El motor Wankel ( /ˈvaŋkəl̩/ , VUN -kell ) es un tipo de motor de combustión interna que utiliza un diseño giratorio excéntrico para convertir la presión en movimiento giratorio. El concepto fue probado por el ingeniero alemán Felix Wankel , seguido de un motor comercialmente viable diseñado por el ingeniero alemán Hanns-Dieter Paschke. [1] El rotor del motor Wankel, que crea el movimiento de giro, tiene una forma similar a un triángulo de Reuleaux , con los lados teniendo menos curvatura. El rotor gira dentro de una carcasa epitrocoidal en forma de ocho alrededor de un engranaje de dientes fijos. El punto medio del rotor se mueve en círculo alrededor del eje de salida, haciendo girar el eje mediante una leva.
En su forma básica alimentada con gasolina, el motor Wankel tiene una eficiencia térmica más baja y mayores emisiones de escape en comparación con el motor de pistón alternativo de cuatro tiempos. La ineficiencia térmica ha restringido el uso del motor desde su introducción en la década de 1960. Sin embargo, muchas desventajas se han ido superando 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 sobre los motores de combustión interna de pistón alternativo hacen que el motor Wankel sea adecuado para aplicaciones tales como motosierras , unidades de potencia auxiliar , municiones merodeadoras , aviones , motos acuáticas , motos de nieve y extensores de alcance en carros . El motor Wankel también se utilizó para propulsar motocicletas y coches de carreras .
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 (ver Figura 2) y el Kreiskolbenmotor (KKM, "motor de pistón tortuoso"). ), diseñado por Hanns-Dieter Paschke [2] (ver Figura 3.), del cual sólo este último ha salido de la fase de prototipo. Por lo tanto, todos los motores Wankel producidos 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 al rotor triangular del compresor rotativo se le podían agregar puertos de admisión y escape para producir un motor de combustión interna. Finalmente, en 1951, Wankel comenzó a trabajar en la empresa alemana NSU Motorenwerke para diseñar un compresor rotativo como sobrealimentador para los motores de motocicletas de NSU. Wankel concibió el diseño de un rotor triangular en el compresor. [7] Con la ayuda del Prof. Othmar Baier de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Stuttgart, el concepto se definió matemáticamente. [8] El sobrealimentador que diseñó se utilizó para uno de los motores de dos tiempos, un cilindro y 50 cm 3 de NSU. El motor producía una potencia de 13,5 CV (10 kW) a 12.000 rpm. [9]
En 1954, NSU acordó desarrollar un motor rotativo de combustión interna con Felix Wankel, basado en el diseño del 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), se ejecutó 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, se construyó un segundo prototipo del DKM. Tenía un volumen de cámara de trabajo Vk de 125 cm 3 y también producía 21 kW (29 CV) a 17.000 rpm. [13] Incluso podría alcanzar velocidades de hasta 25.000 rpm. Sin embargo, estas velocidades del motor distorsionaron la forma del rotor exterior, por lo que resultaron poco prácticas. [14] Según los ingenieros e historiadores de Mazda Motors , se construyeron cuatro unidades del motor DKM; se describe que el diseño tiene un desplazamiento V h de 250 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; Podría alcanzar velocidades de hasta 22.000 rpm. Uno de los cuatro motores construidos se exhibe estáticamente en el Deutsches Museum Bonn (ver figura 2). [15]
Debido a su complicado diseño con un eje central estacionario, el motor DKM no resultaba práctico. [4] Wolf-Dieter Bensinger menciona explícitamente que no se puede lograr una refrigeración adecuada del motor en un motor DKM y sostiene que esta es la razón por la que se tuvo que abandonar el diseño DKM. [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 KKM (ver figura 5). [4] El KKM demostró ser un motor mucho más práctico, ya que tiene bujías de fácil acceso, un diseño de refrigeración más simple y un eje de toma de fuerza convencional. [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 en los sellos del ápice del KKM debido al movimiento excéntrico del hula-hoop 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 sobre el motor KKM el 13 de junio de 1961. [18] A lo largo de la fase de diseño del KKM, el equipo de ingeniería de Froede tuvo que resolver problemas como los repetidos agarrotamientos de 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, que pesaba sólo 17 kg (37,5 lb), desplazaba 125 cm 3 y producía 26 PS (19 kW) a 11.000 rpm. [20] Su primera ejecución 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 deportivo NSU Spider , del que se fabricaron unas 2.000 unidades. A pesar de sus "problemas iniciales", el KKM 502 era un motor potente con un potencial decente, funcionamiento suave y bajas emisiones de ruido a altas velocidades. 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 6.000 rpm y un BMEP de 1 MPa (145 lbf/in 2 ). [22]
El motor Wankel tiene un eje de toma de fuerza excéntrico giratorio, con un pistón giratorio montado sobre excéntricos en el eje en forma de hula-hoop. El Wankel es un tipo de motor rotativo 2:3, es decir, el lado interior de su carcasa se asemeja a un epitrocoide de dos lóbulos de forma ovalada (equivalente a un peritrocoide). [25] Por el contrario, su pistón giratorio tiene una forma trocoide de tres vértices (similar a un triángulo de Reuleaux ). Así, el rotor del motor Wankel forma constantemente tres cámaras de trabajo móviles. [26] La geometría básica del motor Wankel se muestra 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 encendido por compresión no se puede utilizar en un práctico motor Wankel. [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 mucho menor de irregularidad en comparación con un motor de pistón alternativo, lo que hace que el motor Wankel funcione mucho más suave. Esto se debe a que el motor Wankel tiene un momento de inercia más bajo y menos 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 tanto, las revoluciones máximas de un motor Wankel están limitadas principalmente por la carga de los dientes sobre los engranajes de sincronización. [33] Los engranajes de acero endurecido se utilizan para operaciones prolongadas por encima de 7.000 u 8.000 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 en las carreras de autos funcionan a velocidades de hasta 10.000 rpm, pero también lo son los motores de pistón alternativo de cuatro tiempos con una cilindrada por cilindro relativamente pequeña. En aviones se utilizan de forma conservadora, hasta 6500 o 7500 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 viene 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 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 mediante la excentricidad de la siguiente manera:
Por lo tanto,
Por conveniencia, puede omitirse porque es difícil de determinar y pequeño: [36]
Un enfoque diferente es introducir la transferencia paralela más lejana y más corta del rotor y la carcasa interior y asumir que y . Entonces,
Incluir 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 diferentes 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 dependían de la cilindrada del motor, como informó Karl Ludvigsen . [42]
