Motor Wankel

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Gráfico 1
El ciclo Wankel KKM:

A: Apex del rotor.
B: El eje excéntrico.
La porción blanca es el lóbulo del eje excéntrico.
La distancia entre A & B sigue siendo constante.
Produce tres pulsos de potencia cada revolución del rotor.
Da un pulso de potencia por revolución del eje de salida.

El motor Wankel (ˈvaŋkəl̩, Vann-KELL) es un tipo de motor de combustión interna que utiliza un diseño giratorio excéntrico para convertir la presión en movimiento giratorio. Fue inventado por el ingeniero alemán Felix Wankel y diseñado por el ingeniero alemán Hanns-Dieter Paschke. El rotor del motor Wankel, que crea el movimiento de giro, tiene una forma similar a un triángulo de Reuleaux, con lados que tienen menos curvatura. El rotor gira dentro de una carcasa epitrocoidal de forma ovalada, alrededor de un eje de salida central. El rotor gira en forma de hula hoop alrededor del eje de salida central, girando el eje a través de engranajes dentados.

Debido a su mala termodinámica inherente, el motor Wankel tiene una eficiencia térmica significativamente peor y un peor comportamiento de los gases de escape en comparación con el motor Otto o el motor diésel, razón por la cual el motor Wankel ha tenido un uso limitado desde su introducción en el 1960 Sin embargo, sus ventajas de diseño compacto, suavidad, menor peso y menos piezas sobre los motores de combustión interna de pistones alternativos mencionados anteriormente hacen que el motor Wankel sea adecuado para aplicaciones tales como motosierras, unidades de potencia auxiliar, municiones merodeadoras, aeronaves, motos acuáticas y motos de nieve. En el pasado, el motor Wankel también se ha utilizado en vehículos de carretera como automóviles, motocicletas y coches de carreras.

Concepto

Gráfico 2
El primer motor DKM Wankel diseñado por Felix Wankel, el DKM 54Drehkolbenmotor), en el Museo Deutsches en Bonn

Gráfico 3
Motor Wankel con rotor y eje de salida engranado

Gráfico 5
El primer KKM Wankel Engine basado en un diseño de Hanns-Dieter Paschke, el NSU KKM 57P (NSU KKM 57P)Kreiskolbenmotor), en Autovision und Forum

Gráfico 6
Primera producción Motor Wankel; instalado en una araña NSU

El motor Wankel es un tipo de motor de pistón rotativo y existe en dos formas básicas, el motor Drehkolben (DKM, "motor de pistón rotativo"), diseñado por Felix Wankel (ver Figura 2.) y el Kreiskolbenmotor (KKM, "motor de pistón tortuoso"), diseñado por Hanns-Dieter Paschke (ver Figura 3.), de los cuales solo el último ha salido de la etapa de prototipo. Por lo tanto, todos los motores Wankel de producción son del tipo KKM.

En un Motor DKM, hay dos rotores: el rotor interior en forma de trochoide, y el rotor exterior, que tiene una forma circular exterior, y una figura interior 8 forma. El eje central es estacionario, y el par se quita del rotor exterior, que está engranado al rotor interior.

En un Motor KKM, el rotor exterior es parte de la vivienda estacionaria (y por lo tanto no una parte móvil). El eje interior es una parte móvil y tiene un lóbulo excéntrico para que el rotor interior gire alrededor. El rotor gira alrededor de su propio centro, y alrededor del eje del eje excéntrico de una forma hula hula, dando lugar al rotor haciendo una revolución completa para cada tres revoluciones del eje excéntrico. En el motor KKM, el par se quita el eje excéntrico, lo que hace que sea un diseño mucho más simple para ser adoptado a los sistemas de alimentación convencionales.

Desarrollo del motor Wankel

Felix Wankel diseñó un compresor rotativo en la década de 1920 y recibió su primera patente para un tipo de motor rotativo en 1934. Se dio cuenta de que al rotor triangular del compresor rotativo se le podían agregar puertos de admisión y escape para producir un motor de combustión interna. Finalmente, en 1951, Wankel comenzó a trabajar en la empresa alemana NSU Motorenwerke para diseñar un compresor rotativo como sobrealimentador para los motores de motocicletas de NSU. Wankel concibió el diseño de un rotor triangular en el compresor. Con la ayuda del Prof. Othmar Baier [de] de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Stuttgart, el concepto fue definida matemáticamente. El sobrealimentador que diseñó se usó para uno de los motores de dos cilindros y dos tiempos de 500 cm³ de NSU. El motor producía una potencia de salida de 110 PS (81 kW) a 8500 rpm.

En 1954, NSU acordó desarrollar un motor rotativo de combustión interna con Felix Wankel, basado en el diseño de Wankel del sobrealimentador para sus motores de motocicleta. Dado que Wankel era conocido como un "colega difícil", el trabajo de desarrollo del DKM se llevó a cabo en la oficina de diseño privada de Wankel en Lindau. Según John B. Hege, Wankel recibió ayuda de su amigo Ernst Höppner, que era un "ingeniero brillante". El primer prototipo en funcionamiento, DKM 54 (ver figura 2), se ejecutó por primera vez el 1 de febrero de 1957, en el departamento de investigación y desarrollo de NSU Versuchsabteilung TX. Producía 21 PS (15 kW). Poco después, se construyó un segundo prototipo del DKM. Tenía un volumen de cámara de trabajo V_k de 125 cm³ y también producía 21 kW (29 PS) a 17 000 rpm. Incluso podría alcanzar velocidades de hasta 25 000 rpm. Sin embargo, estas velocidades del motor causaron distorsiones en la forma del rotor exterior, lo que resultó poco práctico. Según los ingenieros e historiadores de Mazda Motors, se construyeron cuatro unidades del motor DKM; se describe que el diseño tiene un desplazamiento V_h de 250 cm³ (equivalente a un volumen de cámara de trabajo V_k de 125 cm³). Se dice que la cuarta unidad construida recibió varios cambios de diseño y finalmente produjo 29 PS (21 kW) a 17,000/min; podría alcanzar velocidades de hasta 22.000/min. Uno de los cuatro motores construidos ha estado en exhibición estática en el Deutsches Museum Bonn (ver figura 2).

Debido a su diseño complicado con un eje central estacionario, el motor DKM no era práctico. Wolf-Dieter Bensinger [de] menciona explícitamente que no se puede lograr una refrigeración adecuada del motor en un motor DKM, y argumenta que esta es la razón por la que se tuvo que abandonar el diseño DKM. El ingeniero de la NSU, Walter Froede, resolvió este problema utilizando el diseño de Hanns-Dieter Paschke y convirtiendo el DKM en lo que más tarde se conocería como KKM (consulte la figura 5). El KKM demostró ser un motor mucho más práctico, ya que tiene bujías de fácil acceso, un diseño de refrigeración más simple y un eje de toma de fuerza convencional. A Wankel no le gustaba el motor KKM de Froede debido al movimiento excéntrico de su rotor interno, que no era un movimiento circular puro, como pretendía Wankel. Comentó que su "caballo de carreras" se convirtió en un "caballo de arado". Wankel también se quejó de que se aplicarían más tensiones en los sellos del vértice del KKM debido al movimiento excéntrico del hula-hoop del rotor. NSU no podía permitirse financiar el desarrollo tanto del DKM como del KKM, y finalmente decidió abandonar el DKM en favor del KKM, porque este último parecía ser el diseño más práctico.

Wankel obtuvo la patente estadounidense 2.988.065 sobre el motor KKM el 13 de junio de 1961. A lo largo de la fase de diseño del KKM, el equipo de ingeniería de Froede tuvo que resolver problemas como los repetidos agarrotamientos de cojinetes, el flujo de aceite dentro del motor, y la refrigeración del motor. El primer motor KKM en pleno funcionamiento, el KKM 125, con un peso de solo 17 kg (37,5 lb), desplazaba 125 cm³ y producía 26 PS (19 kW) a 11 000 rpm. Su primera ejecución fue el 1 de julio de 1958.

En 1963, NSU produjo el primer motor Wankel de producción en serie para un automóvil, el KKM 502 (consulte la figura 6). Se usó en el automóvil deportivo NSU Spider, del cual se fabricaron alrededor de 2000. A pesar de sus "problemas iniciales", el KKM 502 era un motor bastante potente con un potencial decente, un funcionamiento suave y bajas emisiones de ruido a altas velocidades del motor. Era un motor PP de un solo rotor con una cilindrada de 996 cm³ (61 in³), una potencia nominal de 40 kW (54 hp) a 6000 rpm y un BMEP de 1 MPa (145 lbf/in²).

Funcionamiento y diseño

Gráfico 7
Schematic of the Wankel:

Entrada
Agotamiento
Viviendas de estanterías
Salas
Pinion
Rotor
Equipo de corona
Eccentric eje
Enchufe de chispa.

