¿Vuelve el motor Wankel?

El motor wankel en principio no es de actualidad, tuvo su momento álgido entre las décadas de 1960 y 1970 para seguir siendo utilizado después solamente por un marca hasta 2012.

De hecho, una marca que apostó por montar en toda su gama el motor wankel tuvo que cesar la producción por ciertas particularidades de fiabilidad y mantenimiento, que supusieron el fin de la marca.

Otras dos marcas hicieron sus pruebas con el motor wankel, una no pasó de prototipo y la otra llegó a comercializar un modelo poco tiempo y muy escasas unidades que luego quiso recuperar, esta aventura afecto mucho a su cuenta de resultados.

Si pasó esto, ¿por qué incluimos este artículo en la sección de “Actualidad”?, pues por la otra marca que también apostó por el motor wankel en sus modelos deportivos durante bastantes años, y que dejó de producirlos hace relativamente poco.

Esta marca está actualmente resucitando el motor wankel para utilizarlo en modelos híbridos, de gasolina, gas (GLP o GNC) e incluso de combustión de hidrógeno.

Vamos a poner nombres y fechas a estos comentarios, pero antes empezamos por la posible vuelta del motor wankel, tema principal de este artículo, y después proponemos un repaso al funcionamiento de otros motores; con pistones y válvulas y encendido por chispa de cuatro tiempos, es como va a funcionar el motor rotativo wankel con matices, el motor de dos tiempos de gasolina sin válvulas (también se ha utilizado con válvulas y sobrealimentación) y vamos a compararlos con el wankel.

Mazda eléctrico con autonomía extendida ¿híbrido serie con motor wankel?

En 2019 se cumplieron 50 años desde que Mazda inició la oferta de modelos con motor rotativo wankel de gasolina en algunos de sus modelos.

El último cesó de producirse en 2012, el RX8.

Veremos al final estos modelos hasta ese año, ahora comentamos lo que Mazda anuncia que se propone hacer, y esos planes incluyen al motor wankel de nuevo.

Estos planes se integran en la implantación de propulsión eléctrica por baterías es sus modelos, con complementos para tratar de solucionar la autonomía, que en determinados usos no es suficiente para sustituir plenamente al motor térmico.

La propuesta sería, como la presentada como proyecto en el modelo e TPV con dos ofertas, eléctrico con baterías con autonomía de unos 210 km, puede que algo más, y otra con la adición de lo que se suele denominar autonomía extendida.

Esta versión cuenta con un pequeño motor wankel de un rotor e inyección directa de gasolina, no mueve las ruedas sino un generador de electricidad que aporta la que haga falta al motor eléctrico cuando se descargan las baterías de propulsión, además de recargarlas según la demanda de velocidad y aceleración.

En realidad este funcionamiento corresponde a un sistema híbrido serie, en el híbrido paralelo los dos motores, térmico y eléctrico pueden mover las ruedas.

La diferencia entre híbrido serie y eléctrico con autonomía extendida sería; híbrido cuando la autonomía térmica supere a la eléctrica y eléctrico con autonomía extendida si el recorrido eléctrico supera al térmico.

No es una definición establecida pero da una idea de ambos sistemas.

Cuando el automóvil funciona con el motor térmico, en este caso wankel de gasolina, en marcha, genera emisión de CO2, por lo que no es un sistema totalmente limpio circulando.

Un paso más que Mazda podría dar es sustituir el combustible gasolina por hidrógeno para el motor wankel, de esta forma cuando esté en marcha solamente emitiría vapor de agua, es decir sería limpio en todas las condiciones de utilización.

Como la pila de combustible de hidrógeno está llamando a la puerta, aunque parece que no todos los que están implicados la quieren abrir de momento, habría que ver que es más interesante desde todos los puntos de vista, eléctrico con autonomía extendida y motor de combustión wankel de hidrógeno o pila de combustible de hidrógeno con una pequeña batería de apoyo.

