Muy bien, con las piezas generales ubicadas y explicadas brevemente, podemos pasar a la siguiente «pantalla», el cómo se hace la potencia con el trabajo de cada una de ellas.

Partimos, otra vez, de la caja ovalada y el rotor que gira en su interior. Este giro orbital, custodiado por la corona interior del rotor y el piñón fijo, provoca que los volúmenes de las cámaras cambie a medida que los grados de rotación aumentan, pudiendo así llevar a cabo cada uno de los cuatro tiempos del ciclo Otto. Cómo hay tres volúmenes, se realizan tres tiempos a la vez.

De izquierda a derecha: las escenas de admisión y compresión son representadas por las caras CA y AB, respectivamente, entendiendo que se realizan al mismo tiempo.

  • Admisión: empieza en el momento que el ápice A, revela la lumbrera o puerta de admisión, dejando paso al aire y combustible premezclado anteriormente en el colector, absorbido por el vacío que produce el giro del rotor. Este giro aumenta progresivamente el volumen de la cámara que va llenándose, hasta que la punta C “cierra” el flujo.
  • Compresión: Mientras, en el lateral AB, gracias a la órbita del rotor y a la forma de este y la carcasa, permite la compresión de la mezcla y su aumento de temperatura, dejándolo a punta de caramelo para que empiece la combustión. Justo antes de la máxima compresión, se produce el encendido.

De izquierda a derecha: las escenas de explosión y escape son representadas por la cara CB, entendiendo que el rotor se ha movido hacia la der. unos 120 grados aprox. de una a otra.

  • Explosión: En la imagen que vemos arriba, perteneciente a la combustión, ya han saltado las chispas de las bujías (conductora y arrastre) y el trabajo producido, desplaza la cara lateral BC, que a su vez hace girar el rotor. Es en la única fase donde se produce trabajo. Otra vez, el volumen vuelve a aumentar. De manera progresiva, el rotor va descubriendo la lumbrera de escape.
  • Escape: La inercia de la expansión provoca que el rotor siga su trayectoria y que los gases quemados pasen a otro volumen donde son barridos hacia la ventana de escape. Así, se completa el ciclo, que inmediatamente vuelve a empezar.

Tras el ciclo de los cuatro tiempos se entiende que el motor Wankel es capaz de completarlo en tan solo una vuelta o 360°, aumentando o disminuyendo los tres lóbulos o espacios que se forman entre la carcasa y el rotor. Esto lo diferencia del motor alternativo clásico, que cada cilindro necesita dos vueltas o 720° de rotación en el cigueñal.

De igual modo, mientras el rotor ha dado una vuelta, la excéntrica y a su vez el eje da tres. Así pues, se puede llegar a la conclusión de que un motor Wankel (con sus tres volúmenes) equivale a un motor de tres cilindros, capaz también de completar el ciclo Otto en una sola vuelta.

Además de letras y dibujos, para consolidar la idea, nos irá bien un video que pone de manifiesto lo contado en esos dos últimos apartados:

Refrigeración

Un tema que da para hablar es que los tiempos ocurren siempre en la misma parte del estator. La admisión y la compresión se llevan a cabo en la parte derecha, mientras que la explosión y el escape lo hacen a la izquierda. Dadas esas circunstancias tenemos que en la parte derecha hay de media unos 150 °C mientras que en la parte izquierda la cifra asciende hasta los 1.000 °C. Este desequilibro plantea problemas de refrigeración, que hacen de esta una tarea complicada.

Refrigeracion Axial

Refrigeración axial de un estator y sus carcasas laterales – Imagen tomada del libro “Rotary Engine” de Kenichi Yamamoto (1981)

La refrigeración del estator se realiza, generalmente, con agua/refrigerante en los automóviles; se utilizan los conductos que transcurren este componente, incluyendo sus carcasas laterales. Tal y como se observa, esos canales son más prominentes en la parte caliente, donde transcurren la combustión y el escape. El sistema utilizado en coches, se denomina refrigeración axial y viene definida por el paralelismo que existe en la dirección del anticongelante y el árbol motriz.

