Il mito del rotore triangolare: l'ascesa e la silenziosa scomparsa del motore Wankel

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Il motore Wankel è un motore a combustione interna in cui, al posto dei pistoni, un rotore triangolare percorre un'orbita all'interno di un corpo a forma di nocciolina e le sue tre facce si occupano in sequenza delle fasi di aspirazione, compressione, combustione e scarico. Il corpo compatto, il numero ridotto di parti mobili e le vibrazioni quasi pari a zero ne hanno fatto l'architettura motore più affascinante del ventesimo secolo; l'elevato consumo di carburante e il difficile problema delle tenute, invece, hanno posto fine alla sua carriera nelle automobili stradali alla fine del secolo.
In evidenza
- 1924: Felix Wankel progetta il concetto di un motore a combustione interna senza pistoni; il primo brevetto viene ottenuto nel 1936.
- 1964: La NSU Wankel-Spider diventa la prima auto di serie con motore rotativo.
- 1991: La Mazda 787B, con il suo motore a quattro rotori, diventa la prima automobile giapponese a vincere la 24 Ore di Le Mans.
- 2012: Con la fine della produzione della RX-8, scompare anche l'ultima automobile a utilizzare un motore a rotore puro come unica fonte di alimentazione.
- 2023: Il Wankel torna in vita come generatore nella MX-30 e-Skyactiv R-EV.
Com'è nata l'idea del motore senza pistoni?
Nella mente di Felix Wankel non esistevano né il cilindro del motore né il pistone che va avanti e indietro; le camere di combustione sarebbero stati spazi vuoti che si aprivano e si chiudevano su un corpo rotante. Il giovane ingegnere iniziò a disegnare questo concetto nel 1924 e ottenne il primo brevetto nel 1936. Tuttavia, la trasformazione dell'idea in metallo fu rimandata al dopoguerra, alla collaborazione stabilita con la NSU. Nel 1954 iniziarono i lavori sul prototipo e nel 1957 il primo prototipo funzionante, il DKM 54, venne acceso per la prima volta.
Il DKM 54 era in pratica un mostro da laboratorio: l'intero corpo del motore ruotava insieme al rotore, il che significava che perfino sostituire le candele richiedeva lo smontaggio del motore. Hanns-Dieter Paschke, uno degli ingegneri della NSU, fece una mossa sottile ma decisiva: fece orbitare il rotore e fissò il corpo. Questo dispositivo prese il nome di KKM (Kreiskolbenmotor). Felix Wankel considerò questa semplificazione un tradimento del proprio progetto; ma la storia parla chiaro: l'unica forma passata alla produzione di serie fu il KKM, e tutto ciò che oggi chiamiamo "motore Wankel" è il dispositivo di Paschke.
La semplicità numerica è notevole. Un motore a pistoni che svolge lo stesso lavoro porta con sé decine di parti mobili come l'albero motore, le bielle, le valvole, le molle delle valvole, i punterie e la catena di distribuzione; in un Wankel il numero di parti mobili è tre: due rotori e un albero eccentrico.
Dalla NSU alla Mazda: Il rotore entra nelle automobili stradali
Nel 1964 la NSU Wankel-Spider debuttò come prima auto di serie con motore rotativo. Poi, nel 1967, arrivò la sua berlina dal corpo monoscocca rigido, la Ro 80; il suo motore era tecnologicamente impressionante, ma i costi di sviluppo misero in difficoltà la NSU e, con i venti economici della crisi petrolifera, l'azienda scomparve nella storia. Il motore della Ro 80 mostrò per la prima volta su larga scala la distanza tra la promessa della tecnologia e la realtà.
Ma il vero protagonista di questa storia venne dal Giappone. La Mazda, con il suo primo prototipo a rotore singolo, il 40A, si confrontò con due problemi gravi: le tracce di usura note come "unghia del diavolo", lasciate dai tenoni vibranti rimasti dentro il corpo, e il elevato consumo di olio. Al problema dell'olio si trovò una soluzione con paraoli resistenti al calore. Il bicimbrico 10A, entrato in produzione di serie dal 1965, sviluppava invece sulla Cosmo una potenza lorda di 110 hp a 7000 rpm e, con la sua cilindrata di 982 cc, dimostrava quanto compatibile potesse essere questa architettura.
La serie RX e il rotore arrivato al grande pubblico
La maestria di Mazda consistette nel trasformare il motore da oggetto di ricerca a identità. La RX-7, arrivata nel 1978, presentò per la prima volta il motore rotativo al pubblico globale delle auto sportive; nel 1985 fu spinta con l'aggiunta del turbo, mentre nel 1992 con la versione biturbo fu spinta al limite per quanto riguarda un'auto stradale. Nell'intervallo c'è anche un record non bellico: nel 1974 il motore 12A convalidò la propria affidabilità sulla scena delle corse, come primo motore fuori dall'Europa occidentale e dagli Stati Uniti a completare Le Mans.
