Motor Wankel, Historia, Funcionamiento, Evolución, Ventajas Y Desventajas

El motor wankel es la excepción a la regla, la mayoría de los motores que son usados en los vehículos utilizan pistones y el principio biela-manivela para la transformación de la energía térmica en mecánica, pero, el motor wankel no. El motor wankel utiliza un principio diferente conocido como rotor y estator.

El principio de este mecanismo es utilizar una cavidad (estator) y un elemento giratorio (rotor) que al girar el rotor dentro del estator se pueda producir la alimentación de combustible, compresión, explosión y expulsión del mismo.

El motor wankel, como lo dice su nombre utiliza rotaciones continuas para poder producir la transformación de la energía combustible. En el presente artículo hablaremos sobre este motor, detallando aspectos como su funcionamiento, partes, tipo de combustible, ventajas y desventajas, entre otros.

Breve Historia

El motor Wankel rotativo debe su nombre al ingeniero alemán Félix Wankel. En 1924, a la edad de 22 años, Wankel estableció un pequeño laboratorio para el desarrollo del motor rotativo, donde comenzó la investigación.

En el año 1929 el primer motor Wankel ya fue patentado. Durante la Segunda Guerra Mundial (1939-1945), continuó su trabajo con el apoyo del Ministerio alemán de Aviación y otras corporaciones civiles. Ambos sectores ofrecían respaldo a las investigaciones y pensaban que serviría al interés nacional una vez fuera desarrollado. Sostenían que el motor rotativo, una vez probado, podría empujar al máximo el desarrollo industrial alemán.

Al término de la Segunda Guerra Mundial, Wankel estableció un Instituto Técnico para el Estudio de la Ingeniería y continuó su trabajo de investigación y desarrollo del motor, así como de un compresor rotativo de uso comercial. En esa época una importante empresa constructora de motocicletas, NSU, mostró gran interés en las investigaciones de Wankel. Debido a ello NSU y Félix Wankel formaron una sociedad y se concentraron en el desarrollo de un nuevo bloque para el motor rotativo.

Antes de ello, sin embargo, NSU completó el desarrollo del compresor rotativo y lo aplicó al uso de un supercargador de tipo Wankel. Con este supercargador, una motocicleta NSU estableció una nueva marca en velocidad para la categoría de 50 cc, con una velocidad máxima de 192,5 km/h.

En 1957, Wankel y NSU completaron el prototipo del motor wankel rotativo tipo DKM. Este primer motor Wankel, llamado Drehkolbenmotor y abreviado a DKM, tenía una cámara de volumen variable formada por dos cuerpos que giraban respecto a dos ejes paralelos, en el mismo sentido, pero a velocidades distintas. Esto lo convertía en un motor poco práctico.

Posteriormente, en 1958, un ingeniero llamado Froede consiguió fijar uno de los cuerpos (concretamente el exterior) y el otro realizaba un movimiento planetario en su interior. Este motor wankel recibió la denominación de Kreiskolbenmotor (KKM). Este nuevo KKM se convirtió en el prototipo del actual motor Wankel.

Desde la aparición del primer prototipo de motor Wankel, numerosas empresas del sector adquirieron licencias de aplicación: Curtiss-Wright (para motores de aviación), en Estados Unidos; Mercedes-Benz y M.A.N., en Alemania; y en 1961 Toyo Cork Kogyo1 (actualmente Mazda) en Japón.

Inmediatamente Mazda y NSU empezaron a trabajar conjuntamente y como primera acción se acordó enviar un grupo técnico de ingenieros de Mazda a la sede de NSU, mientras que en la fábrica de Mazda en Japón se organizó un comité de estudio. El grupo técnico logró obtener planos y un prototipo monorotor de 400 cc. con el que corroboraron problemas de desgaste anormal en el bloque que alberga el rotor (estator). Esto no solamente era un problema para Mazda, sino que era también el problema con el que se había encontrado NSU en el desarrollo del motor rotativo en sus motocicletas.

Problemas por el rozamiento

Las marcas de rozamiento quedaban dentro de bloque trocoidal, por donde se deslizan los tres segmentos de los vértices del rotor. Los segmentos creaban una vibración abrasiva y una fatiga anormal. Otro problema que surgió durante las primeras etapas de desarrollo del motor era la emanación de humo blanco debido a la combustión de aceite, lo que constituía otro inconveniente para la comercialización.

