El motor Wankel ( /ˈvaŋkəl̩/ , VUN -kell ) es un tipo de motor de combustión interna que utiliza un diseño rotatorio excéntrico para convertir la presión en movimiento rotatorio. El concepto fue probado por el ingeniero alemán Felix Wankel , seguido por un motor comercialmente factible diseñado por el ingeniero alemán Hanns-Dieter Paschke. [1] El rotor del motor Wankel, que crea el movimiento giratorio, tiene una forma similar a un triángulo de Reuleaux , con los lados con menos curvatura. El rotor gira dentro de una carcasa epitrocoidal con forma de ocho alrededor de un engranaje de dientes fijos. El punto medio del rotor se mueve en un círculo alrededor del eje de salida, girando el eje a través de una leva.
En su forma básica alimentada por gasolina, el motor Wankel tiene una menor eficiencia térmica y mayores emisiones de escape en relación con el motor de pistón alternativo de cuatro tiempos. La ineficiencia térmica ha restringido el uso del motor a un uso limitado desde su introducción en la década de 1960. Sin embargo, muchas desventajas se han superado principalmente en las décadas siguientes a medida que avanzaba la producción de vehículos de carretera. Las ventajas de diseño compacto, suavidad, menor peso y menos piezas en comparación con los motores de combustión interna de pistón alternativo hacen que el motor Wankel sea adecuado para aplicaciones como motosierras , unidades de potencia auxiliares (APU), municiones merodeadoras , aeronaves , motos de agua , motos de nieve y extensores de autonomía en automóviles . El motor Wankel también se utilizó para impulsar motocicletas y autos de carrera .
El motor Wankel es un tipo de motor de pistón rotativo y existe en dos formas principales, el Drehkolbenmotor (DKM, "motor de pistón rotativo"), diseñado por Felix Wankel (véase la Figura 2) y el Kreiskolbenmotor (KKM, "motor de pistón tortuoso"), diseñado por Hanns-Dieter Paschke [2] (véase la 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.
Felix Wankel diseñó un compresor rotativo en la década de 1920 y recibió su primera patente para un tipo de motor rotativo en 1934. [6] Se dio cuenta de que el rotor triangular del compresor rotativo podría tener puertos de admisión y escape agregados produciendo un motor de combustión interna. Finalmente, en 1951, Wankel comenzó a trabajar en la empresa alemana NSU Motorenwerke para diseñar un compresor rotativo como supercargador para los motores de motocicletas de NSU. Wankel concibió el diseño de un rotor triangular en el compresor. [7] Con la ayuda del profesor Othmar Baier de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Stuttgart, el concepto se definió matemáticamente. [8] El supercargador que diseñó se utilizó para uno de los motores de dos tiempos de un cilindro de 50 cm 3 de NSU . El motor produjo una potencia de salida de 13,5 PS (10 kW) a 12.000 rpm. [9]
En 1954, NSU acordó desarrollar un motor de combustión interna rotativo con Felix Wankel, basado en el diseño de sobrealimentador de Wankel para sus motores de motocicletas. Como 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". [10] El primer prototipo funcional, DKM 54 (ver figura 2), funcionó por primera vez el 1 de febrero de 1957, en el departamento de investigación y desarrollo de NSU Versuchsabteilung TX . Producía 21 CV (15 kW). [11] [12] Poco después de eso, se construyó un segundo prototipo del DKM. Tenía un volumen de cámara de trabajo V k de 125 cm 3 y también producía 21 kW (29 CV) a 17.000 rpm. [13] Incluso podía alcanzar velocidades de hasta 25.000 rpm. Sin embargo, estas velocidades del motor distorsionaban la forma del rotor exterior, lo que resultaba poco práctico. [14] Según los ingenieros e historiadores de Mazda Motors , se construyeron cuatro unidades del motor DKM; se describe que el diseño tiene una cilindrada V h de 250 cm 3 (equivalente a un volumen de cámara de trabajo V k de 125 cm 3 ). Se dice que la cuarta unidad construida recibió varios cambios de diseño y, finalmente, produjo 29 CV (21 kW) a 17.000 rpm; podía alcanzar velocidades de hasta 22.000 rpm. Uno de los cuatro motores construidos ha estado en exhibición estática en el Deutsches Museum Bonn (ver figura 2). [15]
Debido a su diseño complicado con un eje central estacionario, el motor DKM era poco práctico. [4] Wolf-Dieter Bensinger 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 el diseño DKM tuvo que abandonarse. [16] El ingeniero jefe de desarrollo de 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 el KKM (ver figura 5). [4] El KKM resultó 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. [5] 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 Wankel había pretendido. Comentó que su "caballo de carreras" se convirtió en un "caballo de arado". Wankel también se quejó de que se ejercerían más tensiones sobre los sellos del vértice del KKM debido al movimiento excéntrico del rotor. NSU no podía permitirse el lujo de 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. [17]
Wankel obtuvo la patente estadounidense 2.988.065 para el motor KKM el 13 de junio de 1961. [18] Durante la fase de diseño del KKM, el equipo de ingeniería de Froede tuvo que resolver problemas como los repetidos agarrotamientos de los cojinetes, el flujo de aceite dentro del motor y la refrigeración del motor. [19] El primer motor KKM en pleno funcionamiento, el KKM 125, con un peso de tan solo 17 kg (37,5 lb), desplazaba 125 cm3 y producía 26 CV (19 kW) a 11.000 rpm. [20] Su primera puesta en marcha fue el 1 de julio de 1958. [21]
En 1963, NSU produjo el primer motor Wankel de producción en serie para un automóvil, el KKM 502 (ver Figura 6). Se utilizó en el automóvil deportivo NSU Spider , del que se fabricaron alrededor de 2000. A pesar de sus "problemas iniciales", el KKM 502 era un motor 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 cm 3 (61 in 3 ), una potencia nominal de 40 kW (54 hp) a 6000 rpm y un BMEP de 1 MPa (145 lbf/in 2 ). [22]
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El motor Wankel tiene un eje de toma de fuerza excéntrico giratorio, con un pistón rotatorio montado sobre excéntricas en el eje en forma de hula-hoop. El Wankel es un tipo de motor rotatorio 2:3, es decir, el lado interior de su carcasa se asemeja a un epitrocoide ovalado de dos lóbulos (equivalente a un peritrocoide). [25] En contraste, su pistón rotatorio tiene una forma trocoide de tres vértices (similar a un triángulo de Reuleaux ). Por lo tanto, el rotor del motor Wankel forma constantemente tres cámaras de trabajo en movimiento. [26] La geometría básica del motor Wankel se representa en la figura 7. Los sellos en los ápices del rotor sellan contra la periferia de la carcasa. [27] 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 sobre el centro de la parte excéntrica del eje de salida.
