Si deve la realizzazione del motore rotativo ad un certo Dott. Felix Wankel . Nel 1924, all'età di 22 anni, crea il suo laboratorio di ricerca dedicato alla progettazione di un motore rotativo. Interessato al suo lavoro, il Ministero dell'Aviazione tedesco sovvenziona la sua ricerca durante la seconda guerra mondiale, credendo che sarebbe stato il futuro dell'ingegneria. Dopo la guerra, una casa motociclistica, la NSU, crea una partnership con Wankel.
Nel 1958 nasce il primo motore rotativo funzionale e pratico, il KKM. Con un singolo rotore, il KKM ha una cilindrata totale di 400 cm³. NSU annuncia ufficialmente, nel 1959, il successo del motore Wankelrotary. Più di cento aziende in tutto il mondo in questo momento si appropriano dei piani tecnici di questo motore. Trentaquattro sono giapponesi.
Diversi produttori hanno cercato di sviluppare questo concetto senza trovare un prodotto finito. Stranamente, solo una piccola azienda giapponese di nome Toyo Kogyo continua la ricerca, mentre altre si arrendono. Jujiro Matsuda, allora presidente dell'azienda, è convinto delle potenzialità di questo rivoluzionario motore. Nel 1961 firmò un contratto con la NSU per progettare insieme un prototipo praticabile. Dopo il successo della sua divisione di maggior successo, Toyo Kogyo viene rinominata nel nome del famoso produttore che tutti oggi conoscono come Mazda .
Nel 1963 Mazda apre la sua divisione di ricerca dedicata esclusivamente al motore rotativo. KenichiYamamoto, che allora è a capo di questa divisione, ha più di 47 ingegneri al suo servizio. La sua missione? Trova un uso pratico del motore rotativo per la produzione di massa e la vendita commerciale. Due grossi problemi ne ritardano la commercializzazione:usura prematura dei componenti interni e consumo di olio estremamente elevato. Dopo molti mesi di ricerca e oltre 300 ore di test, nuove guarnizioni e olio progettati specificamente per il motore rotativo risolvono questi due problemi principali.
A differenza del concept originale, Mazda preferisce progettare un motore multirotore. Il prototipo a rotore singolo costruito dalla NSU era, ai bassi regimi, piuttosto anemico nella coppia e soffriva di instabilità che provocava vibrazioni sgradevoli. Nel dicembre 1964, la divisione ricerca produsse un motore a doppio rotore con camera di combustione da 491 cc, chiamato tipo 3820. Questo motore si è rapidamente fatto strada verso le linee di produzione con il nome in codice 10A.
Il 10A è il primo motore rotativo ad essere commercializzato in un'auto. La sua prima apparizione risale al 30 maggio 1967, quando Mazda vende la Cosmo Sport, l'unica vettura da corsa monorotore al mondo. Dotato di un doppio carburatore a quattro cilindri montato lateralmente sulle luci di aspirazione e di candele per ciascun rotore, il 10A sviluppa una potenza di 110 CV. Considerando la leggerezza dell'auto e la tecnologia disponibile all'epoca, la Cosmo Sport è considerata un'impresa tecnologica dalla stampa automobilistica.
Fu solo nel 1970 che Mazda iniziò ad esportare i suoi veicoli in Nord America. Sfortunatamente, gli Stati Uniti stanno attualmente adottando standard di emissione più severi. Inoltre, sono nel mezzo di una crisi petrolifera. Per contrastare il problema, Mazda realizza un reattore termico che brucia le emissioni inquinanti. Il produttore può finalmente commercializzare la prima automobile a motore rotativo in Nord America, la R100 .
Altre innovazioni, come i sistemi di accensione ad alta intensità e i collettori di scarico reattivi, consentono a Mazda di ridurre il consumo di carburante fino al 40%, garantendo la fattibilità del motore rotativo nordamericano.
