En consonancia con dicha evolución en 1588 se tienen registros de la primera bomba de agua rotativa de Agostino Ramelli, seguido de numerosas nuevas concepciones en el siguiente siglo con Pappenheim en 1636 o de grandes científicos como Newton o Huygens con gran peso en la historia de la Física. Sin embargo, todas estas invenciones distan mucho de parecerse unas de otras, llevando consecuentemente a la gestación de una desconcertante variedad de posibles configuraciones de máquinas rotativas. Esto parece haber atraído y repelido al mismo tiempo a los ingenieros durante los siglos posteriores, impidiendo así el éxito temprano de los motores rotativos debido a las dificultades de diseño y la basta variedad de propuestas.
Parece de hecho en base a la gran cantidad de patentes del
siglo XVIII y XIX que los ingenieros e inventores creían que las deficiencias y
los problemas encontrados durante el desarrollo de sus máquinas rotativas se
debían quizás a errores de concepción, por lo que buscaron soluciones en
configuraciones nuevas y diferentes en lugar de superar los problemas
específicos a los que se enfrentaban. Así, la mayoría de las propuestas nunca
llegaron a tener el suficiente desarrollo como para convertirse en un invento
disruptivo y en muchos casos quedaban relegadas al ostracismo como en el caso
de Reuleaux en 1875. Este inventor llegó incluso a renegar de su propia
creación para no ver menospreciada su reputación.
A todo lo comentado sobre la basta variedad de máquinas incapaces
de tener un funcionamiento aceptable, se une el ostracismo mencionado que ha
implicado un gran escollo para los historiadores en su objetivo de documentar
dichas invenciones. Así, no es hasta el siglo XX cuando se logra tener un
registro y clasificación rigurosa de todas las distintas alternativas que se
han ido dando en la historia de las máquinas rotativas, así como de nuevos
diseños que podían desarrollarse en el futuro.
Felix Wankel y la primera clasificación de máquinas
rotativas
Con la entrada del año 1939 un ingeniero y escritor de la
revista científica “Engineer” realizó un exhaustivo análisis de todas las
patentes de máquinas rotativas existentes hasta el año 1910, alcanzándose la nada
desdeñable cifra de 2000 patentes. La situación tan dispersa de conocimiento
empezaba por tanto a ser preocupante llevando a ciertos investigadores a
plantearse la clasificación de los distintos modelos existentes hasta dicha
década de los años 30.
De esta forma, un joven autodidacta, que trabajaba para BMW
en el desarrollo de sellos y juntas de válvulas rotativas en el sector de la aviación,
empieza a realizar una ardua labor de recopilación de dichas patentes y genera
una clasificación que pudiera ser de interés para su empresa y el régimen Nazi.
El joven llamado Felix Wankel simpatizaba con el nacionalsocialismo y contaba
con cierta influencia en el sector del NSDAP encabezado por Gregor Strasser.
Gracias a esto Wankel pudo conseguir la aprobación por parte de BMW para la
gestación de una nueva máquina rotativa que pudiera sustituir a las máquinas de
pistones en 1934.
A pesar de la óptima evolución del proyecto gracias a sus
cuestionables influencias, la llegada de la guerra empezó a dificultar la
investigación de Wankel y en 1945 fue detenido por los aliados, con la
consecuente destrucción de todos sus inventos. Tras su estancia de unos pocos
meses en la cárcel, Wankel decidió recopilar toda la información que había
conseguido salvar y esconder en su casa de las distintas investigaciones que
había realizado antes y durante la 2ª guerra mundial. A su vez, para poder
ganarse la vida empieza a trabajar en varias empresas de retenes y juntas
cercanas a su casa hasta 1951.
Con la llegada de dicho año, se inicia una nueva etapa en su
vida que guarda muchas similitudes con la de muchos inventores de motores
térmicos del siglo XIX, como es el caso de Nikolaus Otto que tampoco contaba
con estudios de ningún tipo. Así, Wankel consigue reunir financiación por parte
de Goetze AG, dedicada a la fabricación de válvulas, segmentos, camisas y una
larga variedad de elementos del motor de pistones, para montar un centro de
desarrollo en el jardín de su propia casa. Gracias a esta fuente de ingresos muchas
de sus nuevas ideas empiezan a materializarse y consigue captar la atención de la
empresa NSU, la cual contaba ya con una historia bastante ecléctica en aquellos
años 50.
Fruto de esta nueva colaboración Wankel empieza a contar con una mayor financiación y un equipo de ingenieros a su cargo de la sección de investigación de NSU. Así, con la ayuda de ellos, Wankel pudo escribir un libro llamado “Máquinas de Pistones Rotativos” que en 1965 fue traducido al inglés por Richard Ansdale. Dicha obra contenía la primera clasificación exhaustiva de máquinas rotativas de la que se tienen registros, recopilando todas las configuraciones existentes hasta los años 50 y a su vez otras nuevas concepciones para futuras máquinas.
