Wankelov motor

Wankelov motor je po konštrukčnej stránke rotačný spaľovací agregát s krúživým pohybom piestu, ktorý používa rotačné usporiadanie k prenosu tlaku na rotujúci pohyb (klasický spaľovací motor využíva na prenos tlaku expandujúcej zápalnej zmesi vratného pohybu piestu). Jeho štyri cykly sa odohrávajú v priestore medzi vnútrom oválne-epitrochoidne tvarovaného základu a trojvrcholovým rotorom-piestom, ktorý je podobný Reuleaux-ovmu trojuholníku, ale s hladšími stranami. Táto konštrukcia jednoducho zabezpečuje vysoko otáčkový výkon pri kompaktných rozmeroch.

História

Za tvorcu rotačného spaľovacieho motora je považovaný nemecký konštruktér Felix Wankel. Myšlienka rotačného motora však vznikla dávno predtým. Za prvý seriózny pokus o vytvorenie rotačného motora môžeme považovať parný stroj JF Cooleyho, patentovaný v roku 1903. V roku 1908 upravil Angličan F. Umpleby tento motor na spaľovanie fosílnych palív. Ďalším zaujímavým vynálezom bol rotačný motor s vnútorným profilom skrine tvoreným šiestimi oblúkmi, ktorý patentovali švédski konštruktéri Walinderi a Skoog. V tomto motore vykonáva krúživý pohyb päťobloukový piest, čím je vytvorených päť pracovných komôr. Zaujímavosťou je, že tu zabezpečuje krúživý pohyb excentrický hriadeľ, tvar piestu a komory, bez použitia ozubených kolies. Najbližšie však smerom ku konštrukcii Wankelovho motora ako ho všetci poznáme bolo dúchadlo švajčiarskeho konštruktéra Bernarda Maillarda (1943), ktoré bolo založené na princípe predchádzajúcich motorov, ale s pomerom otáčok rotora a hriadeľa 1:3 s trojuholníkovým piestom. Pôvodne uvažoval vynálezca Maillard aj o využití tohto vynálezu ako spaľovacieho motora, ale zámer zlyhal kvôli ťažkostiam s utesnením rotora.

Felix Wankel a jeho spoločnosť  Wankel Versuchswerkstatten sa zaoberal problematikou utesnenie strojných súčastí, ktoré sa pohybujú v prostredí s vysokými tlakmi a teplotami. Po II. svetovej vojne, vďaka podpore nemeckých priemyselníkov, začal Felix Wankel intenzívne pracovať na motoroch s rotujúcimi piestami. Za kľúčové sa v tomto smere považuje spojenie vedúceho vývojového oddelenia firmy NSU Dr. Ing. Waltera Froedema s Felixom Wankelom v roku 1951. Od tohto roku sa väčšina vývoja a výskumných prác presunula k firme NSU. Od tohto roku sú aj prvé zmienky o vývoji rotačného motora s označením NSU (NSU Motorenwerke AG). Verejne začal svoj motor (Drehkolbenmotor) predstavovať v roku 1954 s označením DKM 54. Neskôr v roku 1957 bol premenovaný na Kreiskolbenmotor s označením KKM 57. Svoj prvý fungujúci protopyt DKM54 bol spustený 1. 2. 1957 vo výskumnom a rozvojovom stredisku (versuchsabteilung TX). Aj keď bol na patentovom úrade uvedený pre tento motor názov „motor s krúživým piestom“, najviac sa o jeho vývoj, rozvoj a výrobu zaslúžil Felix Wankel, a aj preto sa vžil vo verejnosti názov Wankelov motor. Po uvedení funkčného prototypu nastal veľký záujem a NSU predávala mnohé licencie novým majiteľom aj s funkčnými prototypmi motora. Po krátkom čase však nadšenie trocha ochladlo, keďže vyplávala na povrch stále ešte príliš krátka životnosť motora, nevhodná do reálnej prevádzky vozidiel. Vývoj trval ďalších 6 rokov, kým sa motor s krúživým piestom objavil v sériovom vozidle NSU Spider. Ale aj po tomto uvedení vystriedalo nadšenie rýchle sklamanie z nižšej životnosti motora. Vývoj však nespal, keďže v tej dobe sa na vývoji podieľalo už niekoľko zahraničných firiem.

