ndice 1. Motor rotativo o Wankel 2. Descripcin 3. Componentes 3.1. Ensamblado 4. Funcionamiento 5. Ventajas e inconvenientes 5.1. Ventajas 5.2. Inconvenientes 6. Historia 7. Dificultades tcnicas 8. Materiales 9. Combustible 10. Bibliografa

Motor rotativo o Wankel

El motor rotativo fue uno de los primeros tipos de motores de combustin interna en el cual el cigeal permanece fijo y gira el motor entero a su alrededor. El diseo fue muy usado en los aos anteriores a la Primera Guerra Mundial y durante sta para propulsar aviones, y tambin en algunos de los primeros autos y motocicletas. A principios de los aos 20 del siglo XX el motor rotativo comenz a volverse obsoleto, principalmente debido a su bajo torque de salida, consecuencia de la forma en que trabaja el motor. Tambin estaba limitado por su restriccin inherente dada por la forma de

aspirar la mezcla de aire/combustible a travs del cigeal y crter hueco, que afectan directamente a su rendimiento volumtrico. Sin embargo, en su tiempo fue una solucin muy eficiente para los problemas de potencia, peso y confiabilidad. El motor Wankel es un tipo de motor de combustin interna, inventado por Felix Wankel, que utiliza rotores en vez de los pistones de los motores alternativos. Wankel concibi su motor rotativo en 1924 y recibi su patente en 1929. Durante los aos 1940 se dedic a mejorar el diseo. Se hizo un considerable esfuerzo en el desarrollo de motores rotativos en los 1950 y los 1960. Eran particularmente interesantes por funcionar de un modo suave, silencioso y fiable, gracias a la simplicidad de su diseo.

Descripcin Un motor rotativo es en esencia un motor de ciclo Otto, pero en lugar de tener un bloque de cilindros con un cigeal rotatorio como en el motor radial, ste permanece fijo y es el bloque de cilindros entero el que gira a su alrededor. En la mayora de los casos, el cigeal est slidamente fijado a la estructura del avin, y la hlice se encuentra atornillada al frente del crter. La rotacin de la mayor parte de la masa del motor produce un poderoso volante con efecto giroscpico, que suavizan la entrega de potencia y reduce las vibraciones. Las vibraciones eran un serio problema en los motores de pistn convencionales, que obligaban a aadir pesadas hlices. Debido a que los cilindros funcionaban en s mismos como un volante, los motores rotatorios tienen una relacin peso-potencia ms ventajosa que los motores convencionales. Otra ventaja es una refrigeracin mejorada, dado que el bloque de cilindros al girar producen su propio flujo de aire, incluso cuando el avin se encuentra en tierra detenido. La mayora de los motores rotatorios tienen los cilindros en dispuestos alrededor del eje central, hacia afuera, como en el motor radial, pero hay tambin motores boxer2 rotatorios, e incluso monocilndricos. Al igual que los motores radiales, los rotatorios se construyen con un nmero de cilindros impar (usualmente 7 o 9), para obtener un orden de encendido coherente,

proporcionando un funcionamiento suave. Motores rotatorios con cilindros en nmero par, son comnmente del tipo en "doble estrella".

Componentes Los motores rotativos tienen los sistemas de ignicin y de suministro de combustible similares a un motor convencional.

Rotor El rotor tiene 3 caras convexas, cada una de las cuales actan como un pistn, conteniendo una excavacin con la cual se aumenta el volumen del motor.

En los vrtices se halla un tira metlica que acta de sello de la parte externa de la cmara de combustin (apex seal). Tambin existen unos aros metlicos a cada lado del rotor que sellan los flancos de la cmara de combustin (face seals). El rotor tiene un dentado interno que acopla con un engranaje fijo al cuerpo del motor. Este engrane determina el recorrido y direccin del rotor. Block El alojamiento interno tiene una forma oval o de epitrocoide (trayectoria que describe un punto de una rueda que recorre un camino circular). La forma de la cmara de combustin est diseada de manera que los 3 vrtices del rotor tengan un contacto permanente con las paredes de la cmara, formando 3 volmenes de mezcla. Cada parte de este recinto est dedicado a uno de los tiempos del ciclo: Admisin Compresin Combustin Escape Las lumbreras de aspiracin (intake port) y de escape (exhaust port) estn ubicadas en el cuerpo del motor y carecen de vlvulas, conectando directamente con la admisin y el escape respectivamente.