Si es el número de cámaras consideradas 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 monorotor 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 con 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. Así, en un motor rotativo Wankel, según Bensinger, la cilindrada ( ) es: [46] [47] [48]
Si la potencia debe derivarse del BMEP, se aplica la fórmula del motor de cuatro tiempos:
Felix Heinrich Wankel , Eugen Wilhelm Huber y Karl-Heinz Küttner contaron todas las cámaras, ya que cada una opera su propio ciclo termodinámico. Entonces y : [49] [50] [51]
Con estos valores, un motor Wankel monorotor produce la misma potencia promedio que un motor tricilíndrico de cuatro tiempos, con 3/2 del par promedio, con el eje girando a 2/3 de la velocidad, operando los ciclos Otto a la misma frecuencia:
Aplicando un engranaje de 2/3 al eje de salida del tricilíndrico (o de 3/2 al Wankel), ambos son análogos desde el punto de vista termodinámico y mecánico de salida, como señala Huber. [50]
NSU autorizó el diseño del motor Wankel a empresas de todo el mundo, de diversas formas, y muchas empresas implementaron mejoras continuas. En su libro de 1973 Rotationskolben-Verbrennungsmotoren , el ingeniero alemán Wolf-Dieter Bensinger describe a los siguientes licenciatarios, en orden cronológico, lo cual es confirmado por John B. Hege: [54] [55] [56]
En 1961, las organizaciones de investigación soviéticas NATI, NAMI y VNIImotoprom comenzaron el desarrollo de 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 fracasar los intentos anteriores de perfeccionar los motores rotativos, desarrollando una configuración con sellos de paletas que tienen un radio de punta igual a la cantidad de "sobredimensionamiento" de la forma de la carcasa del rotor, en comparación con la teórica. epitrocoide, para minimizar el movimiento del sello del ápice radial, además de introducir un pasador de ápice cilíndrico cargado de gas que hacía tope con todos los elementos de sellado para sellar alrededor de los tres planos en cada ápice del rotor. [62]
Al principio, era necesario construir máquinas de producción exclusivas y específicas para diferentes disposiciones dimensionales de las viviendas. Sin embargo, diseños patentados como la patente estadounidense 3.824.746 , G. J. Watt, 1974, para una "Máquina generadora de cilindros de motor Wankel", la patente estadounidense 3.916.738 , "Aparato para mecanizar y/o tratamiento de superficies trocoidales" y la patente estadounidense 3.964.367 , "Dispositivo para mecanizar paredes interiores trocoidales", y otros, resolvieron el problema.
Los motores Wankel tienen un problema que no se encuentra en los motores de cuatro tiempos con pistones alternativos, ya que la carcasa del bloque tiene admisión, compresión, combustión y escape en ubicaciones fijas alrededor de la carcasa. Esto provoca una carga térmica muy desigual en la carcasa del rotor. [63] Por el contrario, los motores alternativos de cuatro tiempos realizan estos cuatro tiempos en una cámara, de modo que los extremos de entrada "congelada" y escape "en llamas" se promedian y 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 refrigerado 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 la economía de combustible, reduciendo también el desgaste y las emisiones. [sesenta y cinco]
Los escudos de la capa límite y la película de aceite actúan como aislamiento térmico, lo que produce una baja temperatura de la película lubricante (aproximadamente un máximo de 200 °C o 390 °F en un motor Wankel refrigerado por agua). Esto da una temperatura superficial más constante. La temperatura alrededor de la bujía es aproximadamente la misma que 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]
Surgieron problemas durante la investigación en las décadas de 1950 y 1960. Durante un tiempo, los ingenieros se enfrentaron a lo que llamaron "marcas de vibración" y "rasguños del diablo" en la superficie interna del epitrocoide, lo que provocaba desconchones 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 sellos y revestimientos de carcasas. Yamamoto aligeró experimentalmente los sellos del ápice con agujeros. Ahora, el peso fue identificado como la causa principal. Luego, Mazda utilizó sellos de ápice de carbono impregnados de aluminio en sus primeros motores de producción. NSU utilizó sellos de ápice impregnados de carbono y antimonio contra el cromo. NSU desarrolló el recubrimiento ELNISIL hasta la madurez de producción y volvió a una tira de sellado metálica para el RO80. Mazda continuó usando cromo, pero proporcionó a la carcasa de aluminio una cubierta de acero, que luego se recubrió con una fina capa de cromo galvanizado. Esto permitió a Mazda volver a los sellos de ápice metálicos de 3 mm y, más tarde, incluso de 2 mm de espesor. [69] Otro problema temprano 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 el vivienda en bloque. [70]
Toyota descubrió que sustituir la bujía líder por una bujía incandescente mejoraba las bajas revoluciones, la carga parcial, el consumo específico de combustible en un 7% y las emisiones y el ralentí. [71] Una solución alternativa posterior al enfriamiento del jefe de bujía se proporcionó con un esquema de velocidad de refrigerante variable para motores rotativos enfriados por agua, que ha tenido un uso generalizado, siendo patentado por Curtiss-Wright, [72] con el último listado para un mejor aire. -Enfriamiento del jefe de bujía del motor enfriado. Estos enfoques no requerían un inserto de cobre de alta conductividad, pero no excluían 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 par elevado para producir alta potencia. La posición del puerto de admisión y el cierre del puerto de admisión afectan en gran medida la producción de torque del motor. El cierre temprano del puerto de admisión aumenta el par a bajas velocidades, pero reduce el par a altas velocidades (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 velocidades del motor, lo que genera más potencia a velocidades más altas del motor. [73]
Un puerto de entrada periférico proporciona la presión efectiva media más alta ; sin embargo, los puertos de entrada laterales producen un ralentí más estable [74] porque ayuda a evitar el retroceso de los gases quemados hacia los conductos de entrada, lo que provoca "fallos de encendido" causados por ciclos alternos en los que la mezcla se enciende y no se enciende. Los puertos periféricos (PP) brindan la mejor presión efectiva media en todo el rango de rpm, pero el PP también se relacionó con una peor estabilidad en ralentí y un rendimiento de carga parcial. Los primeros trabajos de Toyota [75] condujeron a la adición de un suministro de aire fresco al puerto de escape. También demostró que una válvula de láminas en el puerto o conductos de admisión [76] mejoraba el rendimiento a bajas revoluciones y carga parcial de los motores Wankel, al evitar el retroceso de los gases de escape hacia el puerto y los conductos de admisión, y reducir el riesgo de fallas de encendido. EGR alto, a costa de una ligera pérdida de potencia a máximas revoluciones. La elasticidad mejora con una mayor excentricidad del rotor, análoga a una carrera más larga en un motor alternativo.
