ndice 1. Motor rotativo o Wankel 2. Descripcin 3. Componentes
3.1. Ensamblado 4. Funcionamiento 5. Ventajas e inconvenientes 5.1.
Ventajas 5.2. Inconvenientes 6. Historia 7. Dificultades tcnicas 8.
Materiales 9. Combustible 10. Bibliografa
Motor rotativo o Wankel
El motor rotativo fue uno de los primeros tipos de motores de
combustin interna en el cual el cigeal permanece fijo y gira el
motor entero a su alrededor. El diseo fue muy usado en los aos
anteriores a la Primera Guerra Mundial y durante sta para propulsar
aviones, y tambin en algunos de los primeros autos y motocicletas.
A principios de los aos 20 del siglo XX el motor rotativo comenz a
volverse obsoleto, principalmente debido a su bajo torque de
salida, consecuencia de la forma en que trabaja el motor. Tambin
estaba limitado por su restriccin inherente dada por la forma
de
aspirar la mezcla de aire/combustible a travs del cigeal y crter
hueco, que afectan directamente a su rendimiento volumtrico. Sin
embargo, en su tiempo fue una solucin muy eficiente para los
problemas de potencia, peso y confiabilidad. El motor Wankel es un
tipo de motor de combustin interna, inventado por Felix Wankel, que
utiliza rotores en vez de los pistones de los motores alternativos.
Wankel concibi su motor rotativo en 1924 y recibi su patente en
1929. Durante los aos 1940 se dedic a mejorar el diseo. Se hizo un
considerable esfuerzo en el desarrollo de motores rotativos en los
1950 y los 1960. Eran particularmente interesantes por funcionar de
un modo suave, silencioso y fiable, gracias a la simplicidad de su
diseo.
Descripcin Un motor rotativo es en esencia un motor de ciclo
Otto, pero en lugar de tener un bloque de cilindros con un cigeal
rotatorio como en el motor radial, ste permanece fijo y es el
bloque de cilindros entero el que gira a su alrededor. En la mayora
de los casos, el cigeal est slidamente fijado a la estructura del
avin, y la hlice se encuentra atornillada al frente del crter. La
rotacin de la mayor parte de la masa del motor produce un poderoso
volante con efecto giroscpico, que suavizan la entrega de potencia
y reduce las vibraciones. Las vibraciones eran un serio problema en
los motores de pistn convencionales, que obligaban a aadir pesadas
hlices. Debido a que los cilindros funcionaban en s mismos como un
volante, los motores rotatorios tienen una relacin peso-potencia ms
ventajosa que los motores convencionales. Otra ventaja es una
refrigeracin mejorada, dado que el bloque de cilindros al girar
producen su propio flujo de aire, incluso cuando el avin se
encuentra en tierra detenido. La mayora de los motores rotatorios
tienen los cilindros en dispuestos alrededor del eje central, hacia
afuera, como en el motor radial, pero hay tambin motores boxer2
rotatorios, e incluso monocilndricos. Al igual que los motores
radiales, los rotatorios se construyen con un nmero de cilindros
impar (usualmente 7 o 9), para obtener un orden de encendido
coherente,
proporcionando un funcionamiento suave. Motores rotatorios con
cilindros en nmero par, son comnmente del tipo en "doble
estrella".
Componentes Los motores rotativos tienen los sistemas de ignicin
y de suministro de combustible similares a un motor
convencional.
Rotor El rotor tiene 3 caras convexas, cada una de las cuales
actan como un pistn, conteniendo una excavacin con la cual se
aumenta el volumen del motor.
