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Erster KKM57P Wankelmotor, ein NSU P58
Erster KKM57P Wankelmotor, ein NSU P58
Exemplar aus dem Deutschen Museum
Exemplar aus dem Deutschen Museum
Der Wankelmotor ist ein Rotationskolbenmotor (RKM), der nach seinem Erfinder Felix Wankel benannt ist. Es existieren prinzipiell zwei kinematische Versionen: Drehkolbenmotor (DKM) und Kreiskolbenmotor (KKM), wovon aber nur der Kreiskolbenmotor von wirtschaftlicher Bedeutung ist. Bei einem Wankelmotor wird die Verbrennungsenergie, ohne den Umweg einer Hubbewegung (wie es bei Hubkolbenmotoren (HKM) der Fall ist), direkt in eine Drehbewegung umgesetzt.
Beim KKM 57P übernimmt der Läufer des Motors (bogig-dreieckiger Rotationskolben) dabei gleichzeitig die Funktion der Kraftabgabe und der Steuerung der Gaswechselvorgänge. Der Kreiskolben-Wankelmotor hat eine Exzenterwelle und damit eine – wenn auch geringe – Unwucht, die durch Ausgleichsgewichte vollkommen ausgeglichen werden kann. Der Drehkolben-Wankelmotor DKM 54 hat keine Exzenterwelle. Hier drehen sich beide Teile – der Läufer und die oval-bogige Hüllfigur (Trochoïde) – unwuchtfrei um ihre eigenen Schwerpunkte, die nicht zusammenfallen, also nicht konzentrisch, sondern exzentrisch zueinander liegen.
Technik des Wankelmotors [Bearbeiten]
Beschreibung des Arbeitsablaufs [Bearbeiten]
Der Wankelzyklus: Einlass (blau), Kompression (grün), Zündung (rot), Auslass (gelb)
Der Wankelzyklus: Einlass (blau), Kompression (grün), Zündung (rot), Auslass (gelb)
Der Wankelzyklus, animiert
Der Wankelzyklus, animiert
Der Kreiskolbenmotor arbeitet nach dem Viertaktprinzip. Läuft der Kolben am Einlassschlitz vorbei, wird durch Volumenzunahme des Arbeitsraumes eine dem Kammervolumen entsprechende Menge Kraftstoff-Luft-Gemisch angesaugt. Durch den bei der weiteren Drehung des Kreiskolbens immer kleiner werdenden Arbeitsraum wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch im zweiten Arbeitstakt verdichtet. Nach dem Gasgesetz erwärmt es sich bereits durch die Verdichtung. Wenn das Kraftstoff-Luft-Gemisch seine höchste Dichte erreicht und die Zündkerze passiert hat, wird das Gemisch gezündet. Die bei der Verbrennung freiwerdende Wärme führt zu einer Druckzunahme, wodurch am Kreiskolben nutzbare Arbeit verrichtet wird. Bei dieser Drehung des Arbeitsraumes vergrößert sich das Brennraumvolumen wieder. Man spricht dabei vom Arbeitstakt.
Im Gegensatz zu einem Hubkolbenmotor geht die bei der Verbrennung freiwerdende Energie direkt in eine Drehbewegung der Exzenterwelle über. Nach Erreichen des Auslassschlitzes wird das Abgas durch diesen ausgestoßen. Dieser Zyklus wird von jeder der drei Läuferflanken durchlaufen, was bedeutet, dass bei einer Läuferumdrehung drei Zündungen stattfinden. Der Verbrennungsraum wird aus der Läuferflanke und dem entsprechenden Teilstück der Kammer gebildet.
Ein Kreisprozess beträgt beim Wankelmotor genau 1080°, auf die Exzenterwelle bezogen. Das bedeutet, es dauert drei Exzenterwellenumdrehungen, bis eine Flanke des Läufers alle vier Takte durchlaufen hat. Wegen der an allen drei Flanken gleichzeitig ablaufenden Takte findet bei jeder Exzenterwellenumdrehung ein Arbeitstakt statt, der über 270° dauert. Zum Vergleich: ein Viertakt-Hubkolbenmotor benötigt für einen Kreisprozess 720° pro Zylinder, „arbeitet“ damit nur bei jeder zweiten Kurbelwellenumdrehung, weil zum Ladungswechsel ein Leerhub notwendig ist. Deshalb setzt der Wankelmotor das doppelte Verdrängungsvolumen gegenüber einem hubraumgleichen Viertakt-Hubkolbenmotor durch. Steuerzeiten und Arbeitsabläufe werden grundsätzlich nur auf die Exzenterwelle oder Kurbelwelle bezogen.
Geometrie [Bearbeiten]
Radkurve
Radkurve
Läufer (Kolben) und Exzenterbewegung
Läufer (Kolben) und Exzenterbewegung
Beim Wankelkreiskolbenmotor dreht sich ein dreieckiger Läufer in einem doppelbogigen Gehäuse und berührt dabei ständig die Gehäusewand. Die Kontur des Kreiskolbens besteht aus drei abgeflachten Kreisbögen und sieht wie ein „bauchiges“ Dreieck aus. Sie stellt die innere Hüllkurve (math. ein elliptisches Integral) zu dem Gehäuse dar, welches annähernd die Form eines an der langen Seite eingebuchteten Ovals hat. Die genaue Kontur des Gehäuses ist eine Epitrochoide, die als sogenannte Radkurve erzeugt wird. Sie entsteht als Verlauf eines markierten Punktes auf einem kleineren Rollrad, wenn dieses auf einem größeren Rad schlupffrei abrollt. Die Form der Radkurve entsteht entsprechend dem Radienverhältnis der beiden Räder. Im Falle des Wankelmotors verhalten sich die Radien des Grundkreises zum Abrollkreis wie 2:1 und ergeben die bekannte Gehäusekontur. Für den realen Motor wählt man als Gehäusekontur eine Äquidistante zur Radkurve im Abstand des Kuppenradius der Dichtleiste. Vorteilhafterweise ergibt sich durch den Wechsel des Anstellwinkels (Kippwinkel) der Dichtleiste ein ständiges Wandern der Berührungslinie mit der Laufschicht über die Dichtleistenkuppe hin und her, so dass die Dichtleisten verschleißgünstig der Gehäusekontur folgen können. Die Äquidistante beinhaltet außerdem ein ausreichend großes Spiel für die Dichtleiste und den Läufer innerhalb der Trochoïde. Der Läufer - Rotor - bildet zusammen mit dem Gehäuse, auch Stator genannt, drei unabhängige, wechselnd große Kammern. Er nimmt dabei über das Läuferlager den Exzenter der im Motormittelpunkt gelagerten Exzenterwelle mit. Der Läufermittelpunkt bewegt sich dabei auf einer Kreisbahn mit dem Radius e (Exzentrizität), e entspricht gleichzeitig auch dem Abstand des Exzentermittelpunktes zum Exzenterwellenmittelpunkt.
Die Verzahnung von Kolben und Ritzel ergibt sich aus dem Drehzahlverhältnis von Kolben und Exzenterwelle. Die Verzahnung hat keine kraftübertragende Funktion, sondern unterstützt lediglich die genaue Führung des Kolbens. Im Falle des Wankelmotors ist die Innenverzahnung des Läufers z.B. mit 30 Zähnen und die Außenverzahnung des Ritzels mit 20 Zähnen ausgestattet. Daraus folgen drei Umdrehungen der Exzenterwelle, wenn sich der Kolben einmal um seinen Mittelpunkt gedreht hat. Das Läuferlager wie die Hauptlager können sowohl als Rollenlager wie auch als Gleitlager ausgeführt sein, was nur von der Art der Schmierung (Gemisch- oder Druckumlaufschmierung) abhängt.
Die Geometrie des Wankelmotors stellt eine Auswahl aus einer Palette von Möglichkeiten dar, welche sich ergeben, wenn entweder Innenläufer oder Gehäuse mit variierenden Rollkurven erzeugt werden.
Motoraufbau [Bearbeiten]
Bezeichnungen, Begriffe, Beziehungen [Bearbeiten]
Bezeichnungen der einzelnen Bauteile
Bezeichnungen der einzelnen Bauteile
Das Kammervolumen VK bei einem Wankelmotor mit Trochoïde ist:
V_\mathrm{K} = \left( V_{\mathrm{K}_\mathrm{max}} - V_{\mathrm{K}_\mathrm{min}} \right) n
und berechnet sich zu:
V_\mathrm{K} = 3 \cdot \sqrt{3} \cdot R \cdot e \cdot b \cdot n
mit
R … Radius des Grundkreises
e … Exzentrizität
b … Kammerbreite
n … Läuferzahl
Lage von Exzenterwelle, Exzenter und Ritzel im Läufer
Lage von Exzenterwelle, Exzenter und Ritzel im Läufer
Der Wankelmotor besitzt eine relativ geringe Baugröße, was eine hohe Leistungsdichte und niedriges Leistungsgewicht ermöglicht. Der Grund liegt in der kompakteren Anordnung von Exzenterwelle und Läufer im Vergleich zu Kolben, Pleuel und Kurbelwelle beim Hubkolbenmotor.
