Zum Inhalt springen

Wankelmotor

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Dies ist eine alte Version dieser Seite, zuletzt bearbeitet am 21. September 2005 um 14:02 Uhr durch Das emm (Diskussion | Beiträge) (→[[Kraftfahrzeugsteuer]] (in Deutschland)). Sie kann sich erheblich von der aktuellen Version unterscheiden.
Wankelmotor (animiert)

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 1954 entwickelt hat. Zuerst als Drehkolbenmotor (DKM54) ausgeführt. Später setzte der NSU-Ingenieur Hanns Dieter Paschke den Außenläufer still, so entstand der KKM57P.

Beschreibung des Arbeitsablaufes für einen Arbeitsraum

Der Wankelzyklus: Einlass (blau), Kompression (grün), Zündung (rot), Auslass (gelb)

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 nach dem Viertaktprinzip. Die Taktdauer beträgt beim Wankelmotor 270° und ist somit 50% länger als beim 4T-HKM (4Takt-Hubkolbenmotor). Ein kompletter Viertaktdurchgang dauert 1080° gegenüber 720° beim 4T-HKM.

Vor- und Nachteile (gegenüber dem Hubkolbenmotor)

Ein Vorteil des Wankelmotors ist sein relativ einfacher Aufbau. Er hat nur wenige bewegliche Teile (je nach Bauart unterschiedlich viele, meist zwei Kreiskolben und die Exzenterwelle), von denen keine Teile sich auf und ab bewegen. Dadurch, dass sich alle Teile nur um ihren Schwerpunkt drehen, kann man einen Wankelmotor vollkommen auswuchten. In Verbindung mit einer 50% längeren Taktdauer ergibt sich gegenüber dem Hubkolbenmotor eine größere Laufruhe. Die Kraftübertragung geschieht direkt auf die Welle und benötigt keinen Umweg über die beim Hubkolbenmotor vorhandenen Pleuel. Auch benötigt ein Wankelmotor keinerlei Ventile wie ein Viertakt-Hubkolbenmotor. Weiters hat er einen niederen Oktanzahlbedarf und eine höhere Ausfallsicherheit.

Der Wankelmotor besitzt eine relativ geringe Baugröße. Das heißt, er ermöglicht eine hohe Leistungsdichte bei geringem Gewicht. Das kommt durch die gegenüber dem Hubkolbenmotor kompakteren Anordnung von Exzenterwelle und Läufer, gegenüber Kolben, Pleul und Kurbelwelle, des Hubkolbenmotors. Auch benötigt man nur die Hälfte an Kammervolumen gegenüber dem Hubraum des Viertakt-Hubkolbenmotors, weil bei jeder Exzenterwellenumdrehung ein Arbeitstakt pro Kammer stattfindet. Durch die räumliche Trennung von Ansaug- und Verbrennungsraum ist er besonders geeignet für den Wasserstoffbetrieb. Durch die Abwesenheit von heißen Auslassventilen ist die Klopffestigkeit gegenüber Viertakthubkolbenmotor gesteigert. Bei Viertakthubkolbenmotoren kann sich das Gemisch frühzeitig an den heißen Auslassventilen oder der Kerze entzünden.

Der Wankelmotor eignet sich besonders für den Schichtladebetrieb, weil zum Einspritzen mehr Zeit zur Verfügung steht und die Ladungsschichtung sich ohne Hilfsmittel einstellt. - Der Hauptnachteil ist sein sehr flach-langgestreckter Verbrennungsraum, der im Vergleich mit dem Hubkolbenmotor ein ungünstiges Verhältnis zwischen Brennraumvolumen und -oberfläche hat und deshalb relativ viel Energie als Verlust-Wärme abführt. Bei alten Wankelmotoren mit Umfangsauslass wird relativ viel Gemisch unverbrannt zum Auslassschlitz ausgeschoben. Dies führt zu hohen HC-Werten im Abgas. Gleichzeitig hat man eine unerwünscht hohe Abgasrückführungsrate, was zu Zündaussetzern im Leerlauf und im Teillastbetrieb führen kann. Dies kann man mit einem Seitenauslass vermeiden, wie er bei Mazda Renesis in Serie ausgeführt. Dort wird kein unverbranntes Gemisch durch den Auslass ausgestossen.

+ Das Ausschieben von unverbrannten Gemisch reduziert man durch die Verwendung einer Doppelzündung und/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 gegenüber den frühen Ausführungen so um etwa 30% gesenkt. Die zweite Kerze ist ohnehin bei Flugzeugmotoren Pflicht. In dem Mazda 26B (LeMans 24h 1991) wurden sogar eine Dreifach-Zündung eingesetzt, womit ein spezifischer Verbrauch von 210g/Psh bei 6000Upm erreicht wurde.

Mazda hat die Äquidistante (Abstand zwischen rechnerischen Trochoide zu der tatsächlichen Laufbahn) beim Renesis (RX-8) gegenüber den bisherigen Mazda 13B verkleinert, hierdurch das Volumen der Zwickel verkleinert und im Gegenzug den Verbrennungsraum mehr in die Brennraummulde des Läufers verlagert. Man hat somit die Brennraumoberfläche und das Volumen der Zwickel verringert. Beim Wärmeübergang kann man nicht eindeutig nur die Brennraumoberfläche betrachten, weil auch Brennraumdrücke beim Wärmeverlust und die herrschenden Brennraumtemperaturen berücksichtigt werden müssen. Auch sieht man heute eine drehzahl- und temperaturabhängige Kühlung des Läufers vor. Bei aktuellen Mazda-Modellen werden bis 60°C Öltemperatur die Läufer überhaupt nicht gekühlt, darüber erst ab einer Motordrehzahl von 3000 U/min. So erreicht man eine lastkonforme Kühlung des Läufers, was den Wirkungsgrad des Motors verbessert. Insgesamt verringert man den Wärmeverlust allgemein durch heute deutlich höhere Betriebstemperaturen. Das Wärmemanagement eines modernen Viertakthubkolbenmotor ist ähnlich kompliziert.

Während beim Hubkolbenmotor der Brennraum im Ansaugtakt durch das Frischgas gekühlt wird, bildet sich beim Wankelmotor eine heiße Zone (warmer Bogen) aus, die gekühlt werden muss. Den Wärmeverzug kann man beim Wankelmotor durch entsprechende Kühlwasserführung und/oder Stahleinlagen (zum Beispiel SIP-Verfahren bei Mazda) in tolerierbaren Bereichen halten.

+ Der scheinbare Nachteil der räumlichen Trennung von Verbrennungs- und Verdichtungsraum macht den Wankelmotor im Besonderen geeignet zur Verbrennung von Wasserstoff und ähnlichen Brennstoffen mit geringer Oktanzahl, da sich das Gasgemisch nicht vorzeitig an heißen Bauteilen (wie etwa den Auslassventilen und der Brennraumoberfläche) entzünden kann.

Fahrzeuge mit Wankelmotor

Automobile

Motorräder

Hercules W 2000
  • 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. Auch als Antrieb für Gurtstraffer kommen kleine Wankelmotoren zum Einsatz.

Eine Variante ist der "Wankel-Fremdzündungsdiesel", ein Vielstoffmotor, der mit Fremdzündung für den Antrieb von sogenannten Drohnen arbeitet. 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)

Wankelmotoren werden nach dem zulässigen Gesamtgewicht wie LKWs besteuert.

Die Höhe der PKW-KFZ-Steuer bemisst sich in Deutschland nach dem Hubraum. Der NSU-RO80 mit knapp 1000 ccm Kammervolumen und 115 PS hätte bei Anwendung der damaligen Hubraumsteuer von 14,40 DM/ 100 ccm 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 115 PS zu dieser Zeit einen Hubram von 2 Litern eines Hubkolbenmotors entsprach. Nach etlichen Verhandlungen einigte man sich aber auf die Anwendung der LKW-Steuer, die damals und auch heute noch bei 198,00 DM (umgerechnet in €) / Jahr liegt.

Internetauftritte verschiedener Hersteller

Literatur

Abgerufen von „https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Wankelmotor&oldid=9412425“