Un motore rotativo è un motore a combustione interna, come il motore della tua auto, ma funziona in modo completamente diverso rispetto al tradizionale motore a pistoni.
In un motore a pistoni, lo stesso volume di spazio (il cilindro) svolge alternativamente quattro lavori diversi:aspirazione, compressione, combustione e scarico. Un motore rotativo svolge gli stessi quattro lavori, ma ognuno avviene nella propria parte dell'alloggiamento. È un po' come avere un cilindro dedicato per ciascuno dei quattro lavori, con il pistone che si sposta continuamente da uno all'altro.
Il motore rotativo (originariamente concepito e sviluppato dal Dr. Felix Wankel) è talvolta chiamato motore Wankel o motore rotativo Wankel .
In questo articolo impareremo come funziona un motore rotativo. Cominciamo con i principi di base al lavoro.
Contenuti
Come un motore a pistoni, il motore rotativo utilizza la pressione creata quando viene bruciata una combinazione di aria e carburante. In un motore a pistoni, quella pressione è contenuta nei cilindri e costringe i pistoni a muoversi avanti e indietro. Le bielle e l'albero a gomiti convertono il movimento alternativo dei pistoni in un movimento rotatorio che può essere utilizzato per alimentare un'auto.
In un motore rotativo, la pressione di combustione è contenuta in una camera formata da una parte dell'alloggiamento e sigillata da una faccia del rotore triangolare, che è ciò che il motore utilizza al posto dei pistoni.
Il rotore segue un percorso che assomiglia a qualcosa che creeresti con uno spirografo. Questo percorso mantiene ciascuno dei tre picchi del rotore in contatto con l'alloggiamento, creando tre volumi separati di gas. Quando il rotore si muove all'interno della camera, ciascuno dei tre volumi di gas si espande e si contrae alternativamente. È questa espansione e contrazione che aspira aria e carburante nel motore, lo comprime e produce potenza utile quando i gas si espandono, quindi espelle lo scarico.
Daremo un'occhiata all'interno di un motore rotativo per controllare le parti, ma prima diamo un'occhiata a un nuovo modello di auto con un motore rotativo completamente nuovo.
Mazda è stata un pioniere nello sviluppo di auto di serie che utilizzano motori rotativi. La RX-7, messa in vendita nel 1978, è stata probabilmente l'auto a motore rotativo di maggior successo. Ma fu preceduto da una serie di auto a motore rotativo, camion e persino autobus, a partire dal Cosmo Sport del 1967. L'ultimo anno in cui l'RX-7 è stato venduto negli Stati Uniti è stato il 1995, ma il motore rotativo è destinato a tornare nel prossimo futuro.
La Mazda RX-8, una nuova vettura Mazda, ha un nuovo, pluripremiato motore rotativo chiamato RENESIS . Nominato International Engine of the Year 2003, questo motore a due rotori aspirato produrrà circa 250 cavalli. Per ulteriori informazioni, visitare il sito Web Mazda RX-8.
Un motore rotativo ha un sistema di accensione e un sistema di erogazione del carburante simili a quelli dei motori a pistoni. Se non hai mai visto l'interno di un motore rotativo, preparati a una sorpresa, perché non riconoscerai molto.
Il rotore ha tre facce convesse, ognuna delle quali agisce come un pistone. Ciascuna faccia del rotore ha una tasca al suo interno, che aumenta la cilindrata del motore, consentendo più spazio per la miscela aria/carburante.
All'apice di ciascuna faccia c'è una lama di metallo che forma un sigillo all'esterno della camera di combustione. Ci sono anche anelli metallici su ciascun lato del rotore che sigillano i lati della camera di combustione.
Il rotore ha una serie di denti di ingranaggi interni tagliati al centro di un lato. Questi denti si accoppiano con un ingranaggio fissato all'alloggiamento. Questo accoppiamento di ingranaggi determina il percorso e la direzione che il rotore prende attraverso l'alloggiamento.
