Wankel: come funziona il motore rotativo?

Il motore Wankel è un motore a combustione interna di tipo rotativo perché al suo interno, al posto di sfruttare un pistone che si muove di moto rettilineo alternato, sfrutta un pistone di forma solitamente triangolare che si muove di moto rotatorio intorno al proprio asse e per questo viene definito rotore. Il motore Wankel è costituito quindi da una parte fissa esterna detta cassa o statore, all’interno della quale è ricavata una camera di forma trocoidale, entro cui ruota questo rotore solitamente di forma triangolare. Durante il moto, i vertici del rotore si mantengono costantemente a contatto con le pareti della cassa e la differenza di forma tra la parte fissa e quella in movimento porta alla formazione di camere (tre nel caso tipico di rotore triangolare), la cui variazione di volume è imposta dal movimento relativo tra statore e rotore. Per ogni giro del rotore attorno al proprio asse quindi, nei volumi delimitati da ciascuno dei suoi lati, si compiono le quattro fasi di aspirazione, compressione, espansione e scarico. Considerando quindi un motore Wankel con rotore triangolare, ad ogni giro del rotore si compiono tre cicli sfasati tra loro di 120 gradi di angolo di manovella mentre il movimento del rotore è causato da tre condizioni diverse di pressione (aspirazione, compressione ed espansione, scarico) che, ad ogni istante, si verificano sulle camere formate da ciascuno dei tre lati del rotore con la parete dello statore.

Le fasi del ciclo

Per effetto del moto del rotore, uno dei tre vani viene messo direttamente in collegamento con la luce di aspirazione, dalla quale entra la miscela fresca. La depressione presente nel vano, dovuta al suo aumento di volume indotto dal moto del rotore, viene in questi casi sfruttata per favorire l’ingresso della carica fresca. Il movimento del rotore causa poi la diminuzione del volume del vano formato con le pareti dello statore, andando a comprimere la carica fresca. Al termine della fase di compressione si raggiungono pressioni fino a 10 bar e scatta la scintilla per innescare la fase di combustione. Il fronte di fiamma innescato dalla scintilla della candela si propaga ed incendia la miscela compressa, che si espande. Le condizioni di elevata pressione che si vengono a creare nel vano (la pressione può raggiungere i 60 bar) favoriscono il movimento del rotore nella direzione in cui la camera si espande e generano la coppia motrice che viene poi trasmessa all’albero motore. Scoprendo la luce di scarico i gas prodotti dalla combustione vengono quindi espulsi, preparando la camera ad un altro ciclo. In particolare, prima il rotore apre la luce di comunicazione tra la camera di combustione ed il condotto di espulsione, poi, durante il suo movimento, espelle completamente i gas di scarico. La pressione durante questo processo scende da un valore prossimo alla pressione di picco fino a valori di poco superiori alla pressione atmosferica.

Generazione della coppia

Le pressioni che vengono esercitate sul rotore dai gas in espansione sono trasmesse dal rotore all’albero motore mediante un eccentrico a sua volta in moto relativo con la sede del rotore. L’ingranaggio costituito dalla corona rotorica e dal pignone statorico impone, infatti, al rotore un moto pericicloidale che comporta un giro del rotore sul proprio asse ogni tre giri dell’eccentrico (l’ingranaggio interno al rotore ha il triplo dei denti rispetto al pignone statorico). Le fasi di aspirazione, compressione, espansione e scarico si ripetono in successione per ognuna delle tre camere che si creano tra statore e rotore. L’albero motore inizia quindi un nuovo giro ogni qualvolta un vertice del rotore passa di fronte alla luce di aspirazione ed è per questo che la frequenza di rotazione dell’albero coincide con la frequenza di ripetizione del ciclo, perché ad ogni giro dell’albero motore si completa un ciclo termodinamico per ogni camera. Ora si comprende come un motore rotativo Wankel sia in grado di erogare una potenza analoga a quella prodotta da un motore alternativo di tre cilindri (ciascuno avente volumetria pari a quella della singola camera del Wankel) a 2 tempi.

Pro e contro

Il motore Wankel è inoltre dotato di una elevata semplicità di progettazione determinata da un numero esiguo di parti in movimento (il rotore e l’albero motore), di una bassissima produzione di rumori e vibrazioni grazie all’assenza di masse in moto alterno (pistoni, spinotti e bielle) che generano forze di inerzia del secondo ordine, di bassissime dissipazioni di energia merito dell’assenza della trasformazione del moto da longitudinale a rotativo, di elevati valori di potenza specifica grazie all’assenza della massa volanica, di minori perdite di carico potendo sfruttare cicli di aspirazione e di scarico più vantaggiosi e di una maggiore potenza a parità di cilindrata potendo contare su ben 270° di espansione rispetto ai classici 180°. Purtroppo però è soggetto ad alcune difficoltà maggiori in fase progettuale e ad alcune problematiche nell’utilizzo quotidiano. Il rotore e lo statore, per poter resistere all’intensa usura e alle brusche escursioni termiche, devono essere costruiti con leghe estremamente resistenti di acciaio e alluminio e successivamente trattati con appositi trattamenti antiusura come la tempra. Gli stessi spigoli del rotore, sottoposti a continui strisciamenti contro la parete dello statore, devono per forza essere realizzati in materiale antiusura per scongiurare quanto possibile il deteriorasi della pista e la riduzione della tenuta idraulica delle guarnizioni.

Emissioni nocive

Un altro aspetto da tenere in considerazione sono le sostanze inquinanti emesse allo scarico. I motori Wankel producono generalmente quantità maggiori di Monossido di Carbonio e di Idrocarburi incombusti rispetto ai motori alternativi ad accensione comandata. Questo accade perché il processo di combustione è molto più lento, vi è un maggiore raffreddamento generato dalle pareti delle camere e vi è elevato periodo di incrocio delle valvole soprattutto nei motori con luci periferiche. Il problema può però essere risolto mediante la generazione di elevata turbolenza nel vano durante la fase di combustione, preriscaldando la carica fresca ed aumentando la durata della fase di espansione. Questi motori sono però più virtuosi dal punto di vista degli Ossidi d’Azoto in quanto ne producono in quantità minore rispetto ad un motore alternativo, un risultato reso possibile perché le temperature di picco raggiunte in fase di combustione sono minori. Infine non va dimenticato che i gas di scarico prodotti da un motore Wankel risultano più caldi rispetto a quelli dei motori tradizionali, perché il processo di combustione si completa quando la fase di espansione è già iniziata e perché la mancanza delle valvole di scarico e la minore velocità dei gas combusti porta a questo innalzamento di temperatura. Proprio per questo motivo per molti anni è stato adottato un reattore termico come dispositivo di abbattimento degli inquinanti per il motore Wankel, in quanto presentava elevate efficienze proprio quando veniva fatto lavorare con gas di scarico caldi e dalle elevate percentuali di incombusti.