Motores rotativos Wankel

Felix Wankel Felix Wankel fue un reconocido ingeniero mecánico alemán nació en 1902 en el sureste de Alemania en el estado de Baden-Wurtemberg . El es principalmente reconocido por haber inventado el motor Wankel, o motor rotativo. Este fue un gran invento en el área de la mecánica ya que este motor es más potente que los convencionales de pistones y utiliza menos piezas, lo que significa a su vez que es más liviano. Felix Wankel fue un ingeniero mecánico nato ya que el no recibió nunca una educación superior. El fue un completo autodidacta y nunca supo mayor cosa de matemáticas. Wankel siempre se mostró interesado por los medios de propulsión para vehículos, y estudió por su propia cuenta los motores y la mecánica de los mismos. En el año 1927 Wankel comenzó a desarrollar su nuevo tipo de motor. Principalmente pensó en crear un motor que fuese más veloz, más liviano y que utilizara menos piezas que los convencionales motores de pistones. En 1929, Wankel recibió su patente por los planos del motor rotativo. Los planos de Wankel mostraban una cámara casi cilíndrica y un rotor triangular con bordes redondeados. El corte transversal de la cámara es en realidad una elipse o círculo alargado en lugar de un círculo perfecto. La cámara tiene dos aperturas en uno de los lados largos de la elipse. Uno permite que el combustible fluya hasta la cámara y el otro permite que los gases de escape salgan. La sencillez de su diseño lo hace más ligero y potente que un tradicional motor cíclico Otto o de pistones. Wankel trabajó para la marina alemana en el tiempo de la segunda guerra mundial y diseñó válvulas y puertas de submarinos militares alemanes. Esto afectó el desarrollo de sus trabajos con su motor rotativo y fue hasta en el año 1956 cuando Wankel estaba trabajando para NSU Motorenwerke AG, que pudo realizar un modelo funcional de su motor rotativo.en 1957, Wankel funda su propia compañía, Wankel Gmbh para obtener ya una patente oficial de su motor funcional. En 1958 la compañía de automóviles Mazda compra la licencia para utilizar estos motores. En la actualidad esta es la única fábrica que continúa utilizándolos en su línea deportiva RX. Muchas otras compañías como Peugeot, Citroen, General Motors y Mercedes Benz trataron de utilizar el motor pero no lo continuaron utilizando debido a su poco éxito.Actualmente, Wankel Gmbh sigue fabricando motores rotativos para aviones, y automóviles. Felix Wankel murió en 1988, sin haber nunca obtenido un permiso para conducir.

Felix Wankel

Historia de los motores rotativosEn Gran Bretaña, Norton Motorcycles desarrolló un motor Wankel para motocicletas, que fue incluido en la Norton Commander; Suzuki también fabricó una moto con motor Wankel, la RE-5. DKW Hercules puso en venta una motocicleta con motor Sachs refrigerado por aire y mezcla; John Deere Inc, en EEUU, invirtió un gran esfuerzo en la investigación de motores rotativos y diseñó una versión que era capaz de usar varios tipos de combustible sin tener que cambiar el motor. El diseño fue propuesto como sistema motriz para varios vehículos de combate de la Marina estadounidense en los últimos años de la década de 1980. Ingersoll-Rand tuvo en venta un motor para usos industriales que quemaba gas y tenía una cilindrada de 41 litros y un sólo rotor. Curtiss-Wright ha fabricado diversos prototipos de motor para aviación general, en donde tendría la ventaja del menor peso y mejor conducta frente a las averías. Rolls-Royce desarrolló un motor de encendido por compresión (Diesel), con etapas de compresión y combustión independientes. Graupner vendió un mini-motor para aeromodelos. La japonesa Yanmar Diesel fabricó varios motores pequeños, incluso una motosierra Wankel.Tras un uso ocasional en automóviles, por ejemplo NSU con sus modelos Spider y Ro 80 o Citroën con el M 35 y GS Birrotor, e intentos fracasados llevados a cabo por General Motors que anunció haber resuelto el problema del consumo pero no poder con el de las emisiones en los gases de escape, o Mercedes-Benz (véase el prototipo Mercedes Benz C-111), la compañía japonesa Mazda ha sido la que ha hecho un mayor uso de motores Wankel en automóviles.Después de muchos años de desarrollo, Mazda lanzó sus primeros coches con motores Wankel en los primeros años 1970. Aunque la mayoría de los clientes adoraban estos coches, especialmente por su suavidad, tuvieron la mala suerte de ser puestos a la venta en una época de grandes esfuerzos para reducir las emisiones y aumentar el ahorro de combustible. Mazda abandonó el Wankel casi totalmente en el diseño de sus coches generalistas, pero continuó usando una versión biturbo de dos rotores en su mítico deportivo RX-7 hasta el final de su producción en Agosto de 2002. En 2003, la marca japonesa, relanzó el motor wankel con el RX-8 que contaba con una nueva versión atmosférica birrotor, teóricamente más fiable y con menores consumos tanto de combustible como de lubricante.En el mundo de las carreras, Mazda ha tenido un éxito sustancial con sus coches de dos y cuatro rotores, y corredores privados han cosechado también un considerable éxito con coches Mazda propulsados por motores Wankel, tanto originales como modificados. En 1991 el motor wankel llegó a uno de los mejores momentos en competición, al conseguir Mazda la victoria en las 24 horas de Le Mans con su prototipo 787B que montaba un motor de cuatro rotores y 2622 cc de cilindrada.