En los vrtices se halla un tira metlica que acta de sello de la
parte externa de la cmara de combustin (apex seal). Tambin existen
unos aros metlicos a cada lado del rotor que sellan los flancos de
la cmara de combustin (face seals). El rotor tiene un dentado
interno que acopla con un engranaje fijo al cuerpo del motor. Este
engrane determina el recorrido y direccin del rotor. Block El
alojamiento interno tiene una forma oval o de epitrocoide
(trayectoria que describe un punto de una rueda que recorre un
camino circular). La forma de la cmara de combustin est diseada de
manera que los 3 vrtices del rotor tengan un contacto permanente
con las paredes de la cmara, formando 3 volmenes de mezcla. Cada
parte de este recinto est dedicado a uno de los tiempos del ciclo:
Admisin Compresin Combustin Escape Las lumbreras de aspiracin
(intake port) y de escape (exhaust port) estn ubicadas en el cuerpo
del motor y carecen de vlvulas, conectando directamente con la
admisin y el escape respectivamente.
Eje de salida El eje de salida tiene unos lbulos excntricos que
ajustan con cada rotor, actuando como un cigeal. Al seguir los
rotores sus recorridos dentro de los alojamientos, empujan los
lbulos, que al ser stos excntricos, crean un momento o torque en el
eje, hacindolo
girar.
Ensamblado El armado del motor rotativo se hace por capas. El
motor birotrico del ejemplo tiene 5, sostenidas por un anillo de
largos bulones. La refrigeracin fluye a travs de conductos
alrededor de todas las piezas. Las capas externas contienen los
sellos y cojinetes del eje de salida. Tambin sellan las 2 secciones
de los recintos que contienen a los rotores. La superficie interna
es lisas para ayudar a los sellos. Una lumbrera de admisin (intake
port) se ubica en cada una de estas piezas terminales.
La capa interna siguiente es la del rotor con su recinto oval,
que contiene sus lumbreras de escape (exhaust port).
La pieza central contiene 2 lumbreras de admisin, una para cada
rotor. Sus superficies externas tambin son lisas, por ser la
separacin de los 2 rotores. (alignment bushing=buje de
alineado)
En el centro de cada rotor se halla un enorme dentado interno
que se monta en un pequeo engranaje fijo al cuerpo del motor,
determinando la rbita. El rotor tambin acopla con los lbulos del
eje de salida. Funcionamiento
Un motor rotativo o Wankel, en honor a su creador el Dr. Felix
Wankel, es un motor de combustin interna que funciona de una manera
completamente diferente de los motores alternativos. En un motor
alternativo; en el mismo volumen (mililitros) se efectan
sucesivamente 4 diferentes trabajos admisin, compresin, combustin y
escape. En un motor Wankel se desarrollan los mismos 4 tiempos pero
en lugares distintos de la carcasa o bloque; con el pistn movindose
continuamente de uno a otro. Ms concretamente, el cilindro es una
cavidad con forma de 8, dentro de la cual se encuentra un rotor
triangular que realiza un giro de centro variable. Este pistn
comunica su movimiento rotatorio a un cigeal que se encuentra en su
interior, y que gira ya con un centro nico. Al igual que un motor
de pistones, el rotativo emplea la presin creada por la combustin
de la mezcla aire-combustible. La diferencia radica en que esta
presin est contenida en la cmara 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 vrtices en contacto con el
"freno", delimitando as tres compartimentos separados de mezcla. A
medida que el rotor gira
dentro de la cmara, cada uno de los 3 volmenes se expanden y
contraen alternativamente; es esta expansin-contraccin la que
succiona el aire y el combustible hacia el motor, comprime la
mezcla, extrae su energa expansiva y la expele hacia el escape.