Eje de salida El eje de salida tiene unos lbulos excntricos que ajustan con cada rotor, actuando como un cigeal. Al seguir los rotores sus recorridos dentro de los alojamientos, empujan los lbulos, que al ser stos excntricos, crean un momento o torque en el eje, hacindolo

girar.

Ensamblado El armado del motor rotativo se hace por capas. El motor birotrico del ejemplo tiene 5, sostenidas por un anillo de largos bulones. La refrigeracin fluye a travs de conductos alrededor de todas las piezas. Las capas externas contienen los sellos y cojinetes del eje de salida. Tambin sellan las 2 secciones de los recintos que contienen a los rotores. La superficie interna es lisas para ayudar a los sellos. Una lumbrera de admisin (intake port) se ubica en cada una de estas piezas terminales.

La capa interna siguiente es la del rotor con su recinto oval, que contiene sus lumbreras de escape (exhaust port).

La pieza central contiene 2 lumbreras de admisin, una para cada rotor. Sus superficies externas tambin son lisas, por ser la separacin de los 2 rotores. (alignment bushing=buje de alineado)

En el centro de cada rotor se halla un enorme dentado interno que se monta en un pequeo engranaje fijo al cuerpo del motor, determinando la rbita. El rotor tambin acopla con los lbulos del eje de salida. Funcionamiento

Un motor rotativo o Wankel, en honor a su creador el Dr. Felix Wankel, es un motor de combustin interna que funciona de una manera completamente diferente de los motores alternativos. En un motor alternativo; en el mismo volumen (mililitros) se efectan sucesivamente 4 diferentes trabajos admisin, compresin, combustin y escape. En un motor Wankel se desarrollan los mismos 4 tiempos pero en lugares distintos de la carcasa o bloque; con el pistn movindose continuamente de uno a otro. Ms concretamente, el cilindro es una cavidad con forma de 8, dentro de la cual se encuentra un rotor triangular que realiza un giro de centro variable. Este pistn comunica su movimiento rotatorio a un cigeal que se encuentra en su interior, y que gira ya con un centro nico. Al igual que un motor de pistones, el rotativo emplea la presin creada por la combustin de la mezcla aire-combustible. La diferencia radica en que esta presin est contenida en la cmara 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 vrtices en contacto con el "freno", delimitando as tres compartimentos separados de mezcla. A medida que el rotor gira

dentro de la cmara, cada uno de los 3 volmenes se expanden y contraen alternativamente; es esta expansin-contraccin la que succiona el aire y el combustible hacia el motor, comprime la mezcla, extrae su energa expansiva y la expele hacia el escape.

Admisin El tiempo de admisin comienza cuando el vrtice del rotor pasa por la lumbrera de aspiracin. En el momento que la cmara est expuesta a sta, el volumen es el mnimo. El movimiento del rotor hace que ese volumen se agrande, succionando la mezcla. Cuando el vrtice del rotor deja atrs la lumbrera, la cmara se sella y comienza la etapa de compresin. Compresin El movimiento del rotor prosigue, reducindose el volumen de la cmara y por ende comprimiendo la mezcla. Cuando la cara del rotor llega a las bujas, el volumen de la cmara es mnimo de nuevo para comenzar la combustin. Combustin Como las cmaras de combustin de los motores rotativos es alargada, la mayora de los motores rotativos poseen 2 bujas, a fin de mejorar la ignicin. Cuando la mezcla se enciendo, la presin aumenta rpidamente, forzando al rotor a moverse en el sentido del aumento de volumen de la cmara. Escape Una vez que el vrtice del rotor pasa por la lumbrera de escape, la alta presin de los gases de combustin se libera hacia la atmsfera. Como el rotor prosigue su movimiento, la cmara comienza a contraerse, forzando al remanente a salir por el escape. Al alcanzar el volumen de la cmara su mnimo, el vrtice habilita la lumbrera de admisin y el ciclo vuelve a comenzar.

Un detalle notable de este tipo de motores es que cada uno de los lados del rotor desarrolla una parte del ciclo, y como con cada vuelta del rotor se generan 3 giros completos del eje, resulta que con cada revolucin del eje tenemos una combustin.

