Wankelův motor Tisk Email
Čtvrtek, 04 Prosinec 2008 14:14

Wankelův motor Vše začalo u vývoje speciálních dmychadel, při kterém Felix Wankel přišel na princip rotačního motoru. Psal se rok 1951. Samotný motor však Wankel začal vyvíjet až o tři roky později. V roce 1957 vznikl první prototyp motoru s rotujícím pístem a blokem nazvaným Drehkolbenmotor (DKM 54) u něhož každá část rotovala kolem jiné osy. To umožňovalo dosahovat hranice až 17 000 otáček za minutu. Na druhou stranu byla konstrukce příliš složitá a třeba při výměně zapalovací svíčky bylo zapotřebí motor rozebrat.

Wankelem v podobě, jak ho známe dnes, byl až další typ – KKM, tedy Kreiskolbenmotor z roku 1958. Motor používal stacionární blok a krouživý píst, rotující excentricky okolo hřídele. Tím z části přišel o schopnost dosahovat vysokých otáček, značně se však zjednodušila konstrukce a přístup ke svíčkám bez nutnosti motor rozebrat.Automobil NSU

Tento prototyp licencovalo NSU několika dalším výrobcům, kteří pokračovali na dalším vývoji. Prvním byl americký Curtis-Wright roku 1958. Mazda, která má wankely v produkci i dnes si motor licencovala v roce 1961. Licenci zakoupil i Rolls-Royce, který v roce 1966 vyvinul dvourotorový vznětový wankel. Vývoj pak pokračoval až do roku 1972, kdy Rolls-Royce představil poslední vývojovou fázi svého wankelu. Ta oslňovala výkonem 257 kW (350 koní).

Wankelův motor skutečně splnil všechna očekávání. Byl menší a lehčí než motory stejného výkonu a hlavně bylo možno jej velice dobře vyvážit. Později se však ukázaly také nedostatky, jako nadměrná spotřeba oleje a zejména již z principu vyplývající nevýhodný spalovací prostor a nemožnost většího kompresního poměru.

 

Základní principWankelům motor-animace

Motor pracuje s Ottovým cyklem, jde tedy v principu o čtyřtakt. Základem je ojedinělá konstrukce pístu a komory. Píst je v podstatě konvexní trojúhelník, který excentricky rotuje okolo hřídele. Rotační část, zastupující u čtyřtaktu válec, má složitý epitrochoidní tvar. Ta zaručuje, že všechny vrcholy rotoru jsou stále v kontaktu s pevnou stěnou tělesa. Tím vznikají tři vzájemně oddělené prostory. Otáčením rotoru v každém z nich probíhá vždy právě jedna z fází klasického čtyřtaktního cyklu, což znamená, že za jednu otáčku rotoru motor vykoná tři pracovní cykly.

Výstupní hřídel je pro každý rotor opatřen excentrickou vačkou, která zaručuje požadovanou dráhu. Správný směr rotace zajišťují ozubená kola. Vačka se za jednu otáčku rotoru otočí třikrát, takže se třikrát otočí i výstupní hřídel. V důsledku tak na jednu otáčku výstupního hřídele připadá právě jeden pracovní cyklus. V porovnání u klasického čtyřtaktního motoru je pro dokončení jednoho pracovního cyklu zapotřebí dvou otáček klikového hřídele.

 

Něco málo geometrie

Úsečky vycházejí ze středu kružnice a jsou s ní pevně spojené. Při odvalování této kružnice po menší, v ní ležící kružnici, opisují svými vnějšími koncovými body shodnou křivku, nazvanou epitrochoida, přičemž spojnice těchto koncových bodů úseček se plynule a cyklicky přibližují a vzdalují vůči opsané křivce. Tím spolu s obloukem opsané křivky, ležícím mezi koncovými body úseček, vymezují plochu s měnící se velikostí.

