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Jun 19, 2023

Por qué falló el motor rotativo

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Felix Wankel y NSU crearon un motor de combustión interna más pequeño y menos complejo. He aquí por qué falló.

Durante un tiempo, el motor rotativo Wankel pareció el futuro. En 1963, el fabricante de automóviles alemán NSU (posteriormente absorbido por Audi) presentó el Wankel Spider, el primer automóvil de producción de combustión interna que no estaba propulsado por pistones alternativos; En 1967, NSU lanzó el Ro80 de doble rotor y Mazda lanzó el Cosmo Sport. Mercedes investigó seriamente el motor y GM incluso creyó que el motor rotativo reemplazaría al motor de pistón en todo, desde el Vega hasta el Corvette. Parecía que la rotativa Wankel representaba un mejor camino a seguir, pero en retrospectiva, sabemos que ese no es el caso.

Kenichi Yamamoto, jefe del equipo que desarrolló el motor rotativo de Mazda y más tarde presidente y presidente del fabricante de automóviles, escribió en su libro Rotary Engine de 1981 que los motores de vapor rotativos se remontan al siglo XVIII. Ya en 1908, varios ingenieros fabricaron motores rotativos de combustión interna, pero fue el diseño básico del alemán Felix Wankel el que se convirtió en una realidad de producción. "En primer lugar, su principio es superior", escribió Yamamoto. "En segundo lugar, se han hecho enormes e incansables esfuerzos para que funcione".

Si bien hoy en día hemos aceptado plenamente la corrección fundamental del motor de pistón de cuatro tiempos, John B. Hege en The Wankel Rotary Engine: A History señala que en los primeros días del automóvil, este no era necesariamente el caso. Un motor de pistón es complejo y tiene muchas piezas móviles; un motor rotativo es mucho más simple, típicamente con dos rotores en forma de triángulo unidos a un eje excéntrico y sin ningún tipo de tren de válvulas. El movimiento del rotor abre y cierra los puertos de admisión y escape. Los fabricantes de automóviles buscan reducir la complejidad y, por tanto, los costes siempre que sea posible, por lo que el motor rotativo Wankel resultó muy atractivo. Además, los pistones que se mueven hacia arriba y hacia abajo en un motor convencional crean enormes fuerzas de vibración, algo que se soluciona mejor aumentando el número de cilindros. Un motor rotativo no tiene masa alternativa, solo masa giratoria, por lo que incluso un motor de un solo rotor es perfectamente suave. Los motores rotativos también son mucho más pequeños que sus homólogos de pistón, lo que permite todo tipo de oportunidades de embalaje. Todo eso dio lugar a "enormes e incansables esfuerzos" no sólo por parte de Mazda y NSU, sino de Citroën, Mercedes-Benz, American Motors e incluso GM, entre muchos otros.

En los años treinta, Wankel trabajó tanto en motores de pistón con válvulas giratorias en forma de disco como en verdaderos motores rotativos. También era un nazi militante y chocó con la dirección del partido, siendo encarcelado en 1933. Su destreza técnica atrajo el interés de Daimler-Benz, cuyo ingeniero jefe convenció a uno de los asesores de Hitler, Wilhelm Keppler, para que liberara a Wankel. Al parecer Wankel era un poco testarudo porque duró menos de un año en Mercedes antes de ir a trabajar a BMW. En 1936, el gobierno nazi le proporcionó su propio taller para seguir desarrollando motores de pistón y válvula de disco, que finalmente se utilizaron en cazas y torpedos de la Luftwaffe. Wankel fue encarcelado después de la guerra y liberado en 1946, y posteriormente Keppler lo instaló en NSU.

El diseño giratorio original de Wankel presentaba un rotor triangular como el que conocemos hoy, pero con una cámara de combustión que también giraba. En 1954, NSU presentó por primera vez un sobrealimentador de motocicletas con este diseño. Sin embargo, fue Hanns Dieter Paschke de NSU (sin el conocimiento de Wankel) quien creó el diseño que conocemos hoy, con un rotor que gira sobre un eje excéntrico en una carcasa fija. (Todavía se llamaba Wankel porque Félix era dueño de la patente de este tipo de motor).