Todos los motores Wankel prácticos son motores de cuatro tiempos (es decir, de cuatro tiempos). En teoría, los motores de dos tiempos son posibles, pero no son prácticos porque los gases de admisión y los gases de escape no se pueden separar adecuadamente. [16] 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. [28] Por lo tanto, los motores Wankel suelen tener un sistema de encendido por chispa de alto voltaje . [29]
En un motor Wankel, un lado del rotor triangular completa el ciclo Otto de cuatro etapas de admisión, compresión, expansión y escape en cada revolución del rotor (equivalente a tres revoluciones del eje, consulte la Figura 8). [30] 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. [27] [31] Como el rotor tiene tres lados, esto da tres pulsos de potencia por revolución del rotor.
Los motores Wankel tienen un grado de irregularidad mucho menor en relación con un motor de pistón alternativo, lo que hace que el motor Wankel funcione mucho más suavemente. Esto se debe a que el motor Wankel tiene un momento de inercia menor y una menor área de exceso de par debido a su entrega de par más uniforme. Por ejemplo, un motor Wankel de dos rotores funciona más del doble de suavemente que un motor de pistón de cuatro cilindros. [32] 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. Por lo tanto, las revoluciones máximas de un motor Wankel están limitadas principalmente por la carga de los dientes en los engranajes sincronizadores. [33] Los engranajes de acero endurecido se utilizan para un funcionamiento prolongado por encima de 7000 u 8000 rpm. En la práctica, los motores Wankel para automóviles no funcionan a velocidades del eje de salida mucho más altas que los motores de pistón alternativo de potencia de salida similar. Los motores Wankel se utilizan en las carreras de coches a velocidades de hasta 10.000 rpm, pero también lo hacen los motores de pistón alternativo de cuatro tiempos con una cilindrada relativamente pequeña. En la aviación, se utilizan de forma conservadora, hasta 6.500 o 7.500 rpm.
En un motor rotativo Wankel, el volumen de la cámara es equivalente al producto de la superficie del rotor por la trayectoria del rotor . La superficie del rotor está dada por la trayectoria de las puntas del rotor a través de la carcasa del rotor y determinada por el radio de generación , el ancho del rotor y las transferencias paralelas del rotor y la carcasa interior . Dado que el rotor tiene una forma trocoide ("triangular"), el seno de 60 grados describe el intervalo en el que los rotores se acercan más a la carcasa del rotor. Por lo tanto,
La trayectoria del rotor se puede integrar a través de la excentricidad de la siguiente manera:
Por lo tanto,
Por conveniencia, se puede omitir porque es difícil de determinar y pequeño: [36]
Un enfoque diferente para esto es introducir como la transferencia paralela más lejana y más corta del rotor y la carcasa interior y suponer que y . Entonces,
La inclusión de las transferencias paralelas del rotor y la carcasa interior proporciona suficiente precisión para determinar el volumen de la cámara. [36] [35]
A lo largo del tiempo se han utilizado distintos enfoques para evaluar el desplazamiento total de un motor Wankel en relación con un motor alternativo: considerando solo una, dos o las tres cámaras. [41] Parte de esta disputa se debió a que los impuestos sobre los vehículos en Europa dependen del desplazamiento del motor, como informó Karl Ludvigsen . [42]
Si se considera el número de cámaras para cada rotor y el número de rotores, entonces el desplazamiento total es:
Si es la presión efectiva media , la velocidad de rotación del eje y el número de revoluciones del eje necesarias para completar un ciclo ( es la frecuencia del ciclo termodinámico), entonces la potencia total de salida es:
Kenichi Yamamoto y Walter G. Froede colocaron y : [43] [44]
Con estos valores, un motor Wankel de un solo rotor produce la misma potencia media que un motor monocilíndrico de dos tiempos , con el mismo par medio, con el eje girando a la misma velocidad, operando los ciclos Otto al triple de frecuencia.
Richard Franz Ansdale, Wolf-Dieter Bensinger y Felix Wankel basaron su analogía en el número de carreras de expansión acumuladas por revolución del eje. En un motor rotativo Wankel, el eje excéntrico debe realizar tres rotaciones completas (1080°) por cámara de combustión para completar las cuatro fases de un motor de cuatro tiempos. Dado que un motor rotativo Wankel tiene tres cámaras de combustión, las cuatro fases de un motor de cuatro tiempos se completan dentro de una rotación completa del eje excéntrico (360°), y se produce un pulso de potencia en cada revolución del eje. [35] [45] Esto es diferente de un motor de pistón de cuatro tiempos, que necesita realizar dos rotaciones completas por cámara de combustión para completar las cuatro fases de un motor de cuatro tiempos. Por lo tanto, en un motor rotativo Wankel, según Bensinger, el desplazamiento ( ) es: [46] [47] [48]
Si se desea obtener potencia a partir de BMEP, se aplica la fórmula del motor de cuatro tiempos:
Eugen Wilhelm Huber y Karl-Heinz Küttner contaron todas las cámaras, ya que cada una opera con su propio ciclo termodinámico. Así y : [49] [50] [51]
Con estos valores, un motor Wankel de un solo rotor produce la misma potencia media que un motor de cuatro tiempos de tres cilindros, con 3/2 del par medio, con el eje girando a 2/3 de la velocidad, operando los ciclos Otto a la misma frecuencia:
Aplicando un conjunto de engranajes 2/3 al eje de salida del tricilíndrico (o uno 3/2 al Wankel), los dos son análogos desde el punto de vista termodinámico y mecánico de salida, como señaló Huber. [50]
La NSU licenció el diseño del motor Wankel a empresas de todo el mundo, en diversas formas, y muchas de ellas 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 que confirma John B. Hege: [54] [55] [56]
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 . [60] John B. Hege sostiene que no se emitió ninguna licencia a ningún fabricante de automóviles soviético. [61]
Felix Wankel logró superar la mayoría de los problemas que hicieron que los intentos anteriores de perfeccionar los motores rotativos fracasaran, al desarrollar una configuración con sellos de paletas que tenían un radio de punta igual a la cantidad de "sobredimensionamiento" de la forma de la carcasa del rotor, en relación con el epitrocoide teórico, para minimizar el movimiento radial del sello del ápice, además de introducir un pasador de ápice cilíndrico cargado con gas que se apoyaba en todos los elementos de sellado para sellar alrededor de los tres planos en cada ápice del rotor. [62]
En los primeros tiempos, se debían construir máquinas de producción exclusivas y dedicadas para diferentes disposiciones dimensionales de la carcasa. Sin embargo, los diseños patentados, como la patente estadounidense 3.824.746 , de G. J. Watt, de 1974, para una "Máquina generadora de cilindros de motor Wankel", la patente estadounidense 3.916.738 , "Aparato para el mecanizado y/o tratamiento de superficies trocoidales" y la patente estadounidense 3.964.367 , "Dispositivo para el mecanizado de paredes internas trocoidales", y otras, resolvieron el problema.