La simplicidad del motor wankel juega a su favor como generador de electricidad, pero son los fabricante quienes tienen que valorar la mejor opción.

Desde luego, el motor de combustión de hidrógeno sin otro apoyo se ha desestimado, pues aunque no emite CO2 es bastante más complejo, tiene muchos más componentes y necesita multiplicar el par, caja de cambios y los elementos de transmisión que implica.

Las marcas que más trabajaban en estos prototipos ya no lo hacen, o al menos no lo publicitan, BMW Hydrogen 7 (12 cilindros en V) y Mazda RX8 Hydrogen RE (wankel con dos rotores).

Mazda eléctrico con autonomía extendida ¿híbrido serie con motor wankel?

Con estos comentarios ya se cumple el título de este artículo, si quieres saber más sobre el motor wankel en el siguiente contenido lo explicamos, evolución y comparación con otros dos, de cuatro y dos tiempos.

Motores de cuatro tiempos, dos tiempos y wankel

Antes de estudiar el funcionamiento de estos tres motores describimos sus componentes y algunos detalles:

Motor de cuatro tiempos

  • El pisón se desplaza por el cilindro en movimiento de sube y baja
  • Los segmentos en el pistón mejoran su estanqueidad con el cilindro colaborando en la lubricación
  • La biela transmite el movimiento alternativo del pistón al cigüeñal que lo transforma en circular
  • Las válvulas de admisión y escape, accionadas por el o los árboles de levas, controlan la entrada y salida de los gases de admisión y escape al motor respectivamente por su colectores
  • El accionamiento de los árboles de levas en este motor es mediante correa dentada desde el cigüeñal. Cada árbol de levas incide sobre un balancín que apoya en la culata y acciona la válvula
  • La bujía genera la chispa que inicia la explosión de la mezcla aire – gasolina
  • En el colector de admisión una mariposa de gases accionada por el acelerador determina el caudal de aire que pasa a los cilindros
  • Proporcionalmente se aporta la cantidad de gasolina en relación al aire que entra, se representan tres formas de hacerlo; carburador, inyección indirecta (antes de la válvula de admisión) e inyección directa (después de la válvula de admisión). En las explicaciones que siguen se representarán los motores con inyección indirecta

Motor de dos tiempos

  • Como en el de cuatro tiempos el pistón con los segmentos se desplaza por el cilindro, la biela transmite el movimiento al cigüeñal que gira. Se aprecia la forma peculiar de la cabeza del pistón
  • La explosión se inicia por la chispa en la bujía
  • No hay válvulas, sino toberas que inciden lateralmente en el cilindro; a la derecha se ve la de escape y debajo la exterior de admisión
  • La gasolina llega mezclada con aceite para lubricar el motor, puede ser suministrada por carburado o inyección indirecta, así se verá en las explicaciones siguientes
  • La mezcla controlada por la mariposa de gases, aire – aceite – gasolina entra a la parte del cilindro bajo el pistón por la tobera exterior de admisión, lo que sería el cárter en un motor de cuatro tiempos
  • Desde este cárter hay un conducto que termina en una tobera que incide en el cilindro, más o menos a la altura de la de escape en el lado opuesto, es la tobera de admisión interior
  • El motor de dos tiempos se ha utilizado muy frecuentemente con refrigeración por aire, para lo que cuenta con múltiples aletas en su exterior que facilitan el intercambio térmico, se representan en la imagen

Hay motores de dos tiempos con algunas variaciones, muy poco utilizados en el automóvil; alimentación independiente de gasolina y aceite, diésel, con válvulas y sobrealimentación son las que más se han utilizado.

