TECNICA – Il motore rotativo a combustione interna – 1a parte

testo di Marco Natoli

DA VROOM 204 – AGOSTO 2006

Abbiamo colto l’occasione della prova in pista del motore Italsistem Saetta Wankel appena effettuata per approfondire, in due puntate, tutti gli aspetti dei motori rotativi a pistoni rotanti (ne esistono anche di altri tipi). Sarà interessante sapere come è nato, quali sono le principali peculiarità geometriche e tecniche, le problematiche costruttive, come si pone rispetto ai motori alternativi che rappresentano tuttora la stragrande maggioranza dei propulsori automotive, ma non senza destare qualche perplessità, viste le intrinseche qualità del rotativo a combustione interna.
Il titolo cela la principale caratteristica del motore Wankel, che allo stesso tempo lo distingue in modo inequivocabile nel panorama mondiale, vale a dire l’assenza di parti in moto alternativo, come quello del pistone che scorre nel cilindro. Il funzionamento è basato solo su elementi in moto rotatorio, tanto che il motore Wankel è il più ortodosso rappresentante della ristretta famiglia dei motori rotativi a combustione interna. Vedremo se può rappresentare una valida alternativa ai tradizionali motori alternativi. Valutiamo, per iniziare, la nascita ed il principio di funzionamento di un motore rotativo.

Figlio degli anni ’60
Tra le varie rivoluzioni che hanno attraversato i fatidici anni ’60 ce n’è una, dai toni meno sociali ma tecnicamente molto importante. La nascita di un motore a combustione interna completamente differente dai tradizionali propulsori, il motore rotativo, o Wankel, dal nome del suo inventore, anche se cronologia e paternità hanno seguito un iter un poco più complicato.
Felix Wankel, secondo la leggenda verrebbe da dire, nel 1919, all’età di soli 17 anni, sognò di guidare un’auto dotata di un motore a metà tra una turbina ed un classico alternativo a pistoni. Fu una premonizione! Si dedicò da quel momento alla realizzazione di quanto aveva sognato. Nonostante non avesse mai mostrato grande interesse per la matematica e l’ingegneria (“le formule non mi piacciono” disse una volta), a 22 anni creò un laboratorio per lo studio del motore rotativo e dopo la seconda guerra mondiale fondò l’Istituto tecnico per l’ingegneria e continuò le sue ricerche, che interessarono una delle più prestigiose case motociclistiche dell’epoca, la Nsu della Germania Orientale, la quale aveva comunque effettuato studi su compressori rotativi da applicare alle sue moto.
Il primo motore rotativo nacque nel 1957 ed era siglato DKM (Drehkolbenmotor motore a pistone rotante), e nel ‘58-’60 fu costruito il KKM (Kreiskolbenmotor motore a pistone rotante con movimento planetario) definito anche grazie alla collaborazione del dott. Froede della Nsu, nel quale si riuscì a tenere fermo il basamento, secondo uno schema ancora attuale, invece di permettere la rotazione di entrambi. Anche per questo motivo il pistone aveva, ed ha, un movimento planetario rispetto al carter.



L’ORIGINE E’ LONTANISSIMA
Risale al XVI secolo, quando nel 1588 un ingegnere italiano, di nome Ramelli, inventò una pompa ad acqua con pistoni rotanti.
Nel 1782 se ne interessò anche l’inglese James Watt (sì proprio quello con il cui cognome si indica la potenza nel Sistema Internazione delle unità di misura).
Molti altri scienziati e tecnici affrontarono la problematica del motore o di meccanismi basati sul moto di un pistone rotante all’interno di un volume di forma particolare, come Murdock, inglese anche lui, che cercò di costruire un prototipo sperimentale o l’americano Cooley o lo svedese Wallinder che studiarono, agli inizi del ‘900 la tecnologia per costruire un motore rotativo.
Ma non c’è dubbio che, dopo tante fatiche, questo innovativo propulsore si trovò la strada spianata da Felix Wankel, che disegnò l’epitrocoide senza sapere cosa fosse precisamente, ma in modo sperimentale, collegando una punta scrivente all’ingranaggio a dentatura interna che fece ruotare intorno a quello fisso a dentatura esterna. A metà degli anni ’50, anche in collaborazione con lo staff tecnico della Nsu diede vita al primo motore rotativo che, nell’uso comune prese – meritatamente - il suo nome. Si deve comunque alla giapponese Mazda l’evoluzione del Wankel verso un’impostazione efficiente, moderna e affidabile, a prezzo di notevoli investimenti economici.