Come risultato del suo successo nella riduzione delle emissioni inquinanti e del consumo di carburante, Mazda sta spingendo la sua ricerca per massimizzare le prestazioni dei suoi motori rotativi. Uno dei primi miglioramenti apportati è stato il progetto di un'aspirazione a sei porte per il motore rotativo 12A (due camere da 573 cc). Ogni rotore è dotato di tre porte di aspirazione la cui apertura è controllata in due stadi. Questo meccanismo migliora l'efficienza del carburante senza sacrificare le prestazioni di fascia alta. Una delle prime vetture – e sicuramente una delle più conosciute – a beneficiare di questo motore è la primissima versione della RX-7, la FB3S, nata nel marzo del 1982. Bisognerà però aspettare fino al 1983 prima di vedere la prima RX turbo -7.
Turbocompressore e motori rotativi hanno sempre funzionato bene. Ciò è principalmente dovuto al fatto che i motori rotativi tendono a rilasciare maggiore energia dalla luce di scarico rispetto ai motori tradizionali. Questo tratto caratteriale è da attribuire all'improvvisa apertura delle luci di scarico che sono in linea indiretta con il moto di espulsione del rotore. E, naturalmente, una maggiore quantità di energia che esce dallo scarico consente un migliore utilizzo di un turbocompressore.
La seconda generazione dell'RX-7, l'FC3S, è probabilmente meglio conosciuta dai neofiti dei motori rotativi. All'epoca sono disponibili quattro versioni, ovvero SE, GTU, GLX e Turbo II. I primi tre sono alimentati da una versione atmosferica e hanno l'iniezione elettronica del motore 13B (due camere da 672 cc). Introdotto nel 1985 come 1986 MY, l'FC3S è il primo RX-7 ad avere freni a disco su tutte e quattro le ruote. Il modello base SE è dotato di cerchi da 14 pollici e pinze anteriori a due pistoncini. La GTU, considerata la versione sportiva del gruppo, ha il cofano in alluminio, pinze a quattro pistoncini e la trasmissione della versione Turbo II. La GLX è equipaggiata con il gruppo elettrico e ruote da 15 pollici. Infine, la versione Turbo II è la più potente con la sua meccanica 13B-T. Mazda ha affermato che la versione turbo della 13B sviluppava 180 CV alla manovella.
Nel 1988, l'FC3S ha diritto ad alcuni ritocchi estetici e ha un buon calcio nel sedere dal punto di vista delle prestazioni. La cavalleria del 13B è aumentata da 145 CV a 160 CV, mentre il 13B-T eroga circa 200 CV. Le differenze visive sono sottili; ciò che differenzia le due generazioni sono le nuove luci posteriori del modello 1988, rotonde alle estremità invece di quelle rettangolari degli anni precedenti.
L'ultima edizione dell'RX-7 ha il nome in codice FD3S. Questa vettura sportiva di alto calibro è stata introdotta nel 1992 come modello del 1993. Sebbene l'auto stessa sia ancora oggi considerata la più bella interpretazione del motore rotativo, è grazie alle meraviglie che si nascondono sotto il cofano. Il motore denominato 13B-REW (REW per Rotary Engine Twin Turbo) utilizza due turbo in modalità sequenziale, raggiungendo una discreta potenza di 255 CV con una zona rossa a partire da 8000 giri/min!
La modalità sequenziale è piuttosto semplice in teoria. Ai bassi regimi viene utilizzato un solo turbo. Ovviamente è più facile azionare un singolo turbo che due. Ciò migliora la risposta del motore ai bassi regimi. L'aria pressurizzata dal primo turbo consente quindi al motore di produrre potenza sufficiente per azionare il secondo turbo senza danneggiare la fascia di potenza a bassa velocità mentre guadagna extrapony ad alta velocità.