Gráfico 8
El ciclo rotativo:

Toma (azul)
Compresión (verde)
Ignición (rojo)
exhausto (amarillo)

El motor Wankel tiene un eje de toma de fuerza excéntrico giratorio, con un pistón giratorio montado en excéntricos en el eje a modo de hula-hoop. El Wankel es un tipo de motor rotativo 2:3, es decir, dos tercios de su volumen geométrico total ideal se pueden atribuir al desplazamiento. Por lo tanto, el lado interior de su carcasa se asemeja a un epitrocoide de forma ovalada, mientras que su pistón giratorio tiene una forma trocoide (triangular) (similar a un triángulo de Reuleaux), y el rotor del motor Wankel siempre forma tres motores de trabajo en movimiento. cámaras La geometría básica del motor Wankel se muestra en la figura 7. Los sellos en los vértices del rotor sellan contra la periferia de la carcasa. El rotor se mueve en su movimiento giratorio guiado por engranajes y el eje de salida excéntrico, no siendo guiado por la cámara externa. El rotor no hace contacto con la carcasa externa del motor. La fuerza de la presión del gas expandido sobre el rotor ejerce presión en el centro de la parte excéntrica del eje de salida.

Todos los motores Wankel prácticos son motores de cuatro tiempos (es decir, cuatro tiempos). En teoría, los motores de dos tiempos son posibles, pero no son prácticos porque el gas de admisión y el gas de escape no pueden separarse adecuadamente. El principio de funcionamiento es similar al principio de funcionamiento de Otto; el principio de funcionamiento diésel con su encendido por compresión no se puede utilizar en un motor Wankel práctico. Por lo tanto, los motores Wankel suelen tener un sistema de encendido por chispa de alto voltaje.

En un motor Wankel, un lado del rotor triangular completa el ciclo Otto de cuatro etapas de admisión, compresión, encendido y escape en cada revolución del rotor (consulte la figura 8). La forma del rotor entre los vértices fijos es para minimizar el volumen de la cámara de combustión geométrica y maximizar la relación de compresión, respectivamente. Como el rotor tiene tres lados, esto da tres pulsos de potencia por revolución del rotor. Las tres caras del rotor de Wankel funcionan simultáneamente en una revolución. Como el eje de salida utiliza engranajes dentados para girar tres veces más rápido que el rotor, se produce un pulso de potencia en cada revolución del eje. A modo de comparación, el motor de pistón de cuatro tiempos completa el ciclo Otto en dos revoluciones de su eje de salida (cigüeñal). El Wankel produce así el doble de pulsos de potencia por revolución del eje de salida.

Los motores Wankel tienen un grado mucho menor de irregularidad en comparación con un motor de pistón alternativo, lo que hace que el motor Wankel funcione mucho más suave. Esto se debe al menor momento de inercia y a la menor área de exceso de torque que tiene el motor Wankel debido a su entrega de torque más uniforme. Por ejemplo, un motor Wankel de dos rotores funciona con más del doble de suavidad que un motor de pistón de cuatro cilindros. El eje de salida excéntrico de un motor Wankel tampoco tiene los contornos relacionados con la tensión del cigüeñal de un motor de pistón alternativo. Las revoluciones máximas de un motor Wankel están limitadas principalmente por la carga de los dientes en los engranajes de sincronización. Los engranajes de acero endurecido se utilizan para operaciones prolongadas por encima de 7000 u 8000 rpm. En la práctica, los motores Wankel de automóviles no funcionan a velocidades del eje de salida mucho más altas que los motores de pistones alternativos de potencia de salida similar. Los motores Wankel en las carreras de autos funcionan a velocidades de hasta 10 000 rpm, pero también lo son los motores de pistones alternativos de cuatro tiempos de cilindrada relativamente pequeña por cilindro. En aviones, se utilizan de forma conservadora, hasta 6500 o 7500 rpm.

Volumen y desplazamiento de la cámara

Volumen de la cámara

En un motor giratorio Wankel, el volumen de la cámara ${displaystyle V_{k}$ es equivalente al producto de la superficie del rotor ${displaystyle A_{k}$ y el rotor ${displaystyle s}$ . La superficie del rotor ${displaystyle A_{k}$ es dada por la ruta de puntas del rotor a través de la carcasa del rotor y determinada por el radio generador ${displaystyle R.$ , el ancho del rotor ${displaystyle B}$ , y las transferencias paralelas del rotor y la vivienda interior ${displaystyle a}$ . Dado que el rotor tiene una forma trochoide ("triangualar"), sinus 60 grados describe el intervalo en el que los rotores se acercan a la carcasa del rotor. Por lo tanto,

{displaystyle A_{k}=2cdot Bcdot (R+a)cdot sin(60^{circ })={sqrt {3}cdot Bcdot (R+a)}

El rotor ${displaystyle s}$ puede integrarse a través de la excentricidad ${displaystyle e}$ como sigue:

{displaystyle sum ,ds=int _{alpha =0^{circ } {alfa =270}ecdot sin{frac {2}{3}alpha ,dalpha =3e}

Por lo tanto,

{displaystyle V_{k}=A_{k}cdot s={sqrt {3}cdot Bcdot (R+a)cdot 3e}

Por conveniencia, ${displaystyle a}$ puede ser omitido porque es difícil de determinar y pequeño:

{displaystyle V_{k}={sqrt {3}cdot Bcdot Rcdot 3e

Un enfoque diferente a este es la introducción ${displaystyle a'}$ como el más lejano, y ${displaystyle a}$ como la transferencia paralela más corta del rotor y la carcasa interior y suponiendo que ${displaystyle R_{1}=R+a}$ y ${displaystyle R_{2}=R+a'}$ . Entonces,

{displaystyle V_{k}={sqrt {3}cdot Bcdot (2cdot R_{1}+R_{2})cdot e}

Incluir las transferencias paralelas del rotor y la carcasa interna proporciona suficiente precisión para determinar el volumen de la cámara.

Desplazamiento

En un motor giratorio Wankel, el eje excéntrico necesita hacer tres rotaciones completas (1080°) por cámara de combustión para completar los cuatro ciclos de un motor de cuatro ciclos. Dado que un motor giratorio Wankel tiene tres cámaras de combustión, los cuatro ciclos de un motor de cuatro ciclos se completan dentro de una rotación completa del eje excéntrico (360°). Esto es diferente de un motor de pistón de cuatro ciclos, que necesita hacer dos rotaciones completas por cámara de combustión para completar los cuatro ciclos de un motor de cuatro ciclos. Por lo tanto, en un motor giratorio Wankel, el volumen de la cámara tiene que doblarse para obtener el desplazamiento ${displaystyle V_{h}$ :

{displaystyle V_{h}=2cdot V_{k}cdot i}

con ${displaystyle i}$ siendo el número de rotores por motor. El desplazamiento del motor giratorio Wankel ${displaystyle V_{h}$ es equivalente a un desplazamiento del motor del pistón ${displaystyle V_{h}$ .

Ejemplos

KKM 612 (NSU Ro80)

e=14 mm
R=100 mm
a=2 mm
B=67 mm
i=2

{displaystyle V_{k}={sqrt {3}cdot 67,mmcdot (100+2,mm)cdot 3cdot ,14,mmapprox 498,000,mm^{3}=498,cm^{3}}

{displaystyle V_{h}=2cdot 498,cm^{3}cdot 2=1,992 cm^{3}

Mazda 13B-REW (Mazda RX-7)

e=15 mm
R=103 mm
a=2 mm
B=80 mm
i=2

{displaystyle V_{k}={sqrt {3}cdot 80,mmcdot (103+2,mm)cdot 3cdot ,15,mmapprox 654,000,mm^{3}=654,cm^{3}}}

{displaystyle V_{h}=2cdot 654,cm^{3}cdot 2=2,616 cm^{3}

Licencias emitidas

Gráfico 10
El primer motor de Mazda Wankel, precursor del 10A, en el Museo Mazda en Hiroshima, Japón

Gráfico 11
A 1972 General-Motores-desarrollados Wankel corta motor mostrando rotores gemelos

NSU autorizó el diseño del motor Wankel a empresas de todo el mundo, en varias formas diferentes, y muchas empresas implementaron mejoras continuas. En su libro de 1973 Rotationskolben-Verbrennungsmotoren, el ingeniero alemán Wolf-Dieter Bensinger describe a los siguientes licenciatarios, en orden cronológico, lo cual es confirmado por John B. Hege:

Curtiss-Wright: Todo tipo de motores, refrigerados por aire y agua, 100–1,000 PS (74–735 kW), de 1958; licencia vendida a Deere y Co. en 1984
Fichtel & Sachs: Motores industriales y marinos, 0,5–30 PS (0–22 kW), desde 1960
Yanmar Diesel: Motores marinos hasta 100 PS (74 kW), y motores que funcionan con combustible diesel hasta 300 PS (221 kW), desde 1961
Toyo Kogyo (Mazda): Motores de vehículos motorizados hasta 200 PS (147 kW), desde 1961
Perkins Engines: Todo tipo de motores, hasta 250 PS (184 kW), desde 1961 hasta 1972
Klöckner-Humboldt-Deutz: motores que funcionan con combustible diesel; desarrollo abandonado en 1972
Daimler Benz: Todo tipo de motores desde 50 PS (37 kW), desde 1961
MAN: Motores que funcionan con combustible diesel; desarrollo abandonado en 1972
Krupp: motores que funcionan con combustible diesel; desarrollo abandonado en 1972
Rheinstahl-Hanomag: Motores de gasolina, 40–200 PS (29–147 kW), de 1963; para 1972 tomado por Daimler-Benz
Alfa Romeo: Motores de vehículos motorizados, 50–300 PS (37–221 kW), desde 1964
Rolls-Royce: Motores para combustible diesel o operación multicombustible, 100–850 PS (74–625 kW), desde 1965
VEB Automobilbau: Motores automáticos de 0,25 a 25 PS (0 a 18 kW) y 50 a 100 PS (37 a 74 kW), de 1965; licencia abandonada en 1972
Porsche: Motores deportivos de 50–1,000 PS (37–735 kW), desde 1965
Marine fuera de bordo: Motores marinos de 50–400 PS (37–294 kW), de 1966
Comotor (NSU Motorenwerke y Citroën): Motores de gasolina de 40–200 PS (29–147 kW), desde 1967
Graupner: Motores modelo de 0.1-3 PS (0–2 kW), desde 1967
Savkel: Motores de gasolina industrial de 0,5–30 PS (0–22 kW), desde 1969
Nissan: Motores de coches de 80 a 120 PS (59 a 88 kW), desde 1970
General Motors: Todo tipo de motores, excluyendo motores de aviones, hasta motores de cuatro rotores, desde 1970
Suzuki: Motores de moto de 20–90 PS (15–66 kW), desde 1970
Toyota: Motores de coches de 75–150 PS (55–110 kW), de 1971
Ford Alemania (incluyendo Ford Motor Company): Motores de coches de 80–200 PS (59–147 kW), de 1971