Los motores Wankel tienen un problema que no se encuentra en los motores de cuatro tiempos con pistón alternativo, ya que la carcasa del bloque tiene la admisión, la compresión, la combustión y el escape que se producen en lugares fijos alrededor de la carcasa. Esto provoca una carga térmica muy desigual en la carcasa del rotor. [63] En contraste, los motores alternativos de cuatro tiempos realizan estos cuatro tiempos en una cámara, de modo que los extremos de admisión "congelada" y escape "flameante" se promedian y se protegen mediante 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. [64] El precalentamiento de ciertas secciones de la carcasa con gases de escape mejoró el rendimiento y el ahorro de combustible, reduciendo también el desgaste y las emisiones. [65]
Las capas protectoras y la película de aceite actúan como aislante térmico, lo que produce una temperatura baja de la película lubricante (aproximadamente un máximo de 200 °C o 390 °F en un motor Wankel refrigerado por agua). Esto proporciona una temperatura superficial más constante. La temperatura alrededor de la bujía es aproximadamente la misma que en la cámara de combustión de un motor alternativo. Con refrigeración por flujo circunferencial o axial, la diferencia de temperatura sigue siendo tolerable. [66] [67] [68]
Durante las investigaciones de los años 50 y 60, surgieron problemas. Durante un tiempo, los ingenieros se enfrentaron a lo que denominaron "marcas de vibración" y "rayones del diablo" en la superficie epitrocoidal interna, lo que provocó el descascarillado del revestimiento de cromo de las superficies trocoidales. 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, así como utilizando materiales más adecuados. Los rayones desaparecieron después de introducir materiales más compatibles para los sellos y los revestimientos de la carcasa. Yamamoto aligeró experimentalmente los sellos del ápice con agujeros. Ahora, el peso se identificó como la causa principal. Mazda utilizó entonces sellos del ápice de carbono impregnados de aluminio en sus primeros motores de producción. NSU utilizó sellos del ápice impregnados de carbono y antimonio contra el cromo. NSU desarrolló el revestimiento ELNISIL hasta la madurez de producción y volvió a utilizar una tira de sellado de metal para el RO80. Mazda siguió utilizando cromo, pero dotó a la carcasa de aluminio de una cubierta de acero, que luego fue recubierta con una fina capa de cromo galvanizado dimensional. Esto permitió a Mazda volver a los sellos de ápice de metal de 3 mm y, más tarde, incluso de 2 mm de espesor. [69] 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. [70]
Toyota descubrió que sustituir una bujía incandescente por la bujía del sitio principal mejoraba las rpm bajas, la carga parcial, el consumo específico de combustible en un 7% y las emisiones y el ralentí. [71] Una solución alternativa posterior para la refrigeración de la protuberancia de la bujía fue proporcionada con un esquema de velocidad variable del refrigerante para rotativos refrigerados por agua, que ha tenido un uso generalizado, siendo patentado por Curtiss-Wright, [72] siendo el último de la lista para una mejor refrigeración de la protuberancia de la bujía del motor refrigerado por aire. Estos enfoques no requerían un inserto de cobre de alta conductividad, pero no impedían su uso. Ford probó un motor Wankel con las bujías colocadas en las placas laterales, en lugar de la colocación habitual en la superficie de trabajo de la carcasa ( CA 1036073 , 1978).
Los motores Wankel son capaces de funcionar a alta velocidad, lo que significa que no necesariamente necesitan producir un alto par para producir alta potencia. La posición del puerto de admisión y el cierre del puerto de admisión afectan en gran medida la producción de par del motor. El cierre temprano del puerto de admisión aumenta el par a bajas revoluciones, pero reduce el par a altas revoluciones (y, por lo tanto, la potencia). Por el contrario, el cierre tardío del puerto de admisión reduce el par a bajas revoluciones al tiempo que aumenta el par a altas revoluciones del motor, lo que da como resultado más potencia a velocidades más altas del motor. [73]
Un puerto de admisión periférico proporciona la presión efectiva media más alta ; sin embargo, la admisión lateral produce un ralentí más estable, [74] porque ayuda a prevenir el retroceso de los gases quemados hacia los conductos de admisión, que causan "fallos de encendido" causados por ciclos alternativos donde la mezcla se enciende y no se enciende. El puerto periférico (PP) proporciona la mejor presión efectiva media en todo el rango de rpm, pero la PP también se relacionó con una peor estabilidad de ralentí y rendimiento a carga parcial. El trabajo inicial de Toyota [75] condujo a la adición de un suministro de aire fresco al puerto de escape. También demostró que una válvula Reed en el puerto o los conductos de admisión [76] mejoraba el rendimiento a bajas rpm y carga parcial de los motores Wankel, al prevenir el retroceso de los gases de escape hacia el puerto y los conductos de admisión, y reducir la alta EGR que induce fallos de encendido, a costa de una ligera pérdida de potencia en 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 mayor contrapresión de escape reduce la presión media efectiva, más severamente en los motores con puerto de admisión periférico. El motor Mazda RX-8 Renesis mejoró el rendimiento al duplicar el área del puerto de escape en relación con los 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. [77] Los puertos de admisión laterales (como los utilizados 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 potente como un motor PP. [78]
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 del Wankel hace que sea más fácil usar materiales alternativos, como aleaciones exóticas y cerámicas . Un método común es, para las 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 el resto. Las carcasas de motor fundidas de hierro se pueden soldar por inducción para hacer que el material sea adecuado para soportar el estrés térmico de la combustión. [79]
Entre las aleaciones citadas para el uso de la carcasa Wankel se encuentran A-132, Inconel 625 y 356 tratadas a dureza T6. Se han utilizado varios materiales para revestir la superficie de trabajo de la carcasa, siendo Nikasil uno de ellos. Citroën, Daimler-Benz, Ford, AP 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 , Ferro-TiC y otros materiales. [80] La combinación del revestimiento de la carcasa y los materiales del sello de ápice y lateral 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 fue el combustible 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 la gasolina con plomo se fue eliminando gradualmente, los motores Wankel necesitaban una mayor mezcla de aceite en la gasolina para proporcionar lubricación a las partes críticas del motor. Un documento de la SAE de David Garside describió extensamente las opciones de materiales y aletas de refrigeración de Norton. [ cita requerida ]
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 componían la carcasa. Además, en los motores Wankel de modelos anteriores, las partículas de carbono podían quedar atrapadas entre el sello y la carcasa, atascando el motor y requiriendo una reconstrucción parcial. Era común que los primeros motores Mazda necesitaran reconstrucción después de 50.000 millas (80.000 km). Surgieron más problemas de sellado debido a la distribución térmica desigual dentro de las carcasas, lo que causaba distorsión y pérdida de sellado y compresión. Esta distorsión térmica también causaba un desgaste desigual entre el sello del ápice y la carcasa del rotor, evidente en los motores de mayor kilometraje. [ cita requerida ] El problema se agravó cuando el motor se estresó antes de alcanzar la temperatura de funcionamiento . Sin embargo, los motores Wankel de Mazda resolvieron estos problemas iniciales. Los motores actuales tienen casi 100 piezas relacionadas con el sello. [ 11 ]
El problema de la holgura para los vértices calientes del rotor que pasan entre las carcasas laterales axialmente más cercanas en las áreas de lóbulos de admisión más fríos se solucionó utilizando un piloto de rotor axial radialmente hacia el interior de los sellos de aceite, además de un enfriamiento de aceite por inercia mejorado del interior del rotor (CW US 3261542 , C. Jones, 5/8/63, US 3176915 , M. Bentele, C. Jones. AH Raye. 7/2/62) y sellos de vértice ligeramente "coronados" (diferente altura en el centro y en los extremos del sello). [81]
Como se describe en la sección de desventajas termodinámicas, los primeros motores Wankel tenían un bajo consumo de combustible. Esto se debe al diseño de la cámara de combustión y a la gran superficie del motor Wankel. Por otro lado, el diseño del motor Wankel es mucho menos propenso a la detonación del motor, [28] lo que permite utilizar combustibles de bajo octanaje sin reducir la compresión. NSU probó gasolina de bajo octanaje por sugerencia de Felix Wankel.