Quattro versioni furono offerte in Nord America, vale a dire il modello base, Touring, PEP e R1 / R2. La Touring, una versione di lusso, è dotata di optional come sedili in pelle, impianto audio Bose, tettuccio elettrico e cruise control. La Touring è anche l'unica versione fornita come optional con il cambio automatico. Il PEP o "Popular Equipment Package" è, come dice il nome, il più popolare di tutti e viene fornito di serie con il tetto apribile, i sedili in pelle e il cruise control. La R1, la versione più interessante per gli amanti delle auto ad alte prestazioni, riceve una sospensione sportiva, un doppio radiatore dell'olio, una barra di sostegno anteriore, sedili rivestiti in pelle scamosciata e uno spoiler posteriore. Nel 1994, la R1 viene sostituita dalla R2. Sfortunatamente, Mazda sta rimuovendo anche la FD3S dal mercato statunitense.
Se osservi attentamente il motore rotante, noterai che è costituito da più piastre assemblate a sandwich. In un motore rotativo tradizionale, cioè un 2 rotori (un 13B nel nostro caso), si nota la presenza di sei di queste piastre. Facendo eccezione per la copertina, per ora ci concentreremo sugli altri cinque.
Le due piastre più grandi sono dette alloggiamenti del rotore. Come suggerisce il nome, contengono entrambi i rotori. L'interno dell'involucro rappresenta il piano di lavoro o, se si preferisce, la camera di combustione. Questa superficie è in forma atrocoidale. In altre parole, immagina un cerchio le cui estremità sarebbero state allungate su un asse verticale per dargli una forma allungata. Aggiungi due lievi protuberanze verso l'interno a ciascuna estremità dell'asse orizzontale e otterrai una forma trocoidale.
Se osservi la custodia, noterai che ci sono due buste, una interna e una esterna. Tra i due, ci sono dozzine di passaggi di forma diversa. I cerchi più piccoli sul contorno sono i fori per i bulloni di tensione. Questo è ciò che collega le piastre. Cerchi più grandirappresentano i passaggi interni dell'olio. Le altre aperture di varie forme sono i condotti per il liquido di raffreddamento.
Sulla superficie interna dell'involucro è possibile vedere due minuscole aperture. Questa è la posizione delle candele. Quella in alto è chiamata candela di trascinamento e quella in basso, candela di accensione. Ne parleremo più avanti. Per ora, diamo un'occhiata alla grande apertura sul lato dell'alloggiamento. È la luce di scarico del rotore utilizzata per espellere i residui del processo di combustione. L'ultimo elemento di rilievo è il passaggio sulla parte superiore sinistra dell'alloggiamento, utilizzato per portare l'olio necessario alle articolazioni apicali attraverso una leggera apertura sulla superficie interna. A differenza dei tradizionali motori a quattro tempi dove si utilizzano fasce elastiche, è impossibile lubrificare i giunti con una superficie non esposta alla combustione. Infatti, le guarnizioni apicali fungono da anelli di tenuta e sono sempre esposte. L'olio viene invece iniettato direttamente per lubrificare i componenti, il che spiega l'eccessivo consumo di olio dei motori rotativi.
Le altre tre piastre sono denominate custodia laterale e custodia laterale intermedia. Oltre al loro ruolo di tenuta all'interno dell'alloggiamento del rotore, contengono anche le porte di aspirazione del motore. Le luci di aspirazione sulla piastra intermedia, cioè quella al centro dei due alloggiamenti del rotore, sono dette luci primarie. Sopra queste porte ci sono due aperture nella piastra intermedia per gli iniettori. Va notato qui che l'aspirazione è posizionata lateralmente al rotore e non rivolta ad esso come lo sono le luci di scarico. Le piastre laterali contengono anche le cosiddette porte secondarie. Dopo il 1984, i motori rotativi 13B non turbo hanno, sulle piastre laterali, un'altra coppia di aperture per un totale di sei porte. Queste due porte aggiuntive sono denominate "ausiliari". Sono aperte da attivatori ad alta velocità per massimizzare le prestazioni e chiuse a basse velocità per promuovere la coppia.