Esto era causado por una estanqueidad deficiente entre los vértices del rotor y el bloque que lo contiene. La solución a este problema consistió en un aceite especial que creó Mazda y que probó ser la solución más adecuada. A principios de la década de 1960 Mazda diseñó e investigó tres tipos de motores rotativos de dos, tres y cuatro rotores respectivamente.

La versión monorotor, cuyo prototipo había sido diseñado por la alemana NSU bajo el nombre de motor rotativo KKM, podía operar acompasadamente a altas revoluciones, pero tendía a producir vibraciones y aquejaba de una falta evidente de par a bajas revoluciones. Mazda entonces decidió desarrollar un birotor del cual se esperaba que las fluctuaciones de par fueran comparables a las de un motor en línea de 6 cilindros.

El primer motor de pruebas birotor diseñado por Mazda, se denominó L8A (con una cámara de 399 c.c.), y fue instalado en un prototipo de coche deportivo (L402A) que más tarde fue el originario del modelo Mazda Cosmo Sport. En diciembre de 1964 se diseñó otro motor rotativo de pruebas con una cilindrada de 491c.c. el cual acabó desembocando en el primer motor rotativo de producción: el L10A.

motor wankel

(Motor wankel rotativo L10A. Aun siendo el primer motor wankel rotativo que se comercializó ya se puede observar el tamaño compacto en comparación con un motor tradicional con configuración de cilindros en línea o en “V”)

El 30 de mayo de 1967, Mazda sacó al mercado el primer vehículo que montaba un motor rotativo, el Mazda Cosmo Sport, que equipaba un motor L10A (491 c.c.) que desarrollaba 110 CV de potencia y usaba unos aros de carbono que daban mejor estanqueidad al conjunto. El motor wankel disponía de un carburador de cuatro bocas para mantener estable la combustión a cualquier régimen de funcionamiento. En cuanto al sistema de ignición, cada rotor estaba dotado de una bujía que garantizaba la ignición de la mezcla bajo cualquier circunstancia.

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(Mazda Cosmo Sport. Montaba motor de dos rotores de 110 CV y solo 490cc. El automóvil de estética y prestaciones deportivas sorprendió al mercado de aquella época que veía por primera vez la irrupción en el sector de un vehículo con motor no lineal).

Desarrollos posteriores

El desarrollo de motores rotativos por parte de Mazda continuó y en 1973 la marca presentó en sociedad una nueva versión de su motor rotativo que se conoció como 13B. Este era un motor de dos rotores y de 672cc el cual fue expresamente diseñado para rebajar las emisiones del motor anterior. Por aquel entonces, en la década de los 70, se daba la crisis del petróleo a escala mundial y el precio del carburante creció desorbitadamente. Debido a esto, Mazda se vio obligada a reducir el consumo de sus motores si quería hacer subsistir el motor rotativo.

Por esta razón nació el “Proyecto Fénix” el cual tenía como objetivo una primera etapa de reducción de un 20% de consumo de combustible para el primer año de investigación con una meta de reducción de un 40%. Mazda no sólo logró sus objetivos, sino que como resultado del “Proyecto Fénix” lanzó al mercado el deportivo RX7, en 1978, que probó que el Wankel había llegado al mercado para quedarse definitivamente.

El lanzamiento del RX7 vino acompañado con el desarrollo de un sistema catalítico especialmente diseñado que logró mayores ahorros en consumo de combustible. Actualmente el RX-8, sucesor del RX-7, es el único automóvil del mercado que dispone de motor rotativo.

Descripción general del motor

Mientras en un motor alternativo se efectúan sucesivamente 4 trabajos diferentes (admisión, compresión, combustión y escape) en el mismo volumen (cilindro), en un motor Wankel se desarrollan los mismos 4 tiempos pero en lugares distintos de la carcasa (también llamada bloque o estator). Concretamente, el estator es una cavidad con una forma que recuerda a un 8, dentro de la cual se encuentra un rotor con forma de prisma triangular de caras convexas que realiza un giro de centro variable.

Este rotor comunica su movimiento rotativo a un cigüeñal que se encuentra en su interior, y que gira ya con un centro único. En siguientes apartados se detallará mejor la geometría del estator y del rotor. El motor wankel rotativo emplea la presión creada por la combustión de la mezcla aire-combustible para producir trabajo. La diferencia radica en que esta presión está contenida en la cámara formada por una parte del estator y por uno de los lados del rotor triangular, que en este tipo de motores reemplazaría a los pistones siguiendo con la comparación con motores del tipo biela-manivela.