El rotor, en cambio, es refrigerado por aceite a través del árbol motriz que lo inyecta en su interior. La fuerza centrífuga provoca que se cree un torbellino y ese se reparta por todo el trocoide, absorbiendo el calor. Para bajar la temperatura de ese aceite se usa un intercambiador de calor.

Lubricación

El engrase, normalmente y cuando se trata de coches, funciona a base de dos métodos independientes. Uno es exclusivo para los componentes de sellado del rotor, y el otro utiliza para el resto de piezas del motor. Ambos suelen utilizar la misma bomba a presión.

De ese modo, para lubricar los segmentos, muelles y demás piezas de sellado, hay una bomba que envía un caudal de aceite en función de las necesidades. Es decir, lo hace en función de la carga del acelerador y las revoluciones del motor.

Mazda RX 7 FA Portada

Mazda RX-7 (FA)

Consumo de aceite

Aquí hay que hacer un pequeño paréntesis para discutir un tema estrella en el motor rotativo: el consumo excesivo de aceite. Señores, como habéis visto en el párrafo anterior, cierto consumo de aceite es normal en esos coches, pues el empleado en las piezas de sellado se termina quemando ¿Es un problema? No, es la naturaleza del propulsor.

Por otra parte, si esos segmentos (los que se encargan de la estanqueidad de los volúmenes) no están en buen estado (por el motivo que sea) este consumo se acentúa.

Solo se trata de saber cómo funciona el motor, usar un aceite adecuado y ser cauteloso con el mantenimiento del coche.

Paréntesis finalizado, seguimos. El resto de piezas, principalmente el eje motor, sus cojinetes y engranajes, se engrasan mediante presión y se combina con un radiador, para que el aceite haga su doble función: lubricar y refrigerar. Aquí os dejo un mapa muy visual sobre todo el esquema de lubricación.

Capo NSU Spider

Las tripas del NSU Spider de 1967. No faltaron los problemas, la verdad por delante, pero se demostró que había un camino por recorrer

Por qué lo vale

  • Tal y como se puede apreciar en el despiece, es un motor que consta de pocas piezas si lo comparamos con uno de pistones tradicional. En concreto, alrededor de una tercera parte.
  • Lo citado arriba se traduce en que es más pequeño y en consecuencia pesa menos. También ayuda a conseguir un bajo centro de gravedad.
  • No tiene movimiento alternativo (pistones que suben y que bajan) ni tampoco cadena, correa o engranajes de distribución, tan solo hay movimiento rotatorio, por lo que es más silencioso y sencillo.
  • Es más suave entregando el par motor, puesto que hay una combustión cada tercio de vuelta del trocoide, a diferencia de un cilindro, que la hay cada dos del cigüeñal.

Por lo que no

  • Dificultad de sellar los tres volúmenes del estator, que puede provocar consumo de aceite si no se cambian los patines cada cierto tiempo o kilómetros. Eso implica un exceso de emisiones contaminantes y la dificultad de ser homologado con normativas actuales.
  • Eficiencia energética pobre, que viene dada por la forma alargada de la cámara de combustión y que provoca que la quema de la mezcla se produzca durante demasiado tiempo. Su baja relación de compresión tampoco ayuda (8-9,5:1).
  • Distribución irregular de las temperaturas, donde en un lado se producen la explosión y el escape (fases calientes) y en otra la admisión y la compresión, dando lugar a una deformación de los materiales.
  • Ignorancia del público, poca gente sabe de sus características, lo que dificulta su expansión.
  • Durante ciertos grados de rotación, las lumbreras de escape y de admisión están comunicadas, hecho que empeora el rendimiento y las emisiones. Esto se conoce como «cortocircuito».

Y termina la introducción, en la que se ha visto el cuándo, el qué y el cómo. Hay mucho más por contar y por eso, no nos quedamos aquí. Habrá más historia, más técnica y más curiosidades acerca del Motor Wankel.

¡Larga vida a sus revoluciones!

En espíritu RACER | El motor Wankel: parte 2 y parte 3

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Es curioso que me entusiasme cualquier actividad relacionada con los coches ¿El escribir? Para trasmitir. Trasmitir conocimiento, pasión y sensaciones; hacerte llegar aquello por lo que me vuelvo loco. Súmale que aprendes y ya es una terrible adicción.

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