(Vista interior de un motor rotativo)

Funcionamiento Un motor rotativo o Wankel, en honor a su creador el Dr. Felix Wankel, es un motor de combustión interna que funciona de una manera completamente diferente de los motores alternativos. En un motor alternativo;en el mismo volumen (cilindro) se efectúan sucesivamente 4 diferentes trabajos - admisión, compresión, combustión y escape. En un motor Wankel se desarrollan los mismos 4 tiempos pero en lugares distintos de la carcasa o bloque; es decir, viene a ser como tener un cilindro dedicado a cada uno de los tiempos, con el pistón moviéndose continuamente de uno a otro. Más concretamente, el cilindro es una cavidad con forma de 8, dentro de la cual se encuentra un pistón triangular que realiza un giro de centro variable. Este pistón comunica su movimiento rotatorio a un cigüeñal que se encuentra en su interior, y que gira ya con un centro único. Al igual que un motor de pistones, el rotativo emplea la presión creada por la combustión de la mezcla aire-combustible. La diferencia radica en que esta presión está contenida en la cámara formada por una parte del recinto y sellada por uno de los lados del rotor triangular, que en este tipo de motores reemplaza a los pistones.El rotor sigue un recorrido en el que mantiene sus 3 vértices en contacto con el alojamiento, delimitando así tres compartimentos separados de mezcla. A medida que el rotor gira dentro de la cámara, cada uno de los 3 volúmenes se expanden y contraen alternativamente; es esta expansión-contracción la que succiona el aire y el combustible hacia el motor, comprime la mezcla, extrae su energía expansiva y la expele hacia el escape.

Utiliza un rotor triangular-lobular dentro de una cámara ovalada, en lugar de un pistón y un cilindro. La mezcla de combustible y aire es absorbida a través de un orificio de aspiración y queda atrapada entre una de las caras del rotor y la pared de la cámara. La rotación del rotor comprime la mezcla, que se enciende con una bujía. Los gases se expulsan a través de un orificio de expulsión con el movimiento del rotor. El ciclo tiene lugar una vez en cada una de las caras del rotor, produciendo tres fases de potencia en cada giro.

Este motor posee una forma especial de la cámara de combustión del pistón que permite un mejor aprovechamiento de la potencia obtenida

En un motor tradicional, el pistón sube y baja verticalmente y un eje unido a ése encarga de transformar dicho movimiento en otro vertical que se transmite al cigüeñal. Este movimiento vertical del pistón tiene inconvenientes. El primero consiste en que los bruscos cambios de dirección, de abajo hacia arriba y viceversa fatigan el metal y provocan una rotura anticipada. Otro problema es que la transferencia de energía es ineficiente y parte se pierde en mover el pistón verticalmente sin invertirse en girar el cigüeñal.

El motor Wankel fue diseñado para que la fuerza de la explosión se empleara íntegramente en mover el cigüeñal y para que utilizara menos partes móviles. Consta de una cavidad curva que es la cámara de combustión, dentro de ella se halla el pistón, que tiene forma de triángulo con los bordes cóncavos. La parte interior de dicho pistón tiene una circunferencia dentada que va unida a un engranaje del cigüeñal. Al ir girando el pistón en la cavidad, toma el combustible en un punto y lo comprime hasta llegar a un segundo punto en el que se produce la explosión siguiendo con el giro, llega al área de expulsión de gases al exterior, ya a continuación vuelve a admitir combustible. Se puede Considerar por tanto como un motor de explosión de cuatro tiempos. Dado que el pistón tiene forma triangular, puede entenderse como si fueran tres pistones separados, cada uno en una fase cada vez.