El rotor sigue un recorrido en el que mantiene sus 3 vértices en contacto con el estator, delimitando así tres compartimentos separados: las cámaras de trabajo. A medida que el rotor gira dentro de la cámara, cada uno de los 3 volúmenes se expande y contrae alternativamente; es esta expansión-contracción la que succiona la mezcla aire-combustible hacia el motor, comprime la mezcla, extrae su energía al expansionar y realiza el escape. Por cada vuelta del rotor, el árbol motriz gira tres veces. No hay sistema de distribución, ya que la admisión y escape están controlados por lumbreras del propio bloque sin la interposición de válvulas.

Cada una de las tres cámaras de combustión al terminar su vuelta alrededor del árbol motriz hará los cuatro tiempos, y se producirán tres explosiones en un giro completo del rotor. Para transmitir la fuerza generada por la combustión al cigüeñal el rotor actúa con un brazo de palanca con respecto al cigüeñal. El rotor gira sobre una excéntrica que forma parte del cigüeñal. Mientras el rotor gira alrededor de su propio eje, éste describe un círculo, cuyo radio es igual a la excentricidad de la excéntrica.

El rotor gira en contacto con el cigüeñal mediante un par de ruedas dentadas de las cuales una, con dientes interiores, es concéntrica con el rotor y solidaria a este, y la otra, con dientes exteriores, es concéntrica con el cigüeñal y solidaria con el estator. La relación entre los números de dientes de las dos ruedas es de 3 a 2, por lo que el rotor hace tres vueltas sobre sí mismo mientras su centro de rotación recorre el círculo completo descrito en una vuelta por el excéntrico del cigüeñal.

motores wankel
Figura 3
motores rotativo
Figura 4

El movimiento del rotor es por tanto el resultado de dos rotaciones: la del cigüeñal y la del rotor sobre su propio eje. La relación entre las velocidades angulares de los dos movimientos es tal como para hacer describir a cada uno de los vértices del rotor la curva según la cual se ha trazado el perfil del estator. Como en los motores de pistón, el momento de giro experimenta un desarrollo variable (aunque periódico) y es necesario implantar un volante de inercia para conseguir una marcha satisfactoriamente uniforme.

El motor Wankel se puede implementar, al igual que los motores alternativos, como motor de encendido provocado o como motor de encendido por compresión, acercándose a los ciclos de referencia Otto y Diesel respectivamente. La implementación más usual ha sido la de motor de encendido provocado. La implementación del motor Wankel como motor de encendido por compresión se resume en un intento de la empresa Rolls-Royce, en la década de los 70.

Básicamente, estaba compuesto por dos cámaras: una pequeña situada por encima de otra más grande y ambas en el interior de un mismo estator. Con esta construcción se puede alcanzar una relación de compresión de 18:1, con un cociente entre la superficie y el volumen de la cámara de combustión semejante al de un motor alternativo equivalente trabajando también en ciclo Diesel. La turbulencia del aire fresco requerida para la correcta combustión de la mezcla final, se realiza mediante el estrechamiento que hay entre una cámara y la otra.

Al mismo tiempo, este obstáculo genera una depresión en el otro extremo, que propicia un aumento de la velocidad de propagación de la llama, y la salida de los gases quemados. Dejando de lado el trabajo realizado por la firma británica, nadie más se ha aventurado en el desarrollo de un motor rotativo funcionando según esta tipología de encendido por compresión. Todos los esfuerzos se han centrado en la versión Otto, ya que requiere unas exigencias térmicas menores gracias a una relación de compresión más baja.

Funcionamiento motor wankel

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A continuación, se muestran una serie de imágenes secuencialmente que aclaran cómo se producen los cuatro tiempos en una de las cámaras de combustión del motor Wankel y que ayudarán a profundizar en el funcionamiento del motor.

1er Tiempo: Admisión

motor rotativo
Figura 5

La fase de admisión del ciclo empieza cuando el vértice del rotor descubre la lumbrera de admisión. En este momento el volumen de la cámara de combustión es mínimo. A medida que el rotor avanza, el volumen de la cámara de combustión aumenta absorbiendo la mezcla de aire-combustible. Cuando el otro vértice de la cara del rotor ha pasado por la lumbrera de admisión el volumen contenido queda aislado y empieza la compresión.

