La storia dell’automobile è legata a doppio filo con quella del motore a pistoni: una soluzione meccanica con più di cent’anni di storia, che vede lo scorrimento di un pistone dentro un cilindro. Questa architettura che, evoluta nel motore a quattro tempi Otto ha dominato la mobilità stradale, è diventata l’archetipo del “motore” automobilistico e motociclistico. Eppure, nel corso della storia motoristica, qualcuno ha provato ad immaginare un’alternativa totalmente differente.
Un motore a movimento alternativo a quattro tempi (4t) Otto è un particolare tipo di motore a combustione interna, definito “ad accensione comandata” (SI) per la presenza di un innesco. Questo motore sfrutta l’energia chimica della miscela d’aria (ossigeno come comburente) e di carburante (benzine come combustibile) introdotta nella camera di scoppio e liberata con la deflagrazione della miscela stessa. Questa viene convertita in energia meccanica attraverso quattro fasi termodinamiche che si ripetono ciclicamente nel seguente ordine:
- aspirazione della miscela;
- compressione ed accensione della stessa;
- espansione dei gas (dovuta alla combustione);
- scarico dei prodotti chimici.
I problemi di questo motore derivano dalla sua architettura e sono:
- complessità meccanica (alti costi);
- elevato numero di organi in contatto (attriti interni, usura);
- masse inerziali in moto ad alte velocità.
Ogni pistone, una volta percorso il cilindro sotto la spinta dello scoppio provocato dalla combustione della miscela aria-carburante, si arresta per un istante. Successivamente, riprende la sua corsa – termine usato proprio per indicare la distanza percorsa dal pistone tra un punto di arresto e l’altro – ma in verso opposto. Questa inversione avviene ogni mezzo giro dell’albero motore. I punti di arresto istantaneo del pistone vengono indicati come PMS (punto morto superiore) e PMI (punto morto inferiore). Il moto del pistone ha velocità massima a metà corsa e minima nei punti morti: il pistone è accelerato nella prima metà della corsa e decelerato nella seconda metà. Essendo la variazione di accelerazione (quindi di velocità) provocata da una forza, per il principio di inerzia, ne consegue che per mettere in moto ed arrestare il pistone si abbia una perdita energetica. La forza d’inerzia aumenta all’aumentare dei giri motore (quindi all’aumentare della velocità del pistone). Questo moto alternato induce lo “squilibrio primario” nel motore. Oltre a ciò, anche il meccanismo biella-manovella, che collega il pistone all’albero motore e trasforma il moto lineare del primo nel moto rotazionale trasmesso alle ruote dal secondo, genera uno squilibrio: quello “secondario”. Ciò accade perché la biella è disassata rispetto al cilindro quando il pistone non si trova nei punti morti. Pur comportando una forza inferiore a quella dello squilibrio primario, la sua frequenza è maggiore. Per arginare questi problemi, si ricorre a soluzioni intrinsecamente più bilanciate (motori pluricilindrici, motori boxer o angoli di bancata opportuni), ad alberi aggiuntivi detti “di equilibratura”, a contrappesi e a specifici supporti di banco. Soluzioni che, però, complicano ulteriormente la meccanica del motore, si usurano e lo appesantiscono.
A metà del Novecento nacque il sogno di un motore differente, un propulsore capace di offrire ciò che le altre soluzioni non erano in grado di garantire: scarse vibrazioni, semplicità costruttiva, compattezza e peso ridotto. La persona dietro questa idea fu Felix H. Wankel, ingegnere tedesco nato nel 1902 che nel ‘33 ottenne il primo brevetto relativo ad un propulsore rotativo privo di pistoni. Tuttavia la sua idea restò sulla carta fino agli anni Cinquanta, quando trovò un alleato industriale: la NSU Motorenwerke. Il primo motore rotativo realmente funzionante venne sviluppato dell’ingegnere Hanns D. Paschke, il quale semplificò l’idea originale, dando vita al “Wankel” come lo intendiamo oggi. Successivamente venne adattato per l’impiego automobilistico e dal ‘64 la NSU Wankel Spider diventò la prima automobile di serie al mondo spinta da un motore rotativo (a singolo rotore e montato posteriormente). Prodotta in più di duemila esemplari, la Wankel Spider ottenne risultati in alcune competizioni in Germania. Anche ALFA Romeo, con la collaborazione della NSU, motorizzò negli anni Settanta alcuni esemplari di 1750 e Spider a fini sperimentali. A credere davvero nel Wankel, tra le grandi case automobilistiche, fu però Mazda che ne acquistò la licenza nel ‘61 e investì risorse ingenti, costituendo una divisione R&D specifica per perfezionare il prodotto. Nel ‘67 presentò la Mazda Cosmo Sport 110S, che diventò la prima vettura sportiva a montare un doppio rotore. Da quel momento il marchio giapponese divenne sinonimo di motore rotativo raggiungendo le vette motoristiche con la 787B: sport-prototipo con motore Wankel a quattro rotori che nel ’91 vinse la 24 Ore di Le Mans. La Mazda 787B rimane ad oggi l’unica vettura non a pistoni ad essersi aggiudicata questa competizione.