Dicha clasificación contaba con 3 grupos diferentes de
máquinas de pistones rotativos, las máquinas de rotación simple (SIM), las
máquinas de rotación planetaria (PLM) y las máquinas de pistón rotatorio (ROM).
Analizando las primeras de ellas, las SIM o DKM en alemán, todas sus partes
móviles giran a velocidades angulares constantes alrededor de sus propios
centros de gravedad, al girar a velocidad angular constante el eje de potencia
de la máquina. Este aspecto posibilita alcanzar un equilibrado natural cuasiperfecto, ya que ningún eje de rotación cuenta con aceleraciones
angulares y movimientos relativos. Por su parte, gracias a dicho equilibrado natural los rodamientos requeridos para la sustentación de los ejes de rotación
no han de contar con diseños complejos, algo idóneo en aplicaciones de altas
velocidades de rotación.
En lo que respecta a las PLM o KKM en alemán, todas las
partes móviles giran a velocidades angulares constantes y al menos uno de los
miembros móviles realiza una rotación planetaria constante, al girar a
velocidad angular constante el eje de potencia de la máquina. Es decir, algunos
elementos móviles giran sobre su propio centro de gravedad y además dicho
centro de gravedad se desplaza describiendo un círculo sobre otro centro de
rotación, exactamente lo mismo que hace la Luna respecto de la Tierra. Aunque
las partes en órbita pueden estar completamente equilibradas, las fuerzas
debidas a sus masas pueden requerir de un equilibrado primario, pero no se requiere en principio de un equilibrado secundario al no existir aceleraciones
angulares. Debido a esta peculiaridad ya sí se requiere de rodamientos más robustos que absorban dichas vibraciones y consecuentemente la velocidad de rotación de los ejes se ve limitada
por estos.
Finalmente, los ROM pueden subdividirse en aquellas unidades
que muestran características similares a las máquinas de rotación simple (SIM)
o muestran características similares a las máquinas de rotación planetaria (PLM).
En el caso de que el pistón o rotor cuente con un diseño de rotación simple,
este puede moverse a una velocidad angular variable y en el caso de
disposiciones de rotación planetaria puede orbitar a una velocidad angular
variable respecto al centro de rotación. Además, estos últimos pueden contar
con solo un modo de rotación o girar a una velocidad angular variable alrededor
de su propio centro de gravedad. En los casos en que el rotor gira solo a una
velocidad constante, al menos otra parte del mecanismo debe girar u orbitar a
una velocidad angular variable o incluso moverse en vaivén. Con todo ello, este
tipo de máquinas al contar con rotaciones de naturalezas muy dispares resulta
adecuado solo para demandas de velocidades bajas y medias, donde las vibraciones de segundo orden no son de extrema relevancia.
Bajo esta clasificación los diseños de la gran cantidad de
patentes existentes hasta los años 50 empezaron a situarse en uno u otro grupo,
ayudando a las empresas de fabricación de bombas y compresores a conseguir
sinergias entre productos cuya concepción no se veía relacionada. Por otra
parte, nuevas disposiciones empezaron a gozar de un mayor interés y no solo
para el equipo de Wankel y NSU, sino también décadas después para otros
inventores como Ralph Sarich y su motor orbital en la década de los años 70. En
la actualidad dicha clasificación, diseñada por un autodidacta carente de
estudios universitarios, no ha sido modificada y se sigue utilizando como referencia.
Avanzando hacia el primer SIM de NSU
Paralelamente a la creación de la clasificación mencionada,
el equipo de investigación de NSU se puso manos a la obra, encabezado por Felix
Wankel, para el desarrollo del primer motor rotativo diseñado por la empresa. La
configuración a elegir necesitaba contar con el sistema más simple en lo que a diseño
se refiere para reducir las dificultades de fabricación del primer prototipo,
siendo por tanto elegida la configuración SIM. Gracias a esto, los sellos y
juntas necesarios del nuevo motor no estarían sometidos a fuerzas de arrastre ni
de Coriolis al no existir movimientos relativos. También se compactaba y
simplificaba el motor al no necesitarse de ningún sistema de equilibrado,
permitiendo a este girar a unas revoluciones más altas.
De esta forma, tras la fase de fabricación y puesta a punto,
el primer motor rotativo de NSU fue presentado al público el 1 de febrero de
1957. El prototipo denominado DKM 54 fue probado en el laboratorio de motores
de la marca en Neckarsulm arrojando una potencia de 28,6 caballos a 17 mil rpm
con tan solo 125 cc. Con estos resultados, el futuro de esta configuración parecía
ser muy prometedora gracias al bajo peso, simplicidad de elementos y
compacidad. Aun así, unos cuantos detalles se habían de tener en cuenta en el
nuevo motor.
En primer lugar, el DKM como sus siglas en alemán indican es
un motor rotativo de rotación simple, por lo que todos sus componentes
sometidos a rotación requieren encontrarse en todo momento con velocidad
angular constante respecto a su centro de gravedad, para un régimen de
funcionamiento del motor concreto. Para lograr este objetivo se optó por una
configuración epitrocoidal con la utilización de un rotor interior y de un
rotor exterior. Así, se conseguía que en todo momento el rotor exterior, con la
cavidad en forma epitrocoidal, girase respecto de su propio eje de rotación a
velocidad constante y el rotor interior, con forma de triángulo equilátero,
girase de igual forma respecto de su propio eje de rotación.
Con dicha disposición de desplazamientos de los rotores, existía cierta excentricidad entre los centros de rotación de dichos elementos. Esto permitía que la velocidad del rotor interior fuera inferior a la del rotor exterior el cual permanecía en todo momento en contacto con el estator circular. A su vez, la división del espacio epitrocoidal en 3 zonas diferenciadas permitía que cada zona contase con su propio fluido de trabajo y pudiera darse una combustión en cualquier posición relativa entre los rotores. Esto plantea una gran dificultad, ya que nunca se puede conocer en qué posición concreta respecto del estator va a tener lugar una combustión, por lo que se hace necesario colocar una bujía en cada una de las tres zonas diferenciadas. Esto es, en cada flanco del rotor interior siendo un verdadero quebradero de cabeza el tratar de desmontar las 3 bujías en caso de necesidad de cambio de estas.
Por otro lado, si se tiene en cuenta que ambos rotores
estaban conectados al eje de potencia con una relación de transmisión entre
ellos de 2:3, se puede observar cómo cada rotación es independiente de la otra
en su aportación de velocidad. De esta forma, si el eje de potencia giraba a
mayor velocidad, cada rotor se repartía de forma constante dicha velocidad,
pero el par aportado por el motor era íntegramente otorgado por el rotor
exterior. El motivo de esto es precisamente la definición de par o momento
angular, el cual se formula como el producto vectorial de fuerza por distancia.
Si el rotor interior recibe la fuerza transmitida por cada una de las tres
zonas del espacio epitrocoidal cada vez que hay una combustión, dicho vector de
fuerza tiene dirección y sentido hacia el centro de rotación de dicho rotor,
por tanto, la distancia fuerza-centro es nula y con ello el momento angular
generado. Sin embargo, dicho vector de fuerzas no atraviesa el eje de rotación
del rotor exterior, distanciándose dicho vector respecto a dicho eje una
distancia constante e igual a la existente entre los ejes de rotación de los
dos rotores. De esta forma, el momento aplicado no es nulo y el rotor exterior
transmite dicho par al eje de potencia.
Si se sigue analizando este comportamiento, se puede ver que
si el rotor interior realiza dos revoluciones el exterior realiza 3 y por tanto
el motor aporta par al eje de potencia cada tercio de vuelta girado por parte
del rotor interior. Es decir, el DKM 54 realiza una combustión cada media
vuelta del eje de potencia, eso es una gran ventaja ya que el motor cuenta con
el doble de combustiones por vuelta que un motor de pistones de 2 tiempos y con
el cuádruple por cada dos vueltas frente a un motor de pistones de 4 tiempos.
Así, el DKM consigue unos niveles de potencia específica más altos que un motor
de pistones.
Analizado todo lo que respecta a la parte mecánica, otro de
los puntos débiles de este diseño pasa por las juntas y sellos que existen
entre los distintos componentes sometidos a rotaciones. Por ello, tanto el
rotor exterior en contacto con el estator como el rotor interior en contacto
con el rotor exterior requieren de un diseño optimizado de lubricación y de
estanqueidad. Cobra así especial atención la demandada por las juntas del rotor
interior dado que se encuentran sometidas a una mayor temperatura y presión alcanzadas
en las combustiones que tienen lugar.
Con todo ello, el nuevo motor contaba con grandes ventajas
en lo que a peso, simplicidad y potencia se refiere, pero con problemas
difíciles de solventar ligados al encendido, lubricación y diseño de los
diferentes sellos. Como consecuencia de estas últimas vicisitudes, uno de los
miembros del grupo de investigación de NSU, el doctor Walter Froede, trató de
resolver y simplificar el diseño del nuevo motor DKM 54 llevándole a desarrollar
el primer motor rotativo de rotación planetaria de NSU.
