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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)