2do Tiempo: Compresión

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FIgura 6

A medida que el rotor continúa su movimiento dentro del bloque, el volumen contenido en la cámara de combustión se hace cada vez más pequeño y la mezcla airecombustible se comprime. En el momento en que la cara del rotor queda enfrente de las bujías, el volumen de la cámara es mínimo. En este punto se produce el salto de la chispa y la consiguiente combustión de la mezcla. Ya que en la fase de compresión la cara del rotor se ciñe a la pared del estator, la compresión sería excesiva si no se practicasen unas hendiduras sobre las caras del rotor. Estas hendiduras forman las cámaras de combustión del rotor.

No obstante, estas cavidades presentan un inconveniente: se produce una comunicación de los conductos de admisión y escape (semejante al de los motores de dos tiempos alternativos). A pesar de todo, las relaciones de compresión con las que se trabaja habitualmente van desde 8:1 hasta 9,5:1. Para esta última parece obtenerse el consumo mínimo.

3er Tiempo: Combustión y Expansión

motores rotativos
Figura 7

La mayoría de los motores rotativos tienen dos bujías. La cámara de combustión es larga, así que la llama se inflamaría demasiado lentamente si hubiera solamente una bujía. Cuando las chispas encienden la mezcla de aire-combustible, la presión aumenta rápidamente, forzando el rotor a moverse en la dirección en la que el volumen del compartimiento crece. Los gases de combustión continúan expandiéndose, moviendo el rotor y transformando energía, hasta que el vértice del rotor descubre la lumbrera de escape.

4to Tiempo: Escape

Motor de rotacion
Figura 8

Una vez el vértice del rotor descubre la lumbrera de escape, los gases de la combustión pueden escapar. A medida que el rotor se mueve, el volumen va disminuyendo forzando así la salida de los gases. En el momento en que el volumen del compartimiento es mínimo, el vértice del rotor vuelve a descubrir la lumbrera de admisión repitiéndose otra vez el ciclo. Es en este momento en el que se produce el cortocircuito de gases que ya hemos comentado ya que se produce una comunicación de los conductos de admisión y escape a través de la cámara de combustión labrada en las caras de los rotores (ver figura anterior).

De esta manera se puede ver como cada una de las tres caras del rotor está siempre trabajando en una etapa del ciclo. En una revolución completa del rotor se producen tres combustiones. El eje de salida gira tres veces por cada revolución del rotor o lo que es lo mismo, hay una combustión por cada revolución del eje de salida. El mismo proceso se ha realizado paralelamente en las otras dos cámaras de combustión.

De esta manera se puede ver como cada una de las tres caras del rotor está siempre trabajando en una etapa del ciclo. Todo el ciclo completo de cuatro tiempos se lleva a cabo en una sola vuelta del rotor, que equivale a tres del cigüeñal. El cigüeñal gira tres veces por cada revolución del rotor, esto quiere decir que el eje del motor gira tres veces más rápido y, por lo tanto, para conseguir la misma cifra de potencia se necesita un tercio del par motor que se necesitaría si el rotor y el eje giraran a la misma velocidad.

Los tiempos del ciclo ocurren siempre en el mismo sitio del estator: la admisión, que hasta cierto punto se considera una fase refrigerante por la evaporación de la gasolina que entra pulverizada en el seno de la mezcla fresca, tiene lugar en la parte superior de las figuras vistas, así como la fase de compresión. Por el contrario, las fases calientes (explosión y escape) suceden en la parte inferior.

La consecuencia directa es que una parte del motor se calienta mucho más que la otra (la diferencia llega a ser entre 150º la parte de admisión y casi 1000º la de escape); esta circunstancia motivará una asimetría en la forma externa del motor por motivos de refrigeración (ver figuras 10, 12 y 13. En ellas se aprecia esta diferencia debido a las galerías de refrigeración que se disponen en la parte caliente del estator).

Elementos del motor wankel

Rotor

El rotor cumple la misma función que el conjunto pistón-biela en el motor alternativo, transmitiendo la presión que ejercen los gases de la combustión directamente al cigüeñal. Al mismo tiempo, el rotor hace el trabajo de las válvulas de admisión y escape en un motor alternativo (ver Fig. 9.). En cada uno de los vértices del rotor se sitúan unos elementos de sellado, así como a lo largo de ambas caras laterales, para evitar que la mezcla de aire-combustible, los gases quemados o el aceite lubricante salgan del espacio en el que están confinados.

El engranaje y el cojinete del rotor están situados en su interior. Como ya se ha explicado en el apartado 2.2, el contorno del rotor tiene la forma de la envolvente interior del estator. El pequeño espacio libre que existe entre el rotor y el estator se consigue mecanizando el rotor según una epitrocoide algo más pequeña de la que realmente forma el estator.

