Wankelmotor

Der Wankelmotor ist ein Rotationskolbenmotor (RKM), der nach seinem Erfinder Felix Wankel benannt worden 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. Es existieren prinzipiell zwei kinematische Versionen: Der Drehkolben-Wankelmotor (DKM 54) und der Kreiskolben-Wankelmotor (KKM 57), wobei die Zahl für das Jahr der Entstehung steht. Wirtschaftliche Bedeutung konnte nur der von Hanns Dieter Paschke konzipierte Kreiskolben-Wankelmotor erlangen, der allgemein als Wankelmotor bezeichnet wird.

Beim KKM 57P (konstruiert 1957 von Hanns Dieter Paschke) übernimmt der bogig-dreieckige Rotationskolben, als Läufer bezeichnet, gleichzeitig die Funktionen der Kraftabgabe und der Steuerung der Gaswechselvorgänge. Der Kreiskolben-Wankelmotor hat eine Exzenterwelle und damit eine geringe Unwucht, die durch Ausgleichsgewichte vollkommen ausgeglichen werden kann. Der Drehkolben-Wankelmotor DKM 54 hat keine Exzenterwelle. Hier drehen sich der Läufer und die oval-bogige Hüllfigur (Trochoïde) unwuchtfrei um ihre eigenen Schwerpunkte. Die Achsen sind somit exzentrisch zueinander gelagert. Beim DKM 54 ist der Außenläufer das kraftabgebende Element, der Innenläufer dient nur als Absperrteil zur Steuerung des Gaswechsels.

Technik

Beschreibung des Arbeitsablaufs

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 und 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

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, ähnlich einem Reuleaux-Dreieck. 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 (Stator) 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 das Verzahnungsverhältnis von Innenverzahnung des Läufers zur Außenverzahnung des Ritzels wie 3:2; das ergibt beispielsweise bei 30 Innenzähnen des Läufers 20 Außenzähne für das Ritzel. Daraus folgen drei Umdrehungen der Exzenterwelle, wenn sich der Kolben einmal um seinen Mittelpunkt gedreht hat. Das Läuferlager und 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

Bezeichnungen, Begriffe, Beziehungen

Das Kammervolumen <math>V_K</math> bei einem Wankelmotor mit Trochoïde ist:

<math>V_\mathrm{K} = \left( V_{\mathrm{K}_\mathrm{max}} - V_{\mathrm{K}_\mathrm{min}} \right) n</math>

und berechnet sich zu:

<math>V_\mathrm{K} = 3 \cdot \sqrt{3} \cdot R \cdot e \cdot b \cdot n</math>

mit
<math>R</math> … Radius des Grundkreises
<math>e</math> … Exzentrizität
<math>b</math> … Kammerbreite
<math>n</math> … Läuferzahl

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 = 100 mm,
e = 14 mm, b = 67 mm; der Abstand a zwischen Rollkurve und Trochoïde (Äquidistante) beträgt 2 mm.

Werkstoffe und Herstellung

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 Gehäuse werden aus Grauguss oder Aluminium, die Seitenteile aus nitriertem oder induktionsgehärtetem Grauguss, aus besonderen Stahllegierungen oder aus übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierungen gefertigt.

Dichtsystem

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. Die Dichtstreifen sind Teil einer Axialabdichtung und verlangen plane und lotrechte Seitenteile, die sich infolge unterschiedlicher Temperatur- und Druckverhältnisse ungleichmäßig ausdehnen. Die Dichtstreifen werden mit Federelementen versehen, um im Anfahrzustand eine Anpressung zu gewährleisten. Nach dem Anlaufen des Motors werden sie vom Gasdruck an die Seitenwand gedrückt. Aus perlitischem Grauguss oder Stahl bestehend, überstreifen sie die Laufflächen der Seitenteile.

Die Dichtleisten an den Läuferkanten, auch Scheitelleisten genannt, laufen mit der Kammerbreite b 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 oder Kohle-Aluminium), Grauguss, Kolbenringstahl, FerroTiC (Eisen-Titancarbid Sintermetall), Siliziumnitrid, Weicheisen oder perlitschem Grauguss hergestellt. Alle Dichtteile tragen einen Schmierfilm, der durch zu hohe Temperaturen weder verdampfen noch verkoken darf.

Das Dichtsystem des KKM unterliegt keiner Drehzahlbegrenzung wie bei einem HKM. Das unverbrannte Gemisch gelangt beim Seitenauslass wieder in den Ansaugbereich und steht dem Kreisprozess erneut zur Verfügung.

Steuerung

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 es z. B. beim Motor des Mazda RX-8 der Fall ist. 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.
Der Vorteil des Umfangseinlasses besteht darin, dass große Querschnitte und damit lange Steuerzeiten möglich sind, was zu höheren Leistungen führt. Somit ist dieses Bauprinzip auch die erste Wahl für Rennmotoren. Der Nachteil des Umfangseinlasses ist die große Überschneidung, infolge derer es zu Schieberuckeln kommen kann. Für einen Rennwagen ist das hinzunehmen, für einen Pkw aber aus Komfortgründen untragbar, weshalb der NSU Ro 80 stets mit einem dämpfenden Drehmomentwandler und halbautomatischem Getriebe ausgerüstet war. Wegen der großen Überschneidung ist der Umfangseinlass auch wenig geeignet für die Aufladung, weil Einlass und Auslass gleichzeitig offen sind. Auch ist das Abgasverhalten bei Teillastverhalten 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. Ebenso sind Teillastverhalten und Abgaswerte besser und er harmoniert gut mit einem Schaltgetriebe. Durch die Umlenkung um 90° am Einlass wird eine bessere Gasdurchmischung erreicht. Als Nachteil ist der gegenüber einem Umfangseinlass kleinere Einlassquerschnitt zu nennen, weshalb die erzielbare Leistung als Saugmotor geringer ist.

Schmierung

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 mit Umfangsauslass bewegt sich das Mischungsverhältnis von 1:400 bis 1:600, bei Motoren mit Seitenauslass liegt es deutlich höher. Ein Teil des Öls wird beim Mazda Renesis durch die seitlichen Kratzringe wieder in den Ölsumpf zurückgefördert.

Kühlung

Gehäuse, Läufer, die Seitenteile und Dichtelemente werden mit Wasser, Frischluft oder dem Gasgemisch gekühlt; 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 liegt im heißen Bogen unmittelbar neben der Einlasszone und muss gekühlt werden, 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.

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 3.000/min. Die Kühlölzufuhr wird durch ein in die Exzenterwelle eingebautes Ölthermostat erst ab 60 °C Öltemperatur freigegeben. Zwei federbelastete Kugelