Wankelmotor
Der Wankelmotor (auch: Kreiskolbenmotor) ist ein Verbrennungsmotor, bei dem keine zylindrischen Kolben in einem Zylinder in axialer Richtung hin- und herbewegt werden. Stattdessen findet sich die umkehrfreie Bewegung eines so genannten Kreiskolbens, der – auf einer Exzenterwelle angeordnet – in einem Trochoidgehäuse kreist und gleichzeitig um seine eigene Achse rotiert. Die Kontur des Kreiskolbens besteht aus drei abgeflachten Kreisbögen und sieht aus wie ein "bauchiges" Dreieck (Reuleaux-Dreieck). Die Ecken stehen ständig in Kontakt mit dem Trochoidgehäuse und bilden so drei unabhängige Arbeitsräume.
Benannt ist der Wankelmotor nach seinem Erfinder Felix Wankel, der ihn ab 1957 entwickelt hatte.
Beschreibung des Arbeitsablaufes für einen Arbeitsraum
Ein Arbeitsraum läuft am Einlassschlitz vorbei, wobei ein Kraftstoff-Luft Gemisch angesaugt wird. Durch den bei der Drehung des Kreiskolbens immer kleiner werdenden Arbeitsraum wird das Kraftstoff-Luft Gemisch in diesem Arbeitsraum verdichtet. Nach dem Gasgesetz erwärmt es sich durch die Verdichtung. Schließlich erreicht es den Ort der Zündkerze. Jetzt hat das Kraftstoff-Luft Gemisch seine höchste Dichte und wird gezündet. Durch die Verbrennung wird der Kreiskolben beschleunigt. Man spricht vom Arbeitstakt. Im Gegensatz zu einem Otto- oder Dieselmotor geht die bei der Verbrennung frei werdende Energie direkt in eine Drehbewegung der Kurbelwelle über. Mit weiterer Drehung des Arbeitsraumes vergrößert sich das Brennraumvolumen wieder. Der Auslassschlitz wird erreicht, das Abgas wird durch diesen ausgestoßen.
Dieser Zyklus wird von jedem der drei Arbeitsräume durchlaufen, was bedeutet, dass bei einer Kolbenumdrehung drei Zündungen stattfinden.
Anmerkung: Der Kreiskolbenmotor arbeitet sowohl nach dem Viertaktprinzip, da ein geschlossener Gaswechsel vorhanden ist, als auch nach dem Zweitaktprinzip, da der Kreiskolben den Gaswechsel über Schlitze in der Mantellaufbahn steuert und eine Exzenterwellenumdrehung einem Arbeitsspiel entspricht.
Vor- und Nachteile
Ein Vorteil des Wankelmotors ist sein extrem einfacher Aufbau. Er hat nur wenige bewegliche Teile (je nach Bauart unterschiedlich viele Kreiskolben, meist zwei, und die Exzenterwelle). Außerdem besitzt er eine geringe Baugröße, das heisst er ermöglicht eine hohe Leistungsdichte bei geringem Gewicht und Platzbedarf. Durch die räumliche Trennung von Ansaug- und Verbrennungsraum ist er hervorragend geeignet für den Wasserstoffbetrieb.
Des Weiteren läuft ein Wankelmotor durch vollkommenen Massenausgleich sehr vibrationsarm.
Der Hauptnachteil ist sein sehr flach-langgestreckter Verbrennungsraum, der im Vergleich mit dem Hubkolbenmotor ein sehr ungünstiges Verhältnis zwischen Brennraumvolumen und -oberfläche hat und deshalb viel Energie als Wärme ungenutzt über das Gehäuse abführt. Zudem wird relativ viel Gemisch unverbrannt beim Auslassschlitz ausgeschoben. (Was aber beim Seitenauslaß und Schichtlademotoren vermieden wird!) Der Wirkungsgrad ist prinzipbedingt schlechter als der des Hubkolbenmotors. (Der Wärmeübergang ist nicht vergleichbar, weil im Gegensatz zum HKM der Verbrennungsraum niemals auskühlt.) Dem Problem der uneffizienten Verbrennung kann versucht werden durch 2-Punkt-Zündung innerhalb des Arbeitsraumes (zwei Kerzen in einem Arbeitsraum) entgegenzuwirken, was das Problem allerdings nur reduziert. Der Verbrauch wird so aber um ca 30% gesenkt. Weitere Nachteile sind die komplizierte Abdichtung der Kolbenecken, die in den Anfangsjahren zu hohem Verschleiß geneigt hat, und die, durch die relativ hohen Drehzahlen auch an Anbauteile bedingten, hohen Anforderungen an Materialgüte und Fertigungsgenauigkeit. (Man darf von den Dichtleistenproblem der frühen NSU Ro80 nicht auf ein allgemeines Problem schließen. Denn das war ein Konstruktionsfehler und mehr der mangelhaften Erprobung zuzurechnen.)
Während beim Hubkolbenmotor der Brennraum im Ansaugtakt durch das Frischgas gekühlt wird, bilden sich beim Wankelmotor heiße Zonen aus, da die Verbrennung immer an der selben Stelle des Gehäuses stattfindet und im Bereich hinter der Zündkerze nie kaltes Gas vorbeiströmt. Das wiederum führt zu höherem thermischen Verzug, als beim Hubkolbenmotor. Der Leertakt beim 4T-HKM bedeutet aber auch nur den halben Gasdurchsatz pro Umdrehung und somit auch nur 50% der Leistung gegenüber dem Wankelmotor. Zwischen Auslaß- und Einlaßseite besteht beim 4T-HKM ein hohes Temperaturgefälle. Den Wärmeverzug kann man bei Wankelmotor durch entsprechende Kühlwasserführung und/oder Stahleinlagen (zum Beispiel SIP-Verfahren bei Mazda) in tolerierbaren Bereichen halten.
Fahrzeuge mit Wankelmotor
Automobile
- Mazda RX-8 (seit 2003)
- Mazda RX-7 (1978 - 2000)
- Mazda RX-5 (1975 - 1981)
- Mazda Rx-3 (1971 - 1978)
- Mazda Rx-2 (1970 - 1978)
- Mazda 787B (1991)
- NSU Ro80 (1967 - 1977)
- NSU Wankel Spider (1964 - 1967)
- Audi 100 C2 Typ 43 (1976 - 1977) ca. 50 Prototypen in der Erprobung
- Citroën GS Birotor (19?? - 19??)
- Citroën M35 (19?? - 19??)
- Datsun ?? (19?? - 19??)
- Mercedes C111 (1969 - 197?)
- IFA (MZ, Trabant, Wartburg), einzelne Prototypen von 1961 bis Ende der 1960er Jahre
- Lada (1970er - 1990er Jahre)
Motorräder
- Hercules W 2000 "Staubsauger" Hercules Wankel
- Suzuki RE 5
- Van Veen OCR 1000
- Norton P41 "Interpol II"
- Norton P43 "Classic"
- Norton P52 "Commander Police"
- Norton P53 "Commander Civilian"
- Norton P55 "F1"
- Norton P55B "F1 Sports"
Weitere Anwendungen
Anwendung findet der Wankelmotor auch als Flugzeugantrieb.
Eine Variante ist der "Wankel-Fremdzündungsdiesel", ein Vielstoffmotor, arbeitet mit Fremdzündung für den Antrieb von sogenannten Drohnen. Zwar wird hier Diesel als Kraftstoff mit eingespritzt, jedoch kommt die dieseltypische Selbstzündung nicht zum Einsatz. Die 1998 begonnene Entwicklung ist bis zum heutigen Tage (2004) nicht zu einem Abschluss gekommen. Die englische Firma UAV ist zur Zeit der Weltmarktführer bei Drohnen-Wankelmotoren. Die Wankel Supertec hat einen Fremdzündungsdiesel-Wankelmotor entwickelt, der im Verbrauch an hochoptimierte HKM TDIs heranreicht.
Kraftfahrzeugsteuer (in Deutschland)
Die Höhe der KFZ-Steuer bemisst sich in Deutschland nach dem Hubraum. Da Wankelmotoren keinen Hubraum im eigentlichen Sinne haben, werden sie nach dem zulässigen Gesamtgewicht besteuert.
Weblinks
- http://www.der-wankelmotor.de/
- Der Mazda RX-8
- Animierter Bewegungsablauf des Wankelmotor
- Internetauftritte verschiedener Hersteller
Literatur
- Andreas Knie, Wankel-Mut in der Autoindustrie, 290 Seiten - Edition Sigma, ISBN 3894041455
- Richard F. Ansdale, Der Wankelmotor. Konstruktion und Wirkungsweise.228 Seiten - Motorbuch Vlg., Stgt, ISBN 3879432147