De cara al rendimiento del motor, interesa que este espacio o juego sea lo más pequeño posible. No obstante, se deben tener en cuenta las deformaciones térmicas y las tolerancias de fabricación, entre otros aspectos. Al final, esta distancia se suele situar en torno a 0.5 mm.

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Figura 9

Cada uno de los flancos del rotor está rebajado con la finalidad de aumentar el volumen de la cámara de combustión. Tanto la forma como la localización de estas hendiduras influyen notablemente en el rendimiento de la combustión.

El material a emplear en la fabricación del rotor debe cumplir los siguientes requisitos:

– Gran resistencia a la fatiga a altas temperaturas.

– Bajo coeficiente de dilatación térmica.

– Gran resistencia al desgaste.

– Buenas características de maleabilidad.

– Buenas propiedades para la mecanización.

En general, se usa fundición nodular de grafito esferoidal (tiene un precio superior a la fundición gris, pero mejora sensiblemente sus propiedades mecánicas y mantiene las demás). Posteriormente, basta acabar de mecanizar los flancos mediante máquinas de control numérico. No obstante, es un material con una densidad muy elevada y el peso final del rotor es demasiado grande.

Por esta razón, se están empezando a utilizar aleaciones de aluminio, al igual que en los pistones de algunos motores alternativos, en especial los de automoción. De esta forma, un peso menor del rotor implica una reducción de las cargas que actúan sobre el cojinete central y permite conseguir mayores velocidades de giro a la salida (con un desgaste moderado), sin necesidad de emplear un cojinete de altas prestaciones.

Estator

El estator del motor rotativo es el equivalente al conjunto formado por el bloque motor y la culata de los motores alternativos. Para un motor de un solo rotor, el estator está formado por tres partes: una, periférica, que envuelve al rotor; y otras dos, laterales, una a cada lado del rotor.

Estator periférico:

En el motor rotativo, la cámara de combustión se mueve siguiendo cada una de las fases del ciclo de cuatro tiempos. La zona donde se realiza la admisión de la mezcla se enfría con la entrada de ésta, mientras que la zona de expansión está expuesta a elevadas temperaturas. Algo parecido sucede con las presiones.

La presión ejercida por los segmentos (debido a la fuerza centrífuga) y los gases quemados, desgastan la superficie interior del estator periférico (figura 10) en zonas muy localizadas (relacionadas con los puntos donde se produce la combustión). El estator puede estar sometido a un gradiente importante de presiones y temperaturas (fácilmente se obtienen saltos de 100 ºC).

Por lo tanto, las características básicas que debe cumplir el material del estator periférico son:

– Proporcionar la resistencia suficiente para resistir los esfuerzos causados por la combustión.

– Asegurar la mínima diferencia de temperaturas y resistir las tensiones térmicas provocadas por este gradiente, así como asegurar unas buenas condiciones de refrigeración y lubricación.

– Resistir con la mínima deformación posible para asegurar una buena estanqueidad de las cámaras de combustión.

motor de rotaciones
Figura 10

Los segmentos de los vértices del rotor se deslizan por el interior de la superficie del estator periférico. Para reducir el desgaste entre ambas superficies, además de construir un estator según una curva paralela y desplazada respecto a la teórica, se debe conseguir una gran exactitud dimensional, evitando la deformación de los diferentes elementos sometidos a gradientes importantes de temperatura. En general, se utilizan aleaciones de aluminio.

También se podría realizar en fundición, pero la capacidad de evacuación de calor es muy inferior; en el lado negativo, el aluminio posee un coeficiente de dilatación térmica mucho más elevado (casi el doble). Cuando se utilizan aleaciones de aluminio, se procede a cromar la superficie interior del estator con la finalidad de aumentar su resistencia al desgaste. Concretamente, se recubre el interior del estator con una capa de acero y, posteriormente, se lleva a cabo el cromado de esta superficie. La superficie exterior de la capa de acero tiene una forma de diente de sierra para mejorar la adherencia con la aleación de aluminio (figura 11.).

En un principio, el movimiento a alta velocidad de los segmentos de los vértices del rotor propiciaba que se rayara la superficie interior del estator, lo cual afectaba tanto a la durabilidad del motor como a su rendimiento. Finalmente, se hallaron varios tratamientos superficiales que disminuían los efectos del roce entre ambos elementos. Una solución es, como ya se ha explicado, cromar la superficie; aunque también se obtienen buenos resultados niquelándola o empleando aleaciones de molibdeno.