Los motores Wankel funcionan mejor con un sistema de escape de baja presión. Una contrapresión de escape más alta reduce la presión efectiva media, más severamente en los motores con puerto de admisión periférico. El motor Mazda RX-8 Renesis mejoró el rendimiento al duplicar el área del puerto de escape en comparación con diseños anteriores, y se han realizado estudios sobre el efecto de la configuración de las tuberías de admisión y escape en el rendimiento de los motores Wankel. [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 finales 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 facilita el uso de materiales alternativos, como aleaciones y cerámicas exóticas . Un método común es, en el caso de carcasas de motor hechas de aluminio, utilizar una capa de molibdeno pulverizada sobre la carcasa del motor para la zona de la cámara de combustión y una capa de acero pulverizada en otras partes. Las carcasas de motores fundidas en hierro se pueden soldar por inducción para que el material sea adecuado para resistir el estrés térmico de la combustión. [79]
Entre las aleaciones citadas para el uso de viviendas Wankel se encuentran A-132, Inconel 625 y 356 tratadas con dureza T6. Se han utilizado varios materiales para revestir la superficie de trabajo de la carcasa, siendo uno de ellos Nikasil . Citroën, Daimler-Benz, Ford, AP Grazen y otros solicitaron patentes en este campo. Para los sellos de ápice, la elección de los materiales ha evolucionado junto con la experiencia adquirida, desde aleaciones de carbono hasta acero, inoxidable ferrítico , Ferro-TiC y otros materiales. [80] La combinación del revestimiento de la carcasa y los materiales del sello lateral y del ápice se determinó experimentalmente para obtener la mejor duración tanto de los sellos como de la cubierta de la carcasa. Para el eje se prefieren aleaciones de acero con poca deformación bajo carga, para ello se ha propuesto el uso de acero Maraging.
La gasolina con plomo fue el tipo predominante disponible en los primeros años del desarrollo del motor Wankel. El plomo es un lubricante sólido y la gasolina con plomo está diseñada para reducir el desgaste de sellos y carcasas. En los primeros motores el suministro de aceite se calculaba teniendo en cuenta las cualidades lubricantes de la gasolina. A medida que se estaba eliminando la gasolina con plomo, los motores Wankel necesitaban una mayor mezcla de aceite en la gasolina para lubricar las piezas críticas del motor. Un artículo de SAE escrito por David Garside describió ampliamente las elecciones de materiales y aletas de enfriamiento de Norton. [ cita necesaria ]
Los primeros diseños de motores tenían una alta incidencia de pérdida de sellado, tanto entre el rotor y la carcasa como también entre las distintas piezas que conformaban la carcasa. Además, en los motores Wankel de modelos anteriores, las partículas de carbón podían quedar atrapadas entre el sello y la carcasa, atascando el motor y requiriendo una reconstrucción parcial. Era común que los primeros motores Mazda requirieran reconstrucción después de 50.000 millas (80.000 km). Surgieron más problemas de sellado debido a la distribución térmica desigual dentro de las carcasas, lo que provocó distorsión y pérdida de sellado y compresión. Esta distorsión térmica también provocó un desgaste desigual entre el sello del ápice y la carcasa del rotor, evidente en motores de mayor kilometraje. [ cita requerida ] El problema se agravó cuando el motor fue estresado antes de alcanzar la temperatura de funcionamiento . Sin embargo, los motores Mazda Wankel solucionaron estos problemas iniciales. Los motores actuales tienen cerca de 100 piezas relacionadas con los sellos. [11]
El problema de la holgura para los ápices de rotor calientes que pasan entre las carcasas laterales axialmente más cercanas en las áreas de los lóbulos de admisión más fríos se resolvió utilizando un piloto de rotor axial radialmente hacia el interior de los sellos de aceite, además de un enfriamiento de aceite de inercia mejorado del interior del rotor (CW US 3261542 , C. Jones, 8/5/63, US 3176915 , M. Bentele, C. Jones, 2/7/62), y sellos de ápice ligeramente "coronados" (diferente altura en el centro y en los extremos). sello). [81]
Como se describe en la sección de desventajas termodinámicas, los primeros motores Wankel tenían una economía de combustible deficiente. Esto se debe al diseño de la forma de la cámara de combustión y a la enorme superficie del motor Wankel. El diseño del motor Wankel es, por otro lado, mucho menos propenso a sufrir detonaciones, [28] lo que permite utilizar combustibles de bajo octanaje sin reducir la compresión. NSU probó gasolina de bajo octanaje por sugerencia de Felix Wankel.
