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Motore rotativo LiquidPiston: il Wankel invertito

Un'impresa americana lavora a un termico in grado di combinare i cicli Otto, Diesel e Atkinson, puntando a efficienze del 45%

Un’azienda del New Jersey è al lavoro su alcuni prototipi di un motore termico atipico, con un’architettura che rompe gli schemi tradizionali. LiquidPiston, questo il nome della realtà statunitense, propone un motore a combustione particolarmente leggero e compatto, che nel campo della mobilità potrebbe diventare rilevante sui veicoli ibridi nel ruolo di range extender, ma che all’occorrenza può essere scalato fino a potenze di mille cavalli. Partendo dalla struttura di base di un rotativo, il propulsore ne eredita altri vantaggi, tra cui l’assenza di valvole e altre parti mobili ausiliarie.

Allo stesso tempo LiquidPiston mette mano ai problemi tipici dei motori rotativi, proponendo una nuova architettura che la stessa azienda presenta come “un Wankel invertito”. La prima sovversione risiede nelle geometrie: il motore è provvisto infatti di uno statore triangolare e un rotore a due lobi, contrariamente al Wankel in cui invece è lo statore ad avere una forma bilobata mentre il rotore presenta un contorno triangolare. Un’altra inversione risiede nei processi di ricambio d’aria. Nel Wankel infatti le porte di aspirazione e scarico sono ricavate all’interno dello statore, mentre LiquidPiston sposta tutto all’interno del rotore.

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Si tratta di una differenza sostanziale che conduce all’ultima grande novità. Le camere di combustione delle unità Wankel ruotano assieme al rotore, mentre nel rotativo americano queste restano circoscritte ai tre “vertici” del triangolo ricavato nello statore. In questo modo si viene a presentare una maggiore libertà per controllare le diverse fasi, estendendo la fase di espansione rispetto a quella di compressione per massimizzare il lavoro utile della combustione, sulla base del principio che governa il ciclo Atkinson.

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Il funzionamento
Nel prototipo di LiquidPiston un flusso d’aria attraversa il motore lungo il suo asse. Gran parte di questo flusso passa il motore da parte a parte ed è utile al suo raffreddamento, ma una frazione dell’aria viene incanalata all’interno dell’albero al motore. L’aria di aspirazione viene così recapitata di volta in volta nelle singole camere di combustione incontrate durante la rotazione del rotore.

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A quel punto, in maniera analoga a quanto avviene nelle unità Wankel, il movimento del rotore comprime ed espande le camere di combustione, realizzando le fasi di compressione, combustione ed espansione. A questo punto i gas combusti defluiscono in un secondo condotto di scarico ricavato nel rotore, quando questo incontra la singola camera di combustione durante la sua rotazione.

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LiquidPiston sottolinea come il proprio motore conservi i vantaggi di compattezza, leggerezza, semplicità e bilanciamento tipici dei rotativi. Rispetto al Wankel però, il motore statunitense presenta camere di combustione con un miglior rapporto volume-superficie, migliorando la propagazione della fiamma e riducendo le dispersioni di calore alle pareti. Il vantaggio ultimo è la crescita dell’efficienza del motore. Inoltre, grazie alla forma bilobata del rotore, le guarnizioni tra le diverse camere di combustione sono alloggiate direttamente nello statore. Questo permette di lubrificare localmente l’area con accesso dallo statore, senza più la necessità di immettere olio in camera, riducendone il consumo rispetto a un Wankel tradizionale e abbattendo il trafilamento di gas da una camera all’altra di oltre tre volte.

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I prototipi al banco: benzina e diesel
Nei laboratori della LiquidPiston si testano due prototipi differenti. Uno di questo è l’X-Mini, unità a benzina a quattro tempi a iniezione indiretta, che con i suoi 70 cc di cilindrata non va oltre i 2 chilogrammi di peso. Grazie a un rapporto di compressione di 9:1, la potenza massima è di 3.6 cavalli a 9000 giri al minuto, con un rendimento termico del 22%. Si stima però che, nella sua versione matura, il motore possa arrivare a 5 cavalli a 140000 rpm, con un rendimento del 25% e una potenza specifica di circa 71 cavalli/litro.

Vi sono poi i test sull’unità diesel, che lavora secondo il ciclo termodinamico brevettato HEHC, acronimo di High Efficiency Hybrid Cycle, che presenta caratteristiche tipiche dei cicli Otto, Atkinson e Diesel. L’accensione è spontanea, ma contrariamente ai motori diesel si va ad approssimare una combustione a volume costante, per poi seguire una fase di espansione prolungata se confrontata con quella di compressione. Allo stato attuale, il prototipo da 750 cc e 27 chili eroga 40 cavalli a 7000 giri al minuto, con un rapporto di compressione compreso tra i 16 e i 18:1. L’obiettivo ultimo però è scendere a 18 chilogrammi di peso e portare il rapporto di compressione a 26:1. Questo dovrebbe permettere di incrementare la potenza a 50 cavalli, innalzando l’efficienza termica dal 33 al 45%.

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Sia per l’unità a benzina che quella diesel è prevista la possibilità di scalarne la potenza, andando a variare spessore e diametro del rotore, oltre che aumentare il numero di rotori come visto anche sui powertrain Wankel di Mazda. Per le operazioni a carico parzializzato inoltre sono presenti strategie di controllo per disattivare in ordine alternato le accensioni nelle singole camere. Si tratta di una logica analoga al principio di disattivazione dei cilindri, che punta a ridurre il numero di camere attive per massimizzarne il carico e l’efficienza. Infine, LiquidPiston propone l’iniezione diretta di acqua in camera di combustione, sia con azione refrigerante che con l’obiettivo di aumentare la pressione interna per mezzo del vapore.

I possibili sbocchi
Tra i vantaggi citati da LiquidPiston, oltre a compattezza e leggerezza, spicca l’assenza di valvole e di un impianto di distribuzione, che aumenta l’efficienza meccanica e semplifica l’architettura, contenendo i costi di produzione. Grazie all’estensione della fase di espansione inoltre, la turbolenza nel flusso di scarico è notevolmente ridotta, eliminando la necessità di un silenziatore. Infine, al pari degli altri propulsori rotativi, le vibrazioni sono attenuate dall’ottimo bilanciamento complessivo, ma contrariamente ai Wankel il consumo di olio e i fenomeni di blow-by tra le camere sono sensibilmente ridotti.

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Le possibili applicazioni ipotizzate dall’azienda statunitense sono molteplici: range extender sui veicoli ibridi, generatori portatili, droni, veicoli da giardino, go-kart, propulsione navale e unità di potenza ausiliarie per barche e aerei. L’elettrificazione imperante nell’industria automobilistica scoraggia i grandi costruttori dall’investire su tecnologie che scardinano l’architettura ultracentenaria del motore termico, il cui futuro appare sempre più incerto. LiquidPiston però prosegue i test sui propri prototipi, in attesa di trovare uno sbocco commerciale per la sua invenzione.