Pre ďalší vývoj Wankelovho motora v Európe bol významným míľnikom zmluva medzi NSU a francúzskym Citroënom. Na konci spoločného vývoja stál automobil NSU RO 80 s pohľadnou a nadpriemerne presklenou karosériou. Poháňal ho dvojrotorový rotačný motor a nielen pre pokrokový Wankelov motor bol v roku 1967 vyhlásený európskym autom roka. Citroën uviedol svoje vozidlo až na jar roku 1974 s názvom GS Birotor. Automobily Citroën aj NSU využívali zhodný motor typu Comotor 624, vyrábaný v novo postavenom spoločnom závode v Artforweilu. Objem jednej pracovnej komory bol 497,5 cm³. Celý motor s výkonom 107 koní mal teda 995 cm³, čomu po vynásobení koeficientom 2 zodpovedal ekvivalentne zdvihový objem 1990 cm³. Zdalo sa, že Wankelov motor má všetky predpoklady stať sa zdatným konkurentom pre klasické piestové spaľovacie motory. V jeho prospech hovorila predovšetkým malá náročnosť na priestor, dobrá výkonová hmotnosť, hladký a tichý chod. Ani tento model však nebol bez problémov a v začiatkoch sa potýkal s veľkými problémami so životnosťou motora, ktorú sa podarilo predĺžiť na akceptovateľnú úroveň až v roku 1969. Po tomto čase sa výrobné linky rozbehli naplno a celkovo bolo vyrobených viac ako 40 000 kusov tohto modelu.

Začiatkom 70-tých rokov si zakúpilo licenciu viac ako 20 firiem. Napriek týmto povzbudivým číslám bol ďalší vývoj tohto modelu zastavený a postupne došlo prakticky k prerušeniu ďalšieho vývoja motora s krúživým piestom v podmienkach automobilky VW, ktorá NSU-Auto Union vlastnila. Rozhodnutie padlo v čase, kedy bol už vo finálnej fáze projekt 871, ktorý obsahoval rotačný motor s výkonom 125 kW. Automobilke VW sa nepozdával veľmi dlhý vývoj motora a taktiež spotreba. Postupne obľúbenosť vozidiel s Wankelovým motorom v Európe upadala, pričom hlavným dôvodom bola vysoká spotreba benzínu. Okrem vyššej spotreby robila producentom vrásky aj vyššia spotreba motorového oleja, čo malo vplyv na produkované emisie. Pomyselný klinec do rakvy dala na európskom a americkom trhu v roku 1973 ropná kríza. Aj kvôli týmto faktom sa hlavným výrobcom Wankelových motorov na svete stala japonská Mazda (Toyo Kogyo), ktorá do tej doby predala na 250 tisíc vozidiel. Mazda uzavrela licenčnú zmluvu o vývoji a výrobe s firmou NSU v roku 1961 a v roku 1967 uzrel svetlo sveta funkčný agregát. Tento motor preukazoval slušnú životnosť a v období medzi rokmi 1967 až 1979 sa vyrobilo vyše milión osobných áut Mazda s motorom licenčne vychádzajúcim od motora NSU-Wankel. V roku 1978 prišla Mazda s legendárnym športovým vozidlom RX-7, ktoré obsahovalo motor s krúživým pohybom piestu. Z prvej generácie (1978 až 1985), sa vyrobilo viac ako 500 000 kusov. Mazda nespala na vavrínoch a svoj motor vyvíjala ďalej, aby spĺňal prísnejšie emisné limity. V súčasnej dobe je jediným sériovo vyrábaným osobným automobilom s Wankelovým rotačným motorom práve Mazda RX-8. Jej motor RENESIS  získal v roku 2004 ocenenie „International Engine of the Year“ v kategórii s obsahom 2,5 l až 3 l.

