Motor Wankel, Historia, Funcionamiento,Ventajas Y Desventajas

El Motor Wankel se trata de una clase de motor de combustión interna que emplean rotores en lugar de pistones. Fue inventado por el ingeniero alemán Felix Heinrich Wankel, quien lo patentó en 1957 tras perfeccionarlo durante 33 años. También se le denomina motor rotativo, aunque pocos coches cuentan con este tipo de motor.

La marca que más apostó por estos motores fue Mazda, quien durante 50 años ha producido alrededor de dos millones de coches con motor Wankel. En 2020, la marca japonesa se plantea convertir este tipo de motores en un posible complemento de los motores eléctricos.

Cabe señalar que también han habido otras marcas como Mercedes y Audi que instalaron el motor Wankel en sus coches Mercedes C111 y Audi A1 e-tron. Este motor es uno de los inventos más sofisticados de la ingeniería automotriz por eso queremos enseñarte todo lo relacionado a este motor tan novedoso en el siguiente articulo te enseñaremos todo lo que debes saber de su historia, funcionamiento, ventajas y desventajas del Motor Rotativo.

Historia del Motor Wankel

El motor Wankel fue ideado por el ingeniero alemán Felix Heinrich Wankel en 1924, cuando tan solo tenía 22 años. Este primer diseño lo fue perfeccionando de forma que en 1929 obtuvo la primera patente del mismo, pero no sería hasta 1957.

Cuando construyera el primer prototipo completamente funcional y depurado, momento en el que se encontraba trabajando para NSU Motorenwerke AG, un fabricante alemán de bicicletas, motocicletas y pequeños automóviles.

En el mundo de la motocicleta hubo cierto interés por este motor en la década de los 70, ya que a igualdad de potencia, es más ligero y compacto que uno tradicional (de movimiento alternativo). Así, Yamaha y Kawasaki trabajaron para desarrollar motocicletas de producción movidas por un Wankel, asegurando que llegaron a resolver varios de los problemas técnicos iniciales, pero nunca vieron la luz los prototipos que presentaron.

Sin embargo, Sachs sí que tuvo un éxito relativo con su motor KC-27, de 600 cc (cilindrada equivalente) y 27 cv, que fue comercializado en la DKW-Hercules W-2000 entre 1970 y 1975, y posteriormente evolucionado por el ingeniero David W. Garside para ser montado en varias motocicletas Norton.

 

Pero también han existido aplicaciones “más extremas” de un motor Wankel, como el fabricado por Ingersoll-Roll de 41 litros y 1.000 cv, el patentado por la mismísima Rolls-Royce de encendido por compresión, o los minúsculos Graupner 4,5 cc para aeromodelismo. De hecho, a día de hoy las principales aplicaciones del motor Wankel las encontramos en productos ligeros, como karts, aviones ultraligeros o motoplaneadores.

En cuanto a los fabricantes de coches, los primeros modelos en móntalo fueron los NSU Spider y NSU Ro 80, seguido del Audi 200 KKM, el cual no era más que un Audi 100 equipado con un motor Wankel de 170 cv, sin olvidar los Citroën M35 y GS Birotor; estando todos estos coches motorizados por NSU.

 Fuera de NSU, General Motors viendo el potencial que podrían tener estos motores invirtió un gran esfuerzo en desarrollarlos, logrando resolver el problema del consumo elevado, pero no el de los gases de escape. Por su parte, Mercedes-Benz también coqueteó con el tema en el prototipo Mercedes C111.

Pero hablar de motores rotativos en coches es sinónimo de hablar de Mazda, que desde 1970 empezó a comercializar una gama de utilitarios equipados con este tipo de motor, peor que debieron abandonar debido a la tendencia del mercado y la industria hacia una reducción del consumo y las emisiones.

Sin embargo, Mazda no se dio por vencida, empleándolos en su gama de deportivos, como en las distintas generaciones del RX-7, o en su sucesor, el RX-8. De hecho, en 1991 Mazda ganó las 24 horas de Le Mans con su prototipo el 787B.

Te invitamos a leer: Motor De Combustión Interna ¿Qué son? Funciones

¿Que es un motor Wankel?

Un motor Wankel o rotativo forma parte de los motores de combustión interna, por lo que desarrolla igualmente cuatro tiempos, pero lo hace en distintos lugares. Puede decirse que es como si tuviera un cilindro para cada tiempo y un solo pistón que recorre todos los cilindros.

El cilindro tiene estructura en forma de un ocho, esta se conoce como epitrocoide. En el interior de esta pieza se mueve un pistón cuya geometría es similar a la de un triángulo, el cual hace un giro excéntrico. Este pistón transfiere el movimiento rotativo al cigüeñal que está en el interior y que va girando con un único centro.