La apuesta por el KKM frente al DKM
Aunque el nuevo motor PLM vio la luz en 1958, las esperanzas puestas en el DKM 54 seguían siendo predominantes. Una buena prueba de ello pasa por la financiación e interés de Curtiss-Wright para el desarrollo de los RC1-60 en el campo de la aviación, permitiendo a NSU publicitar que sus nuevos propulsores podían suplantar a los motores radiales en el mundo aeronáutico. Desde luego, las altas revoluciones a las que estos pueden trabajar y su sencillo equilibrado lo convertían en el candidato idóneo para la propulsión de hélices. Sin embargo, no era oro todo lo que relucía…
Si bien es cierto que se llegaron a desarrollar hasta 4 motores DKM,
pero con el tiempo la reducción de componentes y partes móviles de los nuevos
KKM de NSU terminaron enterrando la idea de continuar utilizando la disposición SIM. Así, los motores rotativos de rotación planetaria permitían eliminar la
utilización de dos rotores y fijar de esta forma en el estator el espacio
epitrocoidal en el que se produce el movimiento del triángulo equilátero. A su
vez, la nueva configuración no requería de la utilización de un encendido
complejo con bujías en el interior del rotor. En su lugar cada etapa del ciclo
de 4 tiempos tenía lugar en una localización específica del motor y por tanto
se posibilitaba el emplazamiento de una única bujía en el estator. La
lubricación y la refrigeración reducían también su complejidad y el
acoplamiento del eje de potencia se simplificaba al contar con únicamente un
cigüeñal unido al rotor mediante un engranaje.
Parecía con estas ventajas y simplificaciones frente al SIM
que el nuevo motor resultaba no solo más económico de fabricar sino también más
efectivo y práctico. A pesar de ello, se han de destacar ciertas desventajas
ligadas al mero hecho de optar por un diseño PLM. La rotación del rotor en este
caso estaba sometida a movimientos relativos y consecuentemente los distintos
sellos y juntas soportaban fuerzas de arrastre y de Coriolis de relativa
importancia. Este fenómeno implica la necesidad de un reforzamiento en la
elasticidad y resistencia de los elementos encargados de garantizar la
estanqueidad entre cada una de las 3 zonas en las que se divide el espacio
epitrocoidal. A su vez, la presencia de movimientos relativos trae consigo la
necesidad de implementar algún sistema de equilibrado primario con contrapesos,
incrementando de esa forma el peso del cigüeñal.
En lo que respecta a la potencia específica, se ha de tener en cuenta la transmisión de par entre el rotor y el cigüeñal mediante la utilización de dos ruedas dentadas excéntricas. Dicho engranaje contiene un mayor número de dientes en la rueda unida al rotor respecto de la rueda unida al cigüeñal permitiendo una relación de transmisión de 2:3. Gracias a este diseño un giro de 90º del rotor implica un giro de 270º del cigüeñal y si una combustión tiene lugar cada 90º, una combustión en el motor tiene lugar cada 270º del cigüeñal. De esta forma, la potencia específica se reduce respecto del SIM y más si cabe si se recurre a una disposición en serie de varios rotores. Mientras en el SIM el acoplamiento de las parejas de rotores al eje de potencia se realiza con un único sistema de engranajes, en el PLM se requiere del mecanismo excéntrico en cada rotor. Todo esto, unido a las necesidades de contrapesos para garantizar el equilibrio primario en el PLM, conlleva una reducción notable de la potencia específica frente al DKM 54, aunque sigue siendo destacable frente a la de un motor de pistones.
Teniendo en cuenta todas las especificaciones descritas, el nuevo prototipo de 1958 denominado KKM 125 contaba con un único rotor de 125cc desarrollando 27 caballos a 10 mil rpm. Estas cifras demuestran la ligera reducción de potencia respecto del DKM 54, pero constataban una importante reducción de elementos móviles y de peso tal y como se ha comentado. Sin embargo, había ciertos elementos que no sufrieron modificaciones respecto del diseño del SIM y no solo en lo que a configuración epitrocoidal se refiere. A pesar de que las distintas juntas y sellos del motor estaban sometidas en esta ocasión a fuerzas de arrastre y de Coriolis, el equipo de investigación de NSU no realizó ninguna modificación de diseño en ellas ni en los materiales de estas. Ante todo, la marca encaraba el futuro de este motor con bastante entusiasmo, pero el problema de los sellos y su estanqueidad va a ser su primer quebradero de cabeza y lo peor de todo… El clavo ardiendo al que se agarraron, e injustamente se siguen agarrando, todos sus detractores.