Se guardi le illustrazioni, noterai che l'olio sta circolando sulla superficie di queste piastre. Infatti, quando il rotore gira, crea attrito sulla superficie laterale, che deve essere lubrificata per evitare l'usura prematura dei componenti interni. Va inoltre notato che questi passaggi dell'olio limitano le dimensioni delle porte di aspirazione. Quando si mette a punto un motore rotativo, l'obiettivo è trovare un modo ingegnoso per aumentare le dimensioni di queste porte per fornire aria e carburante in modo più efficiente al motore rispettando i limiti del motore.
Le parti più importanti sono sicuramente i rotori e l'albero di trasmissione eccentrico. Se dai un'occhiata al centro dei rotori, puoi vedere una superficie frastagliata e liscia. Quest'ultima parte rappresenta il cuscinetto del rotore. La porzione seghettata è accoppiata con un'altra porzione seghettata denominata ingranaggi stazionari. Questi sono attaccati alle piastre laterali. L'albero di trasmissione eccentrico scorre attraverso tutti gli elementi, dalle piastre ai rotori e attraverso gli ingranaggi stazionari.
I rotori non ruotano solo su un asse fisso. Il loro movimento è la somma di due moti ben distinti. Il primo è la semplice rotazione. I rotori ottengono questo attraverso i loro cuscinetti (superficie liscia) che sono costantemente in contatto con i due lobi dell'albero eccentrico. Questi lobi essendo sfalsati rispetto all'asse di rotazione dell'albero, impediscono ai rotori di ruotare allo stesso livello. I lobi fanno orbitare i rotori attorno all'asse di rotazione dell'albero eccentrico. Il movimento finale è, quindi, una combinazione di una rotazione e un'orbita dei rotori.
Per comprendere meglio il principio fondamentale di come funzionano i motori rotativi, utilizzeremo alcuni termini usati con i tradizionali motori a quattro tempi. Il PMS (punto morto superiore) è il punto in cui il pistone raggiunge la sua altezza massima, riducendo così al minimo lo spazio disponibile all'interno della camera di combustione. Il BDC (punto morto inferiore) è il punto in cui il pistone si trova nel punto più basso, offrendo così il massimo spazio . Useremo i termini TDC e BDC in base allo spazio massimo o minimo che il rotore fornirà.
Se si parte dal PMS, prendendo l'estremità in alto a sinistra del rotore e ruotandolo in senso orario, inizia il ciclo di aspirazione. Questo termina quando la stessa estremità raggiunge il BDC. Va notato qui che il rotore ruota in senso orario a un terzo della velocità dell'albero eccentrico. Tra il PMS e il BDC, l'albero eccentrico avrà ruotato di 270°. Sono 90° in più rispetto ai 180° richiesti per un motore a quattro tempi per la stessa operazione.
Anche in questo caso, dal BDC al TDC, sono necessari 270° per completare il ciclo di compressione. Notare come la miscela aria/carburante viene compressa contro il muro. È in questo momento che la candela si accende per creare la combustione. Altri 270° in più e raggiungerete il BDC terminando il ciclo di combustione. Successivamente, il rotore espelle i gas di scarico attraverso la luce di scarico dell'alloggiamento del rotore, percorrendo gli ultimi 270° per tornare al punto di partenza.
Ciascuna delle facce del rotore è separata di 120° ed esegue contemporaneamente un ciclo diverso dalle altre. In questo modo, oltre i 360°, le tre facce del rotore contribuiscono ad UN ciclo di accensione per UN giro dell'albero eccentrico. Su un tradizionale motore a quattro tempi sono necessarie due rotazioni di 360°. Di conseguenza, un motore rotativo ha le capacità di un motore a quattro tempi il doppio della sua cilindrata. Un motore 13B da 1,3 litri è equivalente a un motore da 2,6 litri. È qui che risiede la forza dei motori rotativi. Pur essendo estremamente compatti, possiedono il potenziale di un motore molto più grande.
