Un motor rotativo Wankel es un motor de combustión interna que utiliza un diseño rotativo para convertir la presión en movimiento rotatorio; se puede considerar un dispositivo a medio camino entre un motor de pistón alternativo y una turbina. El ingeniero alemán Felix Wankel comenzó a desarrollar el concepto del motor rotativo Wankel en la década de 1920. Sin embargo, el diseño conocido fue desarrollado por NSU y patentado por Walter Froede en 1960. Este diseño se caracteriza por un rotor triangular que gira alrededor de un eje excéntrico central. La combustión ocurre en los espacios formados entre el rotor y la carcasa.
El motor rotativo Wankel tiene algunas ventajas clave sobre los motores de pistón tradicionales. Uno de los principales beneficios es su tamaño compacto y diseño liviano. El motor rotativo tiene un diseño relativamente simple con menos partes móviles, lo que lo hace más confiable y fácil de mantener.
La alta relación potencia-peso del motor rotativo Wankel lo convierte en un candidato ideal para sistemas de propulsión de vehículos aéreos no tripulados (UAV) y otras aplicaciones, incluidos vehículos híbridos y unidades de potencia auxiliares.
Principios del motor rotativo
El motor rotativo Wankel se basa en un diseño único que utiliza un rotor triangular que gira alrededor de un eje central. El rotor tiene tres lados, cada uno actuando como una cámara de combustión separada. A medida que el rotor gira, crea un ciclo de cuatro fases similar al de un motor de pistón tradicional.
El motor rotativo Wankel funciona en un ciclo de cuatro fases: admisión, compresión, potencia y escape. Sin embargo, a diferencia de un motor de pistón alternativo, donde todos estos ciclos ocurren en la misma cámara, en un motor rotativo Wankel, estos ciclos ocurren en áreas separadas dentro del motor. El motor rotativo convierte la presión producida por la combustión de la mezcla de aire y combustible en movimiento rotatorio, que luego se utiliza para propulsar el vehículo.
¿Cuáles son los componentes principales de un motor rotativo?
El número de componentes dentro del motor rotativo Wankel es mínimo en comparación con el motor de pistones. Los siguientes son los componentes principales de un motor rotativo Wankel.
Rotor
El rotor es uno de los componentes principales del motor rotativo Wankel. Tiene forma triangular equilátera con tres vértices y caras curvas convexas que giran alrededor del eje excéntrico de salida. Cada lado del rotor actúa como una cámara de combustión independiente. Las caras curvas del rotor reducen el desplazamiento, alcanzando así la mayor relación de compresión posible.
Carcasa del Rotor
Además del rotor, la carcasa del rotor es una parte vital del motor rotativo Wankel. Es una envoltura con forma de ocho (epitrocoide) con la que los tres vértices del rotor están siempre en contacto, formando las tres cámaras de combustión distintivas. La carcasa es esencial ya que completa cada parte del proceso de combustión, incluyendo la admisión, compresión, combustión y escape.
Engranaje Fijo
Un engranaje fijo está montado en un lado de la carcasa del rotor y engrana con otro engranaje unido al rotor. Estos engranajes mantienen la sincronización correcta entre el rotor y el eje excéntrico, asegurando que el rotor se mueva con precisión un tercio de vuelta por cada vuelta del eje de transmisión. Curiosamente, la relación del engranaje del rotor al engranaje fijo es de 3:2, siendo el tercio restante una función del movimiento excéntrico.
Carcasas Laterales / Placas de Cierre
Dos placas de cierre, con las que los sellos laterales del rotor están siempre en contacto, sirven para encerrar las cámaras de trabajo y soportar el eje excéntrico. Una de las placas tiene el engranaje fijo conectado, que engrana con el engranaje del rotor.
Conjuntos de Sellado
Se requiere un sellado adecuado para reducir fugas de gases no deseadas entre cada cámara dentro del motor, lo cual es crucial para la potencia, eficiencia y fiabilidad del motor. Los sellos del motor rotativo Wankel funcionan de manera similar a los anillos de los pistones en motores convencionales. Hay dos rutas por las que el gas puede fugarse entre cada cara del rotor; por lo tanto, tiene dos tipos de sellos: laterales y de vértice.
Eje Excéntrico de Salida
El eje excéntrico tiene un lóbulo circular montado de forma excéntrica, desfasado del eje central. El rotor se mueve sobre él y su trayectoria está definida por el lóbulo, lo que asegura que las caras de los tres vértices estén en contacto constante con la carcasa del rotor.
Ciclos de Combustión de un Motor Rotativo Wankel
El motor rotativo Wankel opera en un ciclo de combustión de cuatro fases.
1
Admisión
La fase de admisión comienza cuando el vértice delantero del rotor pasa por el puerto de admisión en la carcasa del rotor. El aire y el combustible ingresan a la cámara mientras el rotor gira con el puerto de admisión abierto. Una vez que el vértice del rotor pasa la abertura del puerto, la sección se sella y queda lista para la compresión.
2
Compresión
Una vez finalizada la fase de admisión, el rotor continúa su movimiento excéntrico a través de la carcasa del rotor, reduciendo el volumen de la cámara y comprimiendo la mezcla de aire y combustible. La cámara alcanza su volumen mínimo cuando el rotor llega a las bujías.
3
Combustión
Las bujías del motor encienden la mezcla comprimida de aire y combustible justo antes del volumen mínimo. La presión resultante generada por los gases en expansión de la explosión empuja el flanco del rotor, provocando su rotación. Esta presión sobre el flanco del rotor genera par y potencia del motor.
4
Escape
La fase de escape es la última fase del ciclo. En esta fase, el rotor continúa girando después de la combustión, expulsando los gases generados durante la fase anterior. Los gases salen de la cámara a través del puerto de escape. Una vez completado el ciclo de escape, comienza una nueva fase de admisión y el ciclo se repite.
Ventajas de un Motor Rotativo Wankel
Hay varias ventajas al usar un motor rotativo Wankel, entre ellas:
Tamaño compacto
El motor rotativo Wankel es compacto, lo que lo hace ideal para vehículos aéreos pequeños.
Peso ligero
El motor rotativo Wankel es liviano, lo que puede ayudar a mejorar el rendimiento general del vehículo y la eficiencia del combustible.
Diseño simple
El motor rotativo Wankel tiene un diseño relativamente simple con menos partes móviles que un motor de pistón tradicional, lo que lo hace más confiable y fácil de mantener.
Alta relación potencia-peso
El motor rotativo Wankel tiene una alta relación potencia-peso, lo que significa que puede producir mucha potencia en relación con su tamaño y peso. Esta alta densidad de potencia lo convierte en una opción atractiva para su uso en UAS de alto rendimiento.
Funcionamiento suave (bajas vibraciones)
El motor rotativo Wankel está perfectamente equilibrado por diseño, lo que lo convierte en una elección ideal para UAVs con cargas útiles ópticas.
Capacidades multifuel
Los motores rotativos Wankel son conocidos por su flexibilidad y capacidad para funcionar con varios combustibles, incluyendo gasolina, combustibles pesados, queroseno, diésel y combustibles alternativos como etanol y gas natural.