Quali erano i vantaggi del motore Wankel?
L'attrattiva dell'architettura risiede in dati misurabili. Il motore rotativo produce una potenza molto elevata rispetto alle sue dimensioni e al suo peso; la densità di potenza è superiore a quella dei pistonici, e la trasmissione della potenza è notevolmente fluida grazie all'assenza di masse in movimento alternativo. Le vibrazioni sono quasi nulle e il motore funziona con testarda affidabilità a regime costante. Proprio per questo il Wankel trovò posto non solo nell'automobile, ma anche nell'aviazione, nei droni, nei generatori e nelle unità militari-industriali.
Il confronto espresso nel linguaggio dell'ingegneria è il seguente:
| Caratteristica | Wankel (Rotativo) | Motore a pistoni |
|---|---|---|
| Numero di parti mobili | 3 (due rotori, un albero eccentrico) | Decine |
| Caratteristica dei guasti | Perdita di potenza graduale | Può bloccare i pistoni, con conseguenze catastrofiche |
| Vibrazioni | Quasi zero | Notevoli |
| Densità di potenza | Elevata | Più bassa in rapporto alle dimensioni |
| Punto debole | Usura del tenone, emissioni | Maturo e a basse emissioni |
La caratteristica più tranquillizzante e preziosa del motore rotativo è che anche nelle sue peggiori giornate non si spegne improvvisamente come un motore a pistoni; perde potenza in modo graduale. Questo è un vantaggio di affidabilità che, soprattutto nelle applicazioni aeronautiche, non c'è bisogno di spiegare a nessuno.
Il tenone e il consumo di carburante: Da dove nascono i problemi tecnici?
Gli elementi di tenuta ai tre angoli del rotore, cioè i tenoni detti apex seal, sono la parte più critica e più fragile dell'architettura. Questi tenoni chiudono la camera di combustione solo con la superficie di contatto; affrontano alta pressione, alta temperatura e attrito continuo. L'analisi della NASA del 2010 dimostrò con misurazioni che l'attrito del tenone apicale ha un peso significativo nella perdita di potenza del motore. Quando i tenoni si consumano, il quadro è noto a tutti: la compressione cala, il motore parte con difficoltà, il consumo di olio aumenta ed esce fumo blu dallo scarico.
Il secondo problema nasce dalla geometria. La camera di combustione allungata e a forma di mezzaluna del Wankel ha un elevato rapporto superficie-volume; il fronte di fiamma non riesce a percorrere questo spazio con l'efficienza di un cilindro a pistoni e il carburante non brucia completamente. Ci sono due costi: un elevato consumo di carburante e un eccesso di idrocarburi allo scarico. Mazda sviluppò il sistema REAPS in risposta alla normativa giapponese sulle emissioni nel 1968 e sul motore 10A 0866 del 1971 utilizzò un reattore termico in ghisa; ma questo era un trattamento del problema, non una soluzione.
Anche la nota tendenza a bruciare olio, ben conosciuta dai proprietari della RX-8, va letta in questo contesto: si tratta di un design che dosa deliberatamente l'olio nella camera di combustione per lubrificare le superfici dei rotori, e fa parte del normale funzionamento. Tuttavia, il fatto che i proprietari lo criticassero ritenendolo un difetto ha anche danneggiato la reputazione del motore agli occhi del pubblico.
Perché la Mazda 787B è riuscita a vincere a Le Mans?

Il 23 giugno 1991 è il giorno del culmine del motore rotativo. La Mazda 787B fu la prima automobile giapponese a vincere la 24 Ore di Le Mans, e prima di allora nessun veicolo con motore rotativo aveva mai vinto questa gara. Il R26B, il cuore dell'auto, era un'unità a quattro rotori con una cilindrata di 2,6 litri (2.616 cc) e produceva 700 CV a 9000 giri/min. Le prese d'aria periferiche, i collettori di aspirazione a geometria variabile continua e la terza candela aggiunta a ciascun rotore erano la prova di quanto fosse possibile spingere l'architettura in gara.
Significativo è anche il cambio di regolamento entrato in vigore dopo la vittoria: l'anno successivo la FIA escluse i motori rotativi dalle competizioni. Inoltre, le organizzazioni sportive avevano già adottato la regola di raddoppiare la cilindrata dichiarata del motore Wankel; in virtù di questa classificazione la 787B poté prendere il via con il motore 26B. Questa è anche la risposta alla domanda sulla "correttezza della vittoria", ancora dibattuta nei forum: Mazda gareggiò e vinse all'interno della classificazione stabilita dai regolamenti.