Admisin El tiempo de admisin comienza cuando el vrtice del rotor
pasa por la lumbrera de aspiracin. En el momento que la cmara est
expuesta a sta, el volumen es el mnimo. El movimiento del rotor
hace que ese volumen se agrande, succionando la mezcla. Cuando el
vrtice del rotor deja atrs la lumbrera, la cmara se sella y
comienza la etapa de compresin. Compresin El movimiento del rotor
prosigue, reducindose el volumen de la cmara y por ende
comprimiendo la mezcla. Cuando la cara del rotor llega a las bujas,
el volumen de la cmara es mnimo de nuevo para comenzar la
combustin. Combustin Como las cmaras de combustin de los motores
rotativos es alargada, la mayora de los motores rotativos poseen 2
bujas, a fin de mejorar la ignicin. Cuando la mezcla se enciendo,
la presin aumenta rpidamente, forzando al rotor a moverse en el
sentido del aumento de volumen de la cmara. Escape Una vez que el
vrtice del rotor pasa por la lumbrera de escape, la alta presin de
los gases de combustin se libera hacia la atmsfera. Como el rotor
prosigue su movimiento, la cmara comienza a contraerse, forzando al
remanente a salir por el escape. Al alcanzar el volumen de la cmara
su mnimo, el vrtice habilita la lumbrera de admisin y el ciclo
vuelve a comenzar.
Un detalle notable de este tipo de motores es que cada uno de
los lados del rotor desarrolla una parte del ciclo, y como con cada
vuelta del rotor se generan 3 giros completos del eje, resulta que
con cada revolucin del eje tenemos una combustin.
Ventajas e inconvenientes Ventajas Menos piezas mviles: el motor
Wankel tiene menos piezas mviles que un motor convencional, tan
solo 4 piezas; bloque, rotor (que a su vez est formado por
segmentos y regletas), rbol motriz y sistema de
refrigeracin/engrase (similar a los que montan los motores de
pistn). Esto redunda en una mayor fiabilidad. Suavidad de marcha:
todos los componentes de un motor rotativo giran en el mismo
sentido (apuntando al sol), en lugar de sufrir las constantes
variaciones de sentido a las que est sometido un pistn. Estn
equilibrados internamente con contrapesos giratorios para suprimir
cualquier vibracin. Incluso la entrega de potencia se desarrolla en
forma ms progresiva, dado que cada etapa de combustin dura 90 de
giro del rotor y a su vez como cada vuelta del rotor representa 3
vueltas del eje, cada combustin dura 270 de giro del eje, es decir,
3/4 de cada vuelta; comprenlo con un motor monocilndrico, donde
cada combustin transcurre durante 180 de cada 2 revoluciones, o sea
1/4 de cada vuelta del cigeal. Se produce una combustin cada 120
del rotor y 360 del eje. Menor velocidad de rotacin: dado que los
rotores giran a 1/3 de la velocidad del eje y al tocar el freno,
las piezas principales del motor se mueven ms lentamente que las de
un motor convencional, aumentando la fiabilidad. Menores
vibraciones: dado que las inercias internas del motor son muy
pequeas (no hay bielas, ni volante de inercia, ni recorrido de
pistones, ni movimiento), solo se producen pequeas vibraciones en
la excntrica. Menor peso: debido al menor nmero de piezas que
forman el motor en comparacin con los de pistones y dado que
generalmente se construyen motores de dos o tres rotores de 600 cc
o 700 cc cada uno, ayuda a conseguir un menor peso final del mismo.
Inconvenientes Emisiones: es ms complicado (aunque no imposible)
ajustarse a las normas de emisiones contaminantes, ya que trabaja
igual que un motor de 2 tiempos, consumiendo aire, combustible y
aceite. Costos de mantenimiento: al no estar tan difundido, su
mantenimiento resulta costoso. Consumo: la eficiencia termodinmica
(relacin consumo-potencia) se ve reducida por la forma alargada de
las cmaras de combustin y la baja relacin de compresin.
Difcil estanqueidad: resulta muy difcil aislar cada una de las 3
secciones del rotor, que deben ser estancas unas de otras para un
buen funcionamiento. Adems se hace necesario cambiar el sistema de
estanqueidad cada 6 aos aproximadamente, por su fuerte desgaste.
Sincronizacin: la sincronizacin de los distintos componentes del
motor debe ser muy buena para evitar que la explosin de la mezcla
se inicie antes de que el pistn rotativo se encuentre en la posicin
adecuada. Si esto no ocurre, la ignicin empujar en sentido
contrario al deseado, pudiendo daar el motor. Mantenimiento: Las
pastillas de freno deben ser reemplazadas regularmente debido al
constante rozamiento de los vrtices del rotor con el freno.