Pre kompletnosť informácii treba uviesť aj ostatné firmy, ktoré sa vývojom a výrobou Wankelovho motora zaoberali, resp. zaoberajú. V Spojených štátoch to bola firma Curtiss-Wright, ktorá v roku 1959 na základe licencie od NSU uviedla motor s drobnými technickými vylepšeniami v základnej konštrukcii motora.Vo Veľkej  Británii v roku 1960 firma Rolls Royce Motor Car Division predávala dvojstupňovú naftovú verziu Wanklovho motora. Norton Motorcycles vyvinula vo Velkej Británii rotačný motor pre motocykle, ktorý bol založený na vzduchom chladenom Wankelovom motore Sachs, ktorý poháňal motorku DKW (Hercules W-2000). Suzuki vyvinulo tiež sériový motocykel RE-5 s Wankelovým motorom, kde sa využívalo tesnenie z feritovej zliatiny na sedlách ventilov. V roku 1971 až 1972 vyrábala firma Arctic Cat snežné skútre poháňané Wankelovým rotačným motorom s objemom 303 cm³ vyrábaným firmou Sachs v Nemecku. Firma Deere & Company navrhla verziu Wankelovho rotačného motora spaľujúceho rôzne palivá. Konštrukcia bola predstavená americkým ozbrojeným silám ako pohonná jednotka pre bojové vozidlá a iné vybavenie v 80-tých rokoch. Firmou NSU a Citroen bola založená v 60-tých rokoch firma Comotor, ktorá produkovala vozidlá s týmto typom motora. Po rokoch vývoja bolo prvé, Wankelovým motorom poháňané auto 1967 Cosmo. Spoločnosť pokračovala v produkcii mnohých vozidiel s Wankelovým motorom, vrátane autobusu a picku-pu. Aj z dôvodu ropnej krízy tento spoločný podnik veľký úspech nepriniesol a skrachoval.

Bokom neostali ani komunistickí vývojári a od roku 1961 začali sovietske výskumné organizácie NATI, NAMI a VNIImotoprom vývoj týchto typov motorov a vytvorili rôzne experimentálne motory, hlavne pre použitie v armádnom priemysle. Ďalším výrobcom avšak zo sféry sériovej produkcie  bola  sovietska automobilka AvtoVAZ-Lada. Vtedajšie KGB vyžadovalo rýchle vozidlo, avšak z domácej produkcie. Preto prišla do Lady požiadavka na vývoj špeciálnych výkonnejších verzií, ktoré by sa na prvý pohľad pôsobili ako bežné autá. V roku 1974 bola pre tento účel v automobilke Lada zriadená špeciálna konštrukčná kancelária (RPD – Rotary Piston Engine), ktorej hlavnou úlohou sa čoskoro stal vývoj rotačného spaľovacieho motora. Prvým produktom RPD bol rotačný motor s označením VAZ 311, ktorý zabudovali do štandardnej Lady VAZ 2101. Kompaktné rozmery jednorotorového motora umožnili jeho montáž medzi podbehy predných kolies bez výraznejších úprav motorového priestoru. Vznikol tak prvý typ VAZ 21018, ktorý ostal vo výrobe do roku 1978. Jeho rotačný motor mal objem 0,654 l a dosahoval maximálny výkon 51 kW pri 6000 ot/min oproti klasickému VAZ 2101, kde motor s obsahom 1,2 l mal výkon 44 kW pri 5600 ot/min. Napriek len mierne väčšiemu výkonu bolo vozidlo citeľne agilnejšie, keďže bolo ľahšie a motor mal viac sily vo vyšších otáčkach. Spotreba sa pohybovala okolo 12 litrov. V roku 1978 sa do malosériovej výroby dostal nový model VAZ 411. Motor mal dva rotory a výkon až 85 kW (115 k). Jediná nevýhoda bola veľká spotreba okolo 14-15 litrov benzínu. VAZ 21019 sa vyrábal ďalšie dva roky a jeho produkcia dosiahla 200 kusov.