El rotor ejecuta un recorrido donde sus tres vértices se mantienen en contacto con la carcasa de forma hermética. Así delimita tres compartimientos por separado. A medida que gira el rotor, cada volumen va haciendo de forma sucesiva las fases del ciclo de trabajo (Admisión, compresión, explosión/expansión y escape).

En lo que respecta a su historia, Wankel crea el primer rotativo en el año 1924, logra patentarlo en 1929 y mejora el diseño para 1940. En las décadas 50 y 60 se dedicó mucho esfuerzo para el desarrollo de este tipo de motor.

Tipos de Motores Rotativos

El motor rotativo se define como: “Un motor de combustión interna que realiza los cuatro tiempos de succión, compresión, expansión y escape mientras que, la cámara de trabajo cambia su volumen, y además, las partes en movimiento siempre rotan en la misma dirección”.

En el caso de la turbina de gas, aunque esta consiste solamente de partes rotatorias, no está incluida en el termino motor rotativo usado aquí, porque una turbina de gas obtiene su potencia mediante el flujo de gas. El volumen de la cámara de trabajo no cambia.

Los motores rotativos se pueden agrupar en los siguientes  tipos:

1. Motores rotativos simples
2. Motores rotativos oscilatorios
3. Motores rotativos planetarios 

Motores rotativos simples

Un motor rotativo simple es un motor en el cual, el rotor gira a una cierta velocidad angular y el centro de su rotación no se traslada. Como ejemplo podemos citar el motor de MALLORY (E.E.U.U),

Este motor puede ser explicado de la siguiente manera: El rotor, el cual está dividido por cierto número de paletas, rota excéntricamente en la carcasa. La succión de la mezcla aire-combustible es sobrealimentada mediante  un soplador y es comprimida mientras que el rotor gira.

 La mezcla, la cual se enciende después de una carrera de compresión de aproximadamente 180 grados de ángulo de rotación del cigüeñal; sucesivamente se completan las carreras de expansión y escape. Y luego, con el fin de prevenir que el gas de escape se mezcle con la carga fresca, se cuenta con un puerto de barrido el cual succiona hacia fuera el gas de escape mediante una presión negativa.

Motores rotativos oscilatorios

Un motor rotativo oscilatorio es un motor en el cual, un número mayor de rotores giran alrededor del centro de rotación, mediante su velocidad angular variable, y el volumen de la cámara cambia a medida que los rotores se acercan uno del otro o separan uno del otro. Como ejemplo tenemos el motor de KAUERTZ,

En este motor, un solo rotor giratorio y un rotor oscilatorio giran concéntricamente y realizan un movimiento relativo dentro de una carcasa redonda. El movimiento relativo de los dos rotores son controlados por engranes y pasadores.

Y si tiene adaptado correctamente los puertos de alimentación y escape, cada carrera de succión, compresión, expansión y escape puede ser realizada por el giro de los rotores los cuales abren y cierran los puertos. Como este tipo de motor requiere un mecanismo oscilatorio complicado,  es normal que ocurran problemas con respecto a esfuerzos y ruido.

Motores rotativos planetarios

Un motor rotativo planetario es un motor en el cual un rotor gira mediante un movimiento planetario. Un ejemplo típico de este es el motor tipo NSU-Wankel  el cual será explicado en detalle posteriormente.

En este motor, una curva epitrocoide es usada para darle forma al rotor y su respectiva envolvente exterior es usada para darle la forma a la carcasa. Un engranaje del rotor es proyectado del rotor, y este engrana con un engranaje estacionario el cual es concéntrico con el eje del cigüeñal.

Siempre y cuando el centro del rotor y el centro del cigüeñal sean excéntricos uno del otro, la potencia rotativa podrá ser obtenida de la presión del gas la cual recibe el rotor. En este motor, la cámara de combustión no realiza un movimiento rotativo. Por lo tanto, los sellos del gas que aseguran la hermeticidad del gas son arreglados sobre las caras laterales de la carcasa.

¿Cómo funciona un Motor Wankel o Rotativo?

Aunque el motor Wankel es también un motor de combustión interna, funciona diferente a como lo hace un motor alternativo. Realiza los cuatro tiempos en partes diferentes del bloque o estator, con un pistón que se mueve sin detenerse al pasar de un tiempo a otro.

La cavidad que tiene forma de ocho (8), tiene en su interior un rotor triangular que gira con un centro variable. El pistón transmite el movimiento rotativo al eje del cigüeñal ubicado dentro y que va girando con un centro único.