La energía se emplea en mover circularmente el pistón y los cambios bruscos de movimiento se reducen en gran medida.

Con este motor se ha llegado, incluso, a doblar la Potencia de un motor normal, pero problemas de diseño y de desgaste, en especial de las esquinas del pistón que rozaban con la pared de la cámara han impedido su difusión a gran escala.

El motor de Wankel es compacto y ligero en comparación con los motores de pistones, por lo que ganó importancia durante la crisis del petróleo en las décadas de 1970 y 1980. Además, funciona casi sin vibraciones y su sencillez mecánica permite una fabricación barata. No requiere mucha refrigeración, y su centro de gravedad bajo aumenta la seguridad en la conducción. No obstante salvo algunos ejemplos prácticos como algunos vehículos Mazda, ha tenido problemas de durabilidad.

(Vista de el diseño principal de un motor rotativo)

Las partes de un motor rotativo Un motor rotativo tiene un sistema de encendido y un sistema de entrega de

combustible, que son similares a los utilizados motores de pistón. A continuación se describirán las partes básicas de estos motores:

Rotor El rotor tiene tres caras convexas, cada una de las cuales actúa como un pistón. Cada cara del rotor tiene un bolsillo en el mismo, lo que aumenta el desplazamiento del motor, lo que permite más espacio para la mezcla aire / combustible. El vértice de cada cara es una hoja de metal que forma un sello en el exterior de la cámara de combustión. También hay anillos de metal a cada lado del rotor, estos anillos son el sello a los lados de la cámara de combustión. El rotor tiene un conjunto de dientes de engranaje interno cortado en el centro de un lado. Estos dientes se utilizan para unir el rotor con la vivienda. El modo en que se une el rotor con la vivienda determina la ruta y la dirección del movimiento del rotor.

Rotor(en el agujero que se ve es donde se ensambla el eje de salida)

Vivienda La vivienda es aproximadamente de forma ovalada. La forma de la cámara de combustión está diseñada para que las tres puntas del rotor siempre se mantengan en contacto con la pared de la cámara, formando tres volúmenes cerrados de gas. Cada parte de la vivienda está dedicada a una parte del proceso de combustión. Las cuatro secciones son:

Consumo Compresión Combustión Escape

Los puertos de admisión y escape están situados en la vivienda. No hay válvulas en estos puertos. El puerto se conecta directamente al escape de los gases de escape, y la lumbrera de admisión se conecta directamente al acelerador.

Vivienda(Adentro de esta se encuentran el rotor y el eje de salida.)

Eje de salidaEl eje de salida tiene lóbulos redondeados, montados excéntricamente, es decir, que se

compensan de la línea central del eje. Cada rotor encaja en uno de estos lóbulos. El lóbulo actúa como el cigüeñal en un motor de pistón. Mientras que el rotor sigue su camino alrededor de la vivienda, que empuja en los lóbulos. Dado que los lóbulos son montados excéntricamente al eje de salida, la fuerza que el rotor se aplica a los lóbulos crea par en el eje, provocando su giro.

Eje de salida(Transmite la potencia a la caja de velocidades.)

Diferencias entre un motor rotativo Wankel a un motor normal de pistones de cuatro tiempos

Menos partes móviles El motor rotativo tiene muchas menos piezas móviles que un motor de pistones a cuatro

tiempos. Un motor rotativo de dos rotores tiene tres partes principales en movimiento: los dos rotores y el eje de salida. Incluso el más simple de cuatro motores de pistón de cilindro tiene al menos 40 piezas móviles, incluidos los pistones, bielas, árbol de levas, válvulas, resortes de válvula, rockeros, correa de distribución, engranajes de distribución y el cigüeñal. Esta reducción de partes móviles se puede traducir en una mayor fiabilidad de un motor rotativo. Por esta razón algunos fabricantes de aeronaves prefieren los motores rotativos de motores de pistón.