Für den im NSU Spider eingesetzten Motor KKM 502 sind R = 10 cm,
e = 1,4 cm, b = 6,7 cm; der Abstand a zwischen Rollkurve und Trochoïde (Äquidistante) beträgt 2 mm.
Werkstoffe und Herstellung [Bearbeiten]
Der Läufer ist meist ein Präzisionsgussteil aus Grauguss, bei dem man auf das Auswuchten verzichten kann. Die Weiterbearbeitung der Außenkonturen und Dichtstreifennuten geschieht mittels Drehen und Fräsen gleichzeitig an mehreren Läufern, wodurch der Produktionsdurchsatz erheblich gesteigert wird. Eine andere Möglichkeit ist die Herstellung des Läufers aus Blech, wobei die Teile dann miteinander verschweißt werden (Patent Audi). Die Exzenterwelle entspricht vom Herstellungsaufwand in etwa einer Kurbelwelle.
Dichtsystem [Bearbeiten]
Zur Abdichtung des Kolbens stehen Dichtstreifen, Dichtleisten und Dichtbolzen zur Verfügung.
Die beidseitige Abdichtung des Kolbens zur Seitenwand geschieht mit zweimal drei bogenförmigen Dichtstreifen für die Gasdichtung; man benötigt die doppelte Anzahl bei zusätzlicher Schmieröldichtung. Die Dichtstreifen sind Teil einer Axialabdichtung und verlangen plane und lotrechte Seitenteile, welche sich infolge unterschiedlicher Temperatur- und Druckverhältnisse ungleichmäßig ausdehnen. Die Dichtstreifen werden mit Federelementen versehen, um im Anfahrzustand eine Anpressung zu gewährleisten; nach Anlaufen werden sie vom Gasdruck an die Seitenwand gedrückt. Aus perlitischem Grauguss oder Stahl bestehend überstreifen sie die Laufflächen der Seitenteile, die molybdän- oder bronzebeschichtet, aus übereutektischem Aluminium, aus Grauguss nitriert oder induktionsgehärtet sind oder aus besonderen Stahllegierungen hergestellt werden.
Dichtleisten
Dichtleisten
Die Dichtleisten an den Läuferkanten, auch Scheitelleisten genannt, haben die Länge der Kammerbreite b, laufen auf der Trochoïdenbahn und dichten die Kammern gegeneinander ab. Sie liegen in axialen Nuten und werden jeweils von zwei Dichtbolzen an den Ecken umschlossen. Die Dichtleisten können einteilig oder mehrteilig ausgeführt sein. Die mehrteilige Bauweise dichtet nicht nur gegen die Trochoïde hin ab, sondern auch gegen die Seitenteile, was die Kompression erhöht und damit auch den Verbrauch besonders im unteren Drehzahlband verringert. Die Dichtbolzen dienen als Bindeglied zwischen der Dichtleiste und den Dichtstreifen. Sowohl Dichtbolzen als auch Dichtstreifen werden von jeweils einer Feder an das Seitenteil angelegt. Auch die Dichtleisten sind mit Federn ausgestattet, um ein Anfahren des Motors zu ermöglichen. Danach werden sie durch den Gasdruck in Umlaufrichtung an die hintere Nutkante und gegen die Laufbahn gedrückt. Besondere Ausgestaltungen im Fußteil der Scheitelleisten stellen ein fortwährendes Anpressen der Scheitelleisten an die Gehäusewand sicher. Sie werden aus Sinter-Kohle (Kohle-Antimon, Kohle-Aluminium), Grauguss, Kolbenringstahl, Ferrotic, Siliziumnitrid, Weicheisen oder perlitschem Grauguss hergestellt. Alle Dichtteile tragen einen Schmierfilm, der weder durch zu hohe Temperaturen verdampfen noch verkoken darf.
Das Dichtsystem des KKM unterliegt keiner Drehzahlbegrenzung wie bei einem HKM; das durch Leckage verlorene Gas gelangt bei Seiteneinlass wieder in den Ansaugbereich und steht dem Kreisprozess erneut zur Verfügung.
Steuerung [Bearbeiten]
Der Gaswechsel wird beim Wankelmotor durch Schlitze gesteuert, dabei dient der Läufer gleichzeitig als kraftabgebendes und steuerndes Bauteil. Die Ein- und Auslässe können entweder in der Gehäusekammer angebracht sein, dann spricht man von Umfangsein- und Umfangsauslass, oder in den Seitenteilen dann spricht man von Seitenein- und Seitenauslass wie z. B. beim Motor des Mazda RX-8. Auch ist die Kombination beider Einlass- und Auslassarten möglich, z. B. bei den alten Serienwankelmotoren von Mazda, dort war der Seiteneinlass- mit einem Umfangsauslass kombiniert.
Totpunkt/größtes Volumen, 2=Verdichtungsende/ oberer Totpunkt/kleinstes Volumen)
* Vorteil des Umfangseinlasses: große Querschnitte und lange Steuerzeiten sind möglich, was eine hohe Leistung ergibt, somit ist dieses Bauprinzip auch die erste Wahl für Rennmotoren.
* Nachteil des Umfangseinlasses: durch die große Überschneidung kann es zu Schieberuckeln kommen. Was man noch bei einem Rennwagen hinnehmen kann, kann für einen PKW aus Komfortgründen untragbar sein. Wegen der großen Überschneidung ist der Umfangseinlass wenig geeignet für die Aufladung, weil Einlass und Auslass gleichzeitig offen sind. Auch ist das Abgasverhalten bei Teillast relativ schlecht.
* Der Vorteil des Seitenein- und Auslasses ist die fehlende Überschneidung. Dadurch tritt kein Schieberuckeln auf, und der Motor eignet sich besser für die Aufladung. Der Motor weist ein besseres Teillastverhalten bei der Fahrbarkeit und bei den Abgaswerten auf. Er harmoniert gut mit einem Schaltgetriebe. Bessere Vermischung des Gemischs, durch die Umlenkung um 90° beim Einlass.
* Nachteil: der Einlassquerschnitt ist gegenüber einem Umfangseinlass kleiner. Die erzielbare Leistung ist als Saugmotor geringer.
Schmierung [Bearbeiten]
Wie beim herkömmlichen Viertakthubkolbenmotor verwendet man für die Motorlager Druckumlaufschmierung, alternativ hat sich auch Gemischschmierung bewährt. Die Trochoïde wird entweder mit Gemisch oder über eine Dosierpumpe mit Schmieröl als Verlustschmierung versorgt. Bei der Trochoïdenschmierung bewegt sich das Mischungsverhältnis von 1:400 bis 1:600 bei Motoren mit Umfangsauslass, das Mischungsverhältnis liegt bei Motoren mit Seiteneinlass deutlich höher. Ein Teil des Öls wird beim Mazda Renesis durch die seitlichen Kratzringe wieder in den Ölsumpf zurückgefördert.
Kühlung [Bearbeiten]
Gehäuse, Läufer, die Seitenteile und Dichtelemente sind wasser-, frischluft- oder gasgemischgekühlt; letzteres wird auf seinem Weg durch den Kolben vorgewärmt.
Da beim Wankelmotor die Arbeitstakte immer an der gleichen Stelle stattfinden, bildet sich eine stationäre Temperaturverteilung aus mit der Folge, dass sich beständig heiße Zonen und beständig kalte Zonen ausbilden, die man heißer Bogen und kalter Bogen nennt. Die Kühlung soll deshalb für eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung sorgen und zu materialverträglichen Werten führen. Für die Verbrennung wird die Kühlung gezielt eingesetzt, um Selbstzündung des Gemisches durch Hot Spots (heiße Stellen) zu vermeiden. Hot Spots sind beispielsweise die Zündkerzen.
Der Auslassbereich ist eine heiße Zone (heißer Bogen), die sich unmittelbar neben der Einlasszone befindet und gekühlt werden muss, damit die Materialspannungen durch entsprechende Kühlwasserführung oder Stahleinlagen in tolerierbaren Bereichen gehalten werden. Vergleichbar ist hierzu beim Hubkolbenmotor die Stahleinlage im sogenannten Regelkolben, bei dem die Stahleinlage dafür sorgt, dass der Kolben sich kontrolliert und nicht zu stark ausdehnt und man kein zu großes Spiel zwischen Kolben und Zylinder vorsehen muss. Nicht alle Wankelmotoren sind mit einer Stahleinlage versehen, beispielsweise kommen Audi-NSU-Motoren, Norton-Motoren und Derivate ohne Stahleinlage aus. So wird heute bei modernen Wankelmotoren nur noch der heiße Bogen gekühlt.
Links axiale Kühlwasserführung, Mitte moderne axiale Kühlwasserführung, rechts moderne radiale Kühlwasserführung, nur im heißen Bogen gekühlt
Links axiale Kühlwasserführung, Mitte moderne axiale Kühlwasserführung, rechts moderne radiale Kühlwasserführung, nur im heißen Bogen gekühlt
Um die Wärmeverluste zu verringern, sorgt man für eine Verkleinerung der Temperaturdifferenzen zwischen Brennraum und Brennraumoberfläche, indem man eine drehzahl- und temperaturabhängige Kühlung des Läufers vorsieht. Beispielsweise kühlt man den Läufer erst ab 60 °C Öltemperatur und dann auch nur bei Drehzahlen über 3000 U/min. Die Kühlölzufuhr wird durch ein in die Exzenterwelle eingebautes Ölthermostat erst ab 60 °C Öltemperatur freigeben. Zwei federbelastete Kugelventile sorgen im betriebswarmen Zustand dafür, dass der Läufer erst bei einer Drehzahl über 3000 U/min gekühlt wird. Bei einem luftgekühlten Läufer, wie ihn etwa Norton verwendete, wird die Ansaugluft durch den Läufer geleitet oder durch einen Ejektor-Auspuff oder ein Gebläse abgeführt. Dieses Prinzip wird noch heute bei den UAV UEL-Drohnenmotoren und Diamond Engines genutzt. Das hat gegenüber einer Gemischkühlung den Vorteil einer höheren möglichen Maximalleistung. Bei einfachen Industriemotoren wird der Kolben mit Gemisch gekühlt.
Die Werkstoffauswahl für die Trochoïde sorgt für eine gleichmäßigere Temperaturverteilung. So ergibt sich bei Verwendung einer Aluminiumlegierung für das Gehäuse eine gleichmäßigere Wärmebelastung als bei einem Graugussgehäuse, was die Wärmedehnungen vermindert und damit zum Spannungsabbau führt.
Zündung [Bearbeiten]
Anders als beim HKM zündet der KKM bei jeder Exzenterwellenumdrehung. Die daraus resultierende hohe Zündfolge belastet die Zündkerzen stark, zumal der kühlende Leerhub entfällt. Dieses Problem teilt sich der Wankelmotor mit dem Zweitaktmotor. Hier hat es in den letzten Jahren erheblich Fortschritte mit der Erfindung der Mehrbereichskerzen gegeben, hervorzuheben ist z. B. der Kupferkern. Durch sorgfältige Auslegung der Kerzenposition kann der Wärmewertbedarf erheblich reduziert werden. So benötigte der Sachs-Motor der Hercules W-2000 nur eine normale W145-Zündkerze von Bosch.
Im Allgemeinen und bei symmetrischen Brennraummulden wird vorauseilend, das heißt kurz vor der engsten Stelle (OT) gezündet. Wird eine zweite Kerze verwendet, so liegt eine am Kammerbeginn und die zweite in oder kurz nach der Einschnürung. Es werden unterschiedliche Auswirkungen der Kerzen auf die Verbrennung beschrieben. So verringert die vorauseilende Kerze die Schadstoffe im Abgas und bewirkt einen weicheren Gang der Maschine, die nacheilende Kerze erhöht die Leistung, da die Flammfront durch die Quetschströmung in Richtung der voreilenden Kerze beschleunigt wird. So hat man den geringsten Treibstoffverbrauch, wenn beide Kerzen gleichzeitig zünden, das führt aber zu erhöhten HC-Werten, weshalb man beim Serienwankelmotor oft die untere Kerze zuerst zündet, was zwar einen höheren Treibstoffverbrauch, aber dafür bessere Abgaswerte liefert. Beim Renesis ist Mazda von dieser Strategie abgegangen und zündet zumindest bei niederer Last und Leerlauf beide Kerzen parallel. In Verbindung mit den verschiedensten Muldenformen und Anordnungen gibt es eine geradezu unübersichtliche Menge an Möglichkeiten.
Auch ist die Anordnung der Kerzen maßgeblich am Abgas- und Verbrauchsverhalten beteiligt. Grundsätzlich reduziert man das Ausschieben von unverbranntem Gemisch durch die Verwendung einer Doppelzündung oder auch mit einer einzigen Kerze in der Late-Trailing-Position (Late Trailing = die nacheilende Kerze ist weit oberhalb der Einschnürung angeordnet); der Verbrauch wird so gegenüber den frühen Ausführungen um etwa 30 Prozent gesenkt. Die Verwendung zweier Zündkerzen reduziert die Zeitfolge der Zündabstände auf Mikrosekunden, weshalb man bis zu einer bestimmten Drehzahl mit zwei Zündungen, oberhalb dieser nur mehr mit einer Zündung arbeitet. Die zweite Kerze ist ohnehin bei Flugzeugmotoren wegen der damit verbundenen höheren Ausfallsicherheit Pflicht. Der Mazda 787B verfügte beim 24-Stunden-Rennen von Le Mans 1991 über einen mit einer Dreifach-Zündung ausgerüsteten Motor Mazda 26B.
Wirkungsgrad-Leistungscharakteristik-Verbräuche [Bearbeiten]
Wirkungsgrad ŋi des Audi NSU EA871, Stand 1977
Wirkungsgrad ŋi des Audi NSU EA871, Stand 1977
Der Kreisprozess des Wankelmotors wird mit dem Otto-Prozess idealisiert, welcher aus zwei Isentropen und zwei Isochoren besteht; er wird auch Gleichraumprozess genannt. Die isochore Wärmezufuhr nimmt man an, weil bei Fremdzündung die Energie schlagartig frei wird und sich das Volumen dabei kaum ändert. Der ideale thermische Wirkungsgrad ist dabei:
\eta_\mathrm{therm.} = 1 - \frac{1}{(\frac{V_\mathrm{OT}}{V_\mathrm{UT}})^{\kappa-1}}
mit \epsilon= \frac{V_\mathrm{OT}}{V_\mathrm{UT}}
\eta_\mathrm{therm.} = 1 - \frac{1}{{\epsilon}^{\kappa-1}}
wobei \kappa = \frac{c_p}{c_v} = 1,4; (cp Spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck, cv Spezifische Wärmekapazität bei konstantem Volumen) ist.
Der Wirkungsgrad ist allein vom Verdichtungsverhältnis abhängig.
Für die isentrope Verdichtung gilt: (1 = Verdichtungsbeginn/unterer {T_2} = {T_1} \left({V_1 \over V_2} \right)^{\kappa - 1} und {T_2 } = {T_1} \left({p_2 \over p_1} \right)^{ \kappa -1 \over \kappa}
Wie bei allen Ottomotoren ist auch beim Wankelmotor die Verdichtung zwar erwünscht und führt zu einem höheren Wirkungsgrad, sie wird aber durch die Verdichtungsendtemperatur T2 begrenzt, die unter der Selbstzündtemperatur des Gemisches liegen muss. Für den Wankelmotor hat sich im Vergleich zum Hubkolbenmotor gezeigt, dass die während einer Dreiviertel-Umdrehung stattfindende Verdichtung sich günstiger auf die Vermeidung der Selbstzündungstemperatur auswirkt als der vergleichsweise kurzzeitige Verdichtungstakt eines HKM. Daraus folgt, dass Wankelmotoren tendenziell mit niedrigeren Oktanzahlen auskommen.
Der reale Prozess weicht vom idealisierten aus vielfältigen Gründen ab; nimmt man Indikatordiagramme auf, so werden tatsächliche Drücke pi und Volumen wiedergegeben, aus denen sich der indizierte Wirkungsgrad ermitteln und in Diagrammen darstellen lässt. Er gilt unter den jeweils konkreten Parametern, wie Drehzahl, Verdichtungsverhältnis… Der Wirkungsgrad ηi eines Wankelmotors ist hier beispielhaft an einem Audi NSU EA871 für den Benzin- und den Wasserstoffbetrieb dargestellt.
Die Formel für die indizierte Leistung Pi [kW] ist:
P_{i} = M_\mathrm{d}\cdot \omega
P_{i} = p_{i} \cdot V_\mathrm{K}\cdot z\cdot n\cdot i
mit dem indizierten Druck pi, Kammervolumen VK, z = Anzahl der Kolben, n= Drehzahl, i = Anzahl der Arbeitshübe pro Kurbelwellenumdrehung/Exzenterwellenumdrehung( bei Wankelmotor=1)
Die Wellenleistung Pe erhält man bei Drehmomentmessung für HKM und KKM:
P_{e} = M_\mathrm{d}\cdot \omega
P_{e} = M_\mathrm{d}\cdot 2\cdot \pi \cdot n
mit:
Md in [Nm] und n in [U/min] ergibt sich mit der angepassten Formel die Leistung Pe in [kW]:
P_{e} = \frac{M_\mathrm{d} \cdot n}{9550}
Der mechanische Wirkungsgrad ηm ist das Verhältnis der Wellenleistung Pe zur indizierten Leistung Pi.
\eta_{m} = \frac{P_\mathrm{e}}{P_\mathrm{i}}
Wie ersichtlich ist, kann man die Leistung eines Motors durch höhere Drücke beziehungsweise höhere Drehzahlen verbessern. Das Drehmoment wird, entsprechend der Abbildung, durch die Kammerdrücke mit den dazugehörigen Kolbenbodenflächen erzeugt. Die Kräfte Fp greifen immer im Exzentermittelpunkt an und erzeugen mit dem jeweils dazugehörigen winkelabhängigen Hebelarm der Exzentrizität e das Drehmoment Md.