Los agujeros donde se alojan las bujías atraviesan todo el estator hasta llegar a la superficie interior de éste. La superficie que se encuentra alrededor de la bujía alcanza temperaturas realmente elevadas, por lo que debe ser capaz de soportar grandes tensiones térmicas. Además, en esta zona el aceite de refrigeración se degrada con facilidad. Por eso es imprescindible realizar un estudio a fondo para optimizar tanto el sistema de refrigeración como de lubricación en los alrededores de la bujía.

motores de rotación
Figura 11

Estator lateral:

Las caras laterales del estator deben ser muy deslizantes para que los segmentos de las esquinas y de los laterales del rotor puedan mantener un contacto continuado sin producirse un desgaste prematuro. Al igual que la parte periférica del estator, las tapas laterales están sometidas a grandes presiones y temperaturas en algunas zonas y momentos concretos, aunque las condiciones de lubricación son mucho más favorables que antes. No obstante, las tapas laterales del estator son fundamentales para el buen funcionamiento del motor. Por un lado, se encargan de canalizar los sistemas de lubricación y de refrigeración, y por otro, a través de ellas se realiza la admisión y el escape del motor (caso de lumbreras laterales).

Debido a las menores exigencias térmicas y mecánicas que se requieren, es más habitual utilizar fundición nodular en la fabricación de las tapas laterales. No obstante, también se han empleado, al igual que en el rotor y el estator periférico, aleaciones de aluminio, de mejores características y coste más elevado. Para motores de bajas prestaciones, con las tapas laterales de fundición, no es necesario llevar a cabo ningún tipo de tratamiento superficial adicional, si se escoge el material adecuado para los segmentos.

Pero si el motor está sometido a cargas más elevadas, la superficie deslizante de la chapa puede ser endurecida por inducción o por nitruración. Como siempre, las aleaciones de aluminio tienen la ventaja de un peso muy inferior y de una gran capacidad de evacuación de calor. Pero tienen una resistencia al desgaste menor y requieren un recubrimiento de capas metálicas de aceros especiales como el de la figura 11. para mejorar sus características antifricción.

motores rotativos wankel
Figura 12

Engranajes de transmisión del motor wankel

Este mecanismo está formado por un piñón (engranaje de dientes exteriores), fijo a la tapa lateral del estator, (figura 13.) y otro, de dientes interiores, sólidamente unido al interior del rotor. El primero de ellos, permanece inmóvil (hace la función de círculo de base de la curva) y el otro, al engranar con éste, realiza el movimiento de generación de la epitrocoide, como ya se ha descrito anteriormente.

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Figura 13

La relación entre el número de dientes de ambos engranajes es de 2:3. Esta diferencia proporciona una relación de transmisión de 1:3 entre la velocidad del rotor y la del eje de salida. El engranaje fijo está encajado a la tapa lateral del estator y sujetado mediante tornillos de fijación. Además, se le da una forma y grosor adecuados para que el engranaje tenga una rigidez y una resistencia a la fatiga aceptables.

En cuanto al engranaje de dientes interiores, tiene una forma cilíndrica de un espesor muy pequeño y se aloja en el interior del rotor. Al igual que el engranaje fijo, puede fijarse mediante tornillos, aunque es más frecuente emplear unos pequeños muelles que, al mismo tiempo que sujetan el engranaje, absorben parte de las cargas a las que está sometido.

En el diseño de los engranajes, tanto el de dientes exteriores como el de dientes interiores, se emplean engranajes rectos. Éstos, si bien hacen más ruido, son mucho más baratos y transmiten perfectamente el movimiento del rotor al eje y no transmiten ningún esfuerzo axial al rotor.

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Figura 14

En la figura 14. se muestra el conjunto abierto de estator (el periférico y un lateral) y rotor, y se puede observar dos cosas. En primer lugar, cómo engranan los dientes exteriores del piñón con los dientes interiores del rotor para realizar el movimiento descrito con anterioridad. En segundo lugar, la figura muestra perfectamente que la mezcla fresca entra a la cámara de trabajo a través de un conducto de admisión labrado en el estator lateral (recordemos que las lumbreras de admisión y de escape pueden disponerse también en la superficie de contacto con el estator periférico).

Mecanismo de sellado del motor wankel

El mecanismo que asegura la estanqueidad de las cámaras de combustión en el motor rotativo equivale a los aros flexibles que se acoplan a los pistones en el motor alternativo. En este caso, se compone de elementos de sellado dispuestos de tres formas características, diseñadas para asegurar que los gases y los fluidos permanezcan en todo momento en su sitio.