Perché le regole sulle emissioni hanno distrutto il rotore?
Mazda non si era arresa. Il Renesis (13B-MSP) entrò in produzione sull'anno modello 2004 della RX-8 e l'obiettivo del progetto era direttamente rivolto ai due problemi più ricorrenti del Wankel: emissioni ed economia di carburante. Lo spostamento laterale delle porte di scarico consentì una riduzione delle emissioni di idrocarburi del 35–50% rispetto al precedente 13B-REW, soddisfacendo lo standard LEV-II statunitense. Il risultato trovò riconoscimenti: il premio International Engine of the Year nel 2003, seguito da due anni consecutivi nelle classifiche Ward's 10 Best Engines.
Ma di fronte ai norme inasprite in Europa, non bastò nemmeno questo. La RX-8 fu costretta a ritirarsi dal mercato europeo nel 2010 poiché non riusciva a rispettare i limiti delle emissioni; anche a causa del calo delle vendite, la produzione terminò nel 2012. L'ultima automobile di produzione in serie a utilizzare il motore rotativo come unica fonte di alimentazione divenne così storia. Non si trattò di una morte improvvisa: quando l'architettura veniva confrontata a parità di dimensioni con i motori a pistoni, subì una selezione naturale in un punto in cui le emissioni non erano più competitive.
Esperimenti con l'idrogeno e il ritorno nel 2023
Fu Mazda la prima a pensare che non fosse l'ultima scena del Wankel - perché la caratteristica secondaria più interessante dell'architettura splendeva proprio nell'idrogeno: la camera di combustione non ha valvole e le temperature di aspirazione sono basse, offrendo quindi un ambiente più favorevole rispetto al motore a pistoni per l'idrogeno, incline al preaccensione. Mazda ha mostrato il primo concept rotativo a idrogeno HR-X nel 1991, ha testato il veicolo rotativo a idrogeno su strada pubblica nel 1995 e ha presentato nel 2003 il RX-8 Hydrogen RE, il primo veicolo di produzione al mondo con motore rotativo alimentato a idrogeno. Questo veicolo bifuel poteva viaggiare sia a benzina che a idrogeno, l'idrogeno veniva trasportato in forma liquida in un serbatoio separato e produceva 154 kW di potenza fino al dispositivo a doppio rotore; nel 2009 il primo esemplare fu consegnato in Norvegia.
Il vero ritorno è avvenuto però in un ruolo diverso. Nel 2023 Mazda ha riportato in gioco il motore Wankel come range extender - cioè un generatore compatto che alimenta il motore elettrico che muove l'assale anteriore - nell'ibrido plug-in MX-30 e-Skyactiv R-EV. Si tratta di una posizione intelligente che disattiva tutte le vulnerabilità dell'architettura: in un generatore che funziona a velocità costante l'assenza di vibrazioni e la compattezza diventano un vantaggio, mentre lo svantaggio in termini di emissioni ed economia di carburante viene tenuto sotto controllo. Il Wankel è uscito dal cuore dell'automobile stradale, ma dal punto di vista ingegneristico non è morto.
Cosa Ci Dice Oggi il Motore Rotativo?
La storia del Wankel è un raro esperimento che misura la distanza tra l'eleganza ingegneristica di una tecnologia e la realtà commerciale e legale. Il rotore, con un terzo di parti mobili rispetto al motore a pistoni, poteva funzionare in modo più fluido e più potente; ma la combustione incompleta, insita nella natura della sua geometria, non è mai stata superata di fronte a una normativa sulle emissioni sempre più severa. La visione di Felix Wankel si è ritirata dall'automobile stradale; oggi continua a vivere come generatore silenzioso, nella risposta al problema che la conversione energetica ormai affronta. In entrambi i casi la lezione da imparare è la stessa: la buona ingegneria ha valore quando viene applicata alla domanda giusta.
Fonti
- Wankel engine - Wikipedia
- Mazda Wankel engine - Wikipedia
- The Rise and Fall of the Wankel Rotary Engine | Tampa Bay Automobile Museum
- LE MANS VICTORY COMMEMORATIVE SITE - Mazda
- How Mazda won 24 Hours of Le Mans - Mazda Stories
- Mazda Builds First RX-8 Hydrogen RE for Norway - Mazda Newsroom
- Mazda RX-8 - Wikipedia
- Mazda RX-8 Hydrogen RE - Wikipedia
- Analysis of Apex Seal Friction Power Loss in Rotary Engines - NASA NTRS
- Two-Stroke Wankel Type Rotary Engine - MDPI Energies
- NSU/Mazda Wankel (1967) - How Engines Work
- Why Mazda Was Forced To Discontinue The RX-8 - SlashGear
- Advantages and Disadvantages of a Rotary Engine - National Speed