Ventajas e inconvenientes Ventajas Menos piezas mviles: el motor Wankel tiene menos piezas mviles que un motor convencional, tan solo 4 piezas; bloque, rotor (que a su vez est formado por segmentos y regletas), rbol motriz y sistema de refrigeracin/engrase (similar a los que montan los motores de pistn). Esto redunda en una mayor fiabilidad. Suavidad de marcha: todos los componentes de un motor rotativo giran en el mismo sentido (apuntando al sol), en lugar de sufrir las constantes variaciones de sentido a las que est sometido un pistn. Estn equilibrados internamente con contrapesos giratorios para suprimir cualquier vibracin. Incluso la entrega de potencia se desarrolla en forma ms progresiva, dado que cada etapa de combustin dura 90 de giro del rotor y a su vez como cada vuelta del rotor representa 3 vueltas del eje, cada combustin dura 270 de giro del eje, es decir, 3/4 de cada vuelta; comprenlo con un motor monocilndrico, donde cada combustin transcurre durante 180 de cada 2 revoluciones, o sea 1/4 de cada vuelta del cigeal. Se produce una combustin cada 120 del rotor y 360 del eje. Menor velocidad de rotacin: dado que los rotores giran a 1/3 de la velocidad del eje y al tocar el freno, las piezas principales del motor se mueven ms lentamente que las de un motor convencional, aumentando la fiabilidad. Menores vibraciones: dado que las inercias internas del motor son muy pequeas (no hay bielas, ni volante de inercia, ni recorrido de pistones, ni movimiento), solo se producen pequeas vibraciones en la excntrica. Menor peso: debido al menor nmero de piezas que forman el motor en comparacin con los de pistones y dado que generalmente se construyen motores de dos o tres rotores de 600 cc o 700 cc cada uno, ayuda a conseguir un menor peso final del mismo. Inconvenientes Emisiones: es ms complicado (aunque no imposible) ajustarse a las normas de emisiones contaminantes, ya que trabaja igual que un motor de 2 tiempos, consumiendo aire, combustible y aceite. Costos de mantenimiento: al no estar tan difundido, su mantenimiento resulta costoso. Consumo: la eficiencia termodinmica (relacin consumo-potencia) se ve reducida por la forma alargada de las cmaras de combustin y la baja relacin de compresin.

Difcil estanqueidad: resulta muy difcil aislar cada una de las 3 secciones del rotor, que deben ser estancas unas de otras para un buen funcionamiento. Adems se hace necesario cambiar el sistema de estanqueidad cada 6 aos aproximadamente, por su fuerte desgaste. Sincronizacin: la sincronizacin de los distintos componentes del motor debe ser muy buena para evitar que la explosin de la mezcla se inicie antes de que el pistn rotativo se encuentre en la posicin adecuada. Si esto no ocurre, la ignicin empujar en sentido contrario al deseado, pudiendo daar el motor. Mantenimiento: Las pastillas de freno deben ser reemplazadas regularmente debido al constante rozamiento de los vrtices del rotor con el freno.

Historia

En Gran Bretaa, Norton Motorcycles desarroll un motor Wankel para motocicletas, que fue incluido en la Norton Commander; Suzuki tambin fabric 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, invirti un gran esfuerzo en la investigacin de motores rotativos y dise una versin que era capaz de usar varios tipos de combustible sin tener que cambiar el motor. El diseo fue propuesto como sistema motriz para varios vehculos de combate de la Marina estadounidense en los ltimos aos de la dcada de 1980. Ingersoll-Rand tuvo en venta un motor para usos industriales que quemaba gas y tena una cilindrada de 41 litros y un slo rotor. Curtiss-Wright ha fabricado diversos prototipos de motor para aviacin general, en donde tendra la ventaja del menor peso y mejor conducta frente a las averas. Rolls-Royce desarroll un motor de encendido por compresin (Disel), con etapas de compresin y combustin independientes. Graupner vendi un mini-motor para aeromodelos. La japonesa Yanmar Disel fabric varios motores pequeos, incluso una motosierra Wankel. Tras un uso ocasional en automviles, por ejemplo NSU con sus modelos Spider y Ro 80 2 o Citron con el M 35 y GS Birrotor, e intentos fracasados llevados a cabo por General Motors que anunci haber resuelto el problema del consumo pero no poder con el de las emisiones en los gases de escape, o Mercedes-Benz (vase el prototipo Mercedes-Benz C111), la compaa japonesa Mazda ha sido la que ha hecho un mayor uso de motores Wankel en automviles. Despus de muchos aos de desarrollo, Mazda lanz sus primeros coches con motores Wankel en los primeros aos 1970. Aunque la mayora de los clientes adoraban estos coches, especialmente por su suavidad, tuvieron la mala suerte de ser puestos a la venta en una poca de grandes esfuerzos para reducir las emisiones y aumentar el ahorro de