Motores de cuatro tiempos, dos tiempos y wankel

Motor wankel

Funciona con movimiento giratorio del elemento que hace de pistón, de donde deriva su denominación de motor rotativo:

  • El “cilindro” es una cámara de forma “epitrocoide” en cuyo interior gira el “pistón”, de forma triangular y los lados curvos y habitualmente con cámaras cóncavas en su interior
  • Los colectores de admisión y escape inciden en la cámara epitrocoide por un lado a diferentes alturas. Las entradas de los colectores mediante toberas pueden estar en la periferia de la cámara o en sus lados, se ven ambas posibilidades en la imagen
  • La alimentación de gasolina puede ser por carburador, inyección indirecta o directa, se ven las tres, en las demás explicaciones se verá la indirecta
  • El pistón triangular tiene un dentado en su interior que engrana con otro piñón más pequeño que recibe el par motor. Como el movimiento generado es circular no se ha de transformar mediante el conjunto biela y cigüeñal
  • En las tres esquinas del pistón triangular o rotor hay unas láminas que friccionan con la superficie interior de la cámara epitrocoide, son los segmentos
  • Se representan dos bujías para iniciar la explosión

Funcionamiento motores de cuatro y dos tiempos con inyección indirecta

Empezamos por el motor de cuatro tiempos representado por las cuatro imágenes de la izquierda:

Motor de cuatro tiempos

Estos son los cuatro tiempos:

  1. Admisión; el pistón desciende con la válvula de admisión abierta succionando la mezcla de aire y gasolina
  2. Compresión; sube el pistón con las válvulas cerradas comprimiendo la mezcla
  3. Explosión; continúan las válvulas cerradas, al terminar el pistón su recorrido ascendente salta la chispa en la bujía, inflamando la mezcla que explota empujando hacia abajo al pistón
  4. Escape; tras llegar el pistón al final de sus descenso comienza a subir de nuevo con la válvula de escape abierta, empujando al exterior a los gases quemados

En la imagen podemos ver los cuatro tiempos, se produce una explosión cada dos vueltas del cigüeñal.

Funcionamiento motores de cuatro y dos tiempos con inyección indirecta

Motor de dos tiempos

Lo vemos en las tres imágenes de la derecha:

  1. Fin de compresión y comienzo de explosión:
    • Tras llegar el pistón a su punto más alto se produce la explosión de la mezcla aire – gasolina y aceite que ha provocado la chispa en la bujía
    • Se aprecia que bajo el pistón hay mezcla, aire – gasolina – aceite, que ha entrado por la tobera de admisión exterior en fase de compresión succionada por el pistón al subir
  2. Fin de expansión:
    • La explosión termina con la expansión que empuja al pistón hacia abajo
    • En determinada secuencia del recorrido queda libre la tobera de escape saliendo los gases al exterior por la presión en el cilindro, casi a la vez queda abierta la tobera de admisión interior (frente a la de escape), por donde entra la mezcla empujada por la presión provocada por la bajada del pistón y succionada por la salida de gases de escape
    • La forma de la cabeza del pistón es para evitar en lo posible la salida de parte de masa de admisión por el escape
    • De hecho, la entrada de admisión barre a los gases de escape, y es probable que en determinadas fases de funcionamiento arrastren parte de mezcla
    • Este detalle implica más contaminación que se ha de solucionar si se quiere adaptar este motor a las directivas anticontaminación, es la principal razón para dejar de utilizarlo en el automóvil
  3. Compresión:
    • Sube de nuevo el pistón cerrado las toberas de escape y admisión interior, y abriendo la de admisión exterior por donde entra aire, gasolina y aceite succionados por el pistón al subir
    • El aceite genera una nube que lubrica los elementos móviles del motor, y es también generador de contaminación al salir quemado por el escape
    • Se puede separar el engrase con un circuito específico, como en el motor de cuatro tiempos, con lo que este aspecto quedaría resuelto

Al compartir los tiempos motor y producirse una explosión por cada vuelta de cigüeñal se denomina a este motor de dos tiempos.