Igual que el motor con pistones, el Wankel usa la presión que produce la combustión de la mezcla carburante. Lo que cambia es que la presión se encuentra contenida en la cámara que se forma por una parte del estator y cerrada por un lado del rotor en triángulo, el cual reemplaza a los pistones en este tipo de motor.

El rotor traza una trayectoria con los tres vértices haciendo contacto con el epitrocoide y abriendo tres espacios separados para la mezcla. Cuando el rotor gira en la cámara, cada compartimiento se expande y se contrae de forma alternativa.

Esta expansión y contracción hace que se aspire aire y combustible dentro del motor, haya compresión de la mezcla, se extraiga la energía expansiva y después se expulsen los gases hacia el escape.

En un motor Wankel, se desarrollan las cuatro etapas características del motor de combustión interna:

• Admisión: Mientras se produce el escape de gases de ciclo anterior a través de (La  Lumbrera de Escape), comienza la admisión de la mezcla nueva por la (La lumbrera de admisión). La cámara va aumentando de volumen conforme gira el rotor, arrastrando el eje, y comienza a introducir la mezcla, ya que la (La lumbrera de admisión) se encuentra abierta.
• Compresión: La (La lumbrera de admisión) ha quedado cerrada y la cámara empieza a disminuir su volumen. En este momento, se produce la compresión de la mezcla. Cuando la cámara ha quedado reducida su mínimo volumen y la compresión de la mezcla es máxima, salta la chispa y se produce la ignición de la mezcla.
• Explosión: Debido a la presión de los gases producidos por la combustión, el rotor empujado a girar bruscamente y comunica este movimiento al eje motor a través del engranaje piñón/corona. Se produce la ignición de la mezcla.
• Escape: El otro vértice del rotor descubre (La  Lumbrera de Escape) por la que los gases quemados son expulsados al exterior empujados por el movimiento del rotor. De este modo, se complementa el ciclo.

Componentes del Motor Wankel o Rotativo

Aunque se trata de un motor que funciona con gasolina, lo cierto es que guarda algunas similitudes con los motores eléctricos. De hecho, el estator y el rotor son piezas que tienen en común con el motor eléctrico, pero su funcionamiento es totalmente distinto.

• Estator: esta parte del motor Wankel no gira y su forma es muy parecida a la de una elipse.
• Rotor: esta pieza tiene forma de triángulo con dos de los lados un poco curvos. Se encuentra dentro del estator y en su interior tiene unos dientes de engranaje. Este elemento gira debido a la presión que se genera por la combustión de la gasolina y el aire.
• Piñón o engranaje fijo: rueda dentada engranada con el engranaje del rotor. Se encarga de mantener al rotor en su lugar, a pesar de los giros.
• Bujías: son necesarias para encender la mezcla de aire y gasolina.
• Eje o cigüeñal: al igual que en un motor con pistones, el eje se acopla al rotor y va a ser el encargado de transmitir el giro a la transmisión.
• Colectores de admisión y escape: estos tienen la misión de sacar el humo y admitir el aire.

 

Su situación actual y el futuro del Motor Wankel o Rotativo

Son numerosos los productores que ofrecen motores Wankel y otros con diversas tecnologías, fundamentalmente de pequeño tamaño, adaptables a Kart, aviones ultraligeros, generadores eléctricos y largo etcétera.

En declaraciones a Automotive News, el máximo responsable de Mazda ha dicho que si no aparece un modelo del que se puedan vender al menos 100.000 unidades anuales no interesa económicamente a la compañía ya que no se cubrirían los costes de desarrollo. Un rotativo que cumpla las normativas anticontaminación es excesivamente costoso para poner en la calle.

Recientemente Mazda ha anunciado que los primeros coches eléctricos de la compañía verán la luz en el año 2020 como parte de su plan denominado «Zoom – Zoom sostenible 2030», podéis conocer más información acerca de este plan siguiendo este link.

La idea es emplear el motor Wankel como un extensor de la batería del motor eléctrico gracias a que es más ligero y silencioso que un motor convencional. Pero la idea de que volvamos a ver un Mazda con un motor rotativo Wankel a la cabeza es algo cada vez más complicado.

Con esto, Mazda espera atraer a parte del público que sigue preocupado por la autonomía y que con esta alternativa pueden sentirse más atraídos por la idea de un coche eléctrico y no por uno de combustión tradicional.

Ventajas del Motor Wankel

    Menos piezas móviles: el motor Wankel tiene menos piezas móviles que un motor convencional, tan solo 4 piezas; bloque, rotor (que a su vez está formado por segmentos y regletas), árbol motor y sistema de refrigeración/engrase (similar a los que montan los motores de pistón). Esto contribuye a una mayor fiabilidad.