A modo de prueba, BV Aral produjo gasolina de 40 octanos, que se utilizó en el motor de prueba Wankel DKM54 con una relación de compresión de 8:1; funcionó sin quejas. Esto molestó a la industria petroquímica europea, que había invertido considerables sumas de dinero en nuevas plantas para la producción de gasolina de mayor calidad. [82] [83] [84] [85] [86]
Los motores de inyección directa de carga estratificada pueden funcionar con combustibles con un índice de octanaje especialmente bajo. Como el combustible diésel, que sólo tiene un octanaje 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 a la buena recirculación de gases de escape (EGR) del motor Wankel. ) comportamiento. 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 la combustión más lenta. Las temperaturas de los gases de escape pueden superar los 1.300 K bajo carga elevada a un régimen del motor de 6.000 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 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 delantera T en comparación con la bujía trasera L. Esto provoca una postcombustión interna y reduce las emisiones de HC. Por otro lado, el mismo momento de encendido de L y T conduce a una mayor conversión de energía. Los hidrocarburos adheridos a la pared de la cámara de combustión son expulsados al escape por la salida periférica. [91] [92]
Mazda usó 3 bujías en su motor R26B por cámara. La tercera bujía enciende la mezcla en el lado trasero antes de que se genere el chasquido, lo que hace que la mezcla se queme por completo y también 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 temperaturas más altas dan como resultado menos hidrocarburos en el escape. [94] Curtiss-Wright amplió el rotor, manteniendo el resto de la arquitectura del motor sin cambios, reduciendo así las pérdidas por fricción y aumentando el desplazamiento y la potencia de salida. El factor limitante para este ensanchamiento fue mecánico, especialmente la desviación del eje a altas velocidades de rotación. [95] El enfriamiento es la fuente dominante de hidrocarburos a altas velocidades y de 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 motor Renesis (que se presentó por primera vez en 1999), cumplió en 2004 la norma estadounidense de vehículos de bajas emisiones (LEV-II) . [53] Esto se logró principalmente mediante el uso de puertos laterales: los puertos de escape, que en los motores rotativos anteriores de Mazda estaban ubicados en las carcasas del rotor, se movieron al costado de la cámara de combustión. Este enfoque permitió a Mazda eliminar la superposición entre las aberturas de los puertos de entrada y de 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 puertos periféricos tienen una mejor presión media efectiva , especialmente a altas revoluciones y con un puerto de admisión de forma rectangular. [97] [98] Sin embargo, el RX-8 no se mejoró 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 la norma Euro 6d- Norma de emisiones 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 pobres de combustible 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 láser y diversos combustibles gaseosos y líquidos. El encendido por láser conduce a un desarrollo más rápido del centro de combustión, mejorando así la velocidad de combustión y provocando una reducción de las emisiones de NOx . La energía del pulso láser necesaria para un encendido adecuado es "razonable", en el rango bajo de mJ de un solo dígito. Para el encendido por láser no se requiere una modificación significativa del motor Wankel. [103]
Se han llevado a cabo 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 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 (ver figura 16), con un rotor actuando como compresor, mientras que la combustión se lleva a cabo en el otro. [107] Ambos motores no funcionaban. [104]
Un enfoque diferente al de un motor Wankel de encendido por compresión (diésel) es un motor Wankel multicombustible sin CI que es capaz de 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 cm 3 (cc) y una potencia indicada de 50 kW (68 caballos de fuerza) 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 el principio de carga estratificada. 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 se inyecta en el aire comprimido sólo poco antes del punto muerto superior, lo que da como resultado una carga estratificada (es decir, no hay 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 de inyección indirecta (es decir, >250 g/l). (kW·h)). [112]
Se utilizan variantes diésel del motor WST Wankel como APU en 60 locomotoras diésel de Deutsche Bahn. Los motores diésel WST pueden producir hasta 400 kW (543 caballos de fuerza). [113] [108]
Como una mezcla de combustible de hidrógeno y aire se enciende más rápidamente y tiene una velocidad de combustión más rápida que la gasolina, una cuestión importante de los motores de combustión interna de hidrógeno es evitar la preignición y el efecto contraproducente. En un motor rotativo, cada ciclo del ciclo Otto ocurre en diferentes cámaras. Es importante destacar que la cámara de admisión está separada de la cámara de combustión, lo que mantiene la mezcla de aire y combustible alejada de 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 motores alternativos. En un motor Wankel, el problema del ataque de hidrogenado se evita utilizando sellos de ápice cerámicos. [115] [116]
En un prototipo de motor Wankel instalado en un Mazda RX-8 para investigar el funcionamiento del hidrógeno, Wakayama et al. descubrió que el funcionamiento con hidrógeno mejoraba la eficiencia térmica en un 23% respecto al funcionamiento con combustible de gasolina. Aunque el funcionamiento pobre emite poco NOx, la cantidad total de NOx del motor supera el estándar japonés SULEV. La operación estequiométrica suplementaria combinada 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 simples 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 alternativa da a los motores Wankel un bajo coeficiente de falta de uniformidad, lo que significa que funcionan mucho más suavemente que los motores de pistón alternativo comparables. Por ejemplo, un motor Wankel de dos rotores tiene un funcionamiento más del doble de suave que un motor de pistón alternativo de cuatro cilindros. [32]
Un cilindro de cuatro tiempos produce una carrera de potencia sólo cada dos vueltas del cigüeñal, siendo tres carreras pérdidas de bombeo. El motor Wankel también tiene una mayor eficiencia volumétrica que un motor de pistón alternativo. [121] Debido a la casi superposición de las carreras de potencia, el motor Wankel reacciona muy rápidamente a los aumentos de potencia, brindando una entrega rápida de potencia cuando surge la demanda, especialmente a velocidades más altas del motor. Esta diferencia es más pronunciada en comparación con los motores alternativos de cuatro cilindros y menos pronunciada en comparación con un mayor número de cilindros.