La empresa BV Aral fabricó a modo de prueba gasolina de 40 octanos, que se utilizó en el motor de prueba Wankel DKM54 con una relación de compresión de 8:1; funcionó sin problemas. Esto molestó a la industria petroquímica europea, que había invertido grandes sumas de dinero en nuevas plantas para la producción de gasolina de mayor calidad. [82] [83] [84] [85] [86]
Los motores de inyección directa con carga estratificada pueden funcionar con combustibles con índices de octano particularmente bajos, como el combustible diésel, que solo tiene un índice de octano de ~25. [87] [88] Como resultado de la baja eficiencia, un motor Wankel con puertos de escape periféricos tiene una mayor cantidad de hidrocarburos no quemados (HC) liberados en el escape. [89] [90] Sin embargo, el escape tiene relativamente bajas emisiones de óxido de nitrógeno (NOx), porque 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 aproximadamente las mismas. [28]
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 baja y media. Esto se debe a la mayor frecuencia de combustión y a una combustión más lenta. Las temperaturas de los gases de escape pueden superar los 1300 K con carga alta a velocidades del motor de 6000 rpm −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 del escape. [89]
Mazda utiliza un sistema de encendido dual con dos bujías por cámara. Esto aumenta la potencia de salida y al mismo tiempo reduce las emisiones de HC. Al mismo tiempo, las emisiones de HC se pueden reducir reduciendo el preencendido de la bujía T delantera en relación con la bujía L trasera. Esto conduce a una postcombustión interna y reduce las emisiones de HC. Por otro lado, el mismo tiempo de encendido de L y T conduce a una mayor conversión de energía. Los hidrocarburos adheridos a la pared de la cámara de combustión se expulsan al escape en la salida periférica. [91] [92]
Mazda utilizó 3 bujías en su motor R26B por cámara. La tercera bujía enciende la mezcla en el lado de salida antes de que se genere el aplastamiento, lo que hace que la mezcla se queme por completo y, además, acelera la propagación de la llama, lo que mejora el consumo de combustible. [93] 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, y las temperaturas más altas dan como resultado menos hidrocarburos en el escape. [94] Curtiss-Wright ensanchó el rotor, manteniendo inalterada la arquitectura del resto del motor, 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 deflexión del eje a altas velocidades de rotación. [95] El enfriamiento es la fuente dominante de hidrocarburos a altas velocidades y fugas a bajas velocidades. [96] 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. [90]
El automóvil RX-8 de Mazda con el motor Renesis (que se presentó por primera vez en 1999), cumplió en 2004 con el estándar de vehículos de bajas emisiones (LEV-II) de los Estados Unidos . [53] Esto se logró principalmente mediante el uso de puertos laterales: los puertos de escape, que en los motores rotativos Mazda anteriores estaban ubicados en las carcasas del rotor, se movieron al costado de la cámara de combustión. Este enfoque le permitió a Mazda eliminar la superposición entre las aberturas de los puertos de admisión y escape, al mismo tiempo que aumentaba el área del puerto 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 con puerto de escape lateral son entre un 35 y un 50 % menores que las del motor Wankel con puerto de escape periférico. Los motores rotativos con puerto periférico tienen una mejor presión efectiva media , especialmente a altas rpm y con un puerto de admisión de forma rectangular. [97] [98] Sin embargo, el RX-8 no fue mejorado para cumplir con las regulaciones de emisiones Euro 5 , y se suspendió en 2012. [99] El nuevo Mazda 8C del Mazda MX-30 R-EV cumple con el estándar de emisiones Euro 6d-ISC-FCM. [100]
El encendido por láser se propuso por primera vez en 2011, [101] [102] pero los primeros estudios sobre el encendido por láser no se realizaron hasta 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 gaseosos y líquidos. El encendido por láser conduce a un desarrollo más rápido del centro de combustión, lo que mejora la velocidad de combustión y conduce a una reducción de las emisiones de NOx . La energía del pulso láser necesaria para un encendido adecuado es "razonable", en el rango bajo de un solo dígito en mJ. No se requiere una modificación significativa del motor Wankel para el encendido por láser. [103]
Se han realizado investigaciones sobre motores de encendido por compresión rotativos. Los parámetros básicos de diseño del motor Wankel impiden obtener una relación de compresión suficiente para el funcionamiento con diésel en un motor práctico. [104] El enfoque de encendido por compresión de Rolls-Royce [105] y Yanmar [106] consistía en utilizar una unidad de dos etapas (véase la figura 16), en la que un rotor actúa como compresor, mientras que la combustión tiene lugar en el otro. [107] Ambos motores no funcionaban. [104]
Un motor Wankel de encendido por compresión (diésel) es un motor Wankel multicombustible que no es de encendido por compresión y que puede funcionar con una gran variedad de combustibles: diésel, gasolina, queroseno, metanol, gas natural e hidrógeno. [108] [109] El ingeniero alemán Dankwart Eiermann diseñó este motor en Wankel SuperTec (WST) a principios de la década de 2000. Tiene un volumen de cámara de 500 cm3 ( cc) y una potencia de salida indicada de 50 kW (67,1 hp) por rotor. Son posibles versiones con uno hasta cuatro rotores. [110]
El motor WST tiene un sistema de inyección directa common-rail que funciona según un principio de carga estratificada. De forma similar a un motor diésel y a diferencia de un motor Wankel convencional, el motor WST comprime aire en lugar de una mezcla de aire y combustible como en la fase de compresión del motor de cuatro tiempos. El combustible solo se inyecta en el aire comprimido poco antes del punto muerto superior, lo que da como resultado una carga estratificada (es decir, no una mezcla homogénea). Se utiliza una bujía para iniciar la combustión. [111] La presión al final de la fase de compresión y durante la combustión es menor que en un motor diésel convencional, [110] y el consumo de combustible es equivalente al de un pequeño motor de encendido por compresión con inyección indirecta (es decir, >250 g/(kW·h)). [112]
Las variantes del motor Wankel WST que funcionan con combustible diésel se utilizan como APU en 60 locomotoras diésel de Deutsche Bahn. Los motores de combustible diésel WST pueden generar hasta 400 kW (536 CV). [113] [108]
Como una mezcla de combustible de hidrógeno y aire se enciende más rápido y tiene una velocidad de combustión más rápida que la gasolina, un problema importante de los motores de combustión interna de hidrógeno es evitar la preignición y el contrafuego. En un motor rotativo, cada ciclo del ciclo Otto se produce 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 y combustible alejada de los puntos calientes localizados. Los motores Wankel tampoco tienen válvulas de escape calientes, lo que facilita su adaptación al funcionamiento con hidrógeno. [114] Otro problema se refiere al ataque de hidrogenados a la película lubricante en los motores alternativos. En un motor Wankel, el problema de un ataque de hidrogenados se evita mediante el uso de sellos de ápice de cerámica. [115] [116]
En un prototipo de motor Wankel instalado en un Mazda RX-8 para investigar el funcionamiento con hidrógeno, Wakayama et al. descubrieron que el funcionamiento con hidrógeno mejoraba la eficiencia térmica en un 23 % con respecto al funcionamiento con combustible de gasolina. Aunque el funcionamiento con mezcla pobre emite poco NOx, la cantidad total de NOx que sale del motor supera la norma SULEV japonesa. El funcionamiento estequiométrico complementario combinado con un catalizador proporciona una reducción adicional de NOx. En consecuencia, el vehículo cumple la norma SULEV. [117]
Las principales ventajas del motor Wankel son: [118]