El motor rotativo de rotación planetaria frente al de
pistones
Desarrollados todos los criterios técnicos del motor
rotativo gestado por Felix Wankel y el equipo de investigación de NSU, es
conveniente realizar una comparativa frente a los motores de pistones con los
que la marca teutona pretendía rivalizar. Antes de nada, se ha de tener en
cuenta en todo momento la situación coyuntural de la industria a finales de la
década de los años 50 e inicios de los años 60. Desde luego la posguerra y la
tensión mundial debida a la Guerra Fría no era un escenario muy proclive al cambio,
pero a su vez es el mejor momento en el que recurrir a ideas que puedan
resolver los problemas de la gente de forma más sencilla y económica.
Enfocándonos en este aspecto mencionado, cabe destacar que
los motores rotativos y las turbinas de gas comparten ese objetivo por mejorar
la eficiencia frente al motor de pistones. Así, la reducción de peso y espacio
cobran vital importancia saliendo victorioso el motor diseñado por Wankel y
NSU. Más si cabe si se tiene en cuenta la enorme cantidad de elementos
mecánicos de los que se prescinde en los motores rotativos, desde todo el
sistema de distribución con sus árboles, balancines, varillas, válvulas, tapas
de balancines, cadenas de distribución y un largo etcétera, al sistema biela-manivela
y su unión al cigüeñal. En definitiva, una larga cantidad de elementos que
incrementan los costes de fabricación de los motores y reducen su eficiencia
mecánica por las pérdidas de rozamiento y de par aportados por el motor a la
distribución. A su vez, todos los problemas de mantenimiento, lubricación y
desgaste de la distribución desaparecen en su totalidad.
En el plano de la eficiencia energética, si bien es cierto
que tanto los motores KKM de NSU como los motores de pistones describen ciclos
termodinámicos muy similares donde las diferencias se centran en la
utilización de lumbreras frente a las válvulas. Este aspecto modifica las
etapas de admisión y escape frente al ciclo de Nikolaus Otto y de Rudolf
Diesel, pero los detalles que ello implica en la eficiencia no son de extrema
notoriedad. Sin embargo, si es destacable la ventaja con la que cuentan las
cámaras hemiesféricas de los motores de pistones, las cuales permiten una combustión
muy bien aprovechada por la superficie de la cabeza del pistón. Los KKM por su
parte a pesar de contar con una cavidad en cada uno de los 3 flancos del rotor
donde se produce la combustión frente al estator, no consiguen garantizar una cámara
lo suficientemente eficiente como para equidistribuir de forma efectiva la
fuerza transmitida por la combustión al rotor.
Aun así, todo defecto se puede convertir en virtud y es que
dicha cámara de combustión tallada en los flancos del rotor se puede optimizar para
mejorar la distribución de presiones sobre el triángulo equilátero. Gracias a
esto, se pueden alcanzar regímenes de compresión de 8:1 a 9:1, muy similares a
los de la mayoría de los motores de pistones de dichas décadas de los años 50 y
60. Sin embargo, el motor Diesel y las cámaras de motores de gasolina de mezcla
estratificada de finales de los años 90 destacan de forma muy notable con su
eficiencia energética gracias a compresiones de hasta 20:1. A pesar de esto, el
motor rotativo cuenta con la ventaja de permitir la utilización de gasolinas de
menor índice de octanos gracias a su inferior relación de compresión. De hecho,
durante los años 60 NSU experimentó con gasolinas de menos de 50 octanos en sus
motores KKM sin reportar problemas de combustión.
Otro de los aspectos de notoria importancia en un automóvil
pasa por la necesidad de garantizar unas condiciones óptimas en lo que a
comodidad se refiere. Los distintos diseños de suspensiones en función de las
características del vehículo cobran un importante peso para alcanzar dicho
objetivo, pero siempre hay ciertos detalles que se tratan de minimizar para
simplificar la suspensión del vehículo. De esta forma, la reducción de la masa
no suspendida o el aislamiento de las vibraciones del motor del resto del
chasis son algunos de los puntos más importantes a tener en cuenta. Es aquí por
tanto donde de nuevo con contundencia el motor rotativo registra unos niveles
de ruido y vibraciones mucho más reducidos que el motor de pistones, ya que la
masa alternativa se ve sustancialmente reducida y con ella las inercias relacionadas con el equilibrado secundario.
Aunque al igual que con la turbina de gas el motor rotativo garantice un régimen de funcionamiento sin vibraciones, se ha de tener en cuenta la aparición de ciertos tirones que tienen lugar al utilizarse el motor como freno. En dichas circunstancias en las que los motores se encuentran sobrerrevolucionados se puede observar en el caso de los motores de pistones que la mezcla en muy raras ocasiones llega a registrar una combustión hasta que no se reducen las revoluciones del motor a valores cercanos a 2500 vueltas. Este aspecto reduce de forma notable las vibraciones del motor de pistones y al mismo tiempo aumenta su capacidad de actuación como freno motor. El KKM por su parte si registra más combustiones de la mezcla a revoluciones por debajo de las 7000 vueltas, llegando a registrarse ciertas vibraciones o tirones debido a este aspecto a la par que se registra un freno motor notablemente inferior. Por suerte la implementación de un convertidor de par o un sistema de inyección que corte el suministro de gasolina al dejar de acelerar puede fácilmente erradicar dichos problemas.