Según Don Sherman, American Motors también obtuvo una licencia. En 1961, las organizaciones de investigación soviéticas NATI, NAMI y VNIImotoprom comenzaron a desarrollar un motor Wankel. Finalmente, en 1974, el desarrollo se transfirió a una oficina de diseño especial en la planta de AvtoVAZ. John B. Hege argumenta que no se emitió ninguna licencia a ningún fabricante de automóviles soviético.

Ingeniería

Gráfico 12
sellos Apex, izquierda NSU Ro 80; derecha Mazda 12A y 13B

Gráfico 13

Izquierda: Mazda L10A enfriamiento axial de madera
Medio ambiente: Audi NSU EA871 agua axial enfriamiento sólo el arco caliente
Bien.: Motores de diamante Wankel radial enfriando sólo el arco caliente

Felix Wankel logró superar la mayoría de los problemas que hicieron fracasar los intentos anteriores de perfeccionar los motores rotativos, al desarrollar una configuración con sellos de paletas que tienen un radio de punta igual a la cantidad de "sobredimensionado" de la forma de la carcasa del rotor, en comparación con la epitrocoide teórica, para minimizar el movimiento del sello del ápice radial además de introducir un pasador de ápice cilíndrico cargado con gas que colindaba con todos los elementos de sellado para sellar alrededor de los tres planos en cada vértice del rotor.

En los primeros días, se tenían que construir máquinas de producción especiales y dedicadas para diferentes disposiciones dimensionales de carcasa. Sin embargo, los diseños patentados como U.S. Patente 3.824.746, G. J. Watt, 1974, para una "Máquina generadora de cilindros de motor Wankel", EE. UU. Patente 3.916.738, "Aparato para el mecanizado y/o tratamiento de superficies trocoidales" y EE.UU. La patente 3.964.367, "Dispositivo para mecanizar paredes internas trocoidales", y otras, resolvieron el problema.

Los motores Wankel tienen un problema que no se encuentra en los motores de pistón alternativo de cuatro tiempos en el sentido de que la carcasa del bloque tiene admisión, compresión, combustión y escape en ubicaciones fijas alrededor de la carcasa. Esto provoca una carga térmica muy desigual en la carcasa del rotor. Por el contrario, los motores alternativos realizan estos cuatro tiempos en una cámara, de modo que los extremos de "congelación" ingesta y "flaming" Los gases de escape están promediados y protegidos por una capa límite contra el sobrecalentamiento de las piezas de trabajo. La Universidad de Florida propuso el uso de tubos de calor en un Wankel enfriado por aire para superar este calentamiento desigual de la carcasa del bloque. El precalentamiento de ciertas secciones de la carcasa con gases de escape mejoró el rendimiento y la economía de combustible, además de reducir el desgaste y las emisiones.

Los escudos de la capa límite y la película de aceite actúan como aislamiento térmico, lo que lleva a una baja temperatura de la película lubricante (máximo aproximado de 200 °C o 390 °F en un motor Wankel refrigerado por agua). Esto da una temperatura superficial más constante. La temperatura alrededor de la bujía es aproximadamente la misma que la temperatura en la cámara de combustión de un motor alternativo. Con enfriamiento de flujo circunferencial o axial, la diferencia de temperatura sigue siendo tolerable. Los problemas surgieron durante la investigación en las décadas de 1950 y 1960. Durante un tiempo, los ingenieros se enfrentaron a lo que llamaron "marcas de vibración" y "arañazo del diablo" en la superficie epitrocoide interna. Descubrieron que la causa era que los sellos del ápice alcanzaban una vibración resonante, y el problema se resolvió reduciendo el grosor y el peso de los sellos del ápice. Los rayones desaparecieron después de la introducción de materiales más compatibles para sellos y revestimientos de carcasas. Otro problema inicial fue la acumulación de grietas en la superficie del estator cerca del orificio de la bujía, que se eliminó instalando las bujías en un inserto de metal/manguito de cobre separado en la carcasa, en lugar de atornillar una bujía directamente en la carcasa del bloque.. Toyota descubrió que sustituir una bujía incandescente por la bujía principal del sitio mejoraba las bajas revoluciones, la carga parcial, el consumo específico de combustible en un 7 % y también las emisiones y el ralentí. Una solución alternativa posterior para el enfriamiento del casquillo de bujía se proporcionó con un esquema de velocidad de refrigerante variable para rotativos enfriados por agua, que ha tenido un uso generalizado, siendo patentado por Curtiss-Wright, con el último listado para un mejor casquillo de bujía de motor enfriado por aire. enfriamiento. Estos enfoques no requerían un inserto de cobre de alta conductividad, pero no impedían su uso. Ford probó un motor Wankel con los tapones colocados en las placas laterales, en lugar de la ubicación habitual en la superficie de trabajo de la carcasa (CA 1036073 , 1978).

Entrega de par

Los motores Wankel son capaces de operar a alta velocidad, lo que significa que no necesariamente necesitan producir un alto par para producir alta potencia. El posicionamiento del puerto de admisión y el cierre del puerto de admisión afectan en gran medida la producción de torque del motor. El cierre temprano de la lumbrera de admisión aumenta el par motor a bajas revoluciones, pero reduce el par motor a altas velocidades (y, por lo tanto, la potencia), mientras que el cierre tardío del puerto de admisión reduce el par motor a bajas revoluciones, al tiempo que aumenta el par motor a velocidades altas del motor, lo que genera más potencia. a velocidades más altas del motor.

Un puerto de entrada periférico proporciona la presión efectiva media más alta; sin embargo, el puerto de entrada lateral produce un ralentí más constante, porque ayuda a evitar el retroceso de gases quemados en los conductos de entrada que causan "fallos de encendido", causados por ciclos alternos en los que la mezcla se enciende y no se enciende. La conexión periférica (PP) brinda la mejor presión efectiva media en todo el rango de rpm, pero la PP también se relacionó con una peor estabilidad en vacío y un rendimiento de carga parcial. Los primeros trabajos de Toyota condujeron a la adición de un suministro de aire fresco al puerto de escape y también demostraron que una válvula Reed en el puerto de admisión o en los conductos mejoraba el rendimiento a bajas revoluciones y a carga parcial de los motores Wankel, al evitar el retroceso de los motores Wankel. gas de escape en el puerto de admisión y los conductos, y reduciendo la EGR alta que induce fallos de encendido, a costa de una pequeña pérdida de potencia a las rpm máximas. La elasticidad se mejora con una mayor excentricidad del rotor, análoga a una carrera más larga en un motor alternativo. Los motores Wankel funcionan mejor con un sistema de escape de baja presión. Una contrapresión de escape más alta reduce la presión efectiva media, más severamente en los motores de puerto de admisión periférico. El motor Mazda RX-8 Renesis mejoró el rendimiento al duplicar el área del puerto de escape en comparación con diseños anteriores, y se han realizado estudios sobre el efecto de la configuración de las tuberías de admisión y escape en el rendimiento de los motores Wankel. Los puertos de admisión laterales (como se usan en el motor Renesis de Mazda) fueron propuestos por primera vez por Hanns-Dieter Paschke a fines de la década de 1950. Paschke predijo que los puertos de admisión y los colectores de admisión calculados con precisión podrían hacer que un motor de puerto lateral sea tan poderoso como un motor PP.

Materiales

Como se describió anteriormente, el motor Wankel se ve afectado por una expansión térmica desigual debido a los cuatro ciclos que tienen lugar en lugares fijos del motor. Si bien esto impone grandes exigencias a los materiales utilizados, la simplicidad de Wankel facilita el uso de materiales alternativos, como aleaciones exóticas y cerámicas. Un método común es, para carcasas de motor hechas de aluminio, usar una capa de molibdeno inyectado en la carcasa del motor para el área de la cámara de combustión, y una capa de acero inyectado en otros lugares. Las carcasas de los motores fundidas en hierro se pueden soldar por inducción para hacer que el material sea adecuado para soportar el estrés por calor de la combustión.