Come accennato in precedenza, ci sono due candele per piastra. Quello in basso è quello principale e quello in alto è la candela di trascinamento. Se prendiamo in considerazione che il rotore anteriore porta il numero 1 e quello posteriore il numero 2, il nome di ciascuna candela sarà L1, L2, T1 e T2. Quando la camera di combustione (la parte convessa sulla superficie del rotore) si avvicina al PMS durante il ciclo di compressione, le candele in testa accendono per prime la miscela. Le candele posteriori si attivano quindi dopo circa 10° a 15°. E' importante specificare che le candele vengono attivate una terza volta nel ciclo. Questo fenomeno è chiamato “wastespark”. Per semplificare il sistema di accensione, le candele utilizzano la stessa bobina, quindi lo stesso segnale. Le candele L1 e L2 vengono quindi attivate contemporaneamente. I moderni motori rotativi utilizzano un sensore di posizione dell'albero eccentrico e tre bobine, una per entrambe le candelette e una per ciascuna candela.
Il motore Renesis dell'RX-8 dovrebbe essere un grande miglioramento rispetto al fratello maggiore, il 13B-REW. TheRenesis è anche più compatto e più leggero del 30%. Il concetto delle sei porte di aspirazione è deja-vu, ma la posizione delle porte di scarico è un'innovazione reale. Rispetto ai motori precedenti, il Renesis non ha le sue luci di scarico alla periferia dell'alloggiamento del rotore. Itrather utilizza due porte, una direttamente sulla piastra intermedia e l'altra sulla piastra laterale. Gli ingegneri affermano che la sovrapposizione delle valvole è stata ridotta, migliorando l'efficienza del carburante al minimo del 40% rispetto al 13B-REW. In breve, il Renesis produce meno emissioni, consuma meno carburante e la combustione è notevolmente migliorata.
Ci sono alcuni tesori nascosti nel mondo dei motori rotativi di cui poche persone sono nemmeno a conoscenza. Un esempio è la 20B-REW, un trirotore biturbo offerto dalla Eunos Cosmo, un'auto giapponese venduta dal gennaio 1990 al marzo 1996. Con una cilindrata di 1962 cm³, la 20B-REW ha sostanzialmente le stesse capacità della un piccolo V8. Con una pressione di 10.29 psi proveniente dai turbo, la potenza arriva fino a 280cv, tutti probabilmente limitati dalle restrizioni imposte dalle leggi giapponesi. Per darti un'idea, questo stesso motore in modalità atmosferica sviluppa 250 CV, 320 CV se prodotto di conseguenza. Difficile credere che 10 psi di pressione producano solo 50 CV in più. In verità, con un semplice regolatore di pressione, è possibile raggiungere facilmente la soglia dei 400 CV. Con un po' più di cura e dedizione, 700 CV non sarebbero affatto impossibili da raggiungere.
Se tale potenza è ottenibile con un motore a tre rotori, immagina cosa sarebbe possibile con quattro! Questo tipo di motore purtroppo non è disponibile, se non nelle corse. Tra le più note ci sono la 26B che ha equipaggiato la Mazda 787B, la prima vettura da corsa giapponese a vincere la 24 Ore di Le Mans. Per chi fosse interessato, questo motore sviluppa nientemeno che 700 CV a 9000 giri/min e 448 Nm di coppia a 6500 giri/min, il tutto in modalità atmosferica. Il motore avendo diverse parti in comune con il 13B, alcuni dicono che sia possibile creare un motore personalizzato a quattro rotori utilizzando due 13B.
Se un'idea del genere sembra sicuramente interessante, non è difficile immaginare quanto sarebbe necessario un budget elevato per costruire un impianto!