Historia
En Gran Bretaa, Norton Motorcycles desarroll un motor Wankel
para motocicletas, que fue incluido en la Norton Commander; Suzuki
tambin fabric una moto con motor Wankel, la RE-5. DKW Hercules puso
en venta una motocicleta con motor Sachs refrigerado por aire y
mezcla; John Deere Inc., en EEUU, invirti un gran esfuerzo en la
investigacin de motores rotativos y dise una versin que era capaz
de usar varios tipos de combustible sin tener que cambiar el motor.
El diseo fue propuesto como sistema motriz para varios vehculos de
combate de la Marina estadounidense en los ltimos aos de la dcada
de 1980. Ingersoll-Rand tuvo en venta un motor para usos
industriales que quemaba gas y tena una cilindrada de 41 litros y
un slo rotor. Curtiss-Wright ha fabricado diversos prototipos de
motor para aviacin general, en donde tendra la ventaja del menor
peso y mejor conducta frente a las averas. Rolls-Royce desarroll un
motor de encendido por compresin (Disel), con etapas de compresin y
combustin independientes. Graupner vendi un mini-motor para
aeromodelos. La japonesa Yanmar Disel fabric varios motores
pequeos, incluso una motosierra Wankel. Tras un uso ocasional en
automviles, por ejemplo NSU con sus modelos Spider y Ro 80 2 o
Citron con el M 35 y GS Birrotor, e intentos fracasados llevados a
cabo por General Motors que anunci haber resuelto el problema del
consumo pero no poder con el de las emisiones en los gases de
escape, o Mercedes-Benz (vase el prototipo Mercedes-Benz C111), la
compaa japonesa Mazda ha sido la que ha hecho un mayor uso de
motores Wankel en automviles. Despus de muchos aos de desarrollo,
Mazda lanz sus primeros coches con motores Wankel en los primeros
aos 1970. Aunque la mayora de los clientes adoraban estos coches,
especialmente por su suavidad, tuvieron la mala suerte de ser
puestos a la venta en una poca de grandes esfuerzos para reducir
las emisiones y aumentar el ahorro de
combustible. Mazda abandon el Wankel casi totalmente en el diseo
de sus coches generalistas, pero continu usando una versin biturbo
de dos rotores en su mtico deportivo RX-7 hasta el final de su
produccin en agosto de 2002. En 2003, la marca japonesa, relanz el
motor Wankel con el RX-8 que contaba con una nueva versin
atmosfrica birrotor, tericamente ms fiable y con menores consumos
tanto de combustible como de lubricante. En el mundo de las
carreras, Mazda ha tenido un xito sustancial con sus coches de dos
y cuatro rotores, y corredores privados han cosechado tambin un
considerable xito con coches Mazda propulsados por motores Wankel,
tanto originales como modificados. En 1991 el motor Wankel lleg a
uno de los mejores momentos en competicin, al conseguir Mazda la
victoria en las 24 horas de Le Mans con su prototipo 787B que
montaba un motor de cuatro rotores y 2622 cc de cilindrada, con
lumbrera de admisin perifrica y conductos de admisin de geometra
variable. Este automvil fue el que menos consumo de combustible
tuvo en la carrera de ese ao. Dificultades tcnicas Curtiss-Wright
demostr que el factor que controla las emisiones de hidrocarburos
no quemados (HC) era la temperatura de la superficie del rotor, a
mayor temperatura, menos produccin de HC, y demostr tambin que se
poda ensanchar el rotor. Otros fabricantes proponen que la causa
fundamental de la emisin de contaminantes a altas rpm es el
laminado dentro de la cmara de combustin, y a bajas velocidades,
las fugas de estanqueidad. El motor Wankel por sus propias
caractersticas produce poca contaminacin por NO; uno de los
procedimientos clsicos de reduccin de emisiones de NO ha sido la
recirculacin de los gases de escape, que en el motor Wankel era un
rasgo intrnseco. Yanmar Disel ha publicado informacin referente a
las caractersticas propias de diversas formas y posiciones del
hueco de combustin en la superficie del rotor, (cosa que puede
verse tambin en el libro de Kenichi Yamamoto "Rotary engine"); en
sus motores de pequeo desplazamiento y refrigeracin del rotor por
mezcla aire/combustible, YD comprobaron que la colocacin de una
vlvula de lengetas (reed-valve) cerca de la lumbrera de admisin
mejoraba las actuaciones bajo carga parcial y a bajas rpm..