Entre las aleaciones citadas para el uso de carcasas Wankel se encuentran A-132, Inconel 625 y 356 tratadas con dureza T6. Se han utilizado varios materiales para enchapar la superficie de trabajo de la carcasa, siendo Nikasil uno. Citroën, Daimler-Benz, Ford, A P Grazen y otros solicitaron patentes en este campo. Para los sellos de ápice, la elección de materiales ha evolucionado junto con la experiencia adquirida, desde aleaciones de carbono hasta acero, acero inoxidable ferrítico y otros materiales. La combinación entre el recubrimiento de la carcasa y los materiales de los sellos laterales y del ápice se determinó experimentalmente para obtener la mejor duración tanto de los sellos como de la cubierta de la carcasa. Para el eje se prefieren aleaciones de acero con poca deformación bajo carga, para esto se ha propuesto el uso de acero Maraging.

La gasolina con plomo era el tipo predominante disponible en los primeros años del desarrollo del motor Wankel. El plomo es un lubricante sólido y la gasolina con plomo está diseñada para reducir el desgaste de los sellos y las carcasas. Los primeros motores tenían el suministro de aceite calculado teniendo en cuenta las cualidades lubricantes de la gasolina. A medida que se eliminaba gradualmente la gasolina con plomo, los motores Wankel necesitaban una mayor mezcla de aceite en la gasolina para proporcionar lubricación a las piezas críticas del motor. Un artículo de SAE de David Garside describió ampliamente las opciones de materiales y aletas de enfriamiento de Norton.

Sellado

Los primeros diseños de motores tenían una alta incidencia de pérdida de sellado, tanto entre el rotor y la carcasa como entre las distintas piezas que la componían. Además, en los motores Wankel de modelos anteriores, las partículas de carbón podrían quedar atrapadas entre el sello y la carcasa, atascando el motor y requiriendo una reconstrucción parcial. Era común que los primeros motores Mazda requirieran reconstrucción después de 50 000 millas (80 000 km). Otros problemas de sellado surgieron de la distribución térmica desigual dentro de los alojamientos que causaban distorsión y pérdida de sellado y compresión. Esta distorsión térmica también provocó un desgaste desigual entre el sello del ápice y la carcasa del rotor, evidente en los motores de mayor millaje. El problema se agudizaba cuando el motor se estresaba antes de alcanzar la temperatura de funcionamiento. Sin embargo, los motores Mazda Wankel resolvieron estos problemas iniciales. Los motores actuales tienen casi 100 piezas relacionadas con sellos.

El problema de la holgura para los vértices calientes del rotor que pasan entre las carcasas laterales axialmente más cercanas en las áreas del lóbulo de admisión del enfriador se resolvió mediante el uso de un piloto de rotor axial radialmente hacia el interior de los sellos de aceite, además de un enfriamiento de aceite de inercia mejorado del interior del rotor (C-W US 3261542 , C. Jones, 8/5/63, US 3176915 , M. Bentele, C. Jones. A.H. Raye. 7/2/62), y ligeramente "coronado" sellos de ápice (diferente altura en el centro y en los extremos del sello).

Ahorro de combustible y emisiones

Como se describe en la sección de desventajas termodinámicas, el motor Wankel es un motor muy ineficiente con un bajo consumo de combustible. Esto es causado por el diseño del motor Wankel con su mala forma de cámara de combustión y su enorme área de superficie. El diseño del motor Wankel es, por otro lado, mucho menos propenso a la detonación del motor, lo que permite utilizar combustibles de bajo octanaje sin reducir la compresión. Como resultado de la baja eficiencia, el motor Wankel tiene una mayor cantidad de hidrocarburos no quemados (HC) liberados en el escape. Sin embargo, el escape es relativamente bajo en emisiones de óxido de nitrógeno (NOx), debido a que la combustión es lenta y las temperaturas son más bajas que en otros motores, y también debido al buen comportamiento de recirculación de gases de escape (EGR) del motor Wankel. Las emisiones de monóxido de carbono (CO) de los motores Wankel y Otto son casi iguales. El motor Wankel tiene una temperatura de los gases de escape significativamente más alta (Δt_K>100 K) que un motor Otto, especialmente en condiciones de carga media y baja. Esto se debe a la mayor frecuencia de combustión y la combustión más lenta. Las temperaturas de los gases de escape pueden superar los 1300 K bajo carga alta a velocidades del motor de 6000 min⁻¹. Para mejorar el comportamiento de los gases de escape del motor Wankel, se puede utilizar un reactor térmico o un convertidor catalítico para reducir los hidrocarburos y el monóxido de carbono de los gases de escape.

Según la investigación de Curtiss-Wright, el factor que controla la cantidad de hidrocarburos no quemados en el escape es la temperatura de la superficie del rotor, con temperaturas más altas que dan como resultado menos hidrocarburos en el escape. Curtiss-Wright amplió el rotor, manteniendo el resto de la arquitectura del motor sin cambios, reduciendo así las pérdidas por fricción y aumentando el desplazamiento y la potencia de salida. El factor limitante para este ensanchamiento fue mecánico, especialmente la desviación del eje a altas velocidades de rotación. El enfriamiento es la fuente dominante de hidrocarburo a altas velocidades y la fuga a bajas velocidades. El uso de puertos laterales que permiten cerrar el puerto de escape alrededor del punto muerto superior y reducir la superposición de admisión y escape ayuda a mejorar el consumo de combustible.

El automóvil RX-8 de Mazda con el motor Renesis (que se presentó por primera vez en 1999), se reunió, en 2004, con los Estados Unidos' estándar de vehículos de bajas emisiones (LEV-II). Esto se logró principalmente mediante el uso de puertos laterales: los puertos de escape, que en los motores rotativos de Mazda anteriores estaban ubicados en las carcasas del rotor, se movieron al costado de la cámara de combustión. Este enfoque permitió a Mazda eliminar la superposición entre las aberturas de las lumbreras de admisión y escape, al mismo tiempo que aumentaba el área de las lumbreras de escape. Este diseño mejoró la estabilidad de la combustión en el rango de baja velocidad y carga ligera. Las emisiones de HC del motor rotativo del puerto de escape lateral son entre un 35% y un 50% menores que las del motor Wankel del puerto de escape periférico. Los motores rotativos de puertos periféricos tienen una mejor presión efectiva media, especialmente a altas rpm y con un puerto de admisión de forma rectangular. Sin embargo, el RX-8 no se mejoró para cumplir con las normas de emisiones Euro 5 y se suspendió en 2012.

Encendido por láser

El encendido por láser se propuso por primera vez en 2011, pero los primeros estudios de encendido por láser solo se realizaron en 2021. Se supone que el encendido por láser de mezclas de combustible pobre en motores Wankel podría mejorar el consumo de combustible y el comportamiento de los gases de escape. En un estudio de 2021, se probó un motor modelo Wankel con encendido por láser y varios combustibles líquidos y gaseosos diferentes. El encendido por láser conduce a un desarrollo más rápido del centro de combustión, mejorando así la velocidad de combustión, lo que lleva a una reducción de las emisiones de NO_x. La energía del pulso láser necesaria para un encendido adecuado es "razonable", en el rango bajo de mJ de un solo dígito. No se requiere una modificación significativa del motor Wankel para el encendido por láser.

Wankel de encendido por compresión

Gráfico 14
prototipo de encendido de compresión Rolls-Royce R1C

Se han realizado investigaciones sobre los motores de encendido por compresión rotativa. Los parámetros básicos de diseño del motor Wankel impiden obtener una relación de compresión suficiente para el funcionamiento diésel en un motor práctico. El enfoque de encendido por compresión de Rolls-Royce y Yanmar consistía en utilizar una unidad de dos etapas (consulte la figura 14), con un rotor actuando como compresor, mientras que la combustión tiene lugar en el otro. Ambos motores no funcionaban.

Combustible de hidrógeno

Gráfico 15
Mazda RX-8 Hidrógeno RE coche giratorio impulsado por hidrógeno

Como una mezcla de combustible de hidrógeno y aire se enciende más rápido con una velocidad de combustión más rápida que la gasolina, un tema importante de los motores de combustión interna de hidrógeno es evitar el preencendido y el petardeo. En un motor rotativo, cada ciclo del ciclo Otto ocurre en diferentes cámaras. Es importante destacar que la cámara de admisión está separada de la cámara de combustión, lo que mantiene la mezcla de aire/combustible alejada de puntos calientes localizados. Los motores Wankel tampoco tienen válvulas de escape calientes, lo que facilita su adaptación al funcionamiento con hidrógeno. Otro problema se refiere al ataque de los hidrogenados sobre la película lubricante en los motores alternativos. En un motor Wankel, el problema de un ataque hidrogenado se evita mediante el uso de sellos de vértice de cerámica.

En un prototipo de motor Wankel instalado en un Mazda RX-8 para investigar el funcionamiento del hidrógeno, Wakayama et al. descubrió que la operación con hidrógeno mejoró la eficiencia térmica en un 23 % con respecto a la operación con combustible de gasolina. Sin embargo, el comportamiento de los gases de escape empeoró significativamente debido a las altas emisiones de NOx causadas por la combustión pobre, lo que significó que el vehículo no cumplió con el estándar de emisiones SULEV de Japón. Para cumplir con las normas de emisiones, se tuvo que utilizar un modo estequiométrico suplementario, lo que redujo la eficiencia térmica del motor.

Ventajas

Las principales ventajas del motor Wankel son:

Una relación de potencia a peso mucho mayor que un motor de pistón
Más fácil de empaquetar en pequeños espacios de motor que un motor equivalente
Capacidad para alcanzar velocidades de motor más altas que un motor de pistón comparable
Operando con casi ninguna vibración
No es propenso a la rueda del motor
Más barato para producir en masa, porque el motor contiene menos partes
Suministro de par para aproximadamente dos tercios del ciclo de combustión en lugar de un cuarto para un motor de pistón
Fácilmente adaptado y muy adecuado para utilizar combustible de hidrógeno.

