WANKEL (Motor) - Definición - Significado

A diferencia de las máquinas volumétricas alternativas de pistones, desarrolladas según unas pocas configuraciones, las rotativas de lóbulos han sido concebidas según una extensa variedad de esquemas, con los cuales se han realizado numerosos compresores y motores. Sin embargo, de estos últimos tan sólo un número muy reducido permite obtener, en la práctica, prestaciones comparables a las de las máquinas alternativas conocidas, en especial en lo que respecta a las elevadas velocidades de rotación y a la duración y eficiencia de las juntas entre las diferentes piezas en movimiento.

La forma y los métodos de construcción del motor Wankel son el fruto de un largo y sistemático estudio desarrollado por el ingeniero alemán Félix Wankel (nacido en Lahr en 1902) comparando todas las máquinas posibles de tipo rotativo.

En el estudio y realización práctica de los esquemas mediante lóbulos rotativos, tanto de los compresores como de los motores, han intervenido, durante los siglos pasados, millares de inventores. El número de patentes obtenidas al respecto ha sido muy alto, tanto antes de la difusión del motor de pistones como después. Piénsese, por ejemplo, que solamente en Gran Bretaña ha habido, desde el siglo pasado hasta la primera mitad del actual, más de 2.000 solicitudes de prioridad relativas a motores de tipo rotativo. Entre los más conocidos, cabe citar el patentado y construido por E. Galloway en 1846: se trataba de un motor constituido por dos componentes de 5 lóbulos, situados uno en el interior del otro, que giraban manteniendo 5 generatrices en contacto, las cuales delimitaban otras tantas cámaras. Ésta puede considerarse la primera máquina de pistón rotativo construida con cámara epicicloidal.

Otras realizaciones se debieron, sucesivamente, a Cooley (1901-1903), Lind (1914), Herrmann (1919) y WaUinder & Skoog (1921). Entre las mismas, son particularmente interesantes la de Cooley, construida para funcionar como motor de vapor, y más tarde modificada por Umpleby como motor de combustión interna, y la de Wallinder & Skoog, suecos, que poseía un pistón rotativo de 5 lóbulos situado en el interior de una cámara hi-pocicloidal de 6 lóbulos. Este esquema fue reemprendido posteriormente en 1938 por el francés Dimitri Sensaud de Lavaud, quien desarrolló una serie de experiencias por cuenta del Ministerio Francés del Aire con la colaboración de Citroen y Renault. En 1943, el constructor suizo Bernard Maillard realizó un compresor que, basado en una patente británica anterior de una máquina de pistón rotativo, tenía prácticamente la forma del motor Wankel, es decir, un pistón triangular y un cilindro epicicloidal de 2 lóbulos. Posteriormente, durante el período 1945-1954, Wankel llevó a cabo estudios más profundos acerca de los motores rotativos hasta llegar a la patente del primer propulsor rotativo de combustión interna práctico y eficiente.

Los sistemas más generalizados suelen ser los caracterizados por acoplamientos cinemáticos según curvas cicloidales. Dichas curvas, denominadas trocoides, se clasifican en epitrocoides e hipotrocoides, según que la circunferencia que traza el perfil ruede sobre la superficie exterior o interior del círculo base.

Las primeras investigaciones experimentales en el plano industrial para la realización de motores rotativos con las diferentes configuraciones estudiadas por Wankel se llevaron a cabo en el departamento de investigaciones de la NSU, dirigido por Froede. La elección recayó en el esquema actualmente empleado, con el fin de obtener una máquina de construcción sencilla, con un número reducido de elementos estancos y con la que pudieran obtenerse fácilmente las relaciones de compresión necesarias para desarrollar el ciclo de Otto.

je compacto grupo propulsor del spider NSU de 1964. Se trataba de un monorrotor, de 500 ce, que daba 50 CV a 5.500 rpm.