Funcionamiento motor wankel con inyección directa

Primero vamos a analizar varias secuencias de funcionamiento con la referencia de una de las tres cámaras entre el pistón rotativo y la cámara epitrocoide, CETR para no repetirlo:

  • 1. Admisión; la posición del pistón triangular al rotar deja abierta la tobera de admisión, entrando mezcla de aire y gasolina por el aumento de volumen en el interior de la CETR
  • 1. Sigue admisión; aún está abierta la tobera de admisión y continua entrando mezcla
  • 1. Fin de admisión; el pistón rotativo cierra la tobera de admisión
  • 2. Compresión; el giro del pistón rotativo hace que se reduzca el volumen de la mezcla en el interior de la cámara
  • 2. Sigue compresión; se está llegando al final de la compresión, cuando el volumen de la cámara es menor
  • 3. Explosión; salta la chispa en la bujía iniciándose la explosión de la mezcla que empuja al pistón triangular en su sentido de giro
  • 3. Explosión; continúa quemándose la mezcla en expansión
  • 4. Escape; el giro del pistón libera la salida de la tobera de escape evacuándose al exterior los gases quemados

Se han explicado los cuatro tiempos teniendo en cuenta solamente una de las tres cámaras entre el pistón triangular y la CETR:

En la imagen inferior izquierda se ve lo que sucede simultáneamente en las tres cámaras:

  • En la superior hay admisión, en la siguiente en sentido de giro explosión y en la tercera escape
  • Se producen tres explosiones por cada vuelta del pistón triangular o rotor
  • Por esta razón se ha considerado la cilindrada del motor wankel a efectos fiscales como el doble de la real, para asimilar su potencia al motor de cuatro tiempos con pistones alternativos

El motor wankel tiene dos comportamientos que reducen su eficacia; la mezcla se ha de realizar muy rápidamente lo que puede provocar defectos de combustión no compatibles con las directivas anticontaminación estrictas, y ajuste no del todo estanco entre los segmentos y la CETR lo que induce excesivo consumo de aceite, que también afecta a la contaminación.

Estas son las dos causas de haber disminuido el interés del desarrollo del motor wankel tras unas grandes expectativas por la sencillez de funcionamiento.

En la imagen inferior derecha se ven versiones del motor wankel que se han utilizado:

  • Sobrealimentado por turbocompresor, e intercooler para enfriar el aire comprimido
  • Inyección directa de gasolina en la cámara, después de la tobera de admisión
  • Dos bujías para mejorar la calidad de la explosión
  • Toberas de admisión y escape en los lados en vez de en la periferia, esta solución reduce la fatiga de los segmentos y el consumo de aceite

Funcionamiento motor wankel con inyección directa

Aplicaciones motor wankel en automóviles; NSU, Citroën y Mercedes

El motor wankel, lleva el apellido de su inventor, en principio iba a ser una bomba de presión pero enseguida se vio su utilidad como motor de cuatro tiempos, sumamente simple, sin válvulas, pistones de movimiento alternativo, bielas o cigüeñal, además su funcionamiento ya produce movimiento circular.

Se desarrollaron varios proyectos muy ambiciones con la idea de que el motor wankel iba a sustituir al tradicional.

La aventura comenzó en los años 1960 y duró más o menos quince años, bueno para alguna marca más.

NSU apostó todo al motor wankel y lo incluyó en el Prinz Spyder con un rotor y seguidamente con dos rotores en el Ro80, coche con línea sumamente atractiva entonces, y también en la actualidad.

Al ser este modelo elegido coche del año en 1968 las cosas parecían ir muy bien y de hecho se vendieron bastante unidades.

Pero apareció excesivo consumo de aceite y otros detalles que indicaban que la fiabilidad no era la que se esperaba.

Se hicieron cambios pero no se resolvían los problemas, las ventas se resintieron.