Los motores Wankel son considerablemente más ligeros y sencillos y contienen muchas menos piezas móviles que los motores de pistón de potencia equivalente. Las válvulas o los trenes de válvulas complejos se eliminan mediante el uso de puertos simples cortados en las paredes de la carcasa del rotor. Dado que el rotor se monta directamente sobre un cojinete grande en el eje de salida, no hay bielas ni cigüeñal. La eliminación de la masa recíproca le da a los motores Wankel un bajo coeficiente de falta de uniformidad, lo que significa que funcionan mucho más suavemente que los motores de pistón recíprocos comparables. Por ejemplo, un motor Wankel de dos rotores es más del doble de suave en su funcionamiento que un motor de pistón alternativo de cuatro cilindros.

Un cilindro de cuatro tiempos produce una carrera de potencia solo cada dos rotaciones del cigüeñal, siendo tres carreras pérdidas por bombeo. El motor Wankel también tiene una mayor eficiencia volumétrica que un motor de pistón alternativo. Debido a la casi superposición de los golpes de potencia, el motor Wankel reacciona muy rápido a los aumentos de potencia, proporcionando una rápida entrega de potencia cuando surge la demanda, especialmente a velocidades más altas del motor. Esta diferencia es más pronunciada cuando se compara con motores alternativos de cuatro cilindros y menos pronunciada cuando se compara con un mayor número de cilindros.

Debido a la ausencia de válvulas de escape calientes, los requisitos de octanaje de combustible de los motores Wankel son más bajos que los de los motores de pistones alternativos. Como regla general, se puede suponer que un motor Wankel con un volumen de cámara de trabajo V_k de 500 cm³ y una compresión de ε=9 funciona bien con gasolina de calidad mediocre con un octanaje de solo 91 RON. Si en un motor de pistón alternativo la compresión debe reducirse en una unidad de compresión para evitar detonaciones, entonces, en un motor Wankel comparable, es posible que no se requiera una reducción de la compresión.

Debido a la menor cantidad de inyectores, los sistemas de inyección de combustible en los motores Wankel son más económicos que en los motores de pistones alternativos. Un sistema de inyección que permita la operación de carga estratificada puede ayudar a reducir las áreas de mezcla rica en partes no deseadas del motor, lo que mejora la eficiencia del combustible.

Desventajas

Desventajas termodinámicas

Los motores rotativos Wankel sufren principalmente de una termodinámica deficiente causada por el diseño del motor Wankel con su gran área de superficie y la mala forma de la cámara de combustión. Como efecto de esto, el motor Wankel tiene una combustión lenta e incompleta, lo que resulta en un alto consumo de combustible y un mal comportamiento de los gases de escape. Los motores Wankel pueden alcanzar una eficiencia máxima típica de alrededor del 30 por ciento.

En un motor rotativo Wankel, la combustión del combustible es lenta porque la cámara de combustión es larga, delgada y móvil. El desplazamiento de la llama se produce casi exclusivamente en la dirección del movimiento del rotor, lo que se suma a la deficiente extinción de una mezcla de combustible y aire, siendo la principal fuente de hidrocarburos no quemados a altas velocidades del motor. El lado posterior de la cámara de combustión produce naturalmente un "chorro de compresión" que impide que la llama llegue al borde de salida de la cámara combinado con la mala extinción de una mezcla de aire y combustible. La inyección directa de combustible, en la que el combustible se inyecta hacia el borde delantero de la cámara de combustión, puede minimizar la cantidad de combustible no quemado en el escape.

Desventajas mecánicas

Aunque muchas de las desventajas son objeto de investigación en curso, las desventajas actuales del motor Wankel en producción son las siguientes:

Rotor sellling: La carcasa de motor tiene temperaturas muy diferentes en cada sección de cámara separada. Los diferentes coeficientes de expansión de los materiales conducen a un sellado imperfecto. Además, ambos lados de los sellos están expuestos al combustible, y el diseño no permite controlar la lubricación de los rotores con precisión y precisión. Los motores rotatorios tienden a ser sobrelubricados a todas las velocidades y cargas del motor, y tienen un consumo de petróleo relativamente alto y otros problemas resultantes del exceso de aceite en las zonas de combustión del motor, como la formación de carbono y las emisiones excesivas del aceite de quema. En comparación, un motor de pistón tiene todas las funciones de un ciclo en la misma cámara dando una temperatura más estable para que los anillos de pistón actúen contra. Además, sólo un lado del pistón en un motor de pistón de cuatro tiempos está expuesto al combustible, lo que permite que el aceite lubrica los cilindros del otro lado. Los componentes del motor de Piston también se pueden diseñar para aumentar el sellado del anillo y el control del aceite a medida que aumentan las presiones del cilindro y los niveles de potencia. Para superar los problemas en un motor de Wankel de diferencias en temperaturas entre diferentes regiones de viviendas y placas laterales e intermediarias, y las desigualdades térmicas asociadas, se ha utilizado una tubería de calor para transportar calor de las partes calientes a las frías del motor. Las "pipas de calor" dirigen eficazmente el gas de escape caliente a las partes más frías del motor, lo que produce disminuciones de eficiencia y rendimiento. En pequeño desplazamiento, rotor refrigerado por carga, carcasa refrigerada por aire motores Wankel, que se ha demostrado reducir la temperatura máxima del motor de 231 a 129 °C (448 a 264 °F), y la diferencia máxima entre regiones más calientes y más frías del motor de 159 a 18 °C (286 a 32 °F).
Levantamiento de sello Apex: La fuerza centrífuga empuja el sello ápice sobre la superficie de la vivienda formando un sello firme. Los gaps pueden desarrollarse entre el sello ápice y la vivienda trochoide en operación de carga ligera cuando se producen desequilibrios en la fuerza centrífuga y presión de gas. En los rangos bajos de motor-rpm, o bajo condiciones de baja carga, la presión de gas en la cámara de combustión puede hacer que el sello salga de la superficie, dando lugar a la fuga de gas de combustión en la cámara siguiente. Mazda desarrolló una solución, cambiando la forma de la carcasa trochoide, lo que significa que los sellos permanecen inundados con la carcasa. Usar el motor Wankel en revoluciones superiores sostenidas ayuda a eliminar el levantamiento del sello ápice, prestándolo viable en aplicaciones como la generación de electricidad. En vehículos de motor, el motor se adapta a las aplicaciones de serie-hibrid. NSU eludió este problema al agregar ranuras en un lado de los sellos del ápice, dirigiendo así la presión del gas en la base del ápice. Esto impidió que los sellos del ápice se levantaran.

Aunque en dos dimensiones el sistema de sellado de un Wankel parece ser incluso más simple que el de un motor de pistón multicilíndrico correspondiente, en tres dimensiones es todo lo contrario. Además de los sellos del vértice del rotor evidentes en el diagrama conceptual, el rotor también debe sellar contra los extremos de la cámara.

Los anillos de pistón en motores alternativos no son sellos perfectos; cada uno tiene un espacio para permitir la expansión. El sellado en los vértices del rotor Wankel es menos crítico porque la fuga se produce entre cámaras adyacentes en carreras adyacentes del ciclo, en lugar de la caja del eje principal. Aunque el sellado ha mejorado a lo largo de los años, el sellado poco efectivo del Wankel, que se debe principalmente a la falta de lubricación, sigue siendo un factor que reduce su eficiencia.

El lado posterior de la cámara de combustión del motor rotativo desarrolla una corriente de compresión que empuja hacia atrás el frente de la llama. Con el sistema convencional de una o dos bujías y una mezcla homogénea, este chorro comprimido evita que la llama se propague hacia el lado posterior de la cámara de combustión en los rangos de velocidad media y alta del motor. Kawasaki abordó ese problema en su patente estadounidense US 3848574 ; Toyota obtuvo una mejora económica del 7% colocando una bujía incandescente en el lado delantero y utilizando Reed-Valves en los conductos de admisión. En los motores de dos tiempos, las cañas de metal duran unos 15.000 km (9.300 millas) mientras que las de fibra de carbono, unos 8.000 km (5.000 millas). Esta mala combustión en el lado posterior de la cámara es una de las razones por las que hay más monóxido de carbono e hidrocarburos sin quemar en la corriente de escape de un Wankel. Un escape de lumbrera lateral, como se usa en el Mazda Renesis, evita el traslape de lumbreras, una de las causas de esto, porque la mezcla no quemada no puede escapar. El Mazda 26B evitó este problema mediante el uso de un sistema de encendido de tres bujías.

Regulaciones e impuestos

Las agencias nacionales que gravan los automóviles según el desplazamiento y los organismos reguladores de las carreras automovilísticas utilizan una variedad de factores de equivalencia para comparar los motores Wankel con los motores de pistón de cuatro tiempos. Grecia, por ejemplo, gravaba los automóviles en función del volumen de la cámara de trabajo (la cara de un rotor), multiplicado por la cantidad de rotores, lo que reduce el costo de propiedad. Japón hizo lo mismo, pero aplicó un factor de equivalencia de 1,5, lo que hizo que el motor 13B de Mazda se ajustara justo por debajo del límite fiscal de 2 litros. La FIA usó un factor de equivalencia de 1,8 pero luego lo aumentó a 2,0, usando la fórmula de desplazamiento descrita por Bensinger.