Unido a esta solucionable desventaja del freno motor se encuentra una gran ventaja ligada a las emisiones de estas máquinas rotativas, ya que se registra en dichas
condiciones una notable reducción de hidrocarburos gracias al
mayor número de combustiones que tienen lugar. En el resto de los puntos de
funcionamiento, debido a la poco eficiente forma de la cámara de combustión, la
formación de CO e hidrocarburos es superior a la de los motores de pistones,
dado que en los extremos de la cámara no llega a producirse la deflagración
completa de la mezcla. Este aspecto se podría mejorar con la utilización de un
sistema de doble encendido, en el que una primera bujía se encargue de iniciar
el frente de llama entorno a ella y posteriormente unas milésimas de segundo
después salte la chispa en la bujía restante para terminar de deflagrar los restos de
mezcla sin quemar.
En lo que respecta a las emisiones de gases contaminantes
como el NOx, la configuración de los motores rotativos es idónea para reducir
la temperatura de combustión frente al motor de pistones. Esto reduce la
cantidad de nitrógeno del aire y del combustible que reacciona con el oxígeno
para formar óxidos de nitrógeno. El motivo por el cual se reduce la temperatura
pasa por el mero hecho de que cada tiempo del ciclo de 4 tiempos tiene lugar
única y exclusivamente en un lugar específico del motor, lo cual permite que la
mezcla en la admisión se encuentre siempre a una temperatura inferior frente a
un motor de pistones. Este aspecto también mejora el rendimiento volumétrico de
forma notable y consecuentemente ayuda a un aumento de la potencia del motor.
Sin embargo, cabe destacar que el diseño del sistema de refrigeración ha de
estar planteado teniendo en cuenta la diferencia de temperaturas que existe
entre cada una de las partes del motor y garantizar que la zona de la carcasa
lateral y del estator cercana a las lumbreras de escape y de admisión no cuente
con un fuerte gradiente térmico.
En lo que concierne a las prestaciones ya se ha comentado la
mejora que suponen los motores rotativos frente a los de pistones en lo que a
potencia específica se refiere. Así el KKM 502 muestra con tan solo 996cc y 54
caballos valores de potencia similares a los de un motor bicilíndrico bóxer
como el del Panhard Dyna Z de 851cc y 42 caballos. El motivo de la elección de
este último motor para la comparativa yace en su alta eficiencia energética y
mecánica frente al resto de motores de 2 cilindros de 4 tiempos de los años 50
y 60. A su vez, se ha escogido un motor bicilíndrico porque precisamente en
ellos tiene lugar una combustión en cada vuelta del cigüeñal, acercándose a los
270º del motor rotativo de un solo rotor. Con esto se define por tanto la
equivalencia de un rotor de un motor rotativo por cada 2 cilindros en un motor
de pistones, siempre que las cilindradas de ambos ejemplos sometidos a comparativa
sean similares.
Otro aspecto por considerar en lo que a potencia se refiere
pasa por la forma en la que esta se entrega. Para poder abordar este aspecto se
ha de tener en cuenta que la potencia se define como el producto del par por la
velocidad angular y por tanto los valores más altos de potencia se registran en
la zona que comprende el par y la velocidad máximos de funcionamiento del motor.
Si nos centramos en esta última los motores de pistones suelen limitar sus
velocidades de rotación del cigüeñal en el entorno de las 5 mil a 6 mil rpm para
evitar problemas de rotura del cigüeñal e incluso golpes de la cabeza de los
pistones con las válvulas. Los motores rotativos por su parte consiguen llegar
a velocidades máximas de rotación cercanas a las 6-7 mil rpm, por lo que su
punto de potencia máxima se produce a una velocidad mayor respecto de los
motores de pistones.
Por otra parte, la curva de par motor del motor rotativo se
ve lastrada por la corta distancia entre el eje de rotación del cigüeñal y el
del rotor, frente a la mayor distancia entre el brazo y el eje de
giro del cigüeñal. A su vez, se ha de tener en cuenta el momento en que se
entrega dicho par máximo y la homogeneidad a la que este se entrega. Por ello
se han realizado comparativas ya en los años 60 de distintos motores KKM y de
pistones registrando los primeros una entrega del par máximo a velocidades cercanas
a un 60% de la velocidad máxima frente al 65% en el caso del motor de pistones.