En 1957 llegó un prototipo de motor rotativo para carretera, y NSU pronto lo promocionó como el motor del futuro. La mirada de Road & Track de junio de 1960 al Wankel y otros tipos de motores rotativos adquiere un tono de desconcierto escéptico. Concluye: "Se han probado cientos de tipos de válvulas rotativas y es su falla uniforme y regular lo que tiende a hacer que el ingeniero más sofisticado se sienta poco optimista sobre cualquier tipo de motor rotativo. Si se utiliza una válvula rotativa de diámetro pequeño no funcionará: ¿cómo podría una unidad aún más grande funcionar como motor? Las posibilidades son muy escasas y, mientras tanto, sólo podemos esperar (y desear) ver si el motor NSU demostrará ser un avance profundo e importante. u otra voluntad del fuego fatuo."

Los fabricantes de automóviles se mostraron decididamente más optimistas, o al menos cubrieron sus apuestas, y muchos se registraron para licenciar la tecnología incluso antes del debut del Wankel Spider. Mazda fue uno de los primeros y obtuvo la licencia en 1961, apenas un año después de comenzar la producción de su primer automóvil. Resultó ser un movimiento crucial. Como la mayoría de los países asolados por la guerra, Japón adoptó una estrategia de "exportar o morir" para su industria automovilística. El Ministerio japonés de Industria y Comercio Internacional presionó a los diversos fabricantes de automóviles del país para que se consolidaran para lograr estos objetivos, y era probable que Mazda se fusionara con Toyota, Nissan o Isuzu. Su investigación sobre el motor rotativo fue lo que convenció al gobierno de darle a Mazda la oportunidad de actuar por su cuenta.

Yamamoto dirigió un equipo de desarrollo rotativo que más tarde se conoció como los "47 samuráis". Según un artículo de historia de Mazda, les dijo que "a partir de ahora, el motor rotativo debe estar en sus mentes en todo momento, ya sea que estén dormidos o despiertos". En 1963, a uno de los samuráis se le ocurrió una solución para uno de los mayores problemas del motor. Las tres puntas, o vértices, del rotor están siempre en contacto con las paredes exteriores de la cámara de combustión, lo que provoca un rápido desgaste. El ingeniero desarrolló un sello en el ápice con una forma única y fabricado a partir de una aleación de carbono y aluminio que permitía que el motor fuera comercialmente viable. En 1964, Mazda mostró el primer prototipo del Cosmo Sport de doble rotor y, durante los siguientes tres años, resolvió sistemáticamente los problemas para que el motor estuviera listo para el consumo público. En 1968, un año después del debut del Cosmo Sport, Mazda incorporó su motor de doble rotor a un automóvil de mercado masivo, el Familia Coupe, y le siguieron muchos más modelos.

Wankel Rotary Engine señala que NSU emitió 15 licencias para su tecnología en 1966, una empresa lucrativa por derecho propio. La compacidad de una rotativa fue una gran ventaja. El libro de Yamamoto tiene una gran ilustración que muestra cómo un motor de doble rotor es mucho más corto en altura y longitud que los motores de cuatro y seis cilindros en línea. Otra imagen muestra el contenido de las piezas principales de un motor de seis cilindros en línea de doble rotor y de leva única, y el rotativo tiene menos de un tercio de la cantidad, menos los sujetadores. Un rotativo también es fácilmente modular: puedes seguir agregando rotores al contenido de tu corazón. Aunque, por supuesto, algo así como un motor de cuatro rotores es relativamente largo.

Aparte de NSU y Mazda, el único otro fabricante de automóviles que puso en producción un rotativo fue Citroën. Fue un desastre. El fabricante de automóviles francés era una especie de potencia en ingeniería, pero se quedó atrás en cuanto a motores. El rotativo no sólo se adaptaba a la inclinación de Citroën por la ingeniería peculiar, sino también a su preferencia por un diseño de tracción delantera con motor longitudinal y con el motor delante de las ruedas delanteras.

Citroën y NSU crean una empresa, Comotor, para desarrollar motores rotativos para el fabricante de automóviles francés. El primero fue un monorotor utilizado en el M35 experimental, que fue arrendado a clientes leales de Citroën para una especie de prueba beta pública. (Y pensabas que Tesla era el único fabricante de automóviles que hacía este tipo de cosas). El M35 dio lugar a un motor de doble rotor para el GS, el auto familiar de nivel medio de Citroën ubicado entre el 2CV básico y sus derivados y el grande y lujoso DS. Mientras que las versiones estándar del GS usaban el motor de cuatro cilindros refrigerado por aire del Ami, el GS Birotor se ubicaba en la parte superior de la línea con un motor de doble rotor de 2.0 litros que generaba más de 100 caballos de fuerza, casi el doble que el modelo estándar.