L'alloggiamento è di forma più o meno ovale (in realtà è un epitrocoide -- dai un'occhiata a questa dimostrazione Java di come viene derivata la forma). La forma della camera di combustione è progettata in modo tale che le tre punte del rotore rimangano sempre a contatto con la parete della camera, formando tre volumi di gas sigillati.
Ogni parte dell'alloggiamento è dedicata a una parte del processo di combustione. Le quattro sezioni sono:
Le porte di aspirazione e scarico si trovano nell'alloggiamento. Non ci sono valvole in queste porte. La porta di scarico si collega direttamente allo scarico e la porta di aspirazione si collega direttamente all'acceleratore.
L'albero di uscita ha lobi rotondi montati in modo eccentrico, il che significa che sono sfalsati rispetto alla linea centrale dell'albero. Ciascun rotore si adatta a uno di questi lobi. Il lobo si comporta come l'albero a gomiti di un motore a pistoni. Mentre il rotore segue il suo percorso attorno all'alloggiamento, spinge sui lobi. Poiché i lobi sono montati in modo eccentrico sull'albero di uscita, la forza che il rotore applica ai lobi crea coppia nell'albero, provocandone la rotazione.
Ora diamo un'occhiata a come queste parti sono assemblate e come producono energia.
Un motore rotativo è assemblato a strati. Il motore a due rotori che abbiamo smontato ha cinque strati principali tenuti insieme da un anello di lunghi bulloni. Il liquido di raffreddamento scorre attraverso i passaggi che circondano tutti i pezzi.
I due strati terminali contengono le guarnizioni ei cuscinetti per l'albero di uscita. Sigillano anche nelle due sezioni dell'alloggiamento che contengono i rotori. Le superfici interne di questi pezzi sono molto lisce, il che aiuta le guarnizioni del rotore a fare il loro lavoro. Una porta di aspirazione si trova su ciascuna di queste estremità.
Lo strato successivo dall'esterno è l'alloggiamento del rotore di forma ovale, che contiene le luci di scarico. Questa è la parte dell'alloggiamento che contiene il rotore.
Il pezzo centrale contiene due porte di aspirazione, una per ciascun rotore. Separa anche i due rotori, quindi le sue superfici esterne sono molto lisce.
Al centro di ogni rotore c'è un grande ingranaggio interno che gira attorno a un ingranaggio più piccolo che è fissato all'alloggiamento del motore. Questo è ciò che determina l'orbita del rotore. Il rotore scorre anche sul grande lobo circolare sull'albero di uscita.
Successivamente, vedremo come il motore produce effettivamente potenza.
I motori rotativi utilizzano il ciclo di combustione a quattro tempi, che è lo stesso ciclo utilizzato dai motori a pistoni a quattro tempi. Ma in un motore rotativo, ciò si ottiene in un modo completamente diverso.
Se osservi attentamente, vedrai il lobo sfalsato sull'albero di uscita girare tre volte per ogni giro completo del rotore.
Il cuore di un motore rotativo è il rotore. Questo è più o meno l'equivalente dei pistoni di un motore a pistoni. Il rotore è montato su un grande lobo circolare sull'albero di uscita. Questo lobo è sfalsato rispetto alla linea centrale dell'albero e si comporta come la manovella di un argano, dando al rotore la leva necessaria per ruotare l'albero di uscita. Mentre il rotore orbita all'interno dell'alloggiamento, spinge il lobo in circoli stretti, ruotando tre volte per ogni giro del rotore.
Quando il rotore si muove attraverso l'alloggiamento, le tre camere create dal rotore cambiano dimensione. Questo cambio di dimensione produce un'azione di pompaggio. Esaminiamo ciascuno dei quattro tempi del motore guardando una faccia del rotore.