Die Verdichtungsdrücke werden durch die Geometrie des Motors bestimmt und können durch eine andere Exzentrizität verändert werden, die Drehzahl wird begrenzt durch den Verschleiß der Dichtflächen, Füllungsgradprobleme sowie Verbrennungszeit des Gemisches.
Vor- und Nachteile gegenüber dem Hubkolbenmotor [Bearbeiten]
Als Vorteile des Wankelmotors sind zu nennen:
1. Der Wankelmotor hat nur wenige bewegliche Teile, meist zwei Läufer und eine Exzenterwelle, die durch ihre kompakte Bauweise einen vergleichsweise geringen Platzbedarf haben.
2. Die Gassteuerung kommt ohne Ventile und die zugehörigen Elemente wie Nockenwelle, Stößel, Ventilspielausgleich und Kipphebel aus, womit der Motor ein größeres Leistungs-Gewichtsverhältnis als ein Viertakt-HKM vergleichbarer Leistung besitzt.
3. Der Wankelmotor ist vollkommen auswuchtbar, da sich alle beweglichen Teile nur um ihren Schwerpunkt drehen (Exzenterwelle) bzw. der Schwerpunkt auf einer Kreisbahn rotiert (Läufer). Die Folge ist ein weicher und vibrationsarmer Lauf auch bei nur einer Scheibe.
4. Durch die um 50 % längere Taktdauer besitzt der Motor ein gleichförmigeres Drehmoment als ein Viertakt-Hubkolbenmotor.
5. Da der Ein- und Auslassbereich vom Brennraum räumlich getrennt ist, eignet sich der Wankelmotor sehr gut für den Betrieb mit Wasserstoff.
6. Besser für den Schichtladebetrieb als Hubkolbenmotoren geeignet, da sich das Gemisch nicht homogenisiert. Er kann deshalb auch mit idealen Zündzeitpunkten betrieben werden, was den Wandwärmeverlust gegenüber Hubkolben-Schichtlademotoren reduziert. Hubkolben-Schichtlademotoren müssen wegen der drohenden Gemischhomogenisierung mit zu frühen und deshalb mit nicht-idealen Zündzeitpunkten betrieben werden.
Spezifischer Verbrauch eines OMC (Outboard Marine Cooperation) Versuchsmotors für einen Flugzeugmotor
Spezifischer Verbrauch eines OMC (Outboard Marine Cooperation) Versuchsmotors für einen Flugzeugmotor
Die Nachteile sind dagegen:
1. Der Wankelmotor hat ein ungünstiges Verhältnis zwischen Oberfläche und Brennraumvolumen, was zu größeren Wärmeverlusten führen kann. (Dieser Vergleich gilt aber nur für einen hypothetischen Viertakthubkolbenmotor, der mit dem gleichen Hubraum im Vergleich zum Kammervolumen, die gleiche Leistungsdichte erzielen würde. Wegen des Lerrhubs ist dies aber technisch nicht möglich, und der Viertakthubkolbenmotor benötigt deshalb den doppelten Hubraum, um das gleiche Verdrängungsvolumen wie ein Wankelmotor zu erreichen. Dadurch erhöht sich die effektive Brennraumoberfläche beim Viertakthubkolbenmotor um den Faktor zwei. Deshalb ist der Wärmeverlust über das Kühlwasser pro kW geringer als bei einem Viertakthubkolbenmotor. [1])
Es gibt jedoch noch andere Einflüsse auf den Wärmeverlust, die neben dem Oberflächen/Volumen-Verhältnis wirksam sind:
1.
1. Die Baustoffe, aus den die Laufflächen bestehen, hier insbesondere deren Wärmeleitzahl (z.B. wirkt der Ölfilm beim Wankelmotor oder der eingelegte Stahlmantel beim SIP-Verfahren von Mazda thermisch isolierend).
2. Die Wandtemperaturen.
3. Die Form des Kompressionsraums, die Verwirbelung des Gemisches und der Zündzeitpunkt. Auch nimmt das Verhältnis Oberfläche zu Volumen mit steigender Verdichtung zu, deshalb haben Dieselmotoren auch ein deutlich schlechteres Oberflächen-Volumen-Verhältnis als z.B. Benzinmotoren.)
2. Durch die sich einstellende Quetschströmung im Bereich der Einschnürung wird die Verbrennung unterhalb der Kerze zwar beschleunigt und so ein guter Ausbrand der Kammer erreicht, aber der Gemischanteil oberhalb der Kerze wird nur schwer bis gar nicht entzündet. (Dies hat aber nur Auswirkung bei Motoren mit Umfangsauslass und homogener Gemischbildung; hier wird der unverbrannte fette Restgaskern über den Umfangsauslass ausgestossen. Bei Schichtladung befindet sich in dem betroffenen Bereich nur Luft, und beim Seitenauslass verbleibt der fette Altgaskern in der Kammer.)
3. Die Dichtflächen des Wankelmotors sind erheblich länger als bei einem HKM und führen zu höheren Druckverlusten.
4. Aus diesen Gründen verbraucht der Wankelmotor bis zu 16 % mehr Kraftstoff als ein Viertakthubkolbenmotor.
Geschichte des Wankelmotors [Bearbeiten]
Geschichte der Rotationskolbenmaschinen [Bearbeiten]
Die Geschichte der Rotationskolbenmaschinen beginnt im 16. Jahrhundert mit dem Bau von Wasserpumpen, die bereits ähnlich den heutigen Kreis- und Drehkolbenmaschinen ausgeführt wurden. Die Kinematik der Drehkolbenmaschinen, bei der sich die beweglichen Teile nur um den Schwerpunkt drehen, war einfacher zu beherrschen, weshalb es noch eine Weile bis zum ersten Kreiskolbenmotor dauern sollte.
1588 publiziert der italienische Ingenieur Agostino Ramelli verschiedene Wasserpumpen, bei denen es sich um dreh- und kreiskolbenartige Umlaufmaschinen handelt.
Graf Pappenheim erfindet 1636 die Zahnradpumpe und versorgt damit eine Fontäne mit Wasser. Die Zahnradpumpe, eine reguläre Drehkolbenmaschine, dient noch heute als Ölpumpe in den meisten Automotoren.
James Watt, der die Hubkolbendampfmaschine entscheidend weiterentwickelt und ihr somit zum Durchbruch verholfen hat, versucht sich zeitlebens immer wieder an Rotationskolbenmaschinen, 1782 konstruiert er eine drehkolbenartige Umlaufkolbendampfmaschine. William Murdoch modifiziert 1799 Pappenheims Zahnradpumpe und versieht die Zahnkopfflanken mit Dichtleisten aus Holz. Mit dieser Dampfmaschine treibt er Bohrmaschinen und Drehbänke in seiner Werkstatt an.
1846 baut Elijah Galloway die erste hubraumbildende Dampfmaschine, die keinen inneren oder äußeren Kämmeingriff hatte. Durch fehlende Dichtelemente kann sie jedoch nicht gegen die mittlerweile gut abgedichteten Hubkolbendampfmaschinen bestehen. Philander und Francis Roots entwickeln 1895 eine Drehkolbenmaschine, die auch heute noch in gleicher Weise gebräuchlich ist, der nach seinen Erfinder benannte Roots-Kompressor. Charles Parsons, der Erfinder der Dampfturbine, baut 1884 eine der ersten funktionsfähigen Kreiskolbenmaschinen mit Hubeingriff.
1923 entsteht eine KKM mit fünfeckigem Läufer von Wallinder & Skoog in Schweden.
Allgemein machen die Abdichtungen Probleme, und es vergehen noch über zwei Jahrzehnte, bis Felix Wankel eine Drehkolbenmaschine zusammen mit NSU entwickelt. Noch nicht einmal die Funktionsweise des Kolbenrings ist zu der Zeit bekannt.
Entwicklung des Wankelmotors von 1932 bis 1960 und Erstlauf [Bearbeiten]
Briefmarke zum 50. Geburtstag
Briefmarke zum 50. Geburtstag
Felix Wankel beginnt mit der gezielten Untersuchung zur Abdichtung, als Versuche einer Drehschiebersteuerung für einen Viertakthubkolbenmotor fehlschlagen. Im Zuge dieser Untersuchungen gelingt es ihm nachzuweisen, dass es der Gasdruck ist, der für die Abdichtung sorgt. Seine Erkenntnis führt zur Verbesserung der Kolbenringabdichtung. Nach 25 Versuchsvorrichtungen gelingt ihm eine wirkungsvolle Abdichtung der Drehschiebersteuerung, womit er den Grundstein für die Entwicklung des Wankelmotors legt.
1932 hat Felix Wankel die Idee zu der Drehkolbenmaschine DKM32, die später nur kurz läuft, aber als Verdichter bei 1000 U/min 5 bar Überdruck liefert, was ein Verdienst der ersten räumlich verlaufenden Dichtgrenze ist.