La cosa fue grave hasta el punto de que NSU sustituyó el modelo Ro80 por el K70 que conservaba la implantación de motor delantero longitudinal por delante del eje y tracción, pero con motor tradicional de cilindros alternativos y cuatro tiempos.

La línea era distinta, bastante más cuadrada y menos atractiva, pero no dio resultado.

NSU fue absorbida por Volkswagen que comercializó el K70 bajo su marca para denominarlo después Passat.

NSU quebró por apostar todo al motor wankel, una aventura que duró de 1967 a 1977.

Citroën también quedo atrapada por las expectativas del motor wankel y se puso a trabajar.

Aplicó el motor wankel de un rotor en un modelo derivado del C8, transformándolo en coupé de dos puertas, con suspensión hidroneumática, le llamó M35.

Rodaron algunas unidades conducidas por cliente especiales de la marca pero no pasó de prototipo, esto llevó dos años, de 1969 a 1971.

Casi simultáneamente se implanto un wankel de dos rotores en el GS, que ya tenía suspensión hidroneumática; en este caso se llegó a vender, pero enseguida aparecieron los problemas que tuvo NSU y cesó la producción.

Citroën quiso recuperar todas las unidades pero parece que no lo logró.

Estos eventos se desarrollaron entre 1973 y 1974.

Los efectos económicos se hicieron notar, y es muy probable que fuese una de las causas de necesitar ser rescatada, y lo hizo Peugeot

Mercedes fue otra marca que intentó desarrollar el motor wankel, para ello utilizó un prototipo que luego sirvió para probar diversas tecnólogas, es el C111.

Utilizó motores wankel de tres y cuatro rotores con inyección directa de gasolina, de esto sabia Mercedes pues la utilizó en su modelo 300 SL (alas de gaviota).

Las pruebas fueron desde 1969 a 1971, con buenos resultados en prestaciones, pero con el consumo de aceite y fiabilidad ya comentados por lo que no tuvo continuidad.

Aplicaciones motor wankel en automóviles; NSU, Citroën y Mercedes

Aplicaciones motor wankel en Mazda

Por más o menos las mismas fechas Mazda comenzó a desarrollar el motor wankel, enfocado a automóviles deportivos, y no le ha ido nada mal desde el punto de vista de imagen, con relación a la rentabilidad habría que preguntarles.

Utilizó este motor también en competición, con buenos resultados.

El motor utilizado en sus coches, no en competición, es de dos rotores y se ha montado en estos modelos:

  • Cosmo Sport de 1967 a 1972
  • RX3 de 1971 a 1977
  • RX7 de 1978 a 2002; llego a añadir sobrealimentación con uno o dos turbocompresores. Este modelo fue un ícono, bueno aún lo es
  • RX8 de 2002 a 2012; continuó la saga marcada por el anterior, sin sobrealimentación

Mazda solucionó bastantes aspectos del motor wankel, la utilización de entradas de admisión y escape por los lados fue uno, pero no logró reducir lo suficiente el consumo de aceite, al menos para que fuese comparable a un motor convencional.

Adaptar los elementos anticontaminación a las directivas cada vez más severas ha sido, lo más probable, la principal razón del cese de producción del motor wankel en Mazda.

Esta marca sabe mucho de lograr excelentes combustiones en sus motores de gasolina, es la que más se aproxima al funcionamiento HCCI, que combina las ventajas de la explosión en el motor de gasolina con la combustión del diésel, si te interesa este tema hay un artículo en el blog que lo desarrolla, al final le indicamos así como otros.

Al principio se ha comentado la posibilidad de que Mazda recupere el motor wankel como complemento en sus automóviles eléctricos, de hecho esta es la razón de este artículo.

Aplicaciones motor wankel en Mazda

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Historia, teoría, técnica y futuro del motor rotativo Wankel + historia del Mazda RX-7 [#POWERART]

 

¿Cómo funciona un motor rotativo Wankel? (Animación)

 

El motor Wankel rotativo VS. pistones.

 

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