En principio, la cuestión se orientó hacia la solución de rotación integral, es decir hacia los motores designados con la sigla DKM (Drehkolbenmotor= motor de pistón rotativo), los cuales carecen de aceleraciones alternativas y de movimientos excéntricos. El primer prototipo fue realizado en 1957; poseía una cilindrada unitaria de 125 ce y desarrollaba una potencia de 29 CV a una velocidad de 17.000 rpm, con una presión media eficaz de 8,34 bar y un consumo específico de 230 g/CVh. En este primer ejemplar, ambos elementos poseían movimiento rotativo. Como consecuencia, se producían grandes deformaciones elásticas del rotor exterior, que, además, estaba dotado de un elevado momento de inercia. Dichos problemas desaconsejaron continuar en esta dirección y condujeron a la realización de un segundo prototipo, de rotación planetaria, designado con la sigla KKM (Kreiskolbenmotor = motor de pistón circular). El elemento exterior era fijo (estator), mientras que el interior estaba animado de un movimiento giratorio (rotor o pistón rotativo). Con la misma cilindrada de 125 ce se obtuvo una potencia de 26 CV a 11.000 rpm, con una presión media eficaz de 8,8 bar y un consumo específico de 250 g/CVh. Siguieron algunos prototipos de 150 ce, experimentados para el accionamiento de bombas portátiles y para la propulsión náutica, y varias versiones de 250 ce montadas en un automóvil.

Para la propulsión de coches se desarrolló después un motor denominado KKM 400, con una cilindrada unitaria de 400 ce, particularmente ligero y pequeño (sólo pesaba 23 kg). Desarrollaba una potencia de unos 50 CV a 6.000 rpm, con un consumo específico comprendido entre 230 y 250 g/CVh. En 1965 se presentó el primer automóvil (NSU) de serie con motor Wankel. Estaba dotado de un motor denominado KKM 502, con una cilindrada unitaria de 500 ce y unas prestaciones aproximadamente equivalentes a las del tipo 400. A partir de 1968, la NSU construyó asimismo un motor de 2 rotores, denominado KKM 612, que fue adoptado para el modelo Ro80.

Entre las numerosas marcas automovilísticas que, en torno a 1960, habían adquirido los derechos para experimentar y construir, mediante un acuerdo especial, los motores NSU Wankel, figuraban los principales fabricantes mundiales. En 1969, la Citroen montó en 508 automóviles experimentales, destinados a una clientela seleccionada, un monorrotor que daba 50 CV a 6.000 rpm. También la Mercedes Benz estudió los motores Wankel, realizando 2 versiones de varios rotores que se montaron experimental-mente en el coupé C 111: un trirrotor de 290 CV y un cuatrirrotor de 350 CV, ambos con alimentación por inyección. Las marcas japonesas, en particular la Toyo Kogyo, pusieron a la venta, hacia finales de los años sesenta, varios automóviles equipados con motores Wankel. A ellas se debe un profundo trabajo de perfeccionamiento y la solución de muchos problemas de construcción, en especial la realización de los elementos estancos y el desarrollo del motor rotativo para la propulsión de vehículos. Baste pensar que 1972 se fabricaron en Japón más de 140.000 unidades Wankel.

En 1974, la Citroen presentó, en producción limitada, una versión de la berlina GS dotada de un motor Wankel birrotor con una cilindrada unitaria de 497,5 ce, una relación de compresión de 9:1, una potencia de 105 CV DIN a 6.500 rpm y un par máximo de 14 m-kg a 3.000 rpm. Además, cabe citar el proyecto Rolls Royce referente al prototipo de un motor Wankel Diesel, denominado 2-R6, constituido por 2 unidades paralelas de dimensiones distintas, conectadas entre sí de manera que proporcionen una doble compresión y una doble expansión. Este esquema es indispensable para alcanzar las elevadas relaciones de compresión (aproximadamente 20:1) necesarias para el desarrollo del ciclo de autoencendido.

En su construcción, el motor Wankel es mucho más sencillo que un motor convencional de pistones, ya que está dotado de un número de componentes mucho menor. Está constituido por una o varias fracciones iguales y situadas una junto a otra, formada cada una de ellas por un estator con un perfil interior de forma epitrocoidal de 2 lóbulos y por un rotor de perfil triangular con sus paredes laterales curvilíneas. El rotor está perforado por su centro y el agujero resultante posee dos zonas destinadas a desarrollar funciones distintas; la zona principal es cilindrica, lisa y constituye el elemento exterior de un soporte (de rodillos o bien mediante cojinete de fricción) dentro del cual gira un gorrón excéntrico solidario al árbol motor; la otra está constituida por una corona dentada que engrana con un piñón solidario con la parte fija del motor. Este engranaje posee la misión de conservar la orientación exacta del pistón durante su movimiento; el número de dientes de ambas ruedas dentadas se halla exactamente en la relación existente entre el número de lóbulos del pistón y el de la cámara dentro de la que se mueve, en el caso del Wankel 3:2.