Inicialmente, los motores Wankel tenan las lumbreras de admisin y
escape en las caras laterales del rotor, lo que produjo algn
problema de depsitos de carbonilla y distorsiones trmicas, que slo
lleg a resolverse en el motor Renesis de Mazda mediante la
colocacin de un segmento especial rascador en la cara lateral del
rotor. De las dos disposiciones posibles para las lumbreras de
admisin, la perifrica y la lateral, se sabe que la perifrica
produce la mxima presin media efectiva (PME) en el motor, pero en
uso automovilista se ha preferido (Mazda) la lumbrera lateral que
proporciona un mejor rgimen de ralent y bajo carga parcial. El
motor Renesis del RX8 de Mazda, emplea lumbreras de admisin y
escape laterales, con lo que elimina totalmente el cruce o
solapamiento entre las fases de admisin y escape, suprimiendo la
recirculacin de gases de escape y la fuga de mezcla
aire/combustible sin quemar por el escape, posibilitando unos
consumos razonables y cumpliendo al mismo tiempo las normas
anticontaminacin ms severas. Algn motor de los primeros tiempos
produca un ruido que los mecnicos
comparaban al que hace un motor convencional antes de fundir una
biela; el ruido se deba a las tolerancias entre el engranaje del
eje y el del rotor que era necesario establecer para no comprometer
la duracin del motor. Ya se ha solucionado. Otro problema inicial
fue la aparicin de ralladuras y fisuras en la superficie de la
epitrocoide, llamadas "araazos del diablo" por los ingenieros. Se
resolvi colocando la buja en un casquillo incrustado en el bloque,
en vez de directamente sobre el bloque mismo, y tambin a travs de
la mejora de materiales del epitrocoide y rotor, y la eliminacin de
vibraciones en los segmentos de vrtice. Los motores Wankel en
produccin actualmente son motores rpidos, que entregan su potencia
a altas rpm, y con peor rendimiento en todos los sentidos en la
zona de carga parcial y bajas rpm. David W. Garside, de Norton,
declar que haban conseguido solucionar el problema de la
elasticidad, y construir un motor que daba toda su potencia a pocas
rpm. Parece que una apertura ms temprana en el ciclo de la lumbrera
de admisin, y la existencia de unos conductos de admisin ms largos,
que favorecen la resonancia, con ondas de presin que mejoran el
llenado, permiten conseguir motores con ms par y potencia a bajo
rgimen de giro. Materiales Para el esttor o bloque motor se
utilizan aleaciones de aluminio, aluminio/silicio o Al/Si/Cu como
por ejemplo la aleacin Alcoa A-132, ya que el aluminio tiene una
mayor conductividad trmica y un coeficiente de dilatacin ms
adecuado. En el interior del bloque se coloca una lmina de acero
con la forma de la epitrocoide, con rugosidades en su cara externa
para asegurar el anclado al bloque, y sobre esta lmina se aplica
una capa de revestimiento antifriccin, como por ejemplo el Nickasil
de Citroen.3 Los rotores se fabrican en fundicin de hierro. Suzuki
resolvi el problema de la duracin del motor, extendindola a ms de
250.000 km, empleando segmentos de vrtice hechos de la aleacin
ferrotic. Combustible Dada la ausencia de puntos calientes en la
cmara de combustin, se ha calculado que una gasolina con un
octanaje de 87 es suficiente, lo que puede representar una ventaja
prctica. Para la lubricacin, que se hace como en los motor de dos
tiempos mediante mezcla combustible/aceite, se han usado los
sistemas de mezcla previa o una bomba dosificadora que aade una
pequea cantidad de aceite a la admisin, igual al empleado para