V roku 1980 bola spustená výroba modelu VAZ 21059 vychádzajúca z modelu 2105, ktorý dostal pod kapotu známy motor VAZ 411 (tentoraz však pod označením „M“) s výkonom zvýšeným na 88 kW (120 k). Konštruktérom sa podarilo nielen zlepšiť dynamické parametre (0-100 km/h pod 10 sekúnd a max. rýchlosť 180 km/h), ale aj stlačiť spotrebu na prijateľných 10-11 litrov. V roku 1982 prišiel na scénu VAZ 21079 s motorom z VAZ 411 vyladeným na 96 kW (130 k) za použitia päťstupňovej manuálnej prevodovky. S rotačnými motormi boli vybavené aj Samary (VAZ 2108–91, VAZ 2109–91, VAZ 21099–91), ktoré obsahovali úplne nový dvojrotorový agregát VAZ 415, vyladený na 103 kW pri 6000 ot/min. Motor dosahoval krútiaci moment 186 Nm pri 4500 ot/min a Samaru dokázal rozbehnúť na 200 km/h (sedan dokonca na 210 km/h). Vďaka hmotnosti okolo 1100 kg takáto Samara akcelerovala z 0-100 km/h za 8 sekúnd. Podľa dostupných oficiálnych informácií automobilka Lada vo vývoji a samotnej výrobe Wankelových motorov stále pokračuje. Zatiaľ poslednými modelmi s dvojrotorovými motormi VAZ 415 sú Lady 2110 a 2115. Posledné evolúcie VAZ 415 dosahujú výkon úctyhodných 151 kW (206 k) a 176 kW (240 k). Výkonom 176 kW (240 k) sa môže pochváliť aj trojrotorový motor VAZ 426, ten je však určený výhradne pre letecký priemysel. O tom že ruskí inžinieri pristupovali k vývoju a výrobe Wankelových motorov naozaj vážne, svedčí ich výrazný postup v životnosti motora. Kým na začiatku bola udávaná životnosť max. 30 000 km, posledné motory už bez väčších problémov najazdili viac ako 100 000 km.

Wankelov motor však nepoháňal len vozidlá na pozemných komunikáciach. Výrobcovia experimentovali aj s využitím v leteckej doprave a prvým, Wankelovým rotačným motorom poháňané lietadlo bolo experimentálne Lockheed Q-Star civilnej verzie. Bolo poháňané 185 koňovým (138 kW) rotačným motorom s označením Curtiss-Wright RC2-60. Wankelov motor sa využíval aj ako energetická jednotka pre modely lietadiel, konkrétne model Graupner s motorom OS 49-PI a výkonom 947 W, obsahuje Wankelov motor s objemom 5 cm³ a okrem veľkého výkonu sa vyznačoval aj veľmi malou hmotnosťou, keďže celý komplet vážil len 380 g.

V súčasnosti rotačný motor pre prevádzku na pozemných komunikáciach najviac používa japonská automobilka Mazda (RX8) a v obmedzenej miere aj ruská Lada. V nedávnej minulosti ho Mazda upravila aj do dvojpalivovej verzie benzín/vodík a použil sa do vozidla Mazda RX-8 Hydrogen Renesis.

Princíp činnosti a konštrukcia Wankelovho motora

Nejeden z nás počul slovné spojenie kultivovanosť chodu alebo kultúra chodu. Stručne povedané, čím je lepšia, tým sa viac výrobcovi motora podarilo utlmiť vibrácie a kmitanie, ktoré vyvoláva zrýchľujúci a spomaľujúci pohyb piestu. Táto nevýhoda odpadá v prípade Wankelovho motora, keďže spomínané  časti motora konajú len rotačný pohyb. Rotačný piestový motor je trojkomorový tepelný stroj a jeho činnosť je oveľa jednoduchšia ako u klasického piestového spaľovacieho motora, pretože nemusí prevádzať priamočiary vratný pohyb pomocou kľukového mechanizmu. Jeho dve jediné pohybujúce sa súčasti konajú priamo pohyb rotačný. Tento motor sa skladá zo skrine trochoidálního tvaru, v ktorej krúži trojboký piest zložený z troch rovnakých oblúkových profilov. V miestach, kde sa stretávajú vrcholy oblúka, sú v drážkach radiálne tesniace listy. Medzi piestom a skriňou tak vzniknú tri izolované priestory. Tieto priestory sa rotáciou piestu nielen posúvajú v smere rotácie, ale zároveň periodicky postupne zväčšujú a zmenšujú svoj objem, čím konajú štyri klasické cykly, tj. sanie, kompresiu, expanziu a výfuk. Pri otočení piestu sa objemy komôr pravidelne zväčšujú a zmenšujú.