El gorrón excéntrico, alrededor del cual gira el rotor (y a través del cual el rotor transmite la potencia al árbol), representa el gorrón de manivela del cigüeñal. En efecto, el movimiento de revolución del rotor está definido por la rotación de su propio eje principal de simetría (que coincide con el eje del gorrón) en torno al eje del estator (es decir, al cigüeñal). Por tanto, en un motor Wankel, el efecto de excentricidad del movimiento planetario del rotor puede asimilarse al de una manivela, con un radio equivalente, en un motor de pistones tradicional.

El motor Wankel difiere también del motor de pistones por el tipo de distribución. Ésta, a grandes rasgos, puede identificarse con la de un motor de 2 tiempos, en la que el pistón, durante su movimiento, abre y cierra las lumbreras del cilindro. Sin embargo, debe hacerse una distinción fundamental si se considera que, mientras en un motor de 2 tiempos el pistón se comporta como una verdadera válvula de compuerta, en el motor Wankel las lumbreras (cuando están situadas en la periferia) siempre se hallan abiertas y el efecto de rotación del pistón es el que las pone sucesivamente en comunicación con las diferentes cámaras giratorias.

En general, la lumbrera de escape, de forma aproximadamente circular, se halla dispuesta en la periferia, es decir, en la superficie trocoidal, y está situada de manera que se halla en contacto con la cámara desde el final de la fase de expansión hasta el comienzo de la admisión.

Para las lumbreras de admisión, existen dos soluciones experimentales distintas: en un caso se tiene una lumbrera periférica similar a la de escape, y en el otro existen dos aberturas en correspondencia con las superficies laterales del motor.

Con este último método, el flanco del pistón tapa y destapa alternativamente las lumbreras durante su movimiento. Respecto a la primera solución, la duración de la fase de apertura es menor, pero dicha limitación queda ampliamente compensada por la mayor sección de paso determinada por la presencia de dos lumbreras (una en cada lado).

Los problemas relativos a la forma y disposición de las lumbreras de admisión todavía son objeto de estudios e investigaciones. En líneas generales, se considera que la solución mediante una sola lumbrera periférica es preferible para obtener el máximo llenado. Por el contrario, la solución mediante dos lumbreras laterales, a pesar del menor rendimiento volumétrico, permite obtener una mayor turbulencia, con la consiguiente mejora de la combustión, especialmente a regímenes bajos.

Este último aspecto es muy importante en los motores Wankel, caracterizados generalmente por una curva de par poco favorable con relación a la de los motores de pistones corrientes. Ello es consecuencia de la forma poco racional que adopta la cámara en el momento de la combustión. Algunas marcas, en especial las japonesas, han obtenido buenos resultados con la adopción de 2 bujías de encendido de funcionamiento independiente. Cada una de ellas va dotada de una instalación de distribución propia que regula el encendido y las fases en función del régimen de rotación, las condiciones de carga, etc.

Con relación a las lumbreras situadas en posición periférica, existe un aspecto que condiciona (aparte de la posición más conveniente en lo relativo a la duración de las fases) su disposición. En efecto, como la superficie del estator (y, en consecuencia, las lumbreras) es barrida por el vértice del rotor, en el período durante el cual la arista del pistón pasa frente a una abertura, esta última se convierte en una conexión entre dos cámaras contiguas. Por este motivo, es conveniente situar las lumbreras en una posición tal que la diferencia entre las presiones existentes a ambos lados de la arista del rotor sea suficientemente reducida para no provocar circulaciones excesivas entre una cámara y otra. Este problema afecta de forma especial a los alojamientos de las bujías de encendido, inconveniente que queda eliminado poniendo en comunicación la cámara de combustión y el espacio de la bujía por medio de una abertura de pequeñas dimensiones.