combustible. Mazda abandon el Wankel casi totalmente en el diseo de sus coches generalistas, pero continu usando una versin biturbo de dos rotores en su mtico deportivo RX-7 hasta el final de su produccin en agosto de 2002. En 2003, la marca japonesa, relanz el motor Wankel con el RX-8 que contaba con una nueva versin atmosfrica birrotor, tericamente ms fiable y con menores consumos tanto de combustible como de lubricante. En el mundo de las carreras, Mazda ha tenido un xito sustancial con sus coches de dos y cuatro rotores, y corredores privados han cosechado tambin un considerable xito con coches Mazda propulsados por motores Wankel, tanto originales como modificados. En 1991 el motor Wankel lleg a uno de los mejores momentos en competicin, 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, con lumbrera de admisin perifrica y conductos de admisin de geometra variable. Este automvil fue el que menos consumo de combustible tuvo en la carrera de ese ao. Dificultades tcnicas Curtiss-Wright demostr que el factor que controla las emisiones de hidrocarburos no quemados (HC) era la temperatura de la superficie del rotor, a mayor temperatura, menos produccin de HC, y demostr tambin que se poda ensanchar el rotor. Otros fabricantes proponen que la causa fundamental de la emisin de contaminantes a altas rpm es el laminado dentro de la cmara de combustin, y a bajas velocidades, las fugas de estanqueidad. El motor Wankel por sus propias caractersticas produce poca contaminacin por NO; uno de los procedimientos clsicos de reduccin de emisiones de NO ha sido la recirculacin de los gases de escape, que en el motor Wankel era un rasgo intrnseco. Yanmar Disel ha publicado informacin referente a las caractersticas propias de diversas formas y posiciones del hueco de combustin en la superficie del rotor, (cosa que puede verse tambin en el libro de Kenichi Yamamoto "Rotary engine"); en sus motores de pequeo desplazamiento y refrigeracin del rotor por mezcla aire/combustible, YD comprobaron que la colocacin de una vlvula de lengetas (reed-valve) cerca de la lumbrera de admisin mejoraba las actuaciones bajo carga parcial y a bajas rpm.. Inicialmente, los motores Wankel tenan las lumbreras de admisin y escape en las caras laterales del rotor, lo que produjo algn problema de depsitos de carbonilla y distorsiones trmicas, que slo lleg a resolverse en el motor Renesis de Mazda mediante la colocacin de un segmento especial rascador en la cara lateral del rotor. De las dos disposiciones posibles para las lumbreras de admisin, la perifrica y la lateral, se sabe que la perifrica produce la mxima presin media efectiva (PME) en el motor, pero en uso automovilista se ha preferido (Mazda) la lumbrera lateral que proporciona un mejor rgimen de ralent y bajo carga parcial. El motor Renesis del RX8 de Mazda, emplea lumbreras de admisin y escape laterales, con lo que elimina totalmente el cruce o solapamiento entre las fases de admisin y escape, suprimiendo la recirculacin de gases de escape y la fuga de mezcla aire/combustible sin quemar por el escape, posibilitando unos consumos razonables y cumpliendo al mismo tiempo las normas anticontaminacin ms severas. Algn motor de los primeros tiempos produca un ruido que los mecnicos