1936 spricht er bei der DVL (Vorläufer der DLR) vor und bringt innerhalb kurzer Zeit einen Siemens-Fünfzylinder-Sternmotor zum Laufen. Der spätere Leiter der Motorenentwicklung von Mercedes-Benz, Wolf-Dieter Bensinger, legt seinen Bericht Staatssekretär Erhard Milch vor, der damit zu Reichsminister Hermann Göring geht. „Dieser Mann ist großzügigst zu unterstützen“ ist daraufhin seine Anweisung, worauf Felix Wankel seine eigene Forschungswerkstätte (WVW) in Lindau gründet. Von 1936 bis 1941 entwickelt er erfolgreich Drehschiebersteuerungen für Junkers-, BMW-, Siemens- und Daimler-Flugmotoren.
Versuche 1941 mit hohen Öldrücken von bis zu 1000 bar zeigen neue Wege bei der Gleitlagerung. Die DLV und WVW schließen eine Reihe Optionsverträge mit den damals wichtigsten Firmen ab. Das Kriegsende 1945 unterbricht die geplante Serienfertigung von Drehschiebermotoren, und die Franzosen demontieren die WVW.
1951 nimmt Felix Wankel wieder die Zusammenarbeit mit den Goetze-Werken in Burscheid auf. Es folgt der Abschluss eines Forschungsauftrag von NSU für die Entwicklung von Drehschiebersteuerungen, der kurz darauf auf Rotationskolbenmaschinen erweitert wird. Felix Wankel geht nun gezielt auf die Suche nach der hochdrehfähigen Drehkolbenmaschine.
Er verhandelt 1954 wegen der Auswertung der DKM 53 als Kompressor mit Borsig. Borsig und NSU einigen sich auf eine Interessenabgrenzung, nach der NSU das Gebiet der Kraftmaschinen bearbeitet und Borsig das der Arbeitsmaschinen.
Der NSU-Ingenieur Hanns Dieter Paschke entwickelt 1956 aus den Versuchspressluftmotoren (Arenamaschinen) einen Drehkolbenkompressor DKK56, der einen 50-cm³-Zweitakt-NSU Quickly-Motor auf damals überragende 13,5 PS auflädt und für den Weltrekord (196 km/h) mit einem Baumm-Liegestuhl II sorgt. Die Art des Laders wird geheimgehalten, was zu allerlei Spekulationen führt.
Felix Wankels Drehkolbenmotor DKM 54
Felix Wankels Drehkolbenmotor DKM 54
Am 1. Februar 1957 läuft der DKM54 zum ersten Mal zwar nur kurz in der NSU-Versuchsabteilung TX; nachdem das Gemisch und die Zündung anders eingestellt werden, beginnt der Motor im wahrsten Sinn des Wortes rund zu laufen. Beim DKM 54 drehen sich die Kammer (Außenläufer) und der Innenläufer. Kraftabgebendes Element ist hierbei der Außenläufer, der Innenläufer dient nur als reines Absperr- und Steuerteil. Im April 1957 stellt man von Alkohol auf Benzin um. Der Motor erzielt trotzdem die gleiche Leistung und läuft gleichzeitig ruhiger. Mit der Gemischkühlung sind mit dem 125-cm³-Motor mehr als 20 PS nicht zu erreichen. Der sich drehende Innenläufer wird mit einer Wasserkühlung versehen, die in der TES in Lindau entwickelt wird. Im gleichen Jahr beginnt der NSU-Ingenieur Hanns Dieter Paschke die Konstruktion des einfacher aufgebauten KKM 57P; hierbei wird der Außenläufer stillgesetzt. Das geschieht unter strikter Geheimhaltung, damit Wankel davon nichts erfährt, da er es verhindert hätte. Später sagt Felix Wankel erbost über den KKM 57: „Sie haben aus meinem Rennpferd einen Ackergaul gemacht.“ Der NSU-Vorstandsvorsitzende Dr. von Heydekampf konterte: „Hätten wir wenigstens schon den Ackergaul!“ Damit war das Verhältnis zwischen Wankel und NSU auf einem Tiefpunkt angelangt. Die Versuche mit der DKM 54 werden 1958 eingestellt, denn das Prinzip hatte seine Funktionsfähigkeit gezeigt. Am 7. Juli 1958 läuft zum ersten Mal ein Kreiskolbenmotor KKM 57P.
Der Wankelmotor im Fahrzeugbau von 1960 bis heute [Bearbeiten]
Entwicklung von 1960 bis 1970 [Bearbeiten]
Zwei Jahre später 1960 wird erstmals ein Auto von einem Wankelmotor angetrieben, ein NSU Prinz III läuft mit einem KKM 250.
Am 19. Januar des gleichen Jahres wird im Deutschen Museum München während einer Veranstaltung des Vereins Deutscher Ingenieure (VDI) der KKM250 erstmals der Öffentlichkeit laufend vorgeführt. Nun wird der KKM 400 entwickelt, der von vornherein als Automotor konstruiert wird. Noch im gleichen Jahr wird er in einen Sportprinz eingebaut. Weitere umgebaute Sportprinzen folgen, und so fährt man mit der Kombination Sportprinz und Wankelmotor eine Million Versuchskilometer.
1962 findet am 16. Februar die sogenannte Rattermarkenkonferenz statt. Sie wurde notwendig, weil von den Laufflächen abplatzende Chromschichten zu häufigen Motorausfällen führten. Versuche mit leichteren Dichtleisten führten zum Erfolg, und so konnte im September der KKM 150 als erster Wankelmotor in Serie gebaut werden. Bei ihm werden auch zum ersten Mal Sinter-Kohledichtleisten verwendet, womit das Rattermarkenproblem vorerst gelöst ist. Der KKM 150 dient als Antrieb eines Wasserskischleppgerätes mit dem Namen Skicraft. Der Motor dient auch als Hilfsantrieb, als sogenannter Flautenschieber für Segelboote.
1963 wird der NSU Wankel Spider auf der IAA der Öffentlichkeit präsentiert, und Mazda stellt einen Versuchswagen mit einem Zweischeibenmotor auf der Motorshow in Tokio aus. Im Oktober 1964 geht der NSU Wankel-Spider in Serie. Der KM 37 ist der erste von Fichtel & Sachs in Serie gebaute Wankelmotor. Gleichzeitig entsteht der KM 914 mit 300 cm³ Kammervolumen in den Ausführungen als Stationärmotor und als Antrieb für Schneemobile, in die er von Fichtel & Sachs 1965 eingebaut wird. Im gleichen Jahr stellt NSU den Zweischeiben-Motor-Typ 506/509 auf der IAA aus.
1967 wird der NSU Ro 80 auf der IAA in Frankfurt der Öffentlichkeit präsentiert. Am 21. April gründen NSU und Citroën die gemeinsame Tochterfirma Comotor. Mazda geht im Mai mit dem Cosmo Sport in Serie und stellt somit als erster Autohersteller ein Auto mit einem Zweischeibenmotor her. 1969 beginnt Citroën mit der Operation M35, bei der 300 handverlesenen Kunden geänderte AMI 8 verkauft werden, die zusammen über 30 Millionen Versuchskilometer zurücklegen. Mercedes-Benz präsentiert den C-111 I mit einem Dreischeibenmotor auf der IAA in Frankfurt. Im Herbst wird der Ro80-Motor von Doppel- auf Einfachzündung umgestellt und eine Hochspannungs-Kondensatorzündung (HKZ) eingebaut. Der Bootsmotor NSU Marine Ro135 mit Doppelzündung wird in Serie gebaut.
Entwicklung von 1970 bis 1980 [Bearbeiten]
Mercedes-Benz stellt 1970 seinen C-111 II auf dem Genfer Automobil Salon aus. Die Karosserie ist überarbeitet worden, und statt eines Dreischeibenmotors testet man jetzt einen Vierscheibenmotor; in der Folge entscheidet sich Mercedes jedoch gegen den Einbau von Wankelmotoren. Der britische Motorradhersteller BSA testet einen Wankelmotor im Rahmen einer BSA A65. Hercules stellt den W2000-Prototyp auf der IFMA aus, als Motor wird ein modifizierter Schneemobilmotor KM 914B von Fichtel & Sachs verwendet. Die Firma Graupner führt den Modellmotor (Ogawa Seiki) OS Wankel in die Serie ein.
BSA/Triumph entwickelt 1971 einen eigenen luftgekühlten Zweischeibenmotor, den man in einen Triumph-Bandit-Rahmen einbaut. Beim Ro80 werden thermische Abgasreinigung und Drehzahlwarner eingeführt.