Los segmentos del motor wankel rotativo están sometidos a unas presiones muy elevadas, así como a unas temperaturas de trabajo también bastante altas. Por eso, es muy importante un correcto estudio de su diseño para definir tanto la forma como el material. Al igual que el material, requiere una consideración especial el tratamiento superficial de la pieza con la que los segmentos van a mantener contacto: estator periférico y lateral. En el motor rotativo, el sistema que asegura la estanqueidad está formado por tres tipos de segmentos:

– Los segmentos periféricos son unos patines que aseguran la estanqueidad radial y que evitan la transferencia de gases entre una cámara de combustión y la adyacente.

– Los segmentos laterales son unas láminas que aseguran la estanqueidad axial del rotor (equivalentes a los aros de compresión en el motor alternativo).

– Los pernos de anclaje (o de guía) son unos elementos que se encargan de mantener unidos los segmentos anteriores.

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Figura 15

Para que cada uno de estos tres elementos mantenga en todo momento contacto con la superficie correspondiente, están provistos de unos pequeños muelles en las caras opuestas a las del contacto.

a) Segmentos periféricos:

Hay tres por cada rotor, y se sitúan en los vértices de éste para mantener cada una de las cámaras de combustión completamente hermética respecto a las demás. Ya que estos segmentos están expuestos a las elevadas presiones y temperaturas de los gases de escape, y son básicos para el correcto deslizamiento del rotor sobre la superficie interior del estator, se debe llevar a cabo un diseño preciso y exhaustivo. Además, en el caso de que se realice una construcción del motor mediante lumbreras periféricas, los segmentos periféricos realizan, al mismo tiempo, las funciones de válvulas de admisión y escape.

Como se muestra en la figura 16., el segmento está empujado por dos fuerzas: una es la fuerza que el muelle ejerce sobre el centro de su base y lo mantiene en contacto con la pared interior del estator, y la otra fuerza es la que produce la presión de los gases quemados sobre la cara del segmento opuesta al contacto. El muelle de la base, al mismo tiempo, sirve para corregir posibles errores geométricos derivados del proceso de fabricación. A medida que el rotor gira, la presión de los gases quemados disminuye y aumenta la de los gases comprimidos en la cámara siguiente.

En un momento dado, el gradiente de presiones cambia de sentido y el segmento se desplaza por su alojamiento hasta que pasa a tocar con la otra cara. Así, el segmento se irá moviendo, una y otra vez, según el sentido del gradiente de presiones. Como el segmento se desliza sobre el estator, manteniendo el contacto en todo momento, la durabilidad de ambos elementos está íntimamente ligada con los materiales y los tratamientos superficiales que se emplean en la fabricación de cada uno de ellos.

Anteriormente, se venía utilizando el grafito para los segmentos (por sus altas propiedades lubricantes) deslizándolo sobre una superficie interior del estator, cromada. Posteriormente, se pasó a emplear un segmento de fundición enfriada por chorro de electrones, manteniendo la misma superficie cromada del estator.

motores wankels
Figura 16

b) Segmento lateral y perno de anclaje:

El segmento lateral, que suele ser de fundición, como el periférico, se coloca a lo largo de la cara lateral del rotor para evitar que los gases a alta presión de la cámara de combustión pasen al hueco lateral del rotor (donde están situados los engranajes de transmisión). En la intersección con el perno de anclaje, hay un pequeño espacio libre de entre 0.05 y 0.15 mm. para absorber las posibles dilataciones de los materiales. Este segmento mantiene la estanqueidad en la unión de los otros dos.

Al mismo tiempo, el perno sirve de guía a los segmentos periféricos y laterales en el pequeño desplazamiento que ambos pueden realizar. Para ello, el agujero que alberga el segmento debe tener unas dimensiones muy ajustadas para que se produzca una firme fijación del conjunto (después de las dilataciones térmicas). Con esta disposición, el desgaste por fricción en la cara exterior del segmento es muy importante, y se emplea una fundición de acero con la superficie de contacto cromada.

Al igual que el segmento periférico, tanto el lateral como el perno llevan unos muelles alojados en sus respectivas bases con la finalidad de asegurar, en todo momento, una presión de los elementos de sellado contra las paredes del estator y así impedir que los gases se desplacen de una cámara a otra.

rotativo wankel
Figura 17 y 18

Por último, la figura 19. muestra el aspecto de un motor Wankel con todas las piezas descritas anteriormente situadas en su sitio, a excepción del estator (para facilitar el entendimiento del conjunto). Gracias a este montaje se puede observar cómo el giro producido al engranar los dientes del piñón fijo al estator y los dientes realizados sobre el perfil del rotor es transmitido al eje del motor. Para ello, se acopla en el interior del rotor el rodamiento excéntrico, que gira obligado por éste, y al estar rígidamente unido al cigüeñal, consigue el deseado movimiento giratorio de salida.