Cos’è l’epitrocoide
E’ un motore diverso anche per le particolari geometrie interne. Il pistone (rotore) ha tre lati convessi e ruota dentro un basamento (statore) il cui perimetro interno è una curva epitrocoidale, una particolare linea generata da un punto solidale ad una circonferenza che rotola su un’altra, considerata fissa. La circonferenza che rotola (arancione) può farlo stando all’esterno di quella fissa (blu), caso a), oppure, se di diametro maggiore, può contenere quella fissa al suo interno, caso b) e girargli attorno. Nel primo caso la forma epitrocoidale è generata da un punto, P, interno alla circonferenza mobile (ma sempre ad essa solidale), nell’altro caso da un punto esterno. Si può dimostrare, con una serie di considerazioni trigonometriche neanche troppo complesse, che in entrambi i casi viene fuori un’epitrocoide, quella specie di ovale schiacciato al centro, nel quale si muove il rotore del Wankel. Per ragioni legate ad una maggiore facilità realizzativi, i Wankel si costruiscono in base allo schema b).
Dalle stesse valutazioni matematiche e geometriche di cui si diceva, si arriva ad alcune interessanti conclusioni, che trovano corrispondenza nella costruzione e nel funzionamento reale.

GEOMETRIA E TEORIA
1) Il numero di lati del rotore è pari a quello dei lobi della trocoide + 1.
2) E’ la conseguenza del rapporto obbligato tra i raggi delle circonferenze fissa e mobile – schema b – che è pari a 2/3 (nel caso base di 2 lobi).
3) Sempre con riferimento allo schema b), il centro O’ della circonferenza mobile (rotore), ma solo esso, ruota ad un certo numero di giri n, mentre qualunque altro punto compie una rotazione completa ad un regime che è 1/3 di n.

REALTA’
1) Nella maggior parte dei casi costruttivi si ha uno statore a 2 lobi ed il pistone a 3 lati, ma potrebbero essere 3 lobi e 4 lati …
2) Le circonferenze che rotolano una sull’altra altro non sono che le primitive dei due ingranaggi, uno a dentatura esterna, fisso e al centro del basamento con perimetro epicotroidale, e l’altro a dentatura interna al centro del rotore. Il rapporto tra i denti dei 2 ingranaggi è 2/3 (come quello tra i diametri), sempre nel caso di 2 lobi e 3 lati.
3) L’albero motore ruota ad un certo regime n. E’ dotato di un tratto di maggior diametro ed eccentrico, di una quantità pari alla differenza tra i raggi degli ingranaggi. Il centro dell’ingranaggio a dentatura interna coincide con quello della massa eccentrica dell’albero motore. Il centro O’ del rotore quindi ruota allo stesso regime n dell’albero. Ogni altro punto del pistone rotante invece ruota ad un regime pari a 1/3 n.

TROCOIDE NON SOLO NEL WANKEL
Esempi di applicazione di forme trocoidi li ritroviamo in altri componenti di un motore. Fra tutti la pompa a lobi (esistono anche del tipo a ingranaggi tradizionali) del circuito di lubrificazione dei motori a 4 tempi , di qualunque tipo siano. Ritroviamo quindi i lobi, come nel Wankel, anche se nel caso delle pompe trocoidali la situazione è un po’ diversa. I lati del rotore e dello statore sono concavi (curvati verso l’interno) ed è quest’ultimo a possedere un lato in più. Corpo fisso a 5 lobi e rotore a 4 ad esempio. La linea geometrica che descrive questa forma si chiama precisamente ipotrocoide, disegnata da un punto interno ad una circonferenza che rotola all’interno di una fissa (nel caso b) dell’epitrocoide il punto solidale alla circonferenza mobile interna è esterno ad essa e infatti produce convessità opposte).
Ma esistono anche meccanismi rotativi composti da statori con perimetro concavo e rotore con lati convessi e viceversa, dando luogo ad una molteplicità di figure trocoidali in genere molto ampia.