comparaban al que hace un motor convencional antes de fundir una biela; el ruido se deba a las tolerancias entre el engranaje del eje y el del rotor que era necesario establecer para no comprometer la duracin del motor. Ya se ha solucionado. Otro problema inicial fue la aparicin de ralladuras y fisuras en la superficie de la epitrocoide, llamadas "araazos del diablo" por los ingenieros. Se resolvi colocando la buja en un casquillo incrustado en el bloque, en vez de directamente sobre el bloque mismo, y tambin a travs de la mejora de materiales del epitrocoide y rotor, y la eliminacin de vibraciones en los segmentos de vrtice. Los motores Wankel en produccin actualmente son motores rpidos, que entregan su potencia a altas rpm, y con peor rendimiento en todos los sentidos en la zona de carga parcial y bajas rpm. David W. Garside, de Norton, declar que haban conseguido solucionar el problema de la elasticidad, y construir un motor que daba toda su potencia a pocas rpm. Parece que una apertura ms temprana en el ciclo de la lumbrera de admisin, y la existencia de unos conductos de admisin ms largos, que favorecen la resonancia, con ondas de presin que mejoran el llenado, permiten conseguir motores con ms par y potencia a bajo rgimen de giro. Materiales Para el esttor o bloque motor se utilizan aleaciones de aluminio, aluminio/silicio o Al/Si/Cu como por ejemplo la aleacin Alcoa A-132, ya que el aluminio tiene una mayor conductividad trmica y un coeficiente de dilatacin ms adecuado. En el interior del bloque se coloca una lmina de acero con la forma de la epitrocoide, con rugosidades en su cara externa para asegurar el anclado al bloque, y sobre esta lmina se aplica una capa de revestimiento antifriccin, como por ejemplo el Nickasil de Citroen.3 Los rotores se fabrican en fundicin de hierro. Suzuki resolvi el problema de la duracin del motor, extendindola a ms de 250.000 km, empleando segmentos de vrtice hechos de la aleacin ferrotic. Combustible Dada la ausencia de puntos calientes en la cmara de combustin, se ha calculado que una gasolina con un octanaje de 87 es suficiente, lo que puede representar una ventaja prctica. Para la lubricacin, que se hace como en los motor de dos tiempos mediante mezcla combustible/aceite, se han usado los sistemas de mezcla previa o una bomba dosificadora que aade una pequea cantidad de aceite a la admisin, igual al empleado para lubricacin y refrigeracin del rotor. En los motores con refrigeracin por la mezcla de aire/combustible, uno de los aceites que ha dado mejores resultados es el Shell Rotella 30. Los motores con refrigeracin por lquido necesitan un lubricante multgrado para facilitar los arranques en fro, aceite que debe ser de naturaleza mineral y no sinttico para evitar la produccin de cenizas y gomas en la combustin.4 Wankel, Felix (1902 - 1988). Ingeniero alemn conocido por haber inventado el motor Wankel. Tambin llamado motor rotativo o rotatorio Wankel, utiliza, para producir energa, un rotor giratorio dentro

de una cmara, en lugar de pistones. Es ms potente y ms sencillo que un motor tradicional de combustin interna del mismo tamao. Hijo de un guardabosques de la Selva Negra, Alemania, Wankel nunca recibi una educacin superior. No obstante, mostr grandes aptitudes para la ingeniera y las matemticas, as como gran inters por los sistemas de propulsin de vehculos. Empez a desarrollar su motor en torno a 1927, teniendo en mente un nuevo diseo para los motores de combustin interna alimentados por gasolina. Recibi su primera patente en 1929, por los planos de un motor rotativo. Las partes principales del motor Wankel son una cmara casi cilndrica y un rotor triangular con bordes redondeados. El corte transversal de la cmara es en realidad una elipse o crculo alargado en lugar de un crculo perfecto. La cmara tiene dos aperturas en uno de los lados largos de la elipse. Uno permite que el combustible fluya hasta la cmara y el otro permite que los gases de escape salgan. Una buja, pieza que utiliza una fuerte corriente elctrica para producir una chispa entre dos electrodos, est situada en el centro del otro lado largo de la cmara. Los bordes del rotor se ajustan perfectamente a los lados de la cmara, dividindola en tres partes. Cuando el rotor gira, introduce combustible en la cmara; a continuacin lo comprime hasta que la buja lo enciende y se quema en la segunda cmara; por ltimo, los subproductos de la combustin salen de la tercera cmara. Cuando el combustible se quema expande gases que fuerzan al rotor a girar. El rotor suele estar conectado directamente al rbol del motor. La sencillez de su diseo lo hace ms ligero y potente que un tradicional motor cclico Otto; sin embargo, consume ms combustible y libera ms gases. En 1956, Wankel produjo un prototipo totalmente funcional de un motor rotativo. Un ao ms tarde form su propia compaa (la Wankel Gmbh) para sacar la patente de su motor, la cual vendi en 1971. En la actualidad, esa compaa construye motores rotativos, utilizados sobre todo en aviones y coches de nios. Grandes compaas de varios pases desarrollaron comercialmente el motor Wankel. La fbrica alemana NSU lo utiliz en barcos y varios modelos de coches y el fabricante japons de automviles Mazda en coches deportivos. Tambin se ha empleado en motocicletas de grandes prestaciones. Sera posible extender el uso de este tipo de motor si pudieran resolverse los problemas de elevado consumo de combustible y alta emisin de gases.

Bibliografa Arnold E Biermann y Hermann H Ellerbrock, Jr: "The design of fins for air cooled cylinders", NACA Report N 726, 1939. (descarga gratis desde el sitio web de la NASA); R.F. Ansdale: "The Wankel RC Engine, Design and Performance" , Iliffe, 1968; Kenichi Yamamoto: "Rotary engine", Toyo Kogyo Co. Ltd., Mazda, Eds. 1969 y 1981; Dante Giacosa: "Motores endotrmicos", Ed. Omega, 2000