Debido a la ausencia de válvulas de escape calientes, los requisitos de octanaje de combustible de los motores Wankel son menores que los de los motores de pistón alternativo. [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 sólo 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, es posible que no se requiera una reducción de la compresión. [123]
Debido al menor número de inyectores, los sistemas de inyección de combustible en los motores Wankel son más baratos que en los motores de pistón alternativo. Un sistema de inyección que permita la operación de carga estratificada puede ayudar a reducir las áreas de mezcla rica en partes indeseables 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 superficie y la mala forma de la cámara de combustión. Como resultado de esto, el motor Wankel tiene una combustión lenta e incompleta, lo que resulta en un alto consumo de combustible y un mal comportamiento de los gases de escape. [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 viaje de la llama se produce casi exclusivamente en la dirección del movimiento del rotor, lo que contribuye a la deficiente extinción 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". Esto impide que la llama alcance el borde de salida de la cámara, lo que empeora las consecuencias de un mal enfriamiento de la mezcla de combustible y aire. La inyección directa de combustible, en la que el combustible se inyecta hacia el borde delantero de la cámara de combustión, puede minimizar la cantidad de combustible no quemado en el escape. [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 obturación de un Wankel parece incluso más sencillo que el de un motor de pistón multicilíndrico, en tres dimensiones ocurre lo contrario. Además de los sellos del ápice del rotor evidentes en el diagrama conceptual, el rotor también debe sellar contra los extremos de la cámara.
Los aros 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 a lo largo de los años, el sellado poco efectivo del Wankel, que se debe principalmente a la falta de lubricación, sigue siendo un factor que reduce su eficiencia. [132]
El lado posterior de la cámara de combustión del motor rotativo desarrolla una corriente de compresión que empuja hacia atrás el frente de la llama. Con el sistema convencional de una o dos bujías y una mezcla homogénea, esta corriente exprimida evita que la llama se propague al lado posterior 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 económica del 7% al colocar una bujía incandescente en el lado delantero y usar válvulas Reed en los conductos de admisión. En los motores de dos tiempos, las lengüetas de metal duran unos 15.000 km (9.300 millas) mientras que las de fibra de carbono, unos 8.000 km (5.000 millas). [75] Esta mala combustión en el lado posterior de la cámara es una de las razones por las que hay más monóxido de carbono e hidrocarburos no quemados en la corriente de escape de un Wankel. Un escape de puerto lateral, como el que se utiliza en el Mazda Renesis , evita el solapamiento de los 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 trasera superior se enciende antes del inicio del flujo de compresión. [134]
Las agencias nacionales que gravan los automóviles según su cilindrada y los organismos reguladores de 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 a los automóviles basándose en el volumen de la cámara de trabajo (la cara de un rotor), multiplicado por el número de rotores, reduciendo el costo de propiedad. [ cita necesaria ] Japón hizo lo mismo, pero aplicó un factor de equivalencia de 1,5, lo que hizo que el motor 13B de Mazda encajara justo por debajo del límite fiscal de 2 litros. La FIA utilizó un factor de equivalencia de 1,8 pero luego lo aumentó a 2,0, utilizando la fórmula de desplazamiento 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 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 propulsado por Wankel. Aunque Mazda produjo un rotativo experimental ese año, NSU fue el primero en poner a la venta 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 del vértice, la mala lubricación del eje y la escasa economía de combustible, lo que provocaba frecuentes fallas en el motor, que no se resolvieron hasta 1972, lo que generó grandes costos de garantía que restringieron el desarrollo adicional del motor rotativo de NSU. Este lanzamiento prematuro del nuevo motor rotativo dio mala reputación a todas las marcas, e incluso cuando estos problemas se resolvieron en los últimos motores producidos por NSU en la segunda mitad de los años 70, las ventas no se recuperaron. [11]
A principios de 1978, los ingenieros de Audi Richard van Basshuysen y Gottlieb Wilmers habían diseñado una nueva generación del motor Audi NSU Wankel, el KKM 871. Se trataba de una unidad de dos rotores con un volumen de cámara Vk de 746,6 cm 3 , derivado de una excentricidad. de 17 mm, un radio de generación de 118,5 mm, una equidistancia de 4 mm y un ancho de carcasa de 69 mm. Tenía puertos de entrada dobles laterales 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 máximo. par 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, operando motores de prueba a alta velocidad durante 300 horas sin fallar. [11] Después de años de desarrollo, el primer automóvil con motor rotativo de Mazda fue el Cosmo 110S de 1967 . La empresa siguió con varios vehículos Wankel ("rotativos" en la terminología de la empresa), entre ellos un autobús y una camioneta . Los clientes destacaron a menudo la suavidad de funcionamiento de los coches. Sin embargo, Mazda eligió un método para cumplir con las normas sobre emisiones de hidrocarburos que, aunque menos costoso de producir, aumentaba el consumo de combustible.