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 desplaza directamente sobre un cojinete grande en el eje de salida, no hay bielas ni cigüeñal . La eliminación de la masa recíproca proporciona a los motores Wankel un coeficiente de no uniformidad bajo, lo que significa que funcionan mucho más suavemente que los motores de pistón alternativos 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. [32]
Un cilindro de cuatro tiempos produce una carrera de potencia solo cada dos rotaciones del cigüeñal, y tres carreras son pérdidas de bombeo. El motor Wankel también tiene una mayor eficiencia volumétrica que un motor de pistón alternativo. [121] Debido a la cuasi superposición de las carreras de potencia, el motor Wankel reacciona muy rápido a los aumentos de potencia y entrega potencia rápidamente cuando se la demanda, especialmente a velocidades más altas del motor. Esta diferencia es más pronunciada en relación con los motores alternativos de cuatro cilindros y menos pronunciada en relación con un mayor número de cilindros.
Debido a la ausencia de válvulas de escape calientes, los requisitos de octanaje del combustible de los motores Wankel son menores que en los motores de pistón alternativos. [122] Como regla general, se puede suponer que un motor Wankel con un volumen de cámara de trabajo V k de 500 cm 3 y una compresión de ε = 9 funciona bien con gasolina de calidad mediocre con un octanaje de solo 91 RON. [28] Si en un motor de pistón alternativo, la compresión debe reducirse en una unidad de compresión para evitar la detonación, entonces, en un motor Wankel comparable, puede que no se requiera una reducción en la compresión. [123]
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 pistón alternativo. Un sistema de inyección que permita el funcionamiento con carga estratificada puede ayudar a reducir las áreas de mezcla rica en partes no deseadas del motor, lo que mejora la eficiencia del combustible. [124]
Los motores rotativos Wankel sufren principalmente de una termodinámica deficiente causada por el diseño del motor Wankel con su enorme área de superficie y la forma deficiente de la cámara de combustión. Como consecuencia de esto, el motor Wankel tiene una combustión lenta e incompleta, lo que da como resultado un alto consumo de combustible y un mal comportamiento de los gases de escape. [122] Los motores Wankel pueden alcanzar una eficiencia máxima típica de alrededor del 30 por ciento. [125]
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 contribuye a la extinción deficiente de la 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 una "corriente de compresión" que impide que la llama alcance el borde posterior de la cámara, lo que empeora las consecuencias de una extinción deficiente de la mezcla de combustible y aire. La inyección directa de combustible, en la que el combustible se inyecta hacia el borde anterior de la cámara de combustión, puede minimizar la cantidad de combustible no quemado en el escape. [126] [127]
Aunque muchas de las desventajas son objeto de investigación en curso, las desventajas actuales del motor Wankel en producción son las siguientes: [128]
Aunque en dos dimensiones el sistema de sellado de un motor Wankel parece incluso más sencillo que el de un motor de pistón de varios cilindros, en tres dimensiones sucede lo contrario. Además de los sellos en el vértice del rotor que se ven en el diagrama conceptual, el rotor también debe sellarse contra los extremos de la cámara.
Los anillos de pistón de los 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 las fugas se producen entre cámaras adyacentes en carreras adyacentes del ciclo, en lugar de hacia la caja del eje principal. Aunque el sellado ha mejorado con el paso 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. [132]
El lado de salida 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 mezcla homogénea, esta corriente de compresión evita que la llama se propague al lado de salida de la cámara de combustión en los rangos de velocidad media y alta del motor. [133] Kawasaki abordó ese problema en su patente estadounidense US 3848574 ; Toyota obtuvo una mejora del 7% en la economía colocando una bujía incandescente en el lado de entrada y utilizando válvulas de láminas en los conductos de admisión. En los motores de dos tiempos, las láminas de metal duran unos 15.000 km (9.300 millas) mientras que las de fibra de carbono, alrededor de 8.000 km (5.000 millas). [75] Esta mala combustión en el lado de salida 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 puerto lateral, como el que se utiliza en el Mazda Renesis , evita la superposición de puertos, 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 y obtuvo una conversión completa de la mezcla aspirada. En el 26B, la bujía de encendido final superior se enciende antes del inicio del flujo de compresión. [134]
Las agencias nacionales que gravan los automóviles según la cilindrada y los organismos reguladores en las carreras de automóviles 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 el número de rotores, lo que reducía el coste de propiedad. [ cita requerida ] 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 impositivo de 2 litros. La FIA utilizó un factor de equivalencia de 1,8, pero más tarde lo aumentó a 2,0, utilizando la fórmula de cilindrada descrita por Bensinger. Sin embargo, la DMSB aplica un factor de equivalencia de 1,5 en los deportes de motor. [135]
El primer automóvil con motor rotativo que se puso a la 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 presentó un automóvil eléctrico híbrido con motor rotativo, el MX-30 R-EV en 2023. [136]
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 . [11] En 1967, NSU comenzó la producción de un automóvil de lujo con motor rotativo, el Ro 80. [ 137] Sin embargo, NSU no había producido sellos de ápice confiables en el rotor, a diferencia de Mazda y Curtiss-Wright. NSU tenía problemas con el desgaste de los sellos de ápice, la lubricación deficiente del eje y el bajo consumo de combustible, lo que provocó frecuentes fallas del motor, que no se resolvieron hasta 1972, lo que provocó grandes costos de garantía que redujeron el desarrollo de motores rotativos de NSU. Este lanzamiento prematuro del nuevo motor rotativo dio una mala reputación a todas las marcas, e incluso cuando estos problemas se solucionaron en los últimos motores producidos por NSU en la segunda mitad de los años 70, las ventas no se recuperaron. [11]
A principios de 1978, los ingenieros de Audi Richard van Basshuysen y Gottlieb Wilmers habían diseñado una nueva generación del motor Wankel de Audi NSU, el KKM 871. Era una unidad de dos rotores con un volumen de cámara V k de 746,6 cm 3 , derivado de una excentricidad de 17 mm, un radio de generación de 118,5 mm y una equidistancia de 4 mm y un ancho de carcasa de 69 mm. Tenía puertos de admisión laterales dobles 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 rpm y podía proporcionar un par máximo de 210 N·m a 3500 rpm. [138] Van Basshuysen y Wilmers diseñaron el motor con un reactor térmico o un convertidor catalítico para el control de emisiones. [138] El motor tenía una masa de 142 kg, [138] y un BSFC de aproximadamente 315 g/(kW·h) a 3000 rpm y un BMEP de 900 kPa. [139] 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. [140]
Mazda afirmó haber resuelto el problema del sello del ápice, haciendo funcionar los motores de prueba a alta velocidad durante 300 horas sin fallas. [11] Después de años de desarrollo, el primer automóvil con motor rotativo de Mazda fue el Cosmo 110S de 1967. La compañía siguió con varios vehículos Wankel ("rotativos" en la terminología de la compañía), incluidos un autobús y una camioneta . Los clientes a menudo citaban la suavidad de funcionamiento de los automóviles. Sin embargo, Mazda eligió un método para cumplir con los estándares de emisiones de hidrocarburos que, si bien era menos costoso de producir, aumentaba el consumo de combustible.