La forma de las cámaras de combustión de los motores Wankel es alargada e irregular. Ello presenta dificultades de propagación del frente de llama y de desarrollo completo de la combustión en correspondencia con los extremos. Respecto a la cámara de un motor de pistones, la superficie del frente de llama es mucho menor, mientras que son considerablemente superiores las distancias que la llama debe recorrer. Como consecuencia, se tiene una prolongación de la fase de combustión durante el período de expansión de los gases quemados, con una menor producción de trabajo y una mayor temperatura de los gases de escape. Además, el tiempo de que se dispone para la expansión de los gases en las cámaras de un motor Wankel es mayor que en un motor alternativo equivalente (con relación a la rotación correspondiente del cigüeñal).

Para facilitar la combustión, mejorando la turbulencia y obteniendo, por tanto, una mayor elasticidad de funcionamiento, se practican unos huecos en las caras del rotor de manera que quede concentrada una mayor cantidad de mezcla en las proximidades de la bujía y con el fin de que la cámara de combustión posea una forma más regular.

En definitiva, el perfeccionamiento del motor Wankel se halla encaminado a hacerlo competitivo, en términos prácticos y económicos, con los motores alternativos de pistones. Los problemas más graves son el desarrollo de la combustión, que condiciona el consumo de combustible, así como la eficiencia y duración de los elementos estancos.

La complejidad del problema de las juntas queda de manifiesto al examinar la forma de funcionamiento del rotor. Este debe mantener la estanquidad tanto en los planos laterales como en la superficie epitrocoidal del estator, es decir de una manera mucho más compleja que en un motor de pistones, dotados de movimiento rectilíneo alternativo. Es especialmente difícil la obtención de una retención perfecta en correspondencia con las aristas entre las paredes laterales y la superficie periférica del estator.

En los motores de pistones, las áreas de fugas son asimilables a coronas circulares, determinadas por los juegos entre el cilindro y la pared lateral del pistón, de manera que son suficientes unos elementos de cierre en forma de anillo elástico que actúan por expansión. En cambio, en los motores Wankel, al existir acoplamientos de sección poligonal, el dispositivo de retención debe estar compuesto por varios segmentos en correspondencia con los vértices del rotor.

El sistema lateral de retención es indispensable, además de para mantener la compresión, para evitar la salida del aceite que circula abundantemente por el interior del rotor para lubricar el acoplamiento pistón-excéntrica y garantizar la refrigeración del propio rotor. Está formado por una placa que se apoya sobre cada una de las caras planas del estator y por segmentos de cierre.

La presencia de un número tan grande de elementos hace particularmente difícil la obtención de un buen nivel de retención, teniendo en cuenta las altas temperaturas de funcionamiento y, por tanto, las dilataciones térmicas En cualquier caso, la longitud de la línea de posible fuga de gases que debe protegerse posee, en los motores Wankel, un desarrollo mucho mayor que en los motores tradicionales. Dicha situación empeora por el hecho de que todos estos elementos, especialmente las aristas, se hallan sometidos a un notable desgaste. Respecto a la resistencia y duración de la unión entre los vértices y el estator, se han obtenido buenos resultados con la utilización de tecnologías especiales. Para la realización de los segmentos de retención correspondientes se emplean aleaciones al carbono dotadas de una dureza y una resistencia al desgaste notables. Además, también la superficie interior del estator se somete a diversos tratamientos, entre ellos el denominado elnisil, consistente en la electrodeposición de una delgada capa de níquel y de silicio. Ninguno de esos sistemas elimina la necesidad de cierta lubricación de la unión deslizante entre el rotor y el estator, obtenida con la introducción de una pequeña cantidad de aceite en las cámaras y, por tanto, con un consumo de lubricante del orden del que se tendría en un motor de 2 tiempos de tipo convencional.

Un motor de tipo Wankel produce una variación de volumen, igual a la cilindrada, cada vez que el rotor gira 90°, es decir 4 veces durante cada vuelta, lo cual permite obtener un ciclo de 4 tiempos.

