Motor Giratorio Tipo Wankel
Durante los últimos 400 años, muchos inventores e
ingenieros han perseguido la idea de desarrollar un motor de combustión
interna de rotación continua. Desde hace varios años se esperaba que el
movimiento alternativo de pistón del motor de combustión interna fuera
sustituido por un motor con un movimiento similar al de una "rueda",
uno de los mayores inventos de la humanidad.
Fue a finales del siglo XVI que la frase, " motor
de combustión interna de movimiento rotatorio constante" apareció por
primera vez impreso. James Watt (1736 ~ 1819), el inventor del
mecanismo de biela y manivela. Watt también investigó sobre un motor de
combustión interna rotatorio. Durante los últimos 150 años, los
inventores han desarrollado varias ideas sobre el diseño de los motores
rotativos, pero no fue sino hasta 1846, que la estructura geométrica de
la cámara de combustión de los actuales diseños de motor rotativo fue
desarrollada y el concepto del primer motor con una curva epitrocoidal
fue logrado. Sin embargo, ninguna de esas ideas habían sido objeto de
un uso práctico hasta que el Dr. Felix Wankel desarrolló el motor
rotativo tipo Wankel en 1957.
Principio de la curva Peritrocoide
El Dr. Wankel y sus colegas idearon la forma de
configurar la curva trocoide. Si quieres hacerla por ti mismo, en
primer lugar, pon una hoja blanca en una mesa y fija un engrane de
dientes externos, después dibuja un engranaje de dientes internos,
ahora pon un lápiz atado a un brazo fijado en la parte exterior del
engranaje de dientes internos. La relación de transmisión entre ambos
engranes debe ser 2:3. Al girar el engrane de dientes internos en el
engranaje, la pluma va a generar la curva en forma de capullo trocoide.
Estructura y Funcionamiento del Motor Rotativo
El motor rotativo se compone de una carcasa en
forma de capullo y rotor de forma triangular en el interior. El espacio
entre el rotor y la pared de la carcasa proporciona las cámaras de
combustión interna y la presión de la expansión de los gases sirve para
girar el rotor. Con el fin de hacer que el motor rotativo funcione como
un motor de combustión interna; los cuatro procesos de admisión,
compresión, combustión y escape se llevan a cabo en la en la cámara de
combustión dentro de la carcasa.
Supongamos que el rotor triangular fuera colocado
concéntricamente dentro de una cubierta circular de verdad. En este
caso, la cámara de combustión no variaría en volumen a medida que el
rotor gira en el interior. Incluso si la mezcla aire-combustible se
encendiera allí, la presión de la expansión del gas de combustión no
haría más que trabajar hacia el centro del rotor y no daría lugar a la
rotación. Por eso la periferia interior de la carcasa se contornea como
una forma curveada llamada trocoide y el rotor gira instalado en un eje
excéntrico.
La cámara de combustión cambia de volumen dos veces
por revolución, por lo que los 4 tiempos del motor de combustión
interna pueden ser realizados.
Con el motor rotativo Wankel, los picos del rotor
siguen el contorno oval de la periferia interior de la carcasa del
motor, mientras que permanecen en contacto con el engranaje en el eje
de salida que está también en órbita excéntrica alrededor del punto
central de la carcasa del motor.
Un mecanismo de engranaje fase dicta la órbita del
rotor triangular. El engranaje de fase consiste en un engranaje de
dientes en el interior del rotor y un engrana exterior de dientes fijos
en un eje excéntrico. Si el engrane del rotor iban a tener 30 dientes
en su interior, el engranaje del eje que tiene 20 dientes en su
perímetro por lo que la relación de transmisión es de 3:2. Debido a
esta relación de transmisión, la tasa de velocidad de giro entre el
rotor y el eje se define como 1:3.
El rotor tiene un período de rotación más largo que
el eje excéntrico. El rotor gira una vuelta, mientras que el eje
excéntrico gira tres vueltas. Con el motor funcionando a 3000 rpm, el
rotor girará a 1000rpm.
Comparación con el Motor de Pistones
Con el fin de obtener la fuerza de giro, tanto el
motor de pistón y el motor rotativo se basan en la presión de expansión
creada por la combustión de la mezcla aire-combustible. La diferencia
entre los mecanismos de los dos motores es en la forma en que la
presión de expansión se utiliza. En el motor de pistón, la presión de
la expansión empuja el pistón empujándolo hacia abajo y la fuerza
mecánica se transfiere a la biela, que provoca la rotación del
cigüeñal. En el caso del motor rotativo, la presión de expansión se
aplica al costado del rotor, obteniendo como resultado que uno de los
tres lados de un triángulo sea forzado hacia el centro del eje
excéntrico (PG en la figura). Este movimiento está formado por dos
fuerzas divididas. Una es la fuerza hacia el centro del eje de salida
(Pb en la figura) y la otra es la fuerza tangencial (Ft), que hace
girar el eje de salida.
Principio de generación de torque
Con el motor de pistón, la presión de la expansión de
los gases de combustión se convierte en movimiento a través de la biela
y se transfiere al cigüeñal. Mientras que, en el motor rotativo, se
hace a través del efecto del eje excéntrico, la fuerza de expansión
directa hace girar el rotor y luego el rotor hace girar el eje
excéntrico.
El espacio interior de la carcasa (o la cámara de
trocoide) está siempre dividida en tres cámaras de combustión. Debido
al giro del rotor, las tres cámaras de trabajo están siempre en
movimiento para realizar los cuatro tiempos: admisión, compresión,
ignición (combustión) y escape dentro de la carcasa. Cada proceso se
lleva a cabo en un lugar diferente en la cámara trocoide. Esto es
significativamente diferente de la del motor de pistón, donde los
cuatro procesos se llevan a cabo dentro de cada cilindro fijo.
El volumen de desplazamiento del motor rotativo se
expresa generalmente por el volumen de la cámara por el número de
rotores. Por ejemplo, con el modelo 13, motor rotativo de dos rotores,
el volumen de desplazamiento se muestra como "654cc X 2".
El volumen de la cámara representa la diferencia
entre el volumen máximo y el volumen mínimo de una cámara de
combustión, mientras que la relación de compresión se define como el
cociente entre el volumen máximo y el mínimo volumen. Las definiciones
que se utilizan son las mismas para el motor de pistón. En la siguiente
figura, se comparan los cambios del volumen de la cámara de combustión
del motor rotativo y el motor de pistones. Aunque, en ambos motores, el
volumen de la cámara de combustión varía suavemente en una forma de
onda, hay dos diferencias distintivas entre los dos motores. Una
diferencia es el ángulo de giro por proceso. El motor de pistón gira
180 grados, mientras que el motor rotativo gira 270 grados, una vez y
media lo del motor de pistón. En otras palabras, en el motor de pistón,
el cigüeñal (eje de salida) hace dos vueltas (720 grados) durante los
cuatro procesos, mientras que en el motor rotativo, el eje excéntrico
(eje de salida) hace tres vueltas (1080 grados), mientras que el rotor
hace una vuelta. De esta manera, el motor rotativo tiene un proceso más
tardado, lo que produce un torque con menor fluctuación y por lo tanto
un funcionamiento más suave. Además, incluso a alta velocidad, la
velocidad del rotor es comparativamente más lento, por lo tanto, los
tiempos de la admisión y el escape son más largos, lo que facilita el
desarrollo de todo el proceso y se logra un mejor rendimiento.
Comparación con un Motor de Pistones
En el motor rotativo, el espacio interior de la
carcasa está siempre dividido en tres cámaras de combustión y, como el
rotor gira, las cámaras se mueven también. Los cuatro procesos:
admisión, compresión, combustión y escape se realizan sucesivamente en
un lugar distinto de la carcasa. Esto es significativamente diferente
de la del motor de pistón, donde los cuatro procesos se llevan a cabo
dentro de un cilindro.
Características únicas del motor rotativo
(1) Tamaño pequeño y ligero
El motor rotativo tiene varias ventajas, pero las
más importante es que se reducen el tamaño y el peso. Cuando un motor
rotativo se considera equivalente a un motor de seis cilindros en
línea, en nivel de ruido y suavidad de funcionamiento, el motor
rotativo puede ser dos tercios del peso y tamaño, y lograr el mismo
nivel de potencia y torque. Esta ventaja es muy atractiva para los
diseñadores de automóviles, especialmente a la luz de las tendencias
actuales con requisitos más estrictos en la resistencia al impacto
(seguridad en choques), la aerodinámica, la distribución del peso y la
utilización del espacio, poniendo el motor rotativo en el centro de
atención una vez más.
(2) Características de par constante
El motor rotativo tiene una curva de par bastante
cosntante en todo el rango de velocidades y de acuerdo a los resultados
de la investigación, las fluctuaciones de par durante la operación
están en el mismo nivel que un motor de seis cilindros en línea,
incluso con el diseño de dos rotores, y un diseño de tres rotores es
más suave que un motor V8.
(3) Menos vibración y menores niveles de ruido
Con el motor de pistones, el movimiento del pistón
es en sí una fuente de vibración, mientras que el mecanismo de válvulas
genera ruidos no deseados. Los movimientos suaves del motor rotativo
generan vibraciones considerablemente menores y la ausencia de un
mecanismo de válvulas, contribuye a un funcionamiento más suave y
silencioso.
(4) Estructura simple
A medida que el motor rotativo convierte la presión
de la expansión de la mezcla aire-combustible quemada directamente en
fuerza de giro del rotor triangular y del eje excéntrico; no hay
necesidad de bielas. La admisión y escape se abren y cierran por el
movimiento del rotor en sí, por lo tanto tampoco hay necesidad del
mecanismo de válvulas que incluye la correa o cadena de distribución,
el árbol de levas, los balancines, las válvulas, los resortes de
válvula, etc. Por lo tanto se puede construir un motor rotatorio con
menos piezas.
(5) Confiabilidad y Durabilidad
Como se mencionó antes, el rotor gira en un tercio
de la velocidad del motor. Por lo tanto, cuando el motor rotativo gira
a velocidades de 7000 o 8000 rpm, el rotor está girando una tercera
parte de este coeficiente. Además, puesto que el motor rotativo no
tiene balancines y bielas, es más confiable y duradero en condiciones
de alta demanda. Esto fue demostrado por la victoria general en Le Mans
en 1991.
Los Componentes Principales del Motor Rotativo
El motor rotativo no tiene necesidad de un mecanismo
de válvulas para abrir y cerrar los puertos de admisión y escape y, en
comparación con el motor de pistón, se compone de menos piezas. La foto
de abajo muestra el despiece del motor Mazda RX-8 Renesis. Los
principales componentes son:
(A) carcasa posterior, (B) alojamiento del rotor, (C)
carcasa intermedia, (D) carcasa frontal, (E) múltiple de admisión 1,
(F) múltiple de admisión 2, (G) válvula de aceleración - electrónica,
(H) engrane estacionario, (I) rotor, (J) eje excéntrico, (k) múltiple
de escape. | 