Mazda abandonó más tarde el motor rotativo en la mayoría de sus diseños automotrices, y continuó utilizando el motor solo en su gama de autos deportivos . La compañía normalmente usaba diseños de dos rotores. Un motor biturbo de tres rotores más avanzado se instaló en el auto deportivo Eunos Cosmo de 1990. 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 rotativa hacia los lados, lo que permite puertos generales más grandes y un mejor flujo de aire. [141] El Renesis es capaz de generar 238 hp (177 kW) con una economía de combustible mejorada, confiabilidad y menores emisiones que los motores rotativos Mazda anteriores, [142] todo desde un desplazamiento nominal de 2.6 L, pero esto no fue suficiente para cumplir con los estándares de emisiones más estrictos. Mazda terminó 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 compañía automotriz vendiendo un vehículo de carretera con motor rotativo hasta 2023. [143]
Mazda lanzó el MX-30 R-EV híbrido equipado con un extensor de autonomía del motor Wankel en marzo de 2023. [136] El motor Wankel no tiene conexión directa a las ruedas y solo sirve para cargar la batería. Es una unidad de un solo rotor con un motor de 830 cm3 ( 50,6 in3 ) y una potencia nominal de 55 kW (74 CV). El motor tiene inyección directa de gasolina , recirculación de gases de escape y un sistema de tratamiento de gases de escape con un catalizador de tres vías y un filtro de partículas . El motor cumple con la normativa Euro 6d-ISC-FCM. [144] [145]
Citroën realizó muchas investigaciones y produjo los automóviles M35 y GS Birotor , y el helicóptero RE-2 , utilizando motores producidos por Comotor , una empresa conjunta de Citroën y NSU.
Daimler-Benz instaló un motor Wankel en su concept car C111 . El motor del C 111-II era de aspiración natural, estaba equipado con inyección directa de gasolina y tenía cuatro rotores. La cilindrada total era de 4,8 L (290 pulgadas cúbicas) y la relación de compresión era de 9,3:1. Proporcionaba un par máximo de 433 N⋅m (44 kp⋅m) a 5000 rpm y producía una potencia de 257 kW (350 CV) a 6000 rpm. [53]
American Motors Corporation (AMC) estaba tan convencida "... 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 tanto para automóviles de pasajeros como para vehículos militares, y el derecho a vender cualquier motor rotativo que produjera a otras empresas. [146] [147] 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 de desarrollar sus propios motores rotativos, y predijo una transición total a la energía rotativa para 1984. [148]
Los planes preveían que el motor se utilizara en el AMC Pacer , pero el desarrollo se retrasó. [149] [150] American Motors diseñó el exclusivo Pacer en torno al motor. En 1974, AMC había decidido comprar el motor rotativo de General Motors (GM) en lugar de construir un motor internamente. [151] Tanto GM como AMC confirmaron que la relación sería beneficiosa para la comercialización del nuevo motor, y AMC afirmó que el motor rotativo de GM lograba un buen ahorro de combustible. [152] Los motores de GM no habían llegado a producción cuando se lanzó el Pacer al mercado. La crisis del petróleo de 1973 contribuyó a frustrar el uso del motor rotativo. El aumento de los precios del combustible y la especulación sobre la legislación propuesta sobre estándares de emisiones en Estados Unidos también aumentaron las preocupaciones.
En su reunión anual de mayo de 1973, General Motors presentó el motor Wankel que planeaba utilizar en el Chevrolet Vega . [153] En 1974, el equipo de I+D de GM no había logrado producir un motor Wankel que cumpliera con los requisitos de emisiones y un buen ahorro de combustible, lo que llevó a la empresa a decidir cancelar el proyecto. Debido a esa decisión, el equipo de I+D solo publicó parcialmente los resultados de su investigación más reciente, que afirmaba haber resuelto el problema del ahorro de combustible y construido motores confiables con una vida útil superior a 530.000 millas (850.000 km). Esos hallazgos no se tomaron 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 6 cilindros en línea que impulsaba las ruedas traseras. [154]
En 1974, la Unión Soviética creó una oficina especial de diseño de motores, que en 1978 diseñó un motor designado como VAZ-311 para instalarlo en un automóvil VAZ-2101 . [155] En 1980, la empresa comenzó a suministrar el motor Wankel de dos rotores VAZ-411 en automóviles VAZ-2106 , de los cuales se fabricaron alrededor de 200. La mayor parte de la producción se destinó a los servicios de seguridad. [156] [157]
Ford realizó investigaciones en motores rotativos, lo que dio como resultado las patentes concedidas: GB 1460229 , 1974, un método para fabricar carcasas; US 3833321 1974, revestimiento de placas laterales; US 3890069 , 1975, revestimiento de carcasas; CA 1030743 , 1978: Alineación de carcasas; CA 1045553 , 1979, conjunto de válvula de láminas. En 1972, Henry Ford II afirmó que el motor rotativo probablemente no reemplazaría al de pistón en "mi vida". [158]
El Sigma MC74 propulsado por un motor Mazda 12A fue el primer motor y el único equipo de fuera de Europa Occidental o Estados Unidos en terminar las 24 horas completas de la carrera 24 Horas de Le Mans , en 1974. Yojiro Terada fue el piloto del MC74. Mazda fue el primer equipo de fuera de Europa Occidental o Estados Unidos en ganar Le Mans de manera absoluta. 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 pulgadas cúbicas de cilindrada), calificado por la fórmula de la FIA en 4,708 L o 287 pulgadas cúbicas). En la clase C2, todos los participantes tenían la misma cantidad de combustible. La única excepción fue la Categoría 1 no regulada C1. Esta categoría solo permitía motores de aspiración natural. Los Mazda fueron clasificados como de aspiración natural para comenzar con 830 kg de peso, 170 kg menos que los competidores sobrealimentados. [159] Los automóviles de la categoría 1 del grupo C1 para 1991 podían ser 80 kg más ligeros que el 787B. [160] Además, la categoría 1 del grupo C1 sólo permitía motores de aspiración natural de 3,5 litros y no tenía límites en la cantidad de combustible. [161]