Este resultado lo que demuestra es que los rotativos permiten alcanzar el par
máximo antes que un motor de pistones, pero con respecto a su propio régimen de
funcionamiento. Así, el KKM requiere coger más velocidad para alcanzar su par
máximo frente al motor de pistones, llegando únicamente este último a las 6 mil vueltas
de velocidad máxima del cigüeñal.
En lo que concierne a la homogeneidad del motor rotativo, se
ha de tener en cuenta que en propulsores monorrotores la continuidad en la
entrega de par en cada ángulo del cigüeñal es similar a la de un motor de 2
cilindros. A consecuencia de esto la gráfica resultante de un bicilíndrico es bastante
poco homogénea requiriéndose disposiciones de 4, 6 o incluso 8 cilindros para
conseguir un par más constante. De igual forma, el aumento del número de
rotores en los KKM permite ayudar a homogeneizar el par y consecuentemente la
respuesta del motor a bajas revoluciones. Teniendo en cuenta todos estos
aspectos relacionados con el par resulta más que evidente que la
estigmatización de los motores rotativos sobre su reducido par motor es en
parte injustificada y a la vez solucionable con la implementación de la
sobrealimentación o un mayor número de rotores.
Sin embargo, las dos mayores estigmatizaciones del KKM están
ligadas a su consumo y a su fiabilidad. En lo que respecta a la primera, la
dificultad de garantizar una combustión cuya presión y temperatura se
distribuya de forma homogénea sobre cada flanco del rotor pasa factura al motor
rotativo y su eficiencia energética, pero las ventajas de una admisión más fría
y menor cantidad de elementos que requieren de la energía del motor para su
funcionamiento contrarrestan este problema. Por tanto, con todas las ventajas y
defectos comentados, el consumo frente a un motor de pistones con un valor de
prestaciones similares no es mucho mayor. Así en el campo de la automoción, birrotores
como el del Citroën GS Birrotor con cilindradas totales cercanas a 1990cc y niveles de
potencia cercanos a los 110 caballos alcanzan unos consumos muy similares, unos
14 litros a los 100 Km, a los de un Mercedes-Benz 230 w115 con 110 caballos de
potencia y un motor de 4 cilindros en línea de 2.3 litros también carburado y automático.
El problema del consumo por tanto aparece a la hora de
realizar comparativas desproporcionadas por parte de la prensa entre modelos
como el DS-23 de inyección electrónica D-Jetronic y ese mismo GS birrotor, dónde
la potencia del tiburón es claramente superior gracias a su inyección que
también le permite reducir levemente su consumo frente al birrotor. Ni que
decir tiene que compararlo con el motor bóxer de 4 cilindros disponible en el
resto de las versiones del GS y de menor potencia que el birrotor sería aún más
desproporcionado y carente de sentido. Aun así, gracias a su menor relación de
compresión la utilización de gasolinas de menor índice de octanos y por tanto
de menor precio también permite reducir el impacto monetario que pueda tener su
supuesto alto consumo. En definitiva, el San Benito de motor con elevado
consumo es totalmente injustificado.
En el campo de la fiabilidad, se ha achacado
continuamente la necesidad de reparar el rotor, los sellos y el perfil
epitrocoidal del estator a los KKM. Este fenómeno de desgaste tiene lugar
especialmente a altas revoluciones en las que gracias a la suavidad y carencia
de vibraciones el conductor no es consciente del sobreesfuerzo a
revoluciones superiores al límite de la zona de peligro del motor. La utilización de avisos como un
sonido al alcanzarse altas revoluciones para cambiar de marcha o la
implementación de cajas automáticas puede resolver este problema, produciéndose
los cambios de marcha sin incurrir en alargamientos innecesarios.
Aun así, los defectos de las primeras unidades KKM estuvieron
ligados al diseño incorrecto de los sellos y los materiales del estator, heredando
directamente el planteamiento de los DKM sometidos a un menor nivel de
esfuerzos como ya se ha comentado. Pero con todo ello… ¿Qué más defectos de
fiabilidad puede haber si el motor no cuenta con más elementos móviles? Y es
que precisamente esta es su mayor ventaja frente al mantenimiento que requiere
un motor de pistones en el cambio de correas de distribución, reglaje de
taqués, tensión de las cadenas de distribución, rotura de los árboles de levas,
desgaste de las guías de válvulas y un largo etcétera de elementos sometidos a
fricción y contacto.
Los primeros pasos del KKM
Teniendo en cuenta todas las virtudes con las que cuenta
esta nueva tecnología, es evidente que su desarrollo podía ser determinante en
ciertos sectores relacionados con la demanda de motores estacionarios en la
industria. Sin embargo, esta no fue la aplicación diana para la que fue diseñado
este motor dado que sus virtudes eran más aprovechables en el campo de la
movilidad y de la maquinaria que requiriese de motores no estacionarios. En
base a esta idea, ya se ha mencionado el interés que tuvo desde el principio la
empresa de aeronaves Curtiss-Wright en los motores DKM debido a su alta
revolución de giro y perfecto equilibrado.
