Motore rotativo Wankel: come funziona, pro e contro

Il motore rotativo Wankel è un tipo di propulsore a combustione interna inventato dal tedesco Felix Wankel nel 1954. A differenza di quello a pistoni convenzionali, definito anche a moto alternativo in quanto il pistone sale e scende, il rotativo utilizza un rotore triangolare, chiamato triangolo di Reuleaux, all’interno di una camera ovale, che ruota intorno a un asse.

La prima auto commercializzata a montare il Wankel fu la NSU Spider, introdotta nel 1964. NSU (Norddeutsche Automobil und Motoren GmbH) era un produttore automobilistico tedesco noto per la sua innovazione. Il propulsore montato sulla Spider era un 498 cc, con una potenza di circa 50 cavalli.

Ai giorni d’oggi, però, la Casa automobilistica più rinomata per l’uso del Wankel è Mazda: vetture come la RX-7, RX-8, 787B sono entrate a far parte della storia dell’automobilismo, soprattutto l’ultima, con la vittoria nella 24 Ore di Le Mans del 1991.

Indice

Come funziona il motore rotativo

Per definire il funzionamento del motore Wankel, è importante capire prima da quali componenti è costituito:

rotore, di forma triangolare con lati bombati. È montato su un albero eccentrico all’interno della camera di combustione;
camera di combustione, di forma trocoidale e suddivisa in tre sezioni: apice, faccia laterale e base. In ciascun ciclo di funzionamento, il rotore attraversa queste sezioni, comprimendo l’aria e il carburante nella fase di aspirazione, eseguendo la combustione nella fase di compressione e espellendo i gas esausti nella fase di scarico;
albero eccentrico: è il componente che connette il rotore al sistema di trasmissione. Il movimento eccentrico dell’albero motore crea il moto rotativo del rotore all’interno della camera di combustione. L’eccentricità indica di quanto ci si allontana da un movimento perfettamente circolare;
piastre che separano le varie camere;
sigilli apex, gli angoli del rotore, noti come “apex” o “apici”, sono equipaggiati con sigilli, spesso chiamati “apex seals“. Essi assicurano la tenuta della camera durante il processo di combustione;
ruote dentate sulle quali gira il rotore.

Ora, è possibile comprendere meglio il ciclo di funzionamento: quando lo spigolo del rotore oltrepassa la luce di aspirazione, lo spazio compreso tra il lato dello stesso e la parete dello statore inizia a crescere grazie al movimento rototraslatorio. Si crea, così, una depressione che richiama la miscela di aria e carburante all’interno del propulsore, attraverso la luce di aspirazione.

Proseguendo il suo moto, il rotore chiude quest’ultima. La compressione della miscela avviene attraverso una traiettoria del triangolo bombato, tale per cui il volume a disposizione della miscela si riduce sempre di più. Raggiunta la pressione di compressione ottimale, si passa all’accensione. Non appena i due elementi di tenuta del rotore si trovano tra le candele, scocca la scintilla. Ha così inizio la fase di combustione e successiva espansione. Per una miglior efficienza del processo, i moderni rotativi sono dotati di due candele di accensione.

In seguito alla spinta dovuta all’espansione dei gas, il rotore è forzato a proseguire il suo movimento. Quando l’elemento di tenuta anteriore della camera in esame scopre la luce di scarico, i gas vengono espulsi all’esterno. Questo ciclo di funzionamento si attua in sequenza in ciascuna camera. Mentre per un motore a ciclo Otto, ogni pistone ha bisogno di due giri di albero per effettuare un ciclo, nel caso del rotativo le fasi si ripetono ad ogni rotazione. Questa caratteristica ha sia dei pro, che dei contro.

I vantaggi

L’enfasi e gli investimenti iniziali nel motore Wankel sono dovuti ad alcuni vantaggi rispetto alla soluzione con i pistoni tradizionali a moto alternativo, tra cui:

semplicità costruttiva: i rotativi sono strutturalmente più semplici rispetto ai motori a pistoni. Hanno meno componenti mobili e non richiedono un meccanismo di distribuzione, come alberi a camme e valvole;
peso leggero e compattezza: sono noti per la massa ridotta e la loro forma compatta. Queste caratteristiche li rendono ideali per applicazioni in cui lo spazio e il peso sono limitati, come nelle vetture sportive;
vibrazioni ridotte: i rotativi tendono a generare meno vibrazioni rispetto ai motori a pistoni. Questo contribuisce a una guida più fluida e a una minore necessità di sistemi di smorzamento delle vibrazioni;
rapida accelerazione: grazie alla sua struttura e al modo in cui eroga la potenza, il Wankel può fornire una risposta rapida all’acceleratore e una curva di coppia più lineare;
alta potenza specifica: hanno una potenza specifica elevata rispetto al loro peso e al loro volume. Questa caratteristica li rende adatti a veicoli leggeri e prestazionali;
meno parti soggette a usura: grazie alla sua semplicità costruttiva;
le minori temperature raggiunte aiutano a ridurre le emissioni di ossidi di azoto (NOx).

La configurazione di partenza prevede la presenza di un unico rotore. Tuttavia, nei motori più performanti, sono state proposte anche architetture fino a 4 rotori, come nel caso della Mazda 787B.

I contro

La scarsa diffusione del Wankel è dovuta, soprattutto, alle problematiche relative alle sue caratteristiche, come ad esempio:

consumo di carburante: i rotativi hanno una tendenza a consumare più benzina rispetto ai motori a pistoni di pari potenza. Questo è dovuto in parte alla geometria della camera di combustione e al rapporto di compressione intrinsecamente più basso rispetto agli alternativi;
emissioni inquinanti: il rendimento termico inferiore del Wankel può contribuire a emissioni più elevate, il che può rappresentare un problema in termini di normative ambientali sempre più stringenti;
tenuta degli apex seals: i sigilli sono parti critiche. La loro usura può causare perdita di compressione e prestazioni ridotte. Nel corso del tempo, la tenuta degli apex seals è stata una delle sfide principali;
durata e manutenzione: a seguito dei problemi di tenuta e altri fattori, i motori rotativi spesso richiedono una manutenzione più frequente e possono avere una vita utile più limitata rispetto a quelli alternativi;
calore e raffreddamento: il Wankel tende a generare più calore rispetto al motore Il raffreddamento efficace è cruciale, e i problemi di surriscaldamento possono influire negativamente sulle prestazioni e sulla durata del motore;
coppia inferiore a bassi regimi: può influire sulla guida quotidiana e sulle prestazioni a basse velocità;
un ultimo problema riguarda il fatto che, mentre in un propulsore con pistoni, grazie al ciclo compiuto in due giri di albero motore, si alternano fasi a temperatura maggiore (compressione e combustione) ad altre più fresche (aspirazione ed espansione), nel Wankel il tutto avviene in un unico giro. Questo significa che le sezioni in camera di combustione più calde in un motore rotativo, non hanno il tempo di raffreddarsi e i componenti sono sollecitati maggiormente.

I contro hanno superato ampiamente i vantaggi nel corso degli anni, soprattutto sui motori sportivi. Mazda, tuttavia, proprio di recente ha riproposto il rotativo nella MX-30 funzionando da range extender nell’auto ibrida. Il propulsore, in questo caso, si usa nel modo più efficiente possibile e serve ad allungare l’autonomia del pacco batterie. È stato un modo intelligente di far tornare in vita un progetto che è piaciuto molto agli appassionati.