Aplicaciones para automóviles

Gráfico 16
The 1964 NSU Wankel Spider, el primer coche vendido con un motor giratorio

Gráfico 17
The 1967 NSU Ro80

Gráfico 18
1967 Mazda Cosmo, el primer motor giratorio de dos rotores coche deportivo

Gráfico 19
El Mercedes-Benz C111 de 1970 fue equipado con un motor Wankel de cuatro rotores

Gráfico 20
1973 Citroën Birotor

Gráfico 21
VAZ-2106

Gráfico 22
El Mazda RX-8 coche deportivo fabricado hasta 2012

Gráfico 24
Estructura de un vehículo de serie. La plaza gris representa un engranaje diferencial. Un arreglo alternativo (no mostrado) es tener motores eléctricos a dos o cuatro ruedas.

Gráfico 25
prototipo Mazda2 EV

El primer automóvil con motor rotativo en venta fue el NSU Rotary Spider de 1964. Los motores rotativos se instalaron continuamente en los automóviles hasta 2012, cuando Mazda descontinuó el RX-8. Mazda ha anunciado la introducción de un automóvil eléctrico híbrido con motor rotativo, el MX-30 R-EV para una presentación en 2023.

NSU y Mazda

Mazda y NSU firmaron un contrato de estudio para desarrollar el motor Wankel en 1961 y compitieron para llevar al mercado el primer automóvil con motor Wankel. Aunque Mazda produjo un rotativo experimental ese año, NSU fue el primero en vender un automóvil rotativo, el deportivo NSU Spider en 1964; Mazda respondió con una exhibición de motores rotativos de dos y cuatro rotores en el Salón del Automóvil de Tokio de ese año. En 1967, NSU comenzó la producción de un automóvil de lujo con motor rotativo, el Ro 80. Sin embargo, NSU no había producido sellos de vértice confiables en el rotor, a diferencia de Mazda y Curtiss-Wright. NSU tuvo problemas con los sellos del ápice' desgaste, mala lubricación del eje y poca economía de combustible, lo que provocó fallas frecuentes en el motor, que no se resolvieron hasta 1972, lo que provocó grandes costos de garantía que redujeron aún más el desarrollo del motor rotativo NSU. Este lanzamiento prematuro del nuevo motor rotativo dio una mala reputación para todas las marcas, e incluso cuando estos problemas se resolvieron en los últimos motores producidos por NSU en la segunda mitad de los años 70, las ventas no se recuperaron.

A principios de 1978, los ingenieros de Audi Richard van Basshuysen y Gottlieb Wilmers habían diseñado una nueva generación del motor Audi NSU Wankel, el KKM 871. Era una unidad de dos rotores con un volumen de cámara V_k de 746,6 cm³, derivada de una excentricidad de 17 mm, un radio de generación de 118,5 mm, una equidistancia de 4 mm y un ancho de carcasa de 69 mm. Tenía puertos de entrada de doble lado y un puerto de escape periférico; estaba equipado con un sistema de inyección múltiple multipunto Bosch K-Jetronic de inyección continua. Según la norma DIN 70020, producía 121 kW a 6500/min y podía proporcionar un máx. par de 210 N·m a 3500/min. Van Basshuysen y Wilmers diseñaron el motor con un reactor térmico o un convertidor catalítico para el control de emisiones. El motor tenía una masa de 142 kg y un BSFC de aproximadamente 315 g/(kW·h) a 3000/min y un BMEP de 900 kPa. Para las pruebas, se instalaron dos motores KKM 871 en autos de prueba Audi 100 Tipo 43, uno con una caja de cambios manual de cinco velocidades y otro con una caja de cambios automática de tres velocidades.

Mazda

Mazda afirmó haber resuelto el problema del sello del ápice, operando motores de prueba a alta velocidad durante 300 horas sin fallar. Después de años de desarrollo, el primer automóvil con motor rotativo de Mazda fue el Cosmo 110S de 1967. La empresa siguió con una serie de vehículos Wankel ('rotativos' en la terminología de la empresa), incluidos un autobús y una camioneta. Los clientes citaron a menudo los autos' suavidad de funcionamiento. Sin embargo, Mazda eligió un método para cumplir con los estándares de emisión de hidrocarburos que, aunque menos costoso de producir, aumentó el consumo de combustible.

Más tarde, Mazda abandonó el motor rotativo en la mayoría de sus diseños automotrices y continuó usando el motor solo en su gama de autos deportivos. La empresa normalmente usaba diseños de dos rotores. En el auto deportivo Eunos Cosmo de 1990 se instaló un motor biturbo de tres rotores más avanzado. En 2003, Mazda introdujo el motor Renesis instalado en el RX-8. El motor Renesis reubicó los puertos de escape desde la periferia de la carcasa giratoria hacia los lados, lo que permitió puertos generales más grandes y un mejor flujo de aire. El Renesis tiene una capacidad de 238 hp (177 kW) con una mejor economía de combustible, confiabilidad y menos emisiones que los motores rotativos de Mazda anteriores, todo con una cilindrada nominal de 2.6 litros, pero esto no fue suficiente para cumplir con los estándares de emisiones más estrictos. Mazda finalizó la producción de su motor rotativo en 2012 después de que el motor no cumpliera con los estándares de emisiones Euro 5 más estrictos, lo que dejó a ninguna empresa automotriz vendiendo un vehículo de carretera con motor rotativo.

Citroën

Citroën investigó mucho y produjo los autos M35 y GS Birotor, y el RE-2 [fr]< /span> helicóptero, con motores producidos por Comotor, una empresa conjunta de Citroën y NSU.

Daimler-Benz

Daimler-Benz instaló un motor Wankel en su prototipo C111. El motor del C 111-II era de aspiración natural, estaba equipado con inyección directa de gasolina y tenía cuatro rotores. El desplazamiento total fue de 4,8 L (290 pulgadas cúbicas) y la relación de compresión fue de 9,3:1. Proporcionó un par máximo de 433 N⋅m (44 kp⋅m) a 5000 rpm y produjo una potencia de salida de 257 kW (350 PS) a 6000 rpm.

Motores americanos

American Motors Corporation (AMC), el fabricante de automóviles más pequeño de EE. UU., estaba tan convencido de "... que el motor rotativo desempeñará un papel importante como motor para los automóviles y camiones del futuro...", que el presidente, Roy D. Chapin Jr., firmó un acuerdo en febrero de 1973 después de un año de negociaciones, para construir motores rotativos para automóviles de pasajeros y vehículos militares, así como el derecho a vender cualquier motor rotativo producía a otras empresas. El presidente de AMC, William Luneburg, no esperaba un desarrollo dramático hasta 1980, pero Gerald C. Meyers, vicepresidente del grupo de productos de ingeniería de AMC, sugirió que AMC debería comprar los motores de Curtiss-Wright antes desarrollando sus propios motores rotativos y predijo una transición total a la energía rotativa para 1984.

Los planes requerían que el motor se usara en el AMC Pacer, pero el desarrollo se retrasó. American Motors diseñó el exclusivo Pacer alrededor del motor. Para 1974, AMC había decidido comprar el motor rotativo de General Motors (GM) en lugar de fabricar un motor internamente. Tanto GM como AMC confirmaron que la relación sería beneficiosa para comercializar el nuevo motor, y AMC afirmó que el motor rotativo de GM logró una buena economía de combustible. Sin embargo, los motores de GM no habían llegado a la producción cuando se lanzó el Pacer al mercado. La crisis del petróleo de 1973 jugó un papel en la frustración del uso del motor rotativo. El aumento de los precios del combustible y la especulación sobre la legislación de estándares de emisiones propuesta por los EE. UU. también se sumaron a las preocupaciones.

General Motors

Para 1974, el departamento de I+D de GM no había logrado producir un motor Wankel que cumpliera con los requisitos de emisiones y con una buena economía de combustible, lo que llevó a la empresa a tomar la decisión de cancelar el proyecto. Debido a esa decisión, el equipo de I+D solo publicó en parte los resultados de su investigación más reciente, que afirmaba haber resuelto el problema del ahorro de combustible, además de haber construido motores fiables con una vida útil superior a las 530 000 millas (850 000 km). Esos hallazgos no se tuvieron en cuenta cuando se emitió la orden de cancelación. El final del proyecto rotativo de GM requirió que AMC, que iba a comprar el motor, reconfigurara el Pacer para albergar su motor AMC de seis cilindros en línea que impulsa las ruedas traseras.

AvtoVAZ

En 1974, la Unión Soviética creó una oficina especial de diseño de motores, que en 1978 diseñó un motor designado como VAZ-311 instalado en un automóvil VAZ-2101. En 1980, la compañía comenzó la entrega del motor Wankel de doble rotor VAZ-411 en automóviles VAZ-2106, y se fabricaron alrededor de 200. La mayor parte de la producción se destinó a los servicios de seguridad.

Vado

Ford realizó investigaciones en motores rotativos, lo que resultó en patentes otorgadas: GB 1460229 , 1974, un método para fabricar carcasas; US 3833321 1974, revestimiento de placas laterales; US 3890069 , 1975, revestimiento de carcasa; CA 1030743 , 1978: Alineación de carcasas; CA 1045553 , 1979, conjunto de válvula de láminas. En 1972, Henry Ford II afirmó que el rotativo probablemente no reemplazaría al pistón en 'mi vida'.