En un momento terrible, el GS Birotor debutó en septiembre de 1973, un mes antes de que la crisis del petróleo sacudiera al mundo. Puede que el motor rotativo de Comotor fuera pequeño y potente, pero el GS Birotor consumía menos combustible que el DS, mucho más grande. Como dice el Lane Motor Museum, que posee lo que cree que es el único GS Birotor en funcionamiento en los EE. UU., el Birotor también era un 70 por ciento más caro que un modelo estándar, elevando el precio más allá del de un DS básico. Además de todo esto, no era confiable, ya que a menudo era necesario reemplazar el motor después de 20,000 millas por fallas en los sellos superiores. Citroën quería que el rotativo impulsara el CX que reemplazaba al DS, pero pronto tuvo que cancelar todo el programa rotativo después de que solo se vendieran 847 GS Birotors. Fue uno de los principales factores que llevaron a la quiebra de Citroën en 1975 y su posterior venta a Peugeot.

Los problemas de bajo consumo de combustible y malas juntas en los vértices no eran exclusivos de Citroën. NSU solo construyó el Ro80 y también sufrió los mismos problemas. Tanto el Ro80 como la marca NSU murieron en 1977. Mazda desarrolló el rotativo mucho más de lo que NSU jamás logró, pero sus ventas se vieron gravemente afectadas por la crisis del combustible, cayendo un 50 por ciento entre 1973 y 1974. Antes de la crisis del petróleo, Mazda estaba trabajando para una línea totalmente propulsada por rotativos; posteriormente, tuvo que volver a centrarse en los motores de pistón, relegando los rotativos a aplicaciones especializadas como la línea de autos deportivos RX. Las ventas de su motor Wankel nunca volvieron a igualar el máximo de 1973. El libro de Hege también señala que se consideraba que los motores rotativos de Mazda requerían mucho mantenimiento y, además de la economía de combustible y los problemas de desgaste de los sellos superiores, consumían petróleo prodigiosamente.

Muchos en todo el mundo pueden acusar a los estadounidenses de creer falsamente que el mundo gira en torno a ellos, pero al menos en lo que respecta al mundo del automóvil en los años setenta, en cierto modo así era. Estados Unidos era el mercado más grande para muchos fabricantes de automóviles y se destinaron muchos esfuerzos a cumplir con nuestros estándares cada vez más estrictos. Mazda pasó un buen rato tratando de cumplir con los estándares de emisiones establecidos por la Ley de Aire Limpio de 1970, mientras que otros simplemente dejaron de intentarlo. Incluso incluido el poderoso Mercedes-Benz.

Mercedes vio potencial en el motor rotativo como una alternativa de alto rendimiento al motor de pistón. Según un artículo de Hemmings Sports and Exotic del historiador Karl Ludvigsen, el fabricante de automóviles determinó que la tendencia del Wankel hacia una potencia de alto nivel sobre el torque de rango bajo y medio lo hacía inadecuado para sus autos de lujo cada vez más pesados. "A bajas revoluciones no daba tanta potencia. Luego fue idea de [el ingeniero jefe de Mercedes, Rudi] Uhlenhaut, fabricar un pequeño coche deportivo", citó Ludvigsen al ingeniero Hans Leibold. "Se adaptaba mejor al motor. Empezamos con dos rotores en el turismo normal y luego con tres rotores en el deportivo".

El deportivo era el concepto C111, un vehículo rodante de investigación. En su apariencia Mk2, el C111 presentaba un espectacular motor de cuatro rotores que generaba 345 hp, tanto como el V-12 de 4.4 litros de un Ferrari Daytona contemporáneo. La potencia no fue un problema y, según los ingenieros de Mercedes, tampoco lo fueron los problemas de confiabilidad y consumo de aceite que plagaron a otros rotativos. Sin embargo, su eficiencia y emisiones sí lo fueron, y Mercedes concluyó que el motor Wankel era un concepto fundamentalmente defectuoso.

