Remote rotor temperature measurement system for advanced tuning of Wankel rotary engines

At the forefront of modern propulsion systems, the Wankel rotary engine stood out for its high power-to-weight ratios and fuel versatility against traditional combustion configurations. However, challenges such as apex seal wear and fuel efficiency concerns tempered its widespread adoption. Nowadays, the concept has been dusted off in the automotive and aeronautical sectors, facing the prior design issues to exploit the related benefits. Recognizing the critical role of thermal monitoring in powertrain tuning, this research endeavour seeks to design and test a novel measuring system that captures real-time temperature data of the rotor during its dynamic operation, with the final purpose of optimizing the emissions, performances and longevity. Among the principal remote sensing techniques sifted, including thermochromic paints, infrared thermography, ultrasonic waves and piezoelectric oscillators, the inductive-capacitive (LC) passive resonator loomed up for compactness and resilience: the interdigital capacitor was employed as the sensing element, while the inductor coil was interrogated through magnetic coupling with a vector network analyser (VNA) to wirelessly extrapolate its temperature-dependent resonant frequency. Based on dynamic and thermal experimental campaigns, aimed to optimize the design and perform its calibration, a reliable and accurate gauging framework was achieved. Noteworthy, this results in detecting temperatures up to 300 °C with a resolution below 1 °C, addressing an existing literature gap about high-speed rotating components information extraction, and representing also a promising approach for extensions to further non-contact monitoring applications in harsh conditions. The first avenue for future investigation should be the system implementation on the Wankel test bench, which is already an ongoing project based on the carried-out investigation, targeted towards the patent application.

Nel panorama dei moderni sistemi di propulsione, il motore Wankel si è sempre distinto rispetto alle tradizionali configurazioni a combustione interna per i rapporti peso-potenza vantaggiosi e la versatilità nell’utilizzo di carburanti differenti. Tuttavia, aspetti quali l’usura eccessiva delle guarnizioni rotative e l’elevato consumo di carburante ne hanno limitato l’utilizzo su larga scala. Recentemente, il concetto è stato però rispolverato in ambito automobilistico e aeronautico, risolvendo le principali problematiche per sfruttarne i potenziali vantaggi. Dato il ruolo chiave del monitoraggio termico in funzione della messa a punto delle unità propulsive, il seguente lavoro di ricerca si propone di progettare e testare un sistema di misura innovativo che rilevi in tempo reale la temperatura del rotore durante il moto, con lo scopo finale di ottimizzare emissioni, prestazioni e affidabilità. Tra le tecniche vagliate, quali le vernici termocromiche, la termografia a infrarossi, le onde ultrasoniche e gli oscillatori piezoelettrici, alla fine la scelta è ricaduta sui risonatori passivi induttivi-capacitivi (LC) date le caratteristiche di compattezza e resistenza: in particolare, è stato adottato un capacitore interdigitale come elemento sensitivo, mentre il collegamento con una bobina ne ha permesso l’interrogazione a distanza tramite accoppiamento magnetico con un analizzatore di impedenza (VNA) per estrapolarne la frequenza di risonanza, valore direttamente correlabile alla temperatura. In seguito a simulazioni del transitorio dinamico e prove termiche alle reali condizioni operative, volte a convergere alla soluzione ottimale ed eseguirne la calibrazione, è stata raggiunta un’architettura strumentale accurata e affidabile. L’esito cardine delle campagne sperimentali è la capacità di cogliere variazioni di temperatura inferiori al grado Celsius, per valori fino a 300 °C, contribuendo a colmare una lacuna letteraria riguardante l’estrapolazione di metriche da componenti rotative sottoposte a elevate velocità. Inoltre, tale metodologia si rivela promettente per estensioni a ulteriori contesti di monitoraggio remoto in ambienti ostili. Sviluppi futuri dovrebbero focalizzarsi sull’implementazione finale del progetto al banco prova e la relativa brevettazione, un investimento già in corso d’opera sulla base della seguente indagine.