Posteriormente, Mazda abandonó el motor rotativo en la mayoría de sus diseños de automóviles y continuó utilizando el motor únicamente en su gama de autos deportivos . La empresa normalmente utilizaba diseños de dos rotores. En el deportivo Eunos Cosmo de 1990 se instaló un motor biturbo de tres rotores más avanzado . En 2003, Mazda introdujo el motor Renesis instalado en el RX-8 . El motor Renesis reubicó los puertos de escape desde la periferia de la carcasa giratoria hacia los lados, lo que permitió puertos generales más grandes y un mejor flujo de aire. [141] El Renesis es capaz de generar 238 hp (177 kW) con mayor economía de combustible, confiabilidad y menores emisiones que los motores rotativos anteriores de Mazda, [142] todo con un desplazamiento nominal de 2.6 L, pero esto no fue suficiente para cumplir con requisitos más estrictos. estándares de emisiones. Mazda puso fin a la producción de su motor rotativo en 2012 después de que el motor no cumpliera con los estándares de emisiones Euro 5 más estrictos , por lo que ninguna empresa automotriz vendió un vehículo de carretera con propulsión rotativa hasta 2023. [143]
Mazda lanzó el híbrido MX-30 R-EV equipado con un extensor de autonomía del motor Wankel en marzo de 2023. [136] El motor Wankel no tiene conexión directa con las ruedas y solo sirve para cargar la batería. Se trata de una unidad de un solo rotor con un motor de 830 cm 3 (50,6 in 3 ) 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 catalizador de tres vías y filtro de partículas . El motor cumple con la norma Euro 6d-ISC-FCM. [144] [145]
Citroën investigó mucho 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 atmosférico, 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. Proporcionó un par máximo de 433 N⋅m (44 kp⋅m) a 5.000 rpm y produjo una potencia de 257 kW (350 PS) a 6.000 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 su presidente, Roy D. Chapin Jr. , firmó un acuerdo en febrero de 1973, después de un año de negociaciones, para construir motores rotativos tanto para turismos 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 su propios motores rotativos y predijo una transición total a la energía rotativa para 1984. [148]
Los planes exigían que el motor se utilizara en el AMC Pacer , pero el desarrollo se retrasó. [149] [150] American Motors diseñó el exclusivo Pacer alrededor del 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 en la comercialización del nuevo motor, y AMC afirmó que el motor rotativo de GM logró una buena economía de combustible. [152] Los motores de GM no habían llegado a producción cuando el Pacer se lanzó 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 propuesta legislación estadounidense sobre normas de emisiones también aumentaron las preocupaciones.
En su reunión anual de mayo de 1973, General Motors dio a conocer el motor Wankel que planeaba utilizar en el Chevrolet Vega . [153] En 1974, I+D de GM no había logrado producir un motor Wankel que cumpliera con los requisitos de emisiones y una buena economía de combustible, lo que llevó a la empresa a decidir cancelar el proyecto. Debido a esa decisión, el equipo de I+D publicó sólo parcialmente los resultados de su investigación más reciente, que afirmaba haber resuelto el problema de la economía de combustible y construido motores fiables con una vida útil superior a 530.000 millas (850.000 km). Estas conclusiones no se tuvieron en cuenta cuando se dictó la orden de anulación. El final del proyecto rotativo de GM requirió que AMC, que iba a comprar el motor, reconfigurara el Pacer para albergar su motor AMC de seis cilindros en línea que impulsa las ruedas traseras. [154]
En 1974, la Unión Soviética creó una oficina especial de diseño de motores que, en 1978, diseñó un motor designado como VAZ-311 instalado en un automóvil VAZ-2101 . [155] En 1980, la empresa comenzó a suministrar el motor Wankel de doble rotor VAZ-411 en los automóviles VAZ-2106 , y se fabricaron alrededor de 200. La mayor parte de la producción se destinó a los servicios de seguridad. [156] [157]
Ford llevó a cabo investigaciones en motores rotativos, lo que resultó en la concesión de patentes: GB 1460229 , 1974, un método para fabricar carcasas; US 3833321 1974, revestimiento de placas laterales; US 3890069 , 1975, revestimiento de carcasa; CA 1030743 , 1978: Alineación de viviendas; CA 1045553 , 1979, conjunto de válvula de láminas. En 1972, Henry Ford II afirmó que el rotativo probablemente no reemplazaría al pistón durante "mi vida". [158]
El Sigma MC74 propulsado por un motor Mazda 12A fue el primer motor y único equipo de fuera de Europa Occidental o Estados Unidos en terminar las 24 horas completas de las 24 Horas de Le Mans , en 1974. Yojiro Terada fue el piloto del MC74. . Mazda fue el primer equipo fuera de Europa occidental o Estados Unidos en ganar directamente Le Mans. También fue el único automóvil sin motor de pistón que ganó Le Mans, lo que la compañía logró en 1991 con su 787B de cuatro rotores (5,24 L o 320 cu de cilindrada), clasificado según la fórmula de la FIA en 4,708 L o 287 cu in). En la clase C2, todos los participantes contaban con la misma cantidad de combustible. La única excepción fue la categoría 1 C1 no regulada. Esta categoría solo permitía motores de aspiración natural. Los Mazda se clasificaron como atmosféricos al principio con un peso de 830 kg, 170 kg menos que los competidores sobrealimentados. [159] A los coches según las regulaciones del Grupo C1 Categoría 1 para 1991 se les permitió ser otros 80 kg más ligeros que el 787B. [160] Además, la categoría 1 del grupo C1 solo permitía motores de aspiración natural de 3,5 litros y no tenía límites de cantidad de combustible. [161]
Debido al tamaño compacto y la alta relación potencia-peso de un motor Wankel, se ha propuesto que los vehículos eléctricos sirvan como extensores de autonomía para proporcionar energía suplementaria cuando los niveles de la batería eléctrica son bajos. Un motor Wankel utilizado como generador tiene ventajas de empaque, ruido, vibración y aspereza cuando se usa en un automóvil de pasajeros, maximizando 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 al motor Wankel permiten o no su uso como extensor de autonomía para turismos. [162]