Krúživý pohyb piestu zabezpečuje veľké ozubené koleso s vnútorným ozubením, ktoré je umiestnené v jeho strede. Male ozubené koleso, do ktorého zaberá koleso piestu, je pevne pripevnené k veku skrine. Piest je valivý, uložený na výstredníkoch hriadeľa (kľukový mechanizmus). Os výstredníkov je od osi hriadeľa vzdialená o rozdiel rozstupu polomeru ozubenia malého a veľkého ozubeného kolesa. Rozvod obstaráva piest. Zmes vzduchu, benzínu a mazacieho oleja sa nasáva kanálom a po stlačení sa zapáli iskrou zapaľovacej sviečky. Po expanzii a vykonaní užitočnej práce odchádzajú spaliny do výfukového potrubia. Vnútro piestu je chladené olejom, skriňa a veko motora sú chladené vodou.

Vo všetkých troch komorách prebieha štvordobý cyklus postupne. Keď sa piest točí doľava, prebieha v komore 1. sanie zmesi paliva a vzduchu. V komore 2. prebieha súčasne kompresia. Na konci kompresie dochádza k zážihu. Potom tlakom rozpínajúcich sa plynov v komore 2. koná užitočná práca a piest uložený výstredne (excentricky) na výstupnom hriadeli sa otáča doľava. Piest sa pritom opiera svojím vnútorným ozubením o pastorok pevne spojený s bočnou časťou a prenáša silu pôsobiacich plynov cez excenter ako krútiaci moment na výstupný hriadeľ. Výstredníkový výstupný hriadeľ tak plní úlohu kľukového hriadeľa ako pri bežnom spaľovacom piestovom motore s priamočiarym vratným pohybom piestu a kľukovým mechanizmom. V komore 3. prebieha v tom čase expanzia (výbuch) a následne dochádza k výfuku. Za jednu otáčku piestu sa teda vykonajú tri úplné pracovné štvortaktné cykly, v každej pracovnej komore jeden, inými slovami, za jednu otáčku hriadeľa sa vykoná jeden úplný pracovný cyklus. Každá jeho časť trvá po dobu 3 x (360/4) = 270˚ otočenia hriadeľa, teda o polovicu dlhšiu dobu než pri klasickom štvortaktnom motore s kľukovým mechanizmom. Tento jav má priaznivý vplyv na horenie zmesi pri vysokých otáčkach. Z pohľadu rýchlosti otáčania častí motora sa  stred excentra otáča o 270° doľava, pričom strana piestu sa otočí len o 90° v smere otáčania. Na 3 otáčky výstupného hriadeľa pripadá teda iba jedna otáčka piestu s tromi pracovnými dobami. To znamená, že piest rotuje len s tretinou otáčok výstupného hriadeľa. Z tohto dôvodu aj pri vysokých otáčkach výstupného hriadeľa je opotrebovanie tesniacich prvkov, skrine a bočných líšt podstatne pomalšie. Ako otáčky motora sa udávajú otáčky výstupného excentrického hriadeľa. Wankelové motory majú teda vo všeobecnosti oveľa vyššie maximálne otáčky (8000-9000 ot/min) ako priemerné piestové motory podobného výkonu. Je to čiastočne spôsobené hladkosťou spojení kruhových pohybov, ale hlavne preto, že nemajú vysoko namáhané diely, ako sú kľukové hriadele alebo ojnice.