1972 stellt Ingersoll Rand mit den Wankelmotoren IR-2500 und IR-5000 die Motoren mit dem bisher größten Kammervolumen von 41 Litern her. Fichtel & Sachs führt die zweite Motorengeneration ein, den KM 3 und den KM 24; letzterer löst den KM 914 als Schneemobilantrieb ab. Mazda produziert in diesem Jahr 155.500 Autos mit Wankelmotoren. VW zieht sich aus dem von NSU und Citroën geschlossenen Vertrag zurück, und Comotor wird alleinige Tochterfirma von Citroën. Mazda stellt 1973 ca. 240.000 Autos mit Wankelmotoren her, insgesamt wird der 500.000. Wagen mit einem Wankelmotor produziert. OMC geht unter dem Label Evinrude und Johnson mit einem Vierscheibenmotor in der offenen Bootsrennklasse an den Start. Evinrude bringt im gleichen Jahr Schneemobile mit einem Wankelmotor auf den Markt. Nachdem Johnson und Evinrude die offene Klasse bei den Bootsrennen dominieren, werden Wankelmotoren fürs Jahr 1974 vom Wettbewerb ausgeschlossen. Im September beginnt Citroën mit der Serienproduktion des Citroën GS Birotor. Yanmar Diesel stellt drei Typen Außenbordmotoren mit Wankelmotoren her. RFB baut einen 60-PS-Fichtel & Sachs-Zweischeiben-Wankelmotor in den Sirius II ein. In Altforweiler wird das Comotorwerk eingeweiht. VW und Citroën treffen eine Entwicklungsvereinbarung für den EA871, der für die großen Citroën-Modelle vorgesehen wurde. Der deutsche Motorradhersteller Hercules führt 1974 die W2000 in die Serie ein, als Motor wird der KC 24 von Fichtel & Sachs verwendet. OMC (Evinrude, Johnson) stellt Schneemobile mit Wankelmotoren her. Ford kündigt den Lizenzvertrag, weil Curtiss-Wright eine Lizenzgebühr von über 100 Millionen Dollar fordert, und Ford versucht im Gegenzug, Mazda zu übernehmen.
1976 entsteht das Motorrad Van Veen OCR 1000 des niederländische Motorrad-Spezialisten Van Veen; er verwendet den Comotor-Wankelmotor (Citroën) und rüstet ihn mit einer elektronischen Kennfeldzündung von Hartig aus. OMC stellt nach 15.000 Motoren die Produktion ein und zieht sich aus dem Markt für Schneemobile zurück. Hercules bringt die verbesserte Hercules-2000-Injektion mit dem stärkeren KC-27-Wankelmotor heraus.
Die Produktion des Ro 80 wird mit Ende des Modelljahres 1977 nach 37.450 gebauten Fahrzeugen innerhalb 10 Jahren eingestellt; Mazda baut im gleichen Jahr ca. 50.000 Autos mit Wankelmotor. Der RFB-Prototyp Fantrainer 300 wird am 14. Dezember der Öffentlichkeit vorgestellt. Als Antrieb dienen zwei Audi-NSU-EA871A-Wankelmotoren, deren Schmiersystem kunstflugtauglich ist.
Mazda führt 1978 den RX-7 SA in die Serie ein, und John Deere übernimmt die Wankelentwicklung von Curtiss & Wright. Durch die Insolvenz von BSA/Triumph wird die BSA-Wankelmotorenentwicklung Norton zugeschlagen.
Entwicklung von 1980 bis heute [Bearbeiten]
OMC verkauft 1980 seine Wankelabteilung an Paul Moller.
Norton stellt 1984 für die britische Polizei die Interpol II in Serie her. Teledyne Continental Aircraft Products entwickelt auf der Basis von Nortonmotoren Flugzeugmotoren. Bedingt durch die Produkthaftung in den USA lässt man das Projekt später fallen.
Für 100 Millionen D-Mark erwirbt Mercedes Benz 1986 das Institut von Felix Wankel. Die Norton Classic entsteht 1988 basierend auf der Interpol; es ist das erste Wankelmotorrad, das Norton für den freien Markt herstellt.
Die Norton Police Commander löst 1989 die Interpol II ab, die zivile Version ist die Norton Commander.
Mazda baut 1990 mit dem Eunos Cosmo das erste Serienauto mit Dreischeiben-Wankelmotor. Im gleichen Jahr bringt man den RX-7 FD heraus.
Mit dem Mazda 787B mit der Startnummer 55 gewinnt 1991 Mazda das 24-Stunden-Rennen von Le Mans. Der 787B wird dabei von einem Vierscheiben-Wankelmotor angetrieben.
Im Jahr 1992 entsteht UEL aus einem Management-Buy-out der ehemaligen Entwicklungsabteilung von Norton. Midwest Engines wird gegründet und stellt Wankelmotoren für bemannte Flugzeuge auf der Basis der Nortonmotoren her.
Carlos Fernandez Pello, von der Universität Berkeley, stellt 2001 einen MEMS-(Micro-Electro-Mechanical System) Miniaturwankelmotor vor.
Mazda baut im Herbst 2002 den letzten RX-7 von dessen Baureihe insgesamt 811.634 Fahrzeuge verkauft wurden.
Von April 2003 bis März 2006 werden 148.317 RX-8 in Serie gebaut, und am 12. Februar desselben Jahres wird die Wankel Super Tec gegründet.
Seit dem 23. März 2006 verleast Mazda in Japan den RX-8 HRE, das erste Serienauto, bei dem Wasserstoff als Treibstoff eingesetzt wird.
10. August 2006: Rotapower Engine erreicht das SULEV-Emissionsziel für emissionsfreie Fahrzeuge. [2]
Am 1. Februar 2007 jährt sich zum 50. Mal der erste Prüfstandslauf eines Wankel-Drehkolbenmotors. Im Mai vor vierzig Jahren startete die Serienproduktion eines Zweischeibenmotors bei Mazda, im September vor 40 Jahren begann diese bei NSU mit dem Ro80. Auf der Tokio Motor Show 2007 zeigt Mazda den Premacy/Mazda 5 Hydrogen RE Hybrid, der ab 2008 in Japan verleast werden soll. Außerdem wird der verbesserte Renesis-16X-Wankelmotor der Öffentlichkeit vorgestellt.
Wankeldiesel [Bearbeiten]
Rolls Royce-Wankeldieselmotor
Rolls Royce-Wankeldieselmotor
Es gab Versuche, den Dieselprozess mit einem Wankelmotor auszuführen, unter anderem von Rolls-Royce mit der Typserie R1 bis R6, wobei zwei Wankelscheiben hintereinandergeschaltet wurden. Das ist vom Prinzip her mit einem Scania-Turbo-Compound-Dieselmotor vergleichbar. Der vorgeschaltete Läufer verdichtet für die obere Hochdruckstufe vor und nutzt die Abgasenergie aus der Hochdruckstufe. Der spezifische Verbrauch lag 1972 bei 220 g/kWh im Drehzahlbereich von 2500 bis 3500 Upm. Der Motor sollte als Antrieb für einen Panzer dienen, der dann nicht gebaut wurde. Mitte der 90er Jahre wurde von Maico ein Zweischeiben-Wankeldiesel für den Motorradeinsatz geprüft, jedoch im Zuge der Firmenveräußerung nicht weiterverfolgt. Die Fima UEL stellt einen kleinen Einscheiben-Wankeldieselmotor (AR-8010) her, der zwar nur 63 Prozent der Leistung seines Benzinpendants (AR-801) erreicht, aber immerhin ohne Turboaufladung die Literleistung von Hubkolben-Turbodieselmotoren erreicht. Die Firma Pats Aircraft stellt auf der Basis des AR-8010 ein APU her.
Als ein Hauptproblem erwiesen sich beim Wankel-Diesel die hohen Spitzendrücke und entsprechend hohen Spannkräfte, welche auf die Kammer einwirkten. Man löste das Problem durch integrierte Zuganker, welche nun die Scherkräfte aufnehmen. Damit konnte das sogenannte Warmwechsel-Kriechen des als Kammermaterial verwendeten Aluminiums vermieden werden. Eine weitere Schwierigkeit beim Wankeldiesel war es, eine ausreichend hohe Kompression zu erreichen. Die Verdichtung bei TDIs liegt bei etwa 16:1 bis 18:1, was theoretisch auch mit einem Wankelmotor erreicht werden kann. Zu hohe Verdichtungsverhältnisse führen zu einem sprunghaften Anstieg der Stickoxidemissionen.
1992 kaufte ein ehemaliger Mitarbeiter von Felix Wankel, Dankwart Eiermann, zusammen mit Jürgen G. Bax die Wankel GmbH vom LONRHO-Konzern zurück. In den folgenden Jahren entwickelte die Firma einen Wankeldiesel mit Fremdzündung (also mit Zündkerze) und Direkteinspritzung, wobei auf bereits seit den 1960ern bekannte Verfahren zurückgegriffen wurde (u. a. das FM-Verfahren). Durch die Verwendung von Direkteinspritzung und Fremdzündung konnten viele der bisherigen Schwierigkeiten bei der Verwendung von Diesel als Treibstoff ausgeräumt werden, wie schlechte Verbrennung, niedriger Wirkungsgrad und die erforderlichen hohen Drücke zur Selbstzündung. Die Literleistung von Prototypen betrug bis zu 150 PS bei vergleichbaren Verbräuchen wie moderne Hubkolben-Direkteinspritzer. Trotz dieser vielversprechenden Entwicklung musste die Wankel Rotary GmbH im Jahre 2000 Konkurs anmelden.