Motores de rotaciones wankels
Figura 19

Ventajas y desventajas del motor wankel.

Principales ventajas:

– Menos piezas móviles que un motor de combustión interna alternativo (40% menos de piezas), y, por tanto, mayor fiabilidad.

– Obtención de un par motor casi constante ya que se producen los cuatro tiempos del ciclo simultáneamente dentro del estator.

– Ausencia de válvulas de admisión y de escape. Esto conlleva evitar las dificultades que plantean las distribuciones de los motores de cuatro tiempos: árboles de levas, empujadores, balancines, muelles, etc.

– Mecanismo totalmente rotativo. Con dos contrapesos debidamente dimensionados y dispuestos en el eje se puede equilibrar estática y dinámicamente el motor. Esto le confiere una mayor suavidad de funcionamiento frente a los motores alternativos.

– Menor velocidad de rotación: Dado que los rotores giran a 1/3 de la velocidad del eje, las piezas principales del motor se mueven más lentamente que las de un motor convencional, aumentando la fiabilidad.

– Menos vibraciones: al no haber bielas, ni volante de inercia, ni recorrido de los pistones, las inercias son menores.

– Las relaciones potencia/peso y potencia/volumen son muy elevadas, de hecho, son las más elevadas de todos los motores rotativos.

Principales inconvenientes:

– Resulta muy difícil aislar cada una de las 3 secciones del cilindro en rotación, que deben ser estancas unas respecto a las otras para un buen funcionamiento. Como consecuencia, se hace necesaria la sustitución de los segmentos cada seis-siete años.

– Durante unos cuantos grados de giro del cigüeñal los conductos de admisión y de escape están comunicados a través de la cámara de combustión que, en ese momento, se encuentra finalizando su fase de escape y comenzando la de admisión del siguiente ciclo. Este fenómeno se conoce como cortocircuito y es bastante perjudicial puesto que empeora el rendimiento y aumenta las emisiones de hidrocarburos inquemados.

– Excesivo ruido debido a los engranajes de transmisión.

– Geometría alargada de la cámara de combustión. Conlleva un tiempo excesivo de combustión ya que el espacio que ha de recorrer la llama es bastante largo y angosto. Esta forma provoca un alto consumo de combustible debido a la baja eficiencia termodinámica.

– Mantenimiento costoso y motor comercial poco extendido. Las reparaciones más complicadas sólo pueden realizarse en la casa de fábrica pues el conocimiento de este tipo de motores no es habitual por parte de talleres de mecánica general.

– La sincronización de los distintos elementos debe ser muy buena para evitar que la explosión de la mezcla se inicie antes de que el pistón rotativo se encuentre en la posición adecuada. Si esto ocurre, la ignición empujará en sentido contrario al deseado, pudiendo dañar el motor (dieseling).

– Distribución heterogénea de temperaturas. Las diferentes fases del ciclo ocurren siempre en los mismos lugares del estator; la admisión y compresión (fases frías) ocurren en la parte superior, mientras que la explosión y el escape (fases calientes), ocurren en la parte inferior. Esto

implica que un lado del motor alcance temperaturas de 150ºC y el otro supere los 1000ºC, lo que provoca una tendencia a la deformación en el estator. Esta deformación puede desembocar en fugas que empeoran aún más el fenómeno de la delicada estanqueidad.

– Poca eficiencia en grandes unidades motoras.

– Alto consumo de aceite lubricante. Debido al mal sellado, parte del aceite llega a mezclarse con el combustible y se quema con él, con el consiguiente aumento en el consumo de aceite y en las emisiones contaminantes producidas.

Conclusiones

El motor wankel es uno de esas cosas que son diferentes y se han abierto su propio camino por proveer formas diferentes de hacer lo mismo. Al final, la transformación de la energía, de mecánica a térmica es el porqué de la existencia del motor.

De manera muy personal, diría que todos los problemas que están presentes en un motor wankel con la tecnología que tenemos actualmente podríamos solucionarlos no hay razones aparentes para no continuar con amplios desarrollos, sin embargo, habrá que esperar.

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Ingeniero de la Universidad Central de Venezuela.

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