La fase di aspirazione del ciclo inizia quando la punta del rotore supera la luce di aspirazione. Nel momento in cui la luce di aspirazione è esposta alla camera, il volume di quella camera è prossimo al minimo. Quando il rotore si sposta oltre la porta di aspirazione, il volume della camera si espande, aspirando la miscela aria/carburante nella camera.
Quando il picco del rotore supera la porta di aspirazione, quella camera viene sigillata e inizia la compressione.
Man mano che il rotore continua il suo movimento attorno all'alloggiamento, il volume della camera si riduce e la miscela aria/carburante viene compressa. Quando la superficie del rotore ha raggiunto le candele, il volume della camera è di nuovo vicino al minimo. Questo è quando inizia la combustione.
La maggior parte dei motori rotativi ha due candele. La camera di combustione è lunga, quindi la fiamma si diffonderebbe troppo lentamente se ci fosse una sola candela. Quando le candele accendono la miscela aria/carburante, la pressione aumenta rapidamente, costringendo il rotore a muoversi.
La pressione di combustione costringe il rotore a muoversi nella direzione che fa aumentare di volume la camera. I gas di combustione continuano ad espandersi, muovendo il rotore e creando potenza, fino a quando il picco del rotore non supera la luce di scarico.
Una volta che il picco del rotore supera la luce di scarico, i gas di combustione ad alta pressione sono liberi di defluire dallo scarico. Mentre il rotore continua a muoversi, la camera inizia a contrarsi, costringendo lo scarico rimanente a uscire dalla porta. Quando il volume della camera si avvicina al minimo, il picco del rotore supera la porta di aspirazione e l'intero ciclo ricomincia.
La cosa bella del motore rotativo è che ciascuna delle tre facce del rotore lavora sempre su una parte del ciclo:in un giro completo del rotore, ci saranno tre colpi di combustione. Ma ricorda, l'albero di uscita gira tre volte per ogni giro completo del rotore, il che significa che c'è una corsa di combustione per ogni giro dell'albero di uscita.
Esistono diverse caratteristiche distintive che differenziano un motore rotativo da un tipico motore a pistoni.
Il motore rotativo ha molte meno parti mobili rispetto a un motore a pistoni a quattro tempi comparabile. Un motore rotativo a due rotori ha tre parti mobili principali:i due rotori e l'albero di uscita. Anche il più semplice motore a quattro cilindri a pistoni ha almeno 40 parti mobili, inclusi pistoni, bielle, albero a camme, valvole, molle valvole, bilancieri, cinghia di distribuzione, ingranaggi di distribuzione e albero motore.
Questa riduzione al minimo delle parti in movimento può tradursi in una migliore affidabilità da un motore rotativo. Questo è il motivo per cui alcuni produttori di aeromobili (incluso il produttore di Skycar) preferiscono i motori rotativi ai motori a pistoni.
Tutte le parti di un motore rotativo girano continuamente in una direzione, invece di cambiare direzione violentemente come fanno i pistoni di un motore convenzionale. I motori rotativi sono bilanciati internamente con contrappesi rotanti che sono fasati per annullare eventuali vibrazioni.
Anche l'erogazione di potenza in un motore rotativo è più fluida. Poiché ogni evento di combustione dura per 90 gradi della rotazione del rotore e l'albero di uscita fa tre giri per ogni giro del rotore, ogni evento di combustione dura per 270 gradi della rotazione dell'albero di uscita. Ciò significa che un motore a rotore singolo fornisce potenza per tre quarti di ogni giro dell'albero di uscita. Confrontalo con un motore a pistoni monocilindrico, in cui la combustione avviene per 180 gradi ogni due giri, o solo un quarto di ogni giro dell'albero motore (l'albero di uscita di un motore a pistoni).
Poiché i rotori girano a un terzo della velocità dell'albero di uscita, le parti mobili principali del motore si muovono più lentamente rispetto alle parti di un motore a pistoni. Questo aiuta anche con l'affidabilità.
Ci sono alcune sfide nella progettazione di un motore rotativo:
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Pubblicato originariamente:29 marzo 2001