Lizenznehmer [Bearbeiten]
21.10.1958 Curtiss-Wright Corp. USA ohne Einschränkung
29.12.1960 Fichtel & Sachs AG D Industrie-Motoren, Boot 0,5–30 PS
25.02.1961 Yanmar Diesel Co. Ltd JP Benzin- und Dieselmotoren, 1–100 PS, 1–300 PS
27.02.1961 Toyo Kogyo, Co. Ltd. JP Benzinmotoren 1–200 PS für Landfahrzeuge
04.10.1961 Klöckner-Humboldt-Deutz AG D Dieselmotoren ohne Einschränkung
26.10.1961 Daimler-Benz AG D Benzinmotoren 50 PS aufwärts
30.10.1961 MAN AG D Dieselmotoren ohne Einschränkung
02.11.1961 Friedrich Krupp AG D Dieselmotoren ohne Einschränkung
12.03.1964 Daimler-Benz AG D Dieselmotoren ohne Einschränkung
15.04.1964 S.p.A Alfa Romeo IT Benzinmotoren von 50–300 PS für PKWs
17.02.1965 Rolls-Royce Motors Ltd. GB Diesel- und Hybridmotoren 100–850 PS
18.02.1965 IFA VEB DDR Ottomotoren 0,5–25 PS und 50–150 PS
02.03.1965 Dr.Ing. h.c. Porsche KG D Benzinmotoren von 50–1000 PS
01.03.1966 Outboard Marine Cooperation USA Benzinmotoren 50–400 PS
11.05.1967 Comotor S.A. L Benzin- und Dieselmotoren 40–200 PS
12.09.1967 Graupner D 0,1–3 PS Modellmotoren
28.08.1969 Savkel Ltd. IS Benzinmotoren von 0,5–30 PS Industrie-Motoren
01.10.1970 Nissan Motor Company Ltd JP Benzinmotoren von 80–120 PS
10.11.1970 General Motors USA Alles, außer Flugzeugmotoren
24.11.1970 Suzuki JP Benzinmotoren von 20–60 PS für Zweiräder
25.05.1971 Toyota JP Benzinmotoren von 75–150 PS für Pkw
29.11.1971 Ford-Werke AG, Köln D Benzinmotoren 80–200 PS (1974 gekündigt)
25.07.1972 BSA Ltd. GB Benzinmotoren 35–60 PS für Motorräder
29.09.1972 Yamaha JP Benzinmotoren 20–80 PS für Motorräder
04.10.1971 Kawasaki Heavy Industries JP Benzinmotoren 20–80 PS für Motorräder
07.02.1973 American Motors Corporation USA Benzinmotoren 20–200 PS
Die Patente zum Wankelmotor sind inzwischen abgelaufen, weshalb heute zu seinem Bau keine Lizenzen mehr benötigt werden.
Fahrzeuge mit Wankelmotor [Bearbeiten]
Automobile [Bearbeiten]
NSU Ro 80
NSU Ro 80
* IFA (Trabant, Wartburg), einzelne Prototypen von 1961 bis Ende der 1960er Jahre.
* NSU Wankel Spider (1964–1967) Erstes Serienauto mit einem Einscheibenmotor.
* Ford Mustang (1965) experimental mit Curtiss-Wright RC2-60.
* Mazda 110 S Cosmo Sport (1967–1972) Erster Serienwankel mit Zweischeibenmotor.
* NSU Ro 80 (1967–1977)
* Mazda R100 (1968–1975)
* Citroën M35 (1969–1971), reiner Versuchsträger, nur 267 Stück wurden gebaut.
* Mazda R130 (1969–1972) Coupé mit 13A-Wankelmotor.
* Mercedes-Benz C111 (Prototyp 1969–1971) Dreischeiben- und Vierscheibenmotoren
* Lada (1970er–1990er Jahre) einige hundert Modelle (u. a. Shiguli und Niva), keine Serienfertigung
* Mazda RX-2 (1971–1974)
* Mazda RX-3 (1972–1977) Versionen Coupé, Limousine und Caravan.
* Mazda RX-4 (1972–1977) Versionen Coupé, Limousine und Caravan.
* Datsun 1200 (1973)
* Corvette XP-897GT (1973)
* Citroën GS Birotor (1974–1975), 847 Stück hergestellt.
* Mazda Rotary Pickup (1973–1977), nur in den USA verkauft.
* Mazda Parkway Rotary 26 (1974–1976,) erster Bus mit Wankelmotor.
* Mazda Road Pacer AP (1975–1977)
* Mazda RX-5 (1975–1981)
* Audi 100 (1976–1977) ca. 25 Prototypen in der Erprobung.
* Mazda Luce Legato (1977–1981) Topversion 929L.
* Mazda Cosmo AP RX-5 (1981–1990)
* Mazda Luce (1981–1986) Topversion 929.
* Mazda Luce (1986–1991) Topversion 929.
* Eunos Cosmo (1990–1995) Erster Serien-PKW mit Dreischeibenwankelmotor.
* Mazda 787B (1991 LeMans-24h-Gewinner)
* Mazda RX-7 (1978–2002) Baureihe SA (FB), FC, FD.
* Die Flugautos M200 und M400 der Firma Moller
* Mazda RX-8 (seit 2003)
* Mazda RX-8 Hydrogen RE Hydrogen RE Hybrid Concept (seit 2004)
* Mazda 5 HRE Hydrogen RE Hybrid Concept (seit 2005)
* Mazda Furai Concept-Car (seit 2007)
Motorräder [Bearbeiten]
Hercules W 2000
Hercules W 2000
Van Veen OCR1000
Van Veen OCR1000
Obwohl alle großen Motorradmarken an der Integration eines Wankelmotors für Motorräder arbeiteten, konnten keine nennenswerten Verkaufszahlen erreicht werden. Grund waren technische Probleme des Motoreinbaues und hohe Entwicklungskosten. Die Hercules W 2000 galt als ein wenig attraktives Motorrad und war in den Fahrleistungen unterlegen. Es wurden nur relativ geringe Stückzahlen hergestellt.
* Hercules W 2000 „Staubsauger“
* Hercules KC31 KC31 im GS 250-Rahmen
* Suzuki RE 5
* Van Veen OCR 1000
* Motoprom
* MZ Prototypen
* Norton P41 „Interpol II“
* Norton P43 „Classic“
* Norton P52 „Commander Police“
* Norton P53 „Commander Civilian“
* Norton P55 „F1“
* Norton P55B„F1 Sports“
* Norton RCW 588
* Norton NRV 588
Wasserfahrzeuge [Bearbeiten]
Wankel Zisch 74
Wankel Zisch 74
* Avenger-Sportboot mit zwei Marine Ro 135
* Ski-Craft-Wasserskizuggerät und Flautenschieber
* Rennboote OMC (Outboard Marine Coorperation) Evinrude Johnson
* Zisch 68
* Zisch 74
Flugzeuge [Bearbeiten]
Diamond Katana DA20 mit Diamond Engines Zweischeiben Wankelmotor
Diamond Katana DA20 mit Diamond Engines Zweischeiben Wankelmotor
* Citroën RE2-Helicopter mit Citroën RMR07V-Wankelmotor
* RFB Rhein Flugzeugbau AWI-2
* RFB Sirius-2 mit Zweischeiben Fichtel & Sachs Wankelmotor
* RFB Fantrainer Zweisitziges Trainingsflugzeug mit Mantelschraube-Prototyp mit zwei EA871A.
* RFB Fanliner Zweisitzige Sportmaschine mit einem EA871A
* Alexander Schleicher ASK 21 mi, ASH 26 E, ASW 22 BLE und ASH 25 Mi mit Einscheiben-Diamond-Engines-Wankelmotor
* Katana mit Diamond-Engines-Wankelmotor GIAE-110R.
Unbemannte Flugzeuge, Drohnen, UAV [Bearbeiten]
* Blue Horizon II UAV Hersteller EMIT
* Crecerelle UAV, Hersteller SAGEM
* Darter UAV, Hersteller Silver Arrow
* Deltron III UAV, Hersteller TESTEM
* Dragon UAV, Hersteller Matra
* Galileo UAV mit UEL AR-682
* GLOV UAV Hersteller Accurate Automation Corp.