    Suavidad de marcha: todos los componentes de un motor rotativo giran en el mismo sentido, en lugar de sufrir las constantes variaciones de sentido a las que está sometido un pistón. Están equilibrados internamente con contrapesos giratorios para suprimir cualquier vibración. Incluso la entrega de potencia se desarrolla en forma más progresiva, dado que cada etapa de combustión dura 90° de giro del rotor y a su vez como cada vuelta del rotor representa 3 vueltas del eje, cada combustión dura 270° de giro del eje, es decir, 3/4 de cada vuelta; se compara con un motor monocilíndrico, en el que cada combustión transcurre durante 180° de cada 2 revoluciones, o sea 1/4 de cada vuelta del cigüeñal: se produce una combustión cada 120º del rotor y 360º del eje. Un motor Wankel de dos rotores equivale en uniformidad de par a un motor de 6 cilindros alternativo.

    Menor velocidad de rotación: dado que los rotores giran a 1/3 de la velocidad del eje y al tocar el estator, las piezas principales del motor se mueven más lentamente que las de un motor convencional, aumentando la fiabilidad, una vez resueltos los problemas iniciales en elegir los materiales más adecuados, los segmentos siempre están en movimiento respecto a las partes fijas, no hay puntos muertos como en los motores alternativos, y precisamente en esos puntos muertos, donde al no haber velocidad relativa de una pieza respecto a otra no hay lubricación (ver tribología) se producen los mayores desgastes.

    Menores vibraciones: dado que las inercias internas del motor son muy pequeñas (no hay bielas, ni volante de inercia, ni recorrido de pistones, ni movimiento), solo se producen pequeñas vibraciones en la excéntrica.

    Menor peso: debido al menor número de piezas que forman el motor en comparación con los de pistones y dado que generalmente se construyen motores de dos o tres rotores de 600 cc o 700 cc cada uno, ayuda a conseguir un menor peso final del mismo.

Desventajas del Motor Wankel

    Emisiones: es más 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 más complejo por la dificultad en encontrar personal adecuadamente formado en este tipo de motor.

    Consumo: la eficiencia termodinámica (relación energía disponible en el combustible/potencia efectiva) se ve reducida por la forma alargada de las cámaras de combustión, con una alta relación superficie/volumen.

    Difícil estanqueidad: resulta muy difícil aislar cada una de las 3 secciones del rotor, que deben ser estancas unas con respecto a otras para un buen funcionamiento. Además, en los primeros modelos se hacía necesario cambiar el sistema de estanqueidad cada 6 años aproximadamente, por su desgaste, que puede reducirse manteniendo una pequeña proporción de aceite mezclado directamente en el combustible +1%, las bombas fallan, con lubricantes sólidos tipo MoS2, y redondeando las aristas de las lumbreras y huecos de las bujías, para evitar choques bruscos entre los segmentos de estanqueidad y el estator.

    Sincronización: la sincronización de los distintos componentes del motor debe ser muy buena para evitar que el encendido de la mezcla se inicie antes de que el pistón rotativo se encuentre en la posición adecuada. Si el encendido es precoz, empujará en sentido contrario al deseado, pudiendo averiar el motor.

    Encendido: El número y la situación de las bujías influían en el rendimiento del motor y en su complejidad: han evolucionado a una única bujía por cámara para la mayoría de aplicaciones, como en los motores alternativos.

    Mantenimiento: Los segmentos que garantizan la estanqueidad debían cambiarse en plazos determinados debido al desgaste producido por el constante rozamiento de los vértices del rotor con la superficie de revestimiento de la epitrocoide, asunto solucionado desde los años 70.

    Freno motor: El motor rotativo Wankel, como los motores de 2T, tiene menos freno motor que los motores alternativos de 4T, por lo que los vehículos que lo usan precisan unos frenos de mayores dimensiones.

 

Combustible utilizado en motores Wankel

Los motores rotativos, o Wankel, son motores que funcionan a gasolina. Desde su época dorada hasta la fecha se intentaron hacer varias versiones del motor Wankel en versión diesel (fuente en inglés), incluyendo una por parte de Rolls Royce, pero no hubo caso; dado que el diesel es un combustible más espeso, con menos reacción y más potencia, no funcionaba correctamente. Debido a que en la cámara de combustión del motor Wankel están ausentes los puntos calientes, con gasolina con 87 de octanaje es suficiente para este tipo de motor.