A parte de dichos usos aeronáuticos, la marca NSU contaba en
su haber con una historia nada desdeñable en lo que a motocicletas y
automóviles se refiere. Por ello se hace evidente el pensar que la marca
teutona optase por implementar dicha tecnología en sus automóviles. De esta
forma, ya en la primavera de 1960 se tienen registros de los primeros NSU Prinz
III con motor KKM 250 de pruebas colocado en la parte trasera del vehículo en
posición transversal. A su vez, gracias a la buena prensa de Curtiss-Wright poco
a poco otras marcas de automóviles empezaron a tener interés en esta nueva
tipología de motores.
Así, marcas como Renault y AMC deciden unir fuerzas a
principios de la década de los años 60 en sus desarrollos en lo que a motores
rotativos se refiere. El objetivo fundamental que se marcaron pasaba por
conseguir un aumento de la relación de compresión, de forma que se pudiese
mejorar la eficiencia de la combustión y se consiguiese incluso recurrir a
otros combustibles como el gasoil. Para conseguir ambas metas se recurrió a una
configuración invertida respecto a la de NSU en la que era el rotor el que
contaba con un diseño epitrocoidal en lugar del estator. Paralelamente a este
desarrollo, otras empresas de motores también recurrieron a otras
configuraciones para conseguir desarrollar maquinas rotativas que siguiesen el
ciclo Diesel.
Así pues, la mayoría de dichas empresas trataron de
adentrarse en el campo de las máquinas rotativas sin contar con la participación
y la experiencia de quienes llevaban décadas detrás de esta tecnología. Se
repetía de esta forma el patrón que desde hacía siglos arrastraba este campo de
la ingeniería, no consiguiéndose reunir sinergias para tratar de desarrollar
motores fiables o incluso que lleguen siquiera a funcionar. A pesar de ello,
siempre hay luz en la oscuridad y en este caso esta venía desde Japón.
La situación de la empresa Toyo Kogyo, situada en Hirosima, no pasaba desde las bombas atómicas por su mejor momento y la política nipona no era desde luego el mayor aliciente, con restricciones en la mayor parte de los sectores comerciales en los que operaba la empresa. Por ello, el presidente de la compañía necesitaba un golpe de efecto que les permitiese potenciar su futuro a través del mundo del automóvil, sector en el que Toyo Kogyo tenía cierto nicho de mercado en la fabricación de utilitarios con motores de 2 tiempos. Conscientes de que la apuesta por los vanguardistas motores de NSU podían ser su salvación, la empresa consigue llegar a un acuerdo con la marca teutona para la fabricación y desarrollo de motores rotativos. Gracias a este nuevo hito ambas empresas empezaron a compartir sinergias y los nuevos aires traídos de Japón ayudaron a esta rupturista tecnología a remar en la dirección correcta. Con ello no tardaron en llegar los primeros automóviles que salieron al mercado tanto por parte de NSU como de Toyo Kogyo.
Con la llegada del mes de septiembre de 1963 NSU presentaba
en el Salón Internacional de Frankfurt su nuevo Wankel Spider con motor trasero
KKM 502 de un único rotor y 497cc. El motor contaba con una única bujía y era
una clara evolución del primer KKM diseñado por la marca en 1958. La
refrigeración por aire del motor prototipo pasaba en esta ocasión a ser por
agua con el radiador situado en la parte delantera del vehículo, en la cual
también se colocó el depósito de combustible.
Por otro lado, un mes antes del Salón de Frankfurt, Toyo Kogyo presentaba su primer prototipo también en un coupé descapotable bajo el nombre de Mazda Cosmo, el cuál contaba con un motor delantero de 2 rotores refrigerado por agua y 982cc. Dicho motor fue una clara evolución del KKM 400 desarrollado en colaboración con NSU en 1961, pero contando con la novedad de la implementación de un nuevo diseño de sellos de punta y laterales del rotor. Con todo ello, el motor alcanzaba los 110 caballos superando en 50 caballos al monorrotor del Wankel Spider.
A pesar de las cifras del nuevo Mazda frente al Wankel Spider, el Cosmo no salió al mercado hasta 1967 justo el año en que dejó de venderse el NSU. Así, aunque el nipón se presentó en 1963 como una alternativa mucho más eficiente y evolucionada que el alemán, fue este último el que se llevó el título de primer automóvil en salir al mercado contando con un motor rotativo y con ello los riesgos que ello supone… El problema de esto es que el destino y la historia rara vez premian a alguien por sus méritos si no cuenta con el beneplácito de quien controla el relato en el presente. En todo caso, queda mucha historia por ser contada…
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