* Goldeneye UAV mit UEL AR-741
* Harpy UAV , Hersteller IAI
* Hellfox UAV, Hersteller Mi-Tex
* Hermes 180 mit UEL AR-74-1000, 10 Stunden Flugzeit, Hersteller Silver Arrow
* Hermes 450 und 450S mit UEL AR 80-1010, 20 Stunden und 30 Stunden Flugzeit, Hersteller Silver Arrow
* i-Foile UAV
* ISIS mit UEL AR-8010
* Lark UAV, Hersteller Kentron
* Marula UAV, Hersteller SAGEM
* Night Intruder 300 KAI
* Nishant UAV, Hersteller ADE
* Phantom Medium Tactical UAV
* Pioner RQ2A mit UEL AR-741, Hersteller PUI
* Pioneer RQ2B mit UEL AR-741, Hersteller IAI
* Prowler I, Hersteller GA-ASI
* Scout UAV mit UEL AR-801 Hersteller IAI
* Schiebel Camcopter S-100 mit Diamond Engines AE-50R, Hersteller Schiebel
* Seabat UAV, Hersteller Orion
* Sea Scout mit UEL AR-801
* Searcher II Hersteller IAI
* Shadow 200 mit UEL AR-741, Shadow 200B mit UEL AR-741, Shadow 400 mit UEL AR-741, Shadow 600 mit UEL AR-801, Hersteller AAI
* Sikorsky Cypher und Cypher II mit UEL AR-801
* Skyeye mit UEL AR 80-1010, Hersteller BAE Systems
* Sniper UAV, Hersteller Silver Arrow
* Starbird UAV, Hersteller Northrop Grumman
* STF-9A UAV, Hersteller Daedalus
* TPPV-1 Doysae UAV, Hersteller KAI
* UAV-X1, Hersteller TAI
* Vixen UAV, Hersteller Mi-Tex
Sporteinsatz [Bearbeiten]
Um den Wankelmotor in der Motorwelt zu etablieren, nahmen das NSU- und Mazda-Team an diversen Autorennen teil und konnten einige Siege verbuchen, die systembedingt keine Rückschlüsse auf den Motor alleine zulassen. Es waren die Deutsche Ralleymeisterschaft (1969), das 24-Stunden-Bootsrennen von Rouen (1966), deutscher Bergmeister aller Klassen (1967 und 1968), der Sieg im 24-Stunden-Rennen von Le Mans (1991), bei dem der Motor im Bereich des maximalen Drehmoments etwa 285 g/kWh verbrauchte, ferner u. a. Siege in der amerikanischen- und australischen Tourenwagenmeisterschaft. Ebenso konnten Siege in der offenen Klasse der Rennboote verzeichnet werden (1973).
Norton stattete Motorräder mit Wankelmotoren aus und errang einige Erfolge im Rennsektor. So die englische Superbike-Meisterschaft, zweimal wird die Powerbike International mit einer Norton-Wankel gewonnen und 1992 gewinnt Norton mit der RCW588 die Isle of Man TT.
Seit den 90er Jahren werden auch Karts von Wankelmotoren angetrieben. Die Vorteile liegen im geringen Gewicht. Die Leistung beträgt bis zu 30 kW bei einem Kammervolumen von weniger als 300 cm³ und einem Gewicht von etwa 17 Kilo. Der Achsantrieb erfolgt über eine Fliehkraftkupplung ohne Getriebe
Weitere Anwendungen [Bearbeiten]
Aixro Kart Wankelmotor
Aixro Kart Wankelmotor
Sikorsky Cypher UAV, angetrieben von einem UEL-AR801-Wankelmotor
Sikorsky Cypher UAV, angetrieben von einem UEL-AR801-Wankelmotor
Anwendung findet der Wankelmotor auch als Flugzeugantrieb. Die Alexander Schleicher GmbH baut einen Diamond-Engines-Einscheibenmotor in ihren Klappantrieb der ASK 21 Mi, ASH 26 E und ASH 25 Mi ein. Der VLA (very light aircraft)-Zweisitzer Katana soll künftig mit dem 110 PS starken Zweischeiben-Wankelmotor von Diamond Engines ausgerüstet werden, und ebenfalls einen Diamond-Wankelmotor GIAE-110R bekommt die Aeriks 200, ebenfalls ein Zweisitzer aus Manno in der Schweiz. Die Firma Wankel Super Tec in Cottbus hat einen Fremdzündungsdiesel-Wankelmotor entwickelt, der im Verbrauch an hoch optimierte HKM-TDIs heranreicht. Dieser soll in Flugzeugen eingesetzt werden
Eine Variante ist der „Wankel-Fremdzündungsdiesel“, ein Vielstoffmotor, der mit Fremdzündung für den Antrieb von sogenannten Drohnen arbeitet. Zwar wird hier Diesel als Kraftstoff eingespritzt, jedoch kommt die dieseltypische Selbstzündung nicht zum Einsatz.[3] Die englische Firma UAV EL ist zur Zeit der Weltmarktführer bei Drohnen-Wankelmotoren.
Durch die räumliche Trennung von Ansaug- und Verbrennungsraum ist der Wankelmotor besonders geeignet zur Verbrennung von Wasserstoff (Wasserstoffbetrieb) und ähnlich leichtentzündlichen Brennstoffen (Erdgas, Autogas usw.), da sich das Gasgemisch nicht vorzeitig an heißen Bauteilen (wie etwa an Auslassventilen und der Brennraumoberfläche) entzünden kann. Es liegt eine räumliche Trennung von Verdichtungs- und Verbrennungsraum vor, was gegenüber dem Viertakt-Hubkolbenmotor die Klopffestigkeit steigert. Mazda erprobt aktuell im RX-8 HRE und Mazda 5 HRE den Betrieb mit Wasserstoff. Hier kommt dem Wankelmotor seine spezielle Brennraumform zugute. [4]
Ingersoll-Rand baute zwischen 1972 und 1986 Gaswankelmotoren in Serie für Gaspumpstationen.
Norton, Suzuki und Yamaha versuchten sich an Motorrädern, Sachs baute einen modifizierten Motor in die Hercules W 2000 ein.
In den Schneemobilen der Firma OMC (Johnson Evinrude) kamen eigenentwickelte Wankelmotoren zum Einsatz, andere Schneemobilhersteller setzten F&S-Wankelmotoren ein.
Die Firmen Italsystem und Aixro bauen Wankelmotoren für Renncarts, Freedom Motors für Wasser-Scooter und Fichtel & Sachs für Rasenmäher und Notstromerzeuger.
Auch als Antrieb für Gurtstraffer kommen kleine, druckgasbetriebene Einweg-Wankelmotoren zum Einsatz[5], und 1975 wird eine Dolmar-Kettensäge mit einem KMS 4 von Fichtel & Sachs angetrieben.
Kraftfahrzeugsteuer (in Deutschland) [Bearbeiten]
Wankelmotoren werden nach dem zulässigen Gesamtgewicht wie LKW besteuert.
Die Höhe der Kraftfahrzeugsteuer für PKW bemisst sich in Deutschland nach dem Hubraum. Der NSU-RO80 mit knapp 1000 cm³ Kammervolumen und 86 kW hätte bei Anwendung der damaligen Hubraumsteuer von 14,40 DM/100 cm³ eine Steuer von nur 144,00 DM/Jahr bedeutet. Um Wankelmotoren gegenüber Hubkolbenmotoren nicht zu begünstigen, wollten die Steuerbehörden zuerst das Kammervolumen doppelt rechnen, da ein Auto mit 86 kW zu dieser Zeit einem Hubraum von 2 Litern eines Hubkolbenmotors entsprach. Nach etlichen Verhandlungen einigte man sich aber auf die Anwendung der LKW-Steuer. Die Steuer bemisst sich nach dem verkehrsrechtlich zulässigen Gesamtgewicht. Kosten bei einem zulässigen Gesamtgewicht bis 2000 kg: EUR 11,25 pro 200 kg Fahrzeuggewicht
Bilder [Bearbeiten]
Serien-Wankeldieselmotor: UAV UEL AR-8010 (z. B. eingesetzt von ISIS, IAI)
Verschiedene Trochoïden, darunter zwei aktuelle Entwicklungen aus dem Wankel-Diesel-Fremdzündungsbereich
Mazda-Wankelmotor mit axialer Kühlwasserführung
erster Versuchs-Wankelmotor von Mazda
Zwei Arten Exzenterwellen: Die obere geteilt für einen Dreischeibenmotor NSU 619, die untere Exzenterwelle gehört zu einem NSU Ro 80-Motor
Dichtsystem: Dichtleisten an einem Klimakompressor
Exzenter einer Exzenterwelle für einen NSU KKM619-Dreischeibenmotor
Motor des NSU Wankel Spider
Dreischeiben-Wankelmotor, Wankel NSU 619
Exzenterwelle für einen Wankel NSU 619
Verwandte Themen [Bearbeiten]
* Vorläufermodell von Felix Wankel: Drehkolbenmotor
* Brennverfahren: Dieselmotor, Ottomotor
* Ladungswechselverfahren: Zweitaktverfahren, Viertaktverfahren
* Schapiromotor
Literatur [Bearbeiten]
Konstruktion
* Kenichi Yamamoto Rotary Engine Sankaido Co. Ltd. 1st ed. 1981
* Richard F. Ansdale: Der Wankelmotor. Konstruktion und Wirkungsweise, 228 Seiten, Motorbuch Verlag, Stuttgart, 1. Aufl. 1971, ISBN 3-87943-214-7
* Wolf-Dieter Bensinger Rotationskolben – Verbrennungsmotoren Springer-Verlag Berlin Heidelberg ISBN 3-540-05886-9
* Andreas Knie: Wankel-Mut in der Autoindustrie, 290 Seiten, Edition Sigma, ISBN 3-89404-145-5
* Dieter Korp: Protokoll einer Erfindung: Der Wankelmotor, 224 Seiten, ISBN 3-87943-381-X
* Claus Myhr: NSU Ro 80 und Wankel Spider 1964–1977, 96 Seiten, ISBN 3-922617-49-2
* Marcus Popplow: Motor ohne Lobby?, 256 Seiten, ISBN 3-89735-203-6
* Ulrich Knapp: Wankel auf dem Prüfstand, 216 Seiten, ISBN