Spojnice koncových bodů jsou tvořeny oblouky. Opsaná křivka tvoří vnitřní obrys válce, zatímco obloukové spojnice koncových bodů jest vnější obrys pístu. Větší, vnější kružnice je tvořena roztečnou kružnicí kola s vnitřním ozubením a menší, vnitřní kružnici zastupuje roztečná kružnice kola s vnějším ozubením. Jestliže jsou úsečky dvě, uspořádány na jedné přímce, pak má rotor dva vrcholy a poměr průměrů kružnic činí 2:1. Při třech úsečkách vycházejících z jednoho středu a pootočených vůči sobě o 120° má rotor tři vrcholy a tři jejich spojnice s poměrem průměrů kružnic 3:2. Při čtyřech úsečkách pootočených vůči sobě o 90° pak má rotor čtyři vrcholy s čtyřmi spojnicemi a poměr průměrů kružnic 4:3. V průběhu vývoje se motor Wankel ustálil na provedení se třemi vrcholy s poměrem průměrů 3:2. Toto uspořádání umožňuje, aby vždy během 90° otočení pístu došlo ke změně objemu pracovního prostoru z minima na maximum a při dalším otočení o 90° opět z maxima na minimum. Při jednom otočení pístu o 360° pak postupně proběhnou nad každým obloukem pístu samostatně všechny čtyři fáze čtyřdobého cyklu.

Z kinematického principu Wankelova motoru plyne, že opsaná křivka nabývá v každém bodě jiné hodnoty křivosti, plynule přecházející nejdříve uvnitř křivky od maxima křivosti do limity s nulovou křivostí a v tomto bodě pak skokem do limity s nulovou křivostí na vnější straně křivky. Na této vnější straně křivky se zase plynule zvětšuje do druhého maxima křivosti a pak opět klesá k limitě v dalším bodě, kde se stejně skokem vrací dovnitř křivky. Tím křivka vytváří nejméně jedno sedlo směřující dovnitř opsané křivky. Stroj s poměrem kružnic 2:1 má jedno sedlo, stroj s poměrem kružnic 3:2 má čtyři sedla. Oblouky spojující koncové body úseček musí být proto vedeny tak, aby v žádné poloze úseček neprotínaly opsanou křivku v místě sedla a tedy i při poloze, kdy obloukové spojnice jsou opsané křivce nejblíže, zůstávají po obou stranách sedla prázdné plochy.

U Wankelova motoru s rotorem se dvěma vrcholy je možné za určitých podmínek dosáhnout toho, že střed křivosti zůstává uvnitř křivky a netvoří se tak popsané sedlo. Takto lze vytvořit dobrý spalovací prostor i žádoucí kompresní poměr. Avšak z principu pohybu je u Wanklových strojů průměr hřídele, procházejícího kolem s vnějším ozubením, přímo úměrný vzdálenosti mezi vrcholy pístu. Tato úměra je taková, že v úvahu přicházejících velikostí strojů s dvouvrcholovým pístem neunese hřídel větší tlaky na píst než přibližně 1 MPa. Proto nelze s dvouvrcholovým rotorem vytvořit vhodný spalovací motor nebo kompresor. Toto je jedou z příčin, proč se tvůrci Wankelova motoru po prvních pokusech soustředili jen na provedení s třívrcholovým pístem. Druhým z důvodů je i to, že třívrcholové provedení nevyžaduje ventily.

 

Problémy wankelů

Wankelův motor je od dob NSU spojen s poměrně výraznými problémy. Některé motory si vyžádaly generální opravu již po 50 tisících kilometrech kvůli problémům těsnění vrcholů rotoru. To se velmi rychle opotřebovávalo. Po ztrátě těsnící schopnosti motor ztrácel kompresi a docházelo k profukům mezi jednotlivými komorami. Tyto potíže jsou způsobeny zjednodušením konstrukce motoru z původní DKM na KKM. Hlavním problémem není ani tak tření těsnění rotoru o stěnu bloku, ale nerovnoměrný tlak, který je na tuto plochu vyvíjen kvůli excentrické rotaci rotoru. Původní typ DKM tento problém neměl. Mazda ale postupem času tento problém s těsněním vyřešila.

Wankel-rozsyp Wankel však stále nedosahuje takové efektivnosti provozu jako výkonově odpovídající pístový motor. Důvodem je nižší termodynamická účinnost. První příčinou je tvar spalovacího prostoru, který je značně vzdálen od ideální koule. V dlouhém a úzkém spalovacím prostoru je hoření směsi složitější než ve válcovém prostoru pístového motoru. Specifický tvar částí motoru také relativně omezuje možný kompresní poměr, který se díky svým nízkým hodnotám podílí na nižší účinnosti.