En 2010, Audi presentó un prototipo de coche eléctrico híbrido de serie, el A1 e-tron . Incorporaba un motor Wankel con un volumen de cámara Vk de 254 cm 3 , capaz de producir 18 kW a 5.000 rpm. Estaba acoplado a un generador eléctrico, que recargaba las baterías del automóvil según fuera necesario y suministraba 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 automovilística un prototipo de coche híbrido de serie, el Mazda2 EV , que utilizaba un motor Wankel como extensor de autonomía. El motor generador, ubicado debajo del piso del equipaje trasero, es una unidad diminuta, casi inaudible, de un solo rotor de 330 cc, que genera 30 hp (22 kW) a 4.500 rpm y mantiene una potencia eléctrica continua de 20 kW. [164] [165] [166]
Mazda presentó el MX-30 R-EV equipado con un extensor de gama de motores Wankel en marzo de 2023. [136] El motor Wankel del automóvil es una unidad de un solo rotor de aspiración natural con un volumen de cámara V k de 830 cm 3 (50,6 in 3 ). , una compresión de 11,9 y una potencia nominal de 55 kW (74 CV). Dispone de inyección directa de gasolina , recirculación de gases de escape y sistema de tratamiento de gases de escape con TWC y filtro de partículas . Según auto motor und sport , el motor cumple con la norma Euro 6d-ISC-FCM. [144] [145]
La primera motocicleta con motor Wankel fue una MZ ES 250 construida 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 CV (18 kW) a 6.750 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 Wankel refrigerado por aire de Sachs que impulsaba la motocicleta DKW/Hercules W-2000. Este motor de dos rotores se incluyó en el Commander y el F1 . Norton mejoró la refrigeración por aire de Sachs introduciendo una cámara plenum. Suzuki también fabricó una motocicleta de producción propulsada por un motor Wankel, la RE-5 , utilizando sellos superiores de aleación de ferro TiC y un rotor NSU en un intento exitoso de prolongar la vida útil del motor.
A principios de la década de 1980, utilizando trabajos anteriores en BSA , Norton produjo el Classic de doble rotor refrigerado por aire , seguido por el Commander refrigerado por líquido y el Interpol2 (una versión policial). [168] Las bicicletas Norton Wankel posteriores incluyeron Norton F1 , F1 Sports, RC588, Norton RCW588 y NRS588. Norton propuso un nuevo modelo de doble rotor de 588 cc llamado "NRV588" y una versión de 700 cc llamada "NRV700". [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] no se ha producido ninguna motocicleta propulsada por motores Wankel para la venta al público en general para uso en carretera desde 1992.
En 1972, Yamaha presentó el RZ201 en el Salón del Automóvil de Tokio , un prototipo con motor Wankel, que pesaba 220 kg y producía 60 CV (45 kW) a partir de un motor de doble rotor de 660 cc (patente estadounidense N3964448). En 1972, Kawasaki presentó su prototipo de motor rotativo Kawasaki X99 de dos rotores (patentes estadounidenses N 3848574 y 3991722). Tanto Yamaha como Kawasaki afirmaron haber resuelto los problemas de escasa economía de combustible, altas emisiones de escape y escasa longevidad del motor en los primeros Wankel, pero ninguno de los prototipos llegó a producción.
En 1974, Hercules produjo motocicletas W-2000 Wankel, pero las bajas cifras 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 . Funcionó bien y fue fluido, pero no se vendió bien porque era pesado y tenía una modesta potencia de 62 hp (46 kW). [172] Suzuki optó por un complicado sistema de refrigeración por aceite y por agua. Los tubos de escape se calientan mucho, y Suzuki opta por un colector de escape con aletas, tubos de escape de doble pared con rejillas de refrigeración, envolturas de tubos resistentes al calor y silenciadores con escudos térmicos. Suzuki tenía tres sistemas de lubricación, mientras que Garside tenía un único 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 zonas ásperas a 4.000 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 bhp, tenía poca potencia.
El importador y fabricante de motocicletas holandés Van Veen produjo pequeñas cantidades de una motocicleta OCR-1000 con motor Wankel de doble rotor entre 1978 y 1980, utilizando motores Comotor excedentes . El motor OCR 1000 utilizaba un motor KKM 624 modificado inicialmente destinado al coche Citroën GS Birotor . [174] Por el cual un encendido electrónico por mapa de Hartig reemplazó al distribuidor de encendido. [175]
En principio, los motores rotativos son ideales para aviones ligeros, al ser ligeros, compactos, casi sin vibraciones y con una alta relación potencia-peso . Otros beneficios para la aviación de un motor rotativo incluyen:
A diferencia de los automóviles y las motocicletas, el motor rotativo de un avión estará lo suficientemente caliente antes de que se le solicite toda su potencia debido al tiempo que llevan las comprobaciones previas al vuelo. Además, el trayecto hasta la pista cuenta con una refrigeración mínima, lo que permite además que el motor alcance la temperatura de funcionamiento para su máxima potencia en el despegue. [176] Un motor aeronáutico Wankel pasa la mayor parte de su tiempo operativo a altas potencias, con poco ralentí.
Dado que los motores rotativos funcionan a una velocidad de rotación relativamente alta , a 6.000 rpm del eje de salida, el rotor gira sólo a aproximadamente un tercio de esa velocidad. Con un par relativamente bajo, las aeronaves propulsadas por hélice deben utilizar una unidad de reducción de velocidad de la hélice para mantener las hélices dentro del rango de velocidad diseñado. Los aviones experimentales con motores Wankel utilizan unidades de reducción de velocidad de hélice; por ejemplo, el motor de doble rotor MidWest tiene una caja de cambios reductora de 2,95:1.