Carreras de coches

Gráfico 23
Mazda 787B

El Sigma MC74 propulsado por un motor Mazda 12A fue el primer motor y el único equipo fuera de Europa Occidental o de los Estados Unidos en terminar las 24 horas de las 24 Horas de Carrera de Le Mans, en 1974. Yojiro Terada era el piloto del MC74. Mazda fue el primer equipo de fuera de Europa occidental o de los Estados Unidos en ganar Le Mans por completo. También fue el único automóvil sin motor de pistón en ganar Le Mans, lo que la compañía logró en 1991 con su 787B de cuatro rotores (5.24 L o 320 cu in de cilindrada), calificado por la fórmula FIA en 4.708 L o 287 cu in). En la clase C2, todos los participantes tenían solo la misma cantidad de combustible a su disposición, además de la Categoría 1 C1 no regulada. Esta categoría solo permitía motores de aspiración natural. Los Mazda se clasificaron como de aspiración natural para comenzar con un peso de 830 kg, 170 kg menos que los competidores sobrealimentados. Los autos bajo las regulaciones del Grupo C1 Categoría 1 para 1991 podían ser otros 80 kg más livianos que el 787B. Además, el Grupo C1 Categoría 1 solo había permitido motores de aspiración natural de 3.5 litros y no tenía límites de cantidad de combustible.

Como extensor de rango del vehículo

Debido al tamaño compacto y la alta relación potencia-peso de un motor Wankel, se ha propuesto que los vehículos eléctricos extiendan la autonomía para proporcionar energía adicional cuando los niveles de la batería eléctrica sean bajos. Un motor Wankel usado como generador tiene ventajas de empaque, ruido, vibración y dureza cuando se usa en un automóvil de pasajeros, lo que maximiza el espacio interior para pasajeros y equipaje, además de proporcionar un buen perfil de emisiones de ruido y vibración. Sin embargo, es cuestionable si las desventajas inherentes del motor Wankel permiten o no el uso del motor Wankel como extensor de rango para automóviles de pasajeros.

En 2010, Audi presentó un prototipo de automóvil eléctrico híbrido en serie, el A1 e-tron. Incorporaba un motor Wankel con un volumen de cámara V_k de 254 cm³, capaz de producir 18 kW a 5000/min. Estaba acoplado a un generador eléctrico que recargaba las baterías del automóvil según fuera necesario y proporcionaba electricidad directamente al motor de accionamiento eléctrico. El paquete tenía una masa de 70 kg y podía producir 15 kW de energía eléctrica.

En noviembre de 2013, Mazda anunció a la prensa automovilística un prototipo de automóvil híbrido en serie, el Mazda2 EV, que utiliza un motor Wankel como extensor de rango. El motor del generador, ubicado debajo del piso del maletero trasero, es una unidad diminuta, casi inaudible, de un solo rotor de 330 cc, que genera 30 hp (22 kW) a 4500 rpm, y manteniendo una potencia eléctrica continua de 20 kW.

Mazda anunció que lanzaría el MX-30 R-EV equipado con un extensor de rango de motor Wankel en marzo de 2023.

Aplicaciones para motocicletas

La primera motocicleta con motor Wankel fue una MZ ES 250 fabricada por MZ, equipada con un motor KKM 175 W Wankel refrigerado por agua. A esto le siguió una versión refrigerada por aire, llamada KKM 175 L, en 1965. El motor producía 24 bhp (18 kW) a 6750 rpm, pero la motocicleta nunca entró en producción en serie.

Norton

Gráfico 26
Norton Classic motocicleta de doble rotor de aire

Gráfico 27
prototipo de Norton Interpol2

En Gran Bretaña, Norton Motorcycles desarrolló un motor rotativo Wankel para motocicletas, basado en el rotor refrigerado por aire Sachs Wankel que impulsaba la motocicleta DKW/Hercules W-2000. Este motor de dos rotores se incluyó en el Commander y F1. Norton mejoró la refrigeración por aire del Sachs, introduciendo una cámara impelente. Suzuki también fabricó una motocicleta de producción impulsada por un motor Wankel, la RE-5, utilizando sellos de vértice de aleación ferroTiC y un rotor NSU en un intento exitoso de prolongar la vida útil del motor.

A principios de la década de 1980, utilizando trabajos anteriores en BSA, Norton produjo el Classic de dos rotores refrigerado por aire, seguido del Commander refrigerado por líquido y el Interpol2 (una versión policial). Las bicicletas Norton Wankel posteriores incluyeron Norton F1, F1 Sports, RC588, Norton RCW588 y NRS588. Norton propuso un nuevo modelo de doble rotor de 588 cc llamado "NRV588" y una versión de 700 cc llamada "NRV700". Un antiguo mecánico de Norton, Brian Crighton, comenzó a desarrollar su propia línea de motocicletas con motor rotativo llamada "Roton", que ganó varias carreras en Australia.

A pesar de los éxitos en las carreras, desde 1992 no se han producido motocicletas propulsadas por motores Wankel para la venta al público en general para uso en carretera.

Yamaha

En 1972, Yamaha presentó el RZ201 en el Salón del automóvil de Tokio, un prototipo con un motor Wankel, que pesaba 220 kg y producía 60 hp (45 kW) con un motor de dos rotores de 660 cc (patente estadounidense N3964448). En 1972, Kawasaki presentó su prototipo de motor rotativo Kawasaki X99 de dos rotores (patentes estadounidenses N 3848574 y 3991722). Tanto Yamaha como Kawasaki afirmaron haber resuelto los problemas de bajo consumo de combustible, altas emisiones de escape y poca longevidad del motor en los primeros Wankels, pero ninguno de los prototipos llegó a producción.

Hércules

En 1974, Hercules produjo motocicletas W-2000 Wankel, pero las bajas cifras de producción significaron que el proyecto no era rentable y la producción cesó en 1977.

Suzuki

De 1975 a 1976, Suzuki produjo su motocicleta Wankel de un solo rotor RE5. Era un diseño complejo, con refrigeración líquida y refrigeración por aceite, y múltiples sistemas de lubricación y carburador. Funcionó bien y fue suave, pero al ser bastante pesado y tener una potencia de salida modesta de 62 hp (46 kW), no se vendió bien.

Suzuki optó por un complicado sistema de refrigeración por agua y aceite, con el razonamiento de Garside de que siempre que la potencia no superara los 80 hp (60 kW), la refrigeración por aire sería suficiente. David Garside enfrió el interior de los rotores con ram-air filtrado. Este aire muy caliente se enfriaba en un plenum contenido dentro del marco semi-monocasco y luego, una vez mezclado con combustible, se alimentaba al motor. Este aire era bastante aceitoso después de correr por el interior de los rotores y, por lo tanto, se usaba para lubricar las puntas de los rotores. Los tubos de escape se calientan mucho, y Suzuki opta por un colector de escape con aletas, tubos de escape de doble pared con rejillas de refrigeración, envolturas de tubos resistentes al calor y silenciadores con escudos térmicos. Garside simplemente colocó las tuberías fuera de peligro debajo del motor, donde el calor se disiparía con la brisa del movimiento hacia adelante del vehículo. Suzuki optó por una carburación complicada de varias etapas, mientras que Garside optó por carburadores simples. Suzuki tenía tres sistemas de lubricación, mientras que Garside tenía un solo sistema de inyección de aceite de pérdida total que se alimentaba tanto a los cojinetes principales como a los colectores de admisión. Suzuki eligió un solo rotor que era bastante suave, pero con parches ásperos a 4000 rpm; Garside optó por un motor de doble rotor suave como una turbina. Suzuki montó el rotor masivo en lo alto del marco, pero Garside colocó sus rotores lo más bajo posible para bajar el centro de gravedad de la motocicleta.

Aunque se decía que se manejaba bien, el resultado fue que la Suzuki era pesada, demasiado complicada, costosa de fabricar y con 62 bhp de poca potencia. El diseño de Garside era más simple, suave, liviano y, con 80 hp (60 kW), significativamente más potente.

Van Veen

El importador y fabricante de motocicletas holandés Van Veen produjo pequeñas cantidades de una motocicleta OCR-1000 con motor Wankel de doble rotor entre 1978 y 1980, utilizando motores Comotor excedentes. El motor del OCR 1000 utilizó un motor rediseñado originalmente destinado al automóvil Citroën GS Birotor.

Aplicaciones para vehículos no de carretera

Aviones

Gráfico 28.
Wankel RC2-60 Motor rotatorio aeronáutico

Gráfico 29.
ARV Super2 con el motor británico MidWest AE110 de doble rotor Wankel

Figura 30.
Diamante DA20 con un diamante motores Wankel

Gráfico 31.
Sikorsky Cypher Unmanned vehicle (UAV) powered with a UEL AR801 Wankel engine

Gráfico 32
helicóptero Citroën RE-2 en 1975

En principio, los motores rotativos son ideales para aeronaves ligeras, ya que son livianos, compactos, casi sin vibraciones y con una alta relación potencia-peso. Otros beneficios de aviación de un motor rotativo incluyen:

El motor no es susceptible a "shock-cooling" durante el descenso;
El motor no requiere una mezcla enriquecida para enfriar a alta potencia;
No tener piezas de reciprocación, hay menos vulnerabilidad al daño cuando el motor gira a un ritmo más alto que el máximo diseñado.