El volumen de las cámaras varía progresivamente según una función sinusoidal, y la relación de compresión que puede obtenerse en las mismas depende del perfil del estator y de la forma del pistón rotativo. El volumen generado en cada cámara viene dado por el producto del coeficiente numérico (que, en el caso de los motores Wankel, es de 3,3), por la distancia entre cada uno de los vértices geométricos del rotor y el centro de simetría (R), y por la profundidad axil del estator.

El parámetro geométrico más significativo de los motores Wankel es el cociente entre la excentricidad e y el radio R. Dicho cociente posee la misma importancia que la relación carrera/diámetro de los motores de pistones tradicionales.

Una de las ventajas fundamentales de los motores rotativos, además de sus dimensiones compactas, está representada por la ausencia de vibraciones. De forma especial, los motores Wankel KKM, de rotación planetaria, se caracterizan por la ausencia de fuerzas de inercia alternativas, ya que el movimiento del pistón rotativo es tal que su eje de simetría (en la práctica, su baricentro) gira en torno al eje del estator. Sobre esta masa excéntrica resulta aplicada una fuerza de inercia centrífuga y su equilibrado puede efectuarse de la misma manera en que se realizan los equilibrados estático y dinámico del cigüeñal de un motor alternativo de pistones o de cualquier otro eje giratorio. Si se trata de un monorrotor, el equilibrado perfecto se obtiene mediante dos masas excéntricas, solidarias al eje, que dan lugar a una fuerza centrífuga resultante simétrica respecto a la producida por el rotor excéntrico. En cambio, si se trata de un birrotor, con los 2 motores desfasados 180°, la adición de las masas de equilibrado deberá realizarse de manera que también quede equilibrado el par inducido por las masas dinámicamente desequilibradas, Para los motores Wankel de 3 rotores, es preciso proceder al equilibrado particular de cada rotor o a soluciones de equilibrado especiales. Para los motores de 4 rotores pueden adoptarse varias soluciones, según la posición relativa de los rotores y el desfase entre los 4 gorrones excéntricos. En general, se prefiere el sistema de acoplar 2 motores Wankel birrotores, pero esta solución implica un desfase de 90°, dos a dos, de las secciones tro-coidales de cada uno de los estatores del motor. En cambio, si se procede al equilibrado dinámico de las fuerzas centrífugas mediante un par de contrapesos situados en los extremos del eje, pueden llevarse a cabo otras soluciones de construcción que garantizan una distribución de los ciclos de funcionamiento equitativa y homogénea.

El empuje motor, obtenido durante la fase de expansión del fluido activo en las cámaras, se transmite a través del gorrón excéntrico al eje, el cual da tres vueltas mientras el pistón rotativo da una. Al ser 3 las cámaras de cada sección del motor Wankel, las fases de expansión se suceden a razón de una por cada vuelta del eje, de manera que, desde el punto de vista operativo, el motor Wankel monorrotor puede asimilarse a un motor bicilíndrico que funciona a 4 tiempos o bien a uno monocilíndrico que funciona a 2 tiempos. Los motores rotativos Wankel poseen como promedio un tamaño de aproximadamente la mitad de la de un motor alternativo de pistones equivalente y un peso por unidad de potencia (de 0,7-1,12 kg/CV) muy poco inferior al de este último. Su consumo específico de combustible es, aproximadamente, un 14 % mayor, mientras que su comportamiento en relación con las emisiones contaminantes puede ser mejor. El motor Wankel no produce óxidos de nitrógeno y, con una poscombustión adecuada (en un reactor térmico situado inmediatamente detrás del colector de escape), pueden reducirse mucho los contenidos de monóxido de carbono e hidrocarburos sin quemar.

El coste de fabricación de los motores Wankel es ligeramente superior al de un motor alternativo tradicional equivalente y lo mismo sucede con el coste unitario (coste por unidad de potencia). Su índice de elasticidad de funcionamiento es inferior.

Los motores Wankel se caracterizan por el hecho de que si la distribución de la mezcla carburada se realiza a través de lumbreras laterales, sus prestaciones se aproximan más fácilmente a las que pueden obtenerse con los motores tradicionales, mientras que si se pasa a la alimentación periférica, pueden lograrse considerables potencias específicas a regímenes elevados y rendimientos volumétricos muy altos.