El primer avión con motor rotativo fue a finales de la década de 1960 en la versión civil experimental Lockheed Q-Star del QT-2 de reconocimiento del ejército de los Estados Unidos , esencialmente un planeador Schweizer propulsado . [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 de propulsión rotativa en la década de 1970. [181] En Alemania, a mediados de la década de 1970, se desarrolló un avión de ventilador con conductos de empuje propulsado por un motor rotativo multirrotor NSU modificado, en versiones tanto civil como militar, Fanliner y Fantrainer. [182]
Aproximadamente al mismo tiempo que los primeros experimentos con aviones a gran escala propulsados por motores rotativos, las versiones del tamaño de un aeromodelo fueron iniciadas por una combinación de la conocida empresa japonesa OS Engines y la entonces existente empresa alemana de productos de aeromodelismo Graupner , bajo el mando de 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 370 g. Fue producido por motores OS de Japón. [183]
Se han instalado motores rotativos en aviones experimentales de fabricación propia, como el ARV Super2 , algunos de los cuales estaban propulsados por el motor aeronáutico británico del Medio Oeste . La mayoría son motores de automóviles Mazda 12A y 13B, convertidos para uso en aviación. Esta es una alternativa muy rentable a los motores de avión certificados, ya que proporciona motores que van desde 100 a 300 caballos de fuerza (220 kW) a una fracción del costo de los motores de pistón tradicionales. Estas conversiones se produjeron 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 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, los aviones e-Go , con sede en Cambridge , Reino Unido, anunciaron 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 reductora de velocidad de la hélice. El motor eléctrico utiliza electricidad almacenada en baterías, con el motor generador apagado, para despegar y ascender reduciendo las emisiones sonoras. El sistema de propulsión híbrido en serie que utiliza el motor Wankel reduce el peso del avión en 100 kg en comparación con su predecesor. El DA36 E-Star voló por primera vez en junio de 2013, lo que lo convierte en el primer vuelo de un tren motriz híbrido en serie. Diamond Aircraft afirma que la tecnología de motores rotativos es escalable a un avión de 100 asientos. [189] [190]
Desde 2015, un total de 60 trenes en Alemania han sido equipados con sistemas de propulsión auxiliares con motor Wankel que queman combustible diésel. Las locomotoras utilizan el motor diésel WST KKM 351 Wankel. [108]
El motor Wankel es muy adecuado para dispositivos en los que un operador humano está cerca del motor, por ejemplo, dispositivos manuales como motosierras. [191] El excelente comportamiento de arranque y su baja masa hacen que el motor Wankel también sea un buen motor para bombas contra incendios portátiles y generadores de energía portátiles. [192]
Los pequeños motores Wankel se encuentran en aplicaciones como karts , motos acuáticas y unidades de potencia auxiliares para aviones. [193] Motor rotativo refrigerado por mezcla patentado por Kawasaki (patente estadounidense 3991722). El fabricante japonés de motores diésel Yanmar y Dolmar-Sachs de Alemania tenían una motosierra con motor rotativo (documento SAE 760642) y motores para embarcaciones fuera de borda, y el francés Outils Wolf fabricaba una cortadora de césped (Rotondor) propulsada por un motor rotativo Wankel. El rotor estaba en posición horizontal para ahorrar costes de producción y, como desventaja, no había juntas.
La simplicidad del motor rotativo lo hace ideal para diseños de motores mini, micro y micro-mini. El Laboratorio de Motores Rotativos de Sistemas Microelectromecánicos (MEMS) de la Universidad de California, Berkeley , ha realizado previamente investigaciones para el desarrollo de motores rotativos de hasta 1 mm de diámetro, con cilindradas 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 propio motor sirviendo como rotor del generador , con imanes integrados en el propio 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 Vk de 1.500 pulg 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 cilindrada mayor, y cubrieron más de 90.000 horas de funcionamiento combinadas. El motor se fabricó con un volumen de cámara Vk de 2500 en 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 de motor relativamente baja debido a su aplicación. [197]
Deere & Company adquirió la división rotativa Curtiss-Wright en febrero de 1984, fabricando grandes prototipos multicombustible, 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 fue transferida a RPI en 1991. [201] [202]
Yanmar de Japón produjo pequeños motores rotativos refrigerados por carga para motosierras y motores fuera de borda. [203] Uno de sus productos es el motor LDR (receso del rotor en el borde de ataque de la cámara de combustión), que tiene mejores perfiles de emisiones de escape y puertos de admisión controlados por válvulas de láminas, que mejoran el rendimiento a carga parcial y a bajas revoluciones. [204]
En 1971 y 1972, Arctic Cat produjo motos de nieve propulsadas por motores Sachs KM 914 de 303 cc y KC-24 Wankel de 294 cc fabricados en Alemania.
A principios de la década de 1970, Outboard Marine Corporation vendía motos de nieve de 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 de kart con un rotor refrigerado por carga de cámara de 294 cc y carcasas refrigeradas por líquido. Otros fabricantes incluyen Wankel AG, Cubewano, Rotron y Precision Technology.
Además de las aplicaciones como motor de combustión interna, el diseño básico de Wankel también se ha utilizado para compresores de gas y sobrealimentadores para motores de combustión interna, pero en estos casos, aunque el diseño aún ofrece ventajas en confiabilidad, las principales ventajas del Wankel en El tamaño y el peso respecto al 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 de tamaño que el motor.
El diseño Wankel se utiliza en el sistema de pretensor del cinturón de seguridad [205] en 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 tensar los sistemas de cinturones de seguridad, anclando al conductor y a los pasajeros firmemente en el asiento antes. una colision. [208]
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: Mantenimiento CS1: falta el editor de la ubicación ( enlace )Figura 10.4
Figura 7.7
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: CS1 maint: location missing publisher (link)Fórmula 2.27 y 2.30; Yamamoto usa V h en lugar de V k . En este artículo, V k se utiliza por conveniencia.
Fórmula 56 con k=R/e
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