A diferencia de los automóviles y las motocicletas, un motor aeronáutico rotativo se calentará lo suficiente antes de que se le solicite la máxima potencia debido al tiempo necesario para las comprobaciones previas al vuelo. Además, el viaje a la pista tiene un enfriamiento mínimo, lo que permite que el motor alcance la temperatura de funcionamiento para una máxima potencia en el despegue. Un motor aeronáutico Wankel pasa la mayor parte de su tiempo operativo a altas potencias, con poco ralentí.

Dado que los motores rotativos funcionan a una velocidad de rotación relativamente alta, a 6000 rpm del eje de salida, el rotor gira solo a aproximadamente un tercio de esa velocidad. Con un par relativamente bajo, las aeronaves propulsadas por hélice deben utilizar una unidad de reducción de velocidad de la hélice para mantener las hélices dentro del rango de velocidad diseñado. Los aviones experimentales con motores Wankel utilizan unidades de reducción de velocidad de hélice, por ejemplo, el motor de doble rotor MidWest tiene una caja de cambios de reducción de 2,95:1.

El primer avión con motor rotativo fue a fines de la década de 1960, siendo la versión civil experimental Lockheed Q-Star del QT-2 de reconocimiento del Ejército de los Estados Unidos, esencialmente un planeador motorizado Schweizer. El avión estaba propulsado por un motor rotativo Curtiss-Wright RC2-60 Wankel de 185 hp (138 kW). El mismo modelo de motor también se utilizó en un Cessna Cardinal y un helicóptero, así como en otros aviones. La empresa francesa Citroën desarrolló un helicóptero RE-2 [fr] de propulsión rotativa en la década de 1970. En Alemania, a mediados de la década de 1970, se desarrolló un avión de ventilador con conductos de empuje propulsado por un motor rotativo multirrotor NSU modificado en versiones civiles y militares, Fanliner y Fantrainer.

Más o menos al mismo tiempo que los primeros experimentos con aviones a gran escala propulsados por motores rotativos, las versiones del tamaño de aviones modelo fueron iniciadas por una combinación del conocido sistema operativo japonés. Engines y la entonces existente empresa alemana de productos de aeromodelismo Graupner, bajo licencia de NSU. El motor Wankel modelo Graupner tiene un volumen de cámara V_k de 4,9 cm³, y produce una potencia de 460 W a 16 000 min⁻¹; su masa es de 370 g. Fue producido por O.S. motores de Japón.

Se han instalado motores rotativos en aviones experimentales de fabricación casera, como el ARV Super2, algunos de los cuales estaban propulsados por el motor aeronáutico británico MidWest. La mayoría son motores de automóviles Mazda 12A y 13B, convertidos para uso en aviación. Esta es una alternativa muy rentable a los motores de aviones certificados, que ofrece motores que van de 100 a 300 caballos de fuerza (220 kW) a una fracción del costo de los motores de pistón tradicionales. Estas conversiones fueron inicialmente a principios de la década de 1970. Peter Garrison, editor colaborador de la revista Flying, ha dicho que "en mi opinión... el motor más prometedor para el uso en la aviación es el Mazda rotativo."

El fabricante de planeadores Schleicher utiliza un Austro Engines AE50R Wankel en sus modelos autolanzantes ASK-21 Mi, ASH-26E, ASH-25 M/Mi, ASH-30 Mi, ASH-31 Mi, ASW-22 BLE, y ASG-32 Mi.

En 2013, los aviones e-Go, con sede en Cambridge, Reino Unido, anunciaron que su nuevo avión canard monoplaza estará propulsado por un motor rotativo de Rotron Power.

El DA36 E-Star, un avión diseñado por Siemens, Diamond Aircraft y EADS, emplea un tren motriz híbrido en serie con la hélice girada por un motor eléctrico Siemens de 70 kW (94 hp). El objetivo es reducir el consumo de combustible y las emisiones hasta en un 25%. Un motor rotativo y generador Austro Engines de 40 hp (30 kW) a bordo proporciona la electricidad. Se elimina una unidad de reducción de velocidad de la hélice. El motor eléctrico utiliza electricidad almacenada en baterías, con el motor generador apagado, para despegar y ascender reduciendo las emisiones sonoras. El sistema de propulsión híbrido en serie que utiliza el motor Wankel reduce el peso del avión en 100 kg en comparación con su predecesor. El DA36 E-Star voló por primera vez en junio de 2013, lo que lo convierte en el primer vuelo de un sistema de propulsión híbrido en serie. Diamond Aircraft afirma que la tecnología que utiliza motores rotativos es escalable a un avión de 100 asientos.

Otros usos

Gráfico 33.
Motor UAV-741 Wankel para un UAV

El motor Wankel es ideal para dispositivos en los que un operador humano está muy cerca del motor, p. ej., dispositivos portátiles como motosierras. El excelente comportamiento de arranque y la baja masa hacen que el motor Wankel también sea un buen motor para bombas portátiles contra incendios y generadores de energía portátiles.

Los motores Wankel pequeños se encuentran en aplicaciones como go-karts, embarcaciones personales y unidades de potencia auxiliar para aeronaves. Motor rotativo refrigerado por mezcla patentado por Kawasaki (patente estadounidense 3991722). El fabricante japonés de motores diésel Yanmar y Dolmar-Sachs de Alemania tenían una motosierra con motor rotativo (documento SAE 760642) y motores para embarcaciones fuera de borda, y la francesa Outils Wolf fabricó una cortadora de césped (Rotondor) propulsada por un motor rotativo Wankel. Para ahorrar costos de producción, el rotor estaba en posición horizontal y no había sellos en la parte inferior.

La simplicidad del motor rotativo lo hace ideal para diseños de motores mini, micro y micro-mini. El laboratorio de motores rotativos de sistemas microelectromecánicos (MEMS) de la Universidad de California, Berkeley, ha llevado a cabo previamente investigaciones para el desarrollo de motores rotativos de hasta 1 mm de diámetro, con cilindradas inferiores a 0,1 cc. Los materiales incluyen silicona y la fuerza motriz incluye aire comprimido. El objetivo de dicha investigación era desarrollar eventualmente un motor de combustión interna con la capacidad de entregar 100 milivatios de energía eléctrica; con el propio motor sirviendo como rotor del generador, con imanes integrados en el propio rotor del motor. El desarrollo del motor rotativo en miniatura se detuvo en UC Berkeley al final del contrato DARPA.

En 1976, Road & Track informó que Ingersoll-Rand desarrollaría un motor Wankel con un volumen de cámara V_k de 1500 in³ (25 dm³) con una potencia nominal potencia de 500 hp (373 kW) por rotor. Finalmente, se construyeron 13 unidades del motor propuesto, aunque con una cilindrada mayor, y cubrieron más de 90 000 horas de operación combinadas. El motor se fabricó con un volumen de cámara V_k de 2500 in³ (41 dm³), y una potencia de salida de 550 hp (410 kW) por rotor. Se fabricaron motores de rotor simple y doble (que producían 550 hp (410 kW) o 1100 hp (820 kW) respectivamente). Los motores funcionaban con gas natural y tenían una velocidad del motor relativamente baja debido a la aplicación para la que se usaban.

John Deere adquirió la división rotativa Curtiss-Wright en febrero de 1984, y también fabricó grandes prototipos multicombustible, algunos con un rotor de 11 litros para vehículos grandes. Los desarrolladores intentaron utilizar un concepto de carga estratificada. La tecnología fue transferida a RPI en 1991.

Yanmar de Japón produjo algunos motores rotativos pequeños enfriados por carga para motosierras y motores fuera de borda. Uno de sus productos es el motor LDR (receso del rotor en el borde de ataque de la cámara de combustión), que tiene mejores perfiles de emisiones de escape y puertos de admisión controlados por válvulas de láminas, que mejoran el rendimiento de carga parcial y bajas rpm.

En 1971 y 1972, Arctic Cat produjo motonieves con motores Sachs KM 914 de 303 cc y KC-24 de 294 cc Wankel fabricados en Alemania.

A principios de la década de 1970, Outboard Marine Corporation vendía motos de nieve con Johnson y otras marcas, que estaban propulsadas por motores OMC de 35 o 45 hp (26 o 34 kW).

Aixro de Alemania produce y vende un motor de kart, con un rotor refrigerado por carga de cámara de 294 cc y carcasas refrigeradas por líquido. Otros fabricantes son: Wankel AG, Cubewano, Rotron y Precision Technology USA.

Combustión no interna

Gráfico 34
Ogura Wankel Compresor de sistema de aire acondicionado

Además del uso como motor de combustión interna, el diseño básico de Wankel también se ha utilizado para compresores de gas y sobrealimentadores para motores de combustión interna, pero en estos casos, aunque el diseño aún ofrece ventajas en confiabilidad, las ventajas básicas de el Wankel en tamaño y peso sobre el motor de combustión interna de cuatro tiempos son irrelevantes. En un diseño que usa un sobrealimentador Wankel en un motor Wankel, el sobrealimentador tiene el doble del tamaño del motor.

El diseño de Wankel se utiliza en el sistema de pretensores de cinturones de seguridad en algunos automóviles Mercedes-Benz y Volkswagen. Cuando los sensores de desaceleración detectan un posible choque, se disparan eléctricamente pequeños cartuchos explosivos y el gas presurizado resultante alimenta los diminutos motores Wankel que giran para compensar la holgura de los sistemas de cinturones de seguridad, anclando al conductor y a los pasajeros firmemente en el asiento antes de que se produzca un accidente. colisión.

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