Il Wankel trovò spazio anche altrove: in ambito motociclistico il Wankel suscitò l’interesse dei costruttori e venne montato sia trasversalmente sia longitudinalmente. La Norton Motorcycle Company, in particolare, produsse dagli anni Ottanta alcune motociclette in tiratura limitata o per le Forze dell’Ordine. In campo aeronautico è apprezzato per il peso contenuto, la semplicità e la potenza specifica: viene infatti impiegato per applicazioni come unità di potenza ausiliarie, droni e munizioni vaganti. Ma se nei cieli può esprimere alcune qualità, sulla strada incontrò difficoltà sempre crescenti. Già negli anni Settanta e Ottanta, i problemi tecnici e i consumi non incoraggiarono la diffusione del Wankel. Quando, all’inizio degli anni Duemila, le normative europee e statunitensi divennero più stringenti, il motore rotativo non ebbe più modo di aggiornarsi per soddisfare i nuovi requisiti. Nel 2011, l’EURO 5 interruppe l’importazione della Mazda RX-8 e l’era del Wankel come propulsore automobilistico cessò nel 2012 con la produzione in Giappone degli ultimi esemplari.
Il motore rotativo Wankel ha eleganza ed essenzialità concettuali, ma nel concreto fallisce in termini di efficienza, manutenzione ed emissioni. Tagliando con una sezione trasversale il rotore (unica parte mobile del motore assieme all’albero nello sviluppo KKM di Paschke), si nota che questo è derivato da un triangolo di Reuleaux; e che ruota eccentricamente all’interno di una camera statorica epitrocoidale (approssimabile ad un “8”). I tre vertici del rotore scorrono sulle pareti interne dello statore, mantenendo separate tre camere di combustione sfasate di 120° che si sviluppano simultaneamente tra le superfici di rotore e statore. Mentre il rotore orbita all’interno dello statore, ciascuna camera vede variare il proprio volume: si allarga e si restringe ciclicamente a seconda della posizione relativa tra i due elementi, realizzando le quattro fasi del ciclo Otto. Pur rimanendo un motore endotermico 4t SI, con candele poste su una delle pareti maggiori dello statore (approssimandolo ora ad un rettangolo), il Wankel non presenta valvole responsabili dell’afflusso della miscela infiammabile e dell’espulsione dei gas di scarico. Al contrario, come un motore 2t, presenta luci di aspirazione e scarico nello statore che vengono “aperte” e “chiuse” dal contatto o meno tra statore e rotore.
A differenza del motore alternativo 4t – dove ogni cilindro realizza una combustione ogni due giri dell’albero motore -, in un Wankel ogni rotore produce tre combustioni a giro. Questa caratteristica si traduce in un’erogazione “continua”, che unita alla mancanza di forze d’inerzia del primo e del secondo ordine rende il rotativo incline a salire di giri con facilità. Per questo, il Wankel è in grado di sviluppare livelli di potenza specifica superiori a quelli dei motori a pistoni “classici”. Dal punto di vista industriale, il Wankel elimina gran parte della complessità del motore a pistoni non necessitando della distribuzione e del sistema pistone-biella-manovella. L’intero motore risulta così meno complesso (meno costoso), più piccolo e più leggero.
La forma della camera di combustione è lunga e stretta, poco adatta alla propagazione del fronte di fiamma (pur impiegando due candele). Le combustioni possono risultare incomplete, le temperature elevate ed il rendimento inferiore rispetto ad un pistone tradizionale. Le fasce di tenuta poste nei tre vertici del rotore poi sono soggette ad usura rapida, dovendo sopportare la forza centrifuga (specialmente ad alti giri motore), diversamente da quelle del pistone che non subiscono carichi aggiuntivi lungo la direzione di lavoro. Il pistone presenta anche fascette raschia-olio che impediscono l’afflusso di lubrificante nella camera di combustione: tutto l’opposto del Wankel che, come un motore 2t, sfrutta una miscela aria-carburante-olio per ridurre l’usura delle stesse fasce di tenuta. Questo aggrava la produzione di inquinanti. Inoltre, come le sollecitazioni sulle fasce di tenuta aumentano ad alti giri, così anche la coppia (altrimenti scarsa ai bassi). Questa relazione di proporzionalità diretta tra usura e prestazioni lo rende ancora più inadatto all’utilizzo quotidiano stradale.
La storia del Wankel non fu tanto un fallimento; bensì una lezione: l’Ingegneria deve superare il fascino suscitato da alcune soluzioni tecniche, preferendo le soluzioni che meglio si adattano a ciascuno scopo.