lubricacin y refrigeracin del rotor. En los motores con
refrigeracin por la mezcla de aire/combustible, uno de los aceites
que ha dado mejores resultados es el Shell Rotella 30. Los motores
con refrigeracin por lquido necesitan un lubricante multgrado para
facilitar los arranques en fro, aceite que debe ser de naturaleza
mineral y no sinttico para evitar la produccin de cenizas y gomas
en la combustin.4 Wankel, Felix (1902 - 1988). Ingeniero alemn
conocido por haber inventado el motor Wankel. Tambin llamado motor
rotativo o rotatorio Wankel, utiliza, para producir energa, un
rotor giratorio dentro
de una cmara, en lugar de pistones. Es ms potente y ms sencillo
que un motor tradicional de combustin interna del mismo tamao. Hijo
de un guardabosques de la Selva Negra, Alemania, Wankel nunca
recibi una educacin superior. No obstante, mostr grandes aptitudes
para la ingeniera y las matemticas, as como gran inters por los
sistemas de propulsin de vehculos. Empez a desarrollar su motor en
torno a 1927, teniendo en mente un nuevo diseo para los motores de
combustin interna alimentados por gasolina. Recibi su primera
patente en 1929, por los planos de un motor rotativo. Las partes
principales del motor Wankel son una cmara casi cilndrica y un
rotor triangular con bordes redondeados. El corte transversal de la
cmara es en realidad una elipse o crculo alargado en lugar de un
crculo perfecto. La cmara tiene dos aperturas en uno de los lados
largos de la elipse. Uno permite que el combustible fluya hasta la
cmara y el otro permite que los gases de escape salgan. Una buja,
pieza que utiliza una fuerte corriente elctrica para producir una
chispa entre dos electrodos, est situada en el centro del otro lado
largo de la cmara. Los bordes del rotor se ajustan perfectamente a
los lados de la cmara, dividindola en tres partes. Cuando el rotor
gira, introduce combustible en la cmara; a continuacin lo comprime
hasta que la buja lo enciende y se quema en la segunda cmara; por
ltimo, los subproductos de la combustin salen de la tercera cmara.
Cuando el combustible se quema expande gases que fuerzan al rotor a
girar. El rotor suele estar conectado directamente al rbol del
motor. La sencillez de su diseo lo hace ms ligero y potente que un
tradicional motor cclico Otto; sin embargo, consume ms combustible
y libera ms gases. En 1956, Wankel produjo un prototipo totalmente
funcional de un motor rotativo. Un ao ms tarde form su propia
compaa (la Wankel Gmbh) para sacar la patente de su motor, la cual
vendi en 1971. En la actualidad, esa compaa construye motores
rotativos, utilizados sobre todo en aviones y coches de nios.
Grandes compaas de varios pases desarrollaron comercialmente el
motor Wankel. La fbrica alemana NSU lo utiliz en barcos y varios
modelos de coches y el fabricante japons de automviles Mazda en
coches deportivos. Tambin se ha empleado en motocicletas de grandes
prestaciones. Sera posible extender el uso de este tipo de motor si
pudieran resolverse los problemas de elevado consumo de combustible
y alta emisin de gases.
Bibliografa Arnold E Biermann y Hermann H Ellerbrock, Jr: "The
design of fins for air cooled cylinders", NACA Report N 726, 1939.
(descarga gratis desde el sitio web de la NASA); R.F. Ansdale: "The
Wankel RC Engine, Design and Performance" , Iliffe, 1968; Kenichi
Yamamoto: "Rotary engine", Toyo Kogyo Co. Ltd., Mazda, Eds. 1969 y
1981; Dante Giacosa: "Motores endotrmicos", Ed. Omega, 2000