Dalším vlivem na účinnost je i problematické chlazení wankelu. Část motoru kolem sání je neustále chlazena přicházející čerstvou směsí, popřípadě jen vzduchem, zatímco prostor okolo svíčky a výfukového kanálu je neustále pod vlivem vysokých teplot. Spalovací prostor není možné u wankelu ochladit vnitřní výměnou plynů jako u motoru pístového. Proto je potřeba tyto části intenzivně chladit nuceně, což ovšem není tak účinný způsob jako výplachem. Waneklův motor má také vyšší spotřebu oleje než běžný pístový motor.

 

Výhody Wankelova motoru

Wankelův motor má i spoustu předností. Hlavními jsou především jednoduchá konstrukce a hladkost chodu. Motor se neskládá z klikové či vačkové hřídele, ventilů a spoustu dalších částí, které nalezneme v běžném pístovém motoru. To snižuje nároky na údržbu a zvyšuje spolehlivost. Kromě toho nehrozí zničení motoru v případě selhání některé jeho části. Při přehřátí se motor nezadře, protože blok je většinou hliníkový a rotor ocelový. Větší teplotní roztažnost hliníku zadření neumožní. Motor je také díky své kompaktní konstrukci menší a lehčí než pístové motory.

Díky hladšímu chodu a absenci vratného pohybu může wankel dosahovat značně vyšších otáček než klasické pístové motory. Původní DKM dosahoval až 17 tisíc otáček za minutu, což bylo na tehdejší dobu a použité materiály skoro neuvěřitelné. Dnešní sériové wankely, vycházející z typu KKM, dosahují kolem 9 tisíc otáček za minutu.

Wankelův motor je poměrně vhodný pro přímé vstřikování paliva. Jednotlivé fáze spalovacího cyklu totiž trvají déle než u klasického pístového čtyřtaktu, což znamená, že je zde více času na vstříknutí i několika dávek paliva. Nutno však říci, že zatím žádný sériový wankel pod kapotou automobilu přímé vstřikování neměl.

 

Automobily Mazda s Wankelovým motoremMazda RX8 s Wankelovým motorem

Mazda je jednou ze tří automobilek, která kdy vozy s Wankelovým motorem vyráběla a jedinou, která je vyrábí i dnes. Mimo jiné drží primát s uvedením prvního dvourotorového wankelu na trh. Níže naleznete seznam modelů Mazdy s Wankelovým motorem a typ motoru, kterým byl k danému vozu dodáván.

 

Rok Automobil Motor
1965−1968 Mazda Cosmo Series I 0810
1968−1972 Mazda Cosmo Series II 0813
1968−1973

Mazda R100/Familia Rotary

0820
1970−1978 Mazda RX-2 12A, 12A Turbo, 12B
1970−1972 Mazda R130 13A
1972−1978 Mazda RX-3

0866, 12A, 12A Turbo, 12B

1972−1978 Mazda RX-4 12A, 13B AP
1972−1985 Mazda Luce 12A, 12A Turbo
1974−1977 Mazda Rotary Pickup 13B AP
1975−1977 Mazda Roadpacer 13B AP
1975−1980 Mazda Cosmo AP 13B AP
1975−1980 Mazda RX-5 13B AP
1978−1985 Mazda RX-7 12A, 12A Turbo
1981−1989 Mazda Cosmo 12A, 12A Turbo
1984−1985 Mazda HB Luce 13B-RESI
1984−1985 Mazda HB Cosmo 13B-RESI
1984−1985 Mazda FB RX-7 13B-RESI
1986−1992 Mazda RX-7 FC 13B-DEI. 13B-Turbo
1986−1991 Mazda HC Luce 13B-Turbo
1990−1995 Mazda Eunos Cosmo 13B-RE
1992−2002 Mazda RX-7 FD 13B-REW
2003 − dnes Mazda RX-8 13B-MSP Renesis

 

Použité zdroje:

www.wikipedia.cz

www.idnes.cz

J. Rauscher, Spalovací motory

 

 

 

gototop