V prípade piestového motora je kompresný pomer opísaný ako pomer maximálneho a minimálneho objemu medzi dnom piestu a hlavou motora v dolnej a hornej úvrati. V prípade Wankelovho motora sa ale o priamočiary pohyb piestu, ktorý periodicky mení zmysel pohybu nejedná, preto uvažujeme pri určovaní kompresného pomeru s výrazom krajná poloha boku piestu. Piest v skrini zaujíma celkom štyri špeciálne polohy:

• krajná sacia poloha KSP,
• krajná kompresná poloha KKP,
• krajná expanzná poloha KEP,
• krajná výfuková poloha KVP.

Na obrázku nižšie je vidieť, že najväčší objem má komora v krajnej sacej a krajnej expanznej polohe, zatiaľ čo najmenší objem je v krajnej kompresnej a krajnej výfukovej polohe. Kompresný pomer je teda určený ako pomer objemu komory v krajnej sacej a krajnej kompresnej polohe boku piestu. Jeho veľkosť je priamo úmerná parametru λ a do značnej miery je ovplyvnený oválným vybraním v boku piestu. Pre motor Mazdy RX-8 je kompresný pomer 10:1.

Charakteristické vlastnosti Wankelovho motora

Pomer otáčok hriadeľa k otáčkam piestu je 3:1. To znamená, že za jednu otáčku piestu sa hriadeľ otočí trikrát a motor vykoná pracovný cyklus počas jednej otáčky piestu. Zatiaľ čo pri štvortaktných piestových spaľovacích motoroch je jeden spaľovací takt na valec pre každé dve otáčky kľukového hriadeľa, každá spaľovacia komora vo Wankelovom motore vytvára jeden spaľovací takt na každú rotáciu hnacieho hriadeľa t.j. 3 výkonové takty na jedno pootočenie hriadeľa. Znamená to, že výkon Wankelovho motora je všeobecne vyšší ako výkon štvortaktného motora podobných dispozícií a stavu naladenia (rovnakých rozmerov a hmotnosti). Wankelové motory sú omnoho jednoduchšie, ľahšie a obsahujú oveľa menej pohyblivých súčastí ako piestové motory s rovnakým výstupným výkonom. Napríklad preto, že práca ventilov sa vykonáva pomocou jednoduchých zvodov vložených do steny bloku rotora, nemajú žiadne ventily alebo komplexné ventilové mechanizmy. Okrem toho, keďže rotor sa pohybuje priamo na výstupnom hriadeli, nie sú potrebné žiadne ojnice ani kľukové hriadele. Odstránenie hmotnosti piestov a odstránenie väčšiny vysoko namáhaných a poruchovo náchylných častí piestových motorov dáva Wankelovým motorom vysokú spoľahlivosť, plynulejší nábeh výkonu a vysoký pomer výkonu k hmotnosti.

Materiály a tesnenia

Na rozdiel od piestového motora, kde je valec chladený prichádzajúcou zmesou po zahriatí spaľovaním, sú Wankelove rotorové púzdra neustále zahrievané na jednej strane a chladené na druhej, čo vedie k vysokým lokálnym teplotám a nerovnomernej tepelnej rozťažnosti. Aj keď to kladie vysoké nároky na použité materiály, jednoduchosť motorov uľahčuje použitie alternatívnych materiálov, ako exotické zliatiny a keramika. S vodným chladením v radiálnom alebo axiálnom smere prúdenia je tepelná rozťažnosť tolerovaná. Prvé konštrukcie týchto motorov mali vysoký výskyt strát na tesnosti medzi rotorom a základňou-skriňou a taktiež medzi jednotlivými časťami skrine motora. Nebolo teda žiadnou zriedkavosťou, že motory zo 60-tych a 70-tych rokov potrebovali tzv. pretesniť  neraz už po 30 000 km. Vývoj však išiel výrazne dopredu a dnešné motory od Mazdy vyžadujú toto pretesnenie pri dodržiavaní bežného jazdenia až po viac ako 100 000 niekedy až 150 000 km.

Prednosti a nedostatky