Una rotativa puede ser eficiente en cuanto a espacio y piezas, pero su eficiencia térmica (cuánta energía genera versus energía térmica residual) deja mucho que desear. En un artículo retrospectivo de Mercedes, Kurt Obläneder, uno de los ingenieros principales del Wankel del fabricante de automóviles, lo expresó sin rodeos: "[L]a cámara de combustión es la característica central del motor de combustión. La prioridad es producir un diseño óptimo para lograr el rendimiento termodinámico más favorable, es decir, una combustión lo más completa posible del combustible. El hecho de que esto no ocurriera con el motor Wankel, o incluso que no pudiera suceder, se manifestó inicialmente en un alto consumo de combustible y más tarde, aún más públicamente y confirmado oficialmente, en las dificultades para cumplir las todavía bastante moderadas normas sobre emisiones de gases de escape para los turismos debido a la elevada proporción de hidrocarburos no quemados: fue este defecto de nacimiento en el motor Wankel, su incapacidad para ofrecer una cámara de combustión óptima, lo que responsable de su rápida desaparición y no las sugerencias constantemente repetidas de problemas mecánicos".

Debido a la forma de su cámara de combustión, en un motor rotativo la combustión se produce lentamente. Esto significa que una gran cantidad de combustible no se quema. En un Estados Unidos preocupado por el combustible y las emisiones (una vez más, el mercado automovilístico más importante del mundo en ese momento) esto simplemente no funcionó. Mercedes finalmente abandonó el Wankel, al igual que todos excepto Mazda. La compañía de Hiroshima había gastado tanto en tecnología que probablemente no quería eliminarla de plano, y durante los años setenta y ochenta, Yamamoto ascendió de rango, defendiendo el Wankel en el camino.

No es que no hubo algunos momentos de gloria después de que la fiebre rotatoria se calmó. El Mazda RX-7 dio al rotativo su mejor hogar y se convirtió en un éxito de ventas inesperado. La burbuja económica de Japón dejó a los fabricantes de automóviles llenos de efectivo a mediados y finales de los años ochenta, y Mazda invirtió aún más dinero en el Wankel, dándole una especie de renacimiento. Estaba la potente unidad biturbo del RX-7 de tercera generación, el exclusivo tres rotores del Eunos Cosmo GT y, por supuesto, el mejor de todos, el cuatro rotores del 787B ganador de Le Mans. . Hasta el día de hoy, el 787B sigue siendo el único automóvil sin pistón que ha ganado la gran carrera, y probablemente seguirá siéndolo.

Mazda creó un nuevo rotativo, el Renesis, para el auto deportivo RX-8 en 2003, aunque incluso con toda la retrospectiva de décadas de desarrollo de Wankel, estaba plagado del mismo tipo de falta de confiabilidad, consumo de petróleo e ineficiencia que sus predecesores. . El RX-8 fue cancelado en 2012, aunque Mazda mantuvo un equipo trabajando en el desarrollo de Wankel y, a principios de este año, la compañía lanzó una versión de su MX-30 EV con un extensor de rango giratorio de 0,8 litros. Incluso con un motor rotativo a la venta hoy en día, aunque no en Norteamérica, es difícil ver que este tipo de motor regrese. Mazda es la única empresa con el conocimiento institucional para construir un motor rotativo, pero como todos los demás fabricantes de automóviles, tiene que centrar sus recursos en motores de combustión interna y sistemas de propulsión puramente eléctricos para el mercado masivo.

En retrospectiva, es 20:20, y en los años sesenta, cuando el gas era barato y el aire estaba sucio, es fácil ver por qué la rotativa de Felix Wankel podría haber proporcionado una mejor manera de avanzar. Es sólo que el mundo cambió y la combustión interna de pistón alternativo demostró ser más versátil de lo que Wankel y cualquier otro acólito rotativo hubieran pensado. Todo ese tren de válvulas es complejo y lidiar con esas fuerzas recíprocas es difícil, pero podría hacerse de manera económica, eficiente y lo suficientemente limpia para satisfacer a los fabricantes de automóviles, clientes y reguladores.

Entonces, como dijimos en 1960, resultó ser un "fuego fatuo", pero de gran fascinación, y que aseguró un futuro para Mazda. Somos mejores por eso.

Chris Perkins, entusiasta de los automóviles desde la infancia, es un nerd de la ingeniería de Road & Track y apologista de Porsche. Se unió al personal en 2016 y desde entonces nadie ha encontrado una manera de despedirlo. Estaciona un Porsche Boxster en la calle en Brooklyn, Nueva York, para horror de todos los que ven el auto, incluido el propio autor. También insiste en que no es una persona convertible, a pesar de tener tres.

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