Principio di funzionamento
E’ più difficile da spiegare che da comprendere. Esistono 3 elementi fondamentali: il basamento (o statore) al centro del quale è collocato un ingranaggio fisso, il pistone rotante (o rotore) nel cui centro è alloggiato un ingranaggio a dentatura interna e l’albero motore. La distanza tra il centro del rotore e quello dell’albero è l’eccentricità, parametro caratteristico del Wankel.
Il pistone triangolare con lati convessi (curvatura verso l’esterno) ruota all’interno del basamento a forma di doppio lobo, proprio l’epicotroide appena trattata, una sorta di ovale ristretto al centro, con un moto dettato dal rotolamento del suo ingranaggio interno su quello fisso del carter. Per questo motivo il rotore non effettua una pura rotazione intorno al proprio centro, ma un più complesso moto planetario (come i pianeti ruota su se stesso e contemporaneamente orbita su una traiettoria). I 3 vertici del triangolo si mantengono sempre a contatto con le pareti del contenitore. Su ogni lato del rotore è ricavato un incavo, la camera di lavoro, la quale svolge una funzione secondo la zona nella quale si trova.
C’è poi l’albero motore, che attraversa il pistone rotante, ma poiché questo non ruota “centrato”, l’albero possiede un’eccentricità (principio base del funzionamento) che compensa quella del movimento del rotore, con 2 vantaggi. Si ottiene infatti l’indispensabile risultato di far ruotare centrato l’albero motore, in particolare i perni di banco e le sue estremità, in modo da poterci collegare prese di forza o il pignone della catena nel caso di applicazione su un kart. Si usa inoltre l’eccentricità come una sorta di braccio di leva rispetto al rotore per creare la coppia motrice, prodotto della forza generata dalla combustione per l’eccentricità stessa.
Il motore rotativo possiede, nella sua configurazione più semplice, 2 luci sul basamento, una d’aspirazione e una di scarico, aperte e chiuse dal passaggio del rotore. Lungo la larghezza del carter è presente inoltre una candela per l’accensione della miscela aria/carburante contenuta in ognuna delle camere di lavoro (in quella fase diventa di combustione) che gli si presentano davanti.



Osservando la sequenza di foto e disegni si può capire meglio come si succedono le varie fasi, dopo aver indicato con A, B e C i lati del rotore e con numeri le cariche intrappolate. Ma in questo momento è necessario osservare un fatto importantissimo che è una caratteristica fondamentale del funzionamento del Wankel. In ognuna delle camere di lavoro, i volumi continuamente variabili che si formano tra ciascun lato del rotore e lo statore, sono intrappolate 3 differenti quantità di carica, ciascuna aspirata da un lato del rotore appunto quando è passata davanti alla luce di aspirazione.

Le cariche sono state numerate a partire dall’aspirazione della 3, perché rispetto al senso di rotazione è stata l’ultima ad entrare.
Il rotore ha compiuto un giro mentre l’albero motore, se lo avessimo potuto vedere, 3. Il perno eccentrico dell’albero deve ruotare 3 volte più velocemente per seguire il foro centrale del rotore. In un giro di rotore quindi vengono aspirate 3 cariche (ad esempio 3, 4 e 5), ognuna delle quali subisce le tradizionali 4 fasi al termine del giro, e ne sono state espulse altrettante (1, 2 e 3).
I 2 ingranaggi citati servono per tenere in fase rotore ed albero motore: quello a dentatura interna è piantato al centro del rotore, l’altro è coassiale con l’albero, ma non è ricavato su quest’ultimo, bensì nel basamento; il rapporto tra i numeri di denti è 3:2. Il rotore fa muovere l’albero motore non attraverso questa coppia di ingranaggi (quello fisso è sul carter non sull’albero), ma solo grazie alla coppia generata dalla spinta dei gas per l’eccentricità. Non servono quindi per far muovere il rotore, il quale, sotto la spinta d’espansione dei gas combusti sarebbe libero di orbitare all’interno dello statore, senza bisogno d’ingranaggi, i quali però sono necessari per tenere in fase albero motore e rotore.