Debido al tamaño compacto y la alta relación potencia-peso de un motor Wankel, se ha propuesto su uso como extensor de autonomía para vehículos eléctricos , con el fin de proporcionar potencia adicional cuando los niveles de batería eléctrica son bajos. Un motor Wankel utilizado como generador tiene ventajas en cuanto a empaquetamiento, ruido, vibración y aspereza cuando se utiliza en un automóvil de pasajeros, ya 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 su uso como extensor de autonomía para automóviles de pasajeros. [162]
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 Vk de 254 cm3 , capaz de producir 18 kW a 5000 rpm. Estaba acoplado a un generador eléctrico, que recargaba las baterías del automóvil según fuera necesario y proporcionaba electricidad directamente al motor eléctrico. El paquete tenía una masa de 70 kg y podía producir 15 kW de energía eléctrica. [163]
En noviembre de 2013, Mazda anunció a la prensa especializada un prototipo de automóvil híbrido en serie, el Mazda2 EV , que utiliza un motor Wankel como extensor de autonomía. El motor 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 mantiene una salida eléctrica continua de 20 kW. [164] [165] [166]
Mazda presentó el MX-30 R-EV equipado con un extensor de rango de motor Wankel en marzo de 2023. [136] El motor Wankel del automóvil es una unidad de rotor único de aspiración natural con un volumen de cámara Vk de 830 cm3 ( 50,6 in3 ) , una compresión de 11,9 y una potencia nominal de 55 kW (74 hp). Tiene inyección directa de gasolina , recirculación de gases de escape y un sistema de tratamiento de gases de escape con un TWC y un filtro de partículas . Según auto motor und sport , el motor cumple con la normativa Euro 6d-ISC-FCM. [144] [145]
La primera motocicleta con motor Wankel fue una MZ ES 250 fabricada por MZ , equipada con un motor Wankel KKM 175 W refrigerado por agua. A esta le siguió una versión refrigerada por aire en 1965, llamada KKM 175 L. El motor producía 24 bhp (18 kW) a 6750 rpm, pero la motocicleta nunca entró en producción en serie. [167]
En Gran Bretaña, Norton Motorcycles desarrolló un motor rotativo Wankel para motocicletas , basado en el rotor refrigerado por aire Wankel de Sachs que impulsaba la motocicleta DKW/Hercules W-2000. Este motor de dos rotores se incluyó en la Commander y la F1 . Norton mejoró la refrigeración por aire de Sachs, introduciendo una cámara de distribución. Suzuki también fabricó una motocicleta de producción impulsada por un motor Wankel, la RE-5 , utilizando sellos de ápice de aleación de ferro TiC y un rotor NSU en un intento exitoso de prolongar la vida útil del motor.
A principios de los años 1980, utilizando trabajos anteriores en BSA , Norton produjo la Classic de rotor doble refrigerada por aire , seguida por la Commander refrigerada por líquido y la Interpol2 (una versión policial). [168] Las motos Norton Wankel posteriores incluyeron la Norton F1 , la F1 Sports, la RC588, la Norton RCW588 y la NRS588. Norton propuso un nuevo modelo de rotor doble de 588 cc llamado "NRV588" y una versión de 700 cc llamada "NRV700". [169] Un ex mecánico de Norton, Brian Crighton, comenzó a desarrollar su propia línea de motocicletas con motor rotativo llamada "Roton", que ganó varias carreras australianas.
A pesar de los éxitos en las carreras, [170] desde 1992 no se han producido motocicletas con motores Wankel para su venta al público general para uso en carretera.
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) a partir de un motor de 660 cc de dos rotores (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 Wankel, pero ninguno de los prototipos llegó a producción.
En 1974, Hercules produjo motocicletas Wankel W-2000 , pero los bajos números de producción hicieron que el proyecto no fuera rentable y la producción cesó en 1977. [171]
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 . Funcionaba bien y era suave, pero no se vendió bien porque era pesada y tenía una potencia de salida modesta de 62 hp (46 kW). [172] Suzuki optó por un complicado sistema de refrigeración por aceite y agua. Los tubos de escape se calientan mucho, y Suzuki optó por un colector de escape con aletas, tubos de escape de doble piel con rejillas de enfriamiento, envolturas de tuberías resistentes al calor y silenciadores con escudos térmicos. Suzuki tenía tres sistemas de lubricación, mientras que Garside tenía un solo sistema de inyección de aceite de pérdida total que alimentaba tanto los cojinetes principales como los colectores de admisión. Suzuki eligió un solo rotor que era bastante suave, pero con parches ásperos a 4000 rpm. Suzuki montó el enorme rotor en lo alto del bastidor. [173] Aunque se describió que se manejaba bien, el resultado fue que el Suzuki era pesado, demasiado complicado, costoso de fabricar y, con 62 CV, corto de potencia.
El importador y fabricante de motocicletas holandés Van Veen produjo pequeñas cantidades de una motocicleta OCR-1000 con motor Wankel de dos rotores entre 1978 y 1980, utilizando motores Comotor sobrantes . El motor OCR 1000 utilizaba un motor KKM 624 modificado, inicialmente pensado para el automóvil Citroën GS Birotor . [174] En este caso, un encendido electrónico por mapa de Hartig reemplazó al distribuidor de encendido. [175]
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 . Otras ventajas de los motores rotativos para la aviación son:
A diferencia de los automóviles y las motocicletas, un motor de avión rotativo estará lo suficientemente caliente antes de que se le exija la máxima potencia debido al tiempo que se requiere para las comprobaciones previas al vuelo. Además, el trayecto hasta la pista tiene un enfriamiento mínimo, lo que permite que el motor alcance la temperatura de funcionamiento para la máxima potencia en el despegue. [176] Un motor de avión Wankel pasa la mayor parte de su tiempo operativo a alta potencia, 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 motor relativamente bajo, las aeronaves impulsadas por hélice deben utilizar una unidad de reducción de velocidad de la hélice para mantener las hélices dentro del rango de velocidad diseñado. Las aeronaves experimentales con motores Wankel utilizan unidades de reducción de velocidad de la hélice; por ejemplo, el motor de dos rotores MidWest tiene una caja de cambios de reducción de 2,95:1.
