Come funziona un motore rotativo

Il classico motore a combustione interna conta un certo numero di cilindri che si muovono in linea, nei quattro tempi della combustione. Lo scoppio genera forza e spinge lontano il pistone, il movimento si trasmette all’albero tramite la biella. A cosa serve un motore diverso?

Ponendo così il problema, sembrerebbe inutile studiare un modello diverso di motore. Ma se ci chiediamo: perché continuare a produrre energia in linea, se invece ci serve una rotazione? Ecco, vedremo come nasce, perché si sviluppa, sparisce e ritorna il motore rotativo Wankel.

Wankel, la storia

L’ingegnere tedesco Felix Wankel è l’ideatore dell’omonimo motore. L’idea di fondo è superare il modello rettilineo delle camere di combustione tradizionali, con pistoni che devono continuamente accelerare e decelerare. Il primo brevetto risale addirittura al 1929, ma lo sviluppo si blocca subito per la crisi e poi per l’escalation verso la guerra, che privilegia l’industria delle armi (Wankel lavorerà appunto nel settore aeronautico).

Nel motore classico, infatti, oltre alla meccanica necessaria per trasformare il movimento rettilineo in movimento rotatorio, c’è una notevole dispersione di energia per invertire il movimento del pistone nel cilindro.

Wankel effettua i suoi studi sul motore rotativo dopo la seconda guerra mondiale, il progetto parte nel 1954 e arriva a compimento nel 1957 con il primo motore sperimentale. La prima macchina a usufruire di questo motore è la NSU Wankel Spider (1964), la cilindrata era di appena 498 cc ma la potenza sviluppata di 50 CV con una velocità massima superiore ai 150 km/h.

Il successo del motore a pistone rotativo arriva poco dopo, nel 1968, con la NSU Ro80, che viene votata “Auto dell’anno”. Il motore da 995 cc produceva una velocità superiore ai 175 km/h con un andamento della vettura dolce e molto apprezzato.

Com’è fatto il motore Wankel?

Per capire come funziona un motore rotativo bisogna immaginare una camera di combustione diversa, che si chiama carcassa, o statore. Il rotore ha forma quasi triangolare e ruota su un perno. Ogni lato del triangolo è come una testa del pistone e crea uno spazio chiuso. Ci sono quindi tre spazi che ruotano continuamente.

Il movimento del rotore sull’asse non è fisso, ma ellittico, quindi il volume di questi “spazi di combustione” cambia. Il combustibile entra senza bisogno di valvole, in continuo, aspirato dal movimento stesso del rotore. Poi la camera si comprime dall’altro lato verso le candele, dove avviene lo scoppio. Infine, sempre grazie al movimento rotante, i gas di scarico vengono espulsi.

Una rotazione completa del rotore implica tre scoppi e corrisponde a due giri dell’albero motore di un motore a scoppio tradizionale. Il rotore non viene mai rallentato, non ci sono valvole e non servono parti meccaniche per modificare la natura del movimento. Quindi non serve nemmeno un sistema di distribuzione.

In sintesi, un motore di questo tipo, rispetto a un motore a cilindri classici, conta metà delle componenti in movimento. Risulta anche un propulsore più leggero e compatto, con un funzionamento dolce accentuato anche dall’uso di due rotori contrapposti, cioè in posizione sfasata di 180° , per bilanciare le forze che creano le poche vibrazioni, stabilizzando al massimo il motore.

Idea geniale, come mai si è fermata?

Vista la notevole semplificazione nella meccanica e i vantaggi in termini di velocità e resa, verrebbe da pensare che il Wankel avrebbe dovuto soppiantare man mano il motore classico. Ma fin dall’inizio della produzione del motore rotativo, problemi sono sorti sotto vari aspetti, soprattutto di natura tecnica.

Prima di tutto gli elementi di tenuta del rotore, che sono sollecitati sia dagli scoppi che dalle rotazioni e quindi le fasce elastiche e gli elementi di giunzione sono stati rimodellati per sopperire, creando complicazioni ai progettisti. Quando il motore è ad alti giri, la forza centrifuga crea notevoli pressioni nei punti di chiusura contro le pareti dello statore. Al contrario, quando il rotore è a bassi giri, la forza di chiusura sullo statore non è sufficiente e va implementata con molle di spinta.

La forma dello statore è piuttosto obbligata, mentre nei motori classici la forma del motore e delle camere di combustione poteva e può essere più flessibile in base alle esigenze di progettazione del veicolo. Ma nel caso del motore rotativo, pro e contro vanno valutati anche sul fattore consumi e scarichi.

La combustione infatti non è perfetta e quindi i consumi sono maggiori. Inoltre, gli scarichi contengono idrocarburi incombusti e quindi aumentano le emissioni nocive. Questo è anche il motivo per cui il modello Ro80 con motore Wankel non ha avuto il successo che meritava: è uscito all’alba della crisi petrolifera degli anni Settanta.

Propulsore rotativo, una ripartenza?

Molti dei problemi iniziali sono superati dai nuovi materiali ceramici, inoltre rimangono i vantaggi dei punti di forza: soprattutto la resa. La più recente Mazda RX-7 con birotore da 1308 cc offre prestazioni simili alla Porsche 924S con motore da 2479 cc.

Il rapporto di prestazione calcolato negli sport motoristici è di 1,8:1 in favore del Wankel sul motore classico, 1,4:1 rispetto a un motore turbo. Il motore Wankel era sparito dalla scena nel 2012 soprattutto per l’inquinamento, ma tornerà come motore supplementare nel SUV elettrico della Mazda modello MX-30.

Il problema dell’inquinamento è stato parzialmente risolto con la post-combustione, mentre dei sistemi a turbina recuperano l’energia che altrimenti andrebbe perduta, aumentando così anche l’efficienza totale del propulsore.

Conclusione

Nella storia del motore a scoppio, l’idea di un motore diverso nasce molto presto ma fatica a svilupparsi, anche a causa di fattori collaterali, come la crisi economica del 1929, la seconda guerra mondiale e la crisi petrolifera. L’idea di un motore rotante, per quanto complessa, è in realtà una semplificazione rispetto agli attuali motori a scoppio con cilindri a pistoni contrapposti.

I migliori materiali e le tecniche di abbattimento dei gas inquinanti, legate alla ricerca di motori sempre più piccoli ma performanti, stanno facendo tornare in auge il Wankel, un motore che per sua natura sfrutta molto la cilindrata per garantire velocità e fluidità, senza vibrazioni e con meno sistemi in gioco.