Suave Todas las partes en un motor rotativo giran continuamente en una dirección, en lugar de cambiar de dirección violentamente, como los pistones de un motor convencional. Los motores rotativos son internamente equilibrados con contrapesos giratorios situados estratégicamente para reducir las vibraciones.

La entrega de potencia en un motor rotativo es más suave. Debido a que cada evento tiene una duración de combustión a través de 90 grados de rotación del rotor y el eje de salida gira tres revoluciones por cada revolución del rotor, cada evento tiene una duración de combustión a través de 270 grados de rotación del eje de salida. Esto significa que un solo motor de rotor proporciona una potencia de tres cuartas partes de cada revolución del eje de salida. Compare esto con un solo motor de pistón del cilindro, en la que se produce durante la combustión de 180 grados de cada dos revoluciones, o sólo una cuarta parte de cada revolución del cigüeñal (el eje de salida de un motor de pistón). Fiabilidad

Dado que los rotores giran a un tercio de la velocidad del eje de salida, las principales piezas móviles del motor se mueven más lento que las partes en un motor de pistón. Esto también ayuda con la fiabilidad.

Ventajas Menos piezas móviles: el motor Wankel tiene menos piezas móviles que un motor

convencional, tan solo 4 piezas; bloque, rotor (que a su vez está formado por segmentos y regletas), árbol motriz y sistema de refrigeracion/engrase (similar a los que montan los motores de pistón). Esto redunda en una mayor fiabilidad.

Suavidad de marcha: todos los componentes de un motor rotativo giran en el mismo sentido, en lugar de sufrir las constantes variaciones de sentido a las que está sometido un pistón. Están equilibrados internamente con contrapesos giratorios para suprimir cualquier vibración. Incluso la entrega de potencia se desarrolla en forma más progresiva, dado que cada etapa de combustión dura 90° de giro del rotor y a su vez como cada vuelta del rotor representa 3 vueltas del eje, cada combustión dura 270° de giro del eje, es decir, 3/4 de cada vuelta; compárenlo con un motor monocilíndrico, donde cada combustión transcurre durante 180° de cada 2 revoluciones, o sea 1/4 de cada vuelta del cigüeñal. Se produce una combustión cada 120º del rotor y 360º del eje.

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.

Menores vibraciones: dado que las inercias internas del motor son muy pequeñas (no hay bielas, ni volante de inercia, ni recorrido de pistones), solo se producen pequeñas vibraciones en la excéntrica.

Menor peso: debido al menor número de piezas que forman el motor en comparación con los de pistones y dado que generalmente se construyen motores de dos o tres rotores de 600cc o 700cc cada uno, ayuda a conseguir un menor peso final del mismo.

Desventajas Emisiones: es más complicado (aunque no imposible) ajustarse a las normas de emisiones

contaminantes. Costos de mantenimiento: al no estar tan difundido, su mantenimiento resulta costoso. Consumo: la eficiencia termodinámica (relación consumo-potencia) se ve reducida por la

forma alargada de las cámaras de combustión y la baja relación de compresión. Difícil estanqueidad: resulta muy difícil aislar cada una de las 3 secciones del cilindro en

rotación, que deben ser impermeables unas de otras para un buen funcionamiento. Además se hace necesario cambiar el sistema de estanqueidad cada 6 años aproximadamente, por su fuerte desgaste.

Sincronización: la sincronización de los distintos componentes del motor 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 no ocurre, la ignición empujará en sentido contrario al deseado, pudiendo dañar el motor.

Conclusiones Los motores Wankel se deben de utilizar en automóviles deportivos o cualquier otra

maquinaria que necesite ser rápida ya que no son motores de rendimiento eficiente, ni de mantenimiento barato.

El motor Wankel presenta muchas ventajas sobre los diseños tradicionales de no ser por su alto consumo de combustible.

Felix Wankel fue un gran inventor que logró diseñar algo distinto que tuviera el mismo propósito, sin tener estudios avanzados.

Los motores rotativos son más baratos de fabricar ya que llevan menos piezas pero pocos han tenido éxito con la utilización del motor en modelos comerciales debido a problemas de aceptación en el mercado.

Bibliografía Nice, K. (2007). Rotative engine. How Stuff works? Web Site:

http://auto.howstuffworks.com/rotary-engine5.htm (visitado el 01/11/2009) Infante, C. (2004). Motores de combustión interna. Publicación. Felix Wankel." Microsoft® Encarta® 2007 [DVD]. Microsoft Corporation, 2006.

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