El primer avión con motor rotativo fue construido a finales de los años 1960 en la versión civil experimental Lockheed Q-Star del avión de reconocimiento QT-2 del ejército de los Estados Unidos , esencialmente un planeador Schweizer con motor . [177] El avión estaba propulsado por un motor rotativo Curtiss-Wright RC2-60 Wankel de 185 hp (138 kW) . [178] El mismo modelo de motor también se utilizó en un Cessna Cardinal y un helicóptero, así como en otros aviones. [118] [179] [180] La empresa francesa Citroën desarrolló un helicóptero RE-2 con motor rotativo en los años 1970. [181] En Alemania, a mediados de los años 1970, se desarrolló un avión con ventilador de propulsión conducido propulsado por un motor rotativo multirrotor NSU modificado, tanto en versiones civiles como militares, Fanliner y Fantrainer. [182]
Casi al mismo tiempo que los primeros experimentos con aviones a escala real propulsados por motores rotativos, las versiones del tamaño de un modelo de avión fueron pioneras en la fabricación de modelos a escala por una combinación de la conocida firma japonesa OS Engines y la entonces existente firma 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 cm 3 , y produce 460 W a 16.000 rpm −1 ; su masa es de 370 g. Fue producido por OS Engines de Japón. [183]
Los motores rotativos se han instalado en aviones experimentales de fabricación casera, como el ARV Super2 , un par de los cuales estaban propulsados por el motor aeronáutico British MidWest . La mayoría son motores de automóvil Mazda 12A y 13B, convertidos para uso en aviación. Se trata de una alternativa muy rentable a los motores de avión certificados, que proporciona motores que van desde 100 a 300 caballos de fuerza (220 kW) a una fracción del coste de los motores de pistón tradicionales. Estas conversiones se realizaron inicialmente a principios de la década de 1970. Peter Garrison, editor colaborador de la revista Flying , escribió "en mi opinión... el motor más prometedor para uso en aviación es el rotativo Mazda". [184]
El fabricante de planeadores Schleicher utiliza un motor Austro Engines AE50R Wankel [185] [186] en sus modelos autolanzables ASK-21 Mi , ASH-26E , [187] ASH-25 M/Mi , ASH-30 Mi , ASH-31 Mi , ASW-22 BLE y ASG-32 Mi.
En 2013, e-Go airplanes, con sede en Cambridge , Reino Unido, anunció que un motor rotativo de Rotron Power impulsará su nuevo avión canard monoplaza. [188]
El DA36 E-Star, un avión diseñado por Siemens , Diamond Aircraft y EADS , emplea un sistema de propulsión híbrido en serie con la hélice accionada 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 un generador Austro Engines de 40 hp (30 kW) a bordo proporcionan 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, lo que reduce las emisiones de sonido. El sistema de propulsión híbrido en serie que utiliza el motor Wankel reduce el peso del avión en 100 kg en relación 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 de motor rotativo es escalable a un avión de 100 asientos. [189] [190]
Desde 2015, un total de 60 trenes en Alemania están equipados con sistemas de propulsión auxiliares con motor Wankel que queman combustible diésel. Las locomotoras utilizan el motor diésel Wankel WST KKM 351. [108]
El motor Wankel es muy adecuado para dispositivos en los que un operador humano se encuentra cerca del motor, por ejemplo, dispositivos portátiles como motosierras. [191] El excelente comportamiento de arranque y la baja masa hacen que el motor Wankel también sea un buen motor para bombas contra incendios portátiles y generadores de energía portátiles. [192]
Los motores Wankel pequeños se encuentran en aplicaciones como karts , motos acuáticas y unidades de potencia auxiliares para aeronaves. [193] Kawasaki patentó un motor rotativo refrigerado por mezcla (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 fueraborda, y la francesa Outils Wolf fabricó una cortadora de césped (Rotondor) impulsada por un motor rotativo Wankel. El rotor estaba en posición horizontal para ahorrar en costos de producción y no había sellos en el lado inferior.
La simplicidad del motor rotativo lo hace muy adecuado para diseños de motores mini, micro y micro-mini. El Laboratorio de Motores Rotativos de sistemas Microelectromecánicos (MEMS) de la Universidad de California, Berkeley , anteriormente investigó el desarrollo de motores rotativos de hasta 1 mm de diámetro, con desplazamientos inferiores a 0,1 cc. Los materiales incluyen silicio 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 motor sirviendo como rotor del generador eléctrico , con imanes integrados en el rotor del motor. [194] [195] 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 in 3 (25 dm 3 ) con una potencia nominal de 500 hp (373 kW) por rotor. [196] Finalmente, se construyeron 13 unidades del motor propuesto, aunque con una mayor cilindrada, y cubrieron más de 90 000 horas de funcionamiento en conjunto. El motor se fabricó con un volumen de cámara V k de 2500 in 3 (41 dm 3 ), y una potencia de 550 hp (410 kW) por rotor. Se fabricaron motores de uno y dos rotores (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 su aplicación. [197]
Deere & Company adquirió la división rotativa Curtiss-Wright en febrero de 1984, fabricando grandes prototipos multicombustibles, algunos con un rotor de 11 litros para vehículos grandes. [198] [199] [200] Los desarrolladores intentaron utilizar un concepto de carga estratificada. [198] La tecnología se transfirió a RPI en 1991. [201] [202]
Yanmar de Japón produjo pequeños motores rotativos refrigerados por aire para motosierras y motores fueraborda. [203] Uno de sus productos es el motor LDR (hueco del rotor en el borde delantero 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 con carga parcial y bajas revoluciones. [204]
En 1971 y 1972, Arctic Cat produjo motos de nieve impulsadas por motores Wankel Sachs KM 914 de 303 cc y KC-24 de 294 cc fabricados en Alemania.
A principios de la década de 1970, Outboard Marine Corporation vendió motos de nieve de la marca Johnson y otras marcas, que funcionaban con motores OMC de 35 o 45 hp (26 o 34 kW).
Aixro, de Alemania, produce y vende un motor para karts con un rotor refrigerado por aire de 294 cc y carcasas refrigeradas por líquido. Otros fabricantes son Wankel AG, Cubewano, Rotron y Precision Technology.
Además de las aplicaciones como motor de combustión interna, el diseño básico Wankel también se ha utilizado para compresores de gas y sobrealimentadores para motores de combustión interna, pero en estos casos, aunque el diseño todavía ofrece ventajas en confiabilidad, las ventajas principales del Wankel en tamaño y peso sobre el motor de combustión interna de cuatro tiempos son irrelevantes. En un diseño que utiliza un sobrealimentador Wankel en un motor Wankel, el sobrealimentador tiene el doble del tamaño del motor.
El diseño Wankel se utiliza en el sistema de pretensores de los cinturones de seguridad [205] de algunos automóviles Mercedes-Benz [206] y Volkswagen [207] . Cuando los sensores de desaceleración detectan un posible choque, se activan eléctricamente pequeños cartuchos explosivos y el gas presurizado resultante alimenta 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 una colisión. [208]
{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)Figura 10.4
Figura 7.7
{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)2.27 y 2.30; Yamamoto utiliza V h en lugar de V k . En este artículo, se utiliza V k por conveniencia.
Fórmula 56 con k=R/e
{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)en lugar de Vk. En este artículo, Vk se utiliza por conveniencia.
{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite journal}}: Falta o está vacío |title=( ayuda ){{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link){{citation}}: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
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