LUBRICACIÓN: Se usan sistemas de mezcla previa o una bomba que dosifican pequeñas cantidades de aceite en la admisión; se recomienda agregar entre 0,5% y 1% de aceite lubricante a la gasolina. Para la lubricación, se hace como en los motores de dos tiempos mediante mezcla combustible/aceite.

Se han usado los sistemas de mezcla previa o una bomba dosificadora que añade una pequeña cantidad de aceite a la admisión, igual al empleado para lubricación y refrigeración del rotor. En los motores con refrigeración por la mezcla de aire/combustible, uno de los aceites que ha dado mejores resultados es el Shell Rotella 30.

Los motores con refrigeración por líquido necesitan un lubricante multigrado para facilitar los arranques en frío, aceite que debe ser de naturaleza mineral y no sintético para evitar la producción de cenizas y gomas en la combustión.

¿Cuál es la cilindrada de un motor Wankel?

En alguna que otra ocasión habrás escuchado eso de este motor rotativo de 600 cc equivale a un 1.800, pero, ¿qué es esto de las equivalencias?. Pues bien, tanto NSU (el primer fabricante del Wankel, y para quien trabajaba su inventor) como Mercedes, consideran que la cilindrada del Wankel es el volumen de uno de sus lóbulos, el cual es el volumen máximo menos el mínimo.

Sin embargo, la definición técnica de cilindrada es el volumen de gases frescos que entra en el motor en la realización de un ciclo. Así, el Wankel, para realizar un ciclo requiere una vuelta completa de su rotor, por lo que se ha introducido tres veces aire (recuerda que posee tres lóbulos).

Así pues, su cilindrada es el triple. De hecho, como por cada vuelta del eje motor se da una explosión (la relación de transmisión del rotor al eje era de 3:1), se puede considerar un motor Wankel monorotor equivalente a un tricilíndrico, por lo que un birotor sería algo así como un seis en línea.

Por tanto, la Comisión Técnica Internacional de la FIA adoptó esta segunda definición como la cilindrada del motor Wankel, así como los diversos gobiernos y administraciones, evitando que tuvieran ventajas deportivas o fiscales respecto a los alternativos de pistones.

El papel del aceite en el motor rotativo

Si has leído con atención, pensarás acertadamente que los motores rotativos deben ser alimentados con un buen aceite motor para que todo vaya sobre ruedas. Al tener los vértices del rotor en permanente contacto con el estator es necesario lubricar perfectamente, y como además, la combustión implica quema de aceite (del que existe en la cámara en ese momento), el depósito va a ir consumiéndose progresivamente.

A la hora de elegir el aceite más adecuado para este tipo de motores hay que tener en cuenta varias cosas: en un motor rotativo el aceite es necesario para el funcionamiento, pero es que además el aceite debe consumirse (algo que sabemos que no es cierto en motores convencionales), y debe consumirse de la manera más limpia posible.

Es tradicional recomendar aceites minerales para este tipo de motores. No se solían recomendar sintéticos por su combustión: no todos van a entrar en combustión igual, ni igual de limpiamente, y por eso hay que tener mucho cuidado (de todos modos, de forma recurrente nos encontramos con la recomendación del aceite sintético Idemitsu Rotary Engine Oil, que lleva desde la década de los 70 haciendo aceites específicos para motor rotativo).

Sin entrar en «honduras», el aceite que Mazda recomendaba, por ejemplo, era un aceite «mineral», pero realmente es un Grupo III, que es sintético. ¿Cómo? Quizás por un error de traducción, y de confusión entre estándares, se dijo que los aceites sintéticos ensuciarían el motor rotativo, cuando en realidad depende mucho del aceite sintético que se utilice.

Sea como fuere, la «palabra oficial» de Mazda es que no recomiendan el uso de aceites sintéticos en sus motores rotativos, pero sin embargo es común encontrar consejos sobre el uso de aceites 5w20 y 5w30 en foros especializados. Eso sí, tal como dijimos, este tipo de motores está en franco desuso.

¿Qué coches llevan Motor Wankel?

Si bien es cierto, en el mercado casi no existe ningún vehículo con este tipo de motor, a excepción de algún modelo exótico. Por este motivo, debemos ser conscientes de que es bastante complicado encontrarnos con algún motor de estas características. Los coches que lo han equipado a lo largo de la historia son el Aerovette, el Mazda RX-7 y RX-8, el Mercedes C111 y el NSU Spider.

Tal como anunció Mazda, en 2020 lanzará al mercado dos vehículos eléctricos. Uno de ellos llevará su famoso motor rotativo, como ampliador de autonomía. Además, afirman que también podrá utilizar GLP, por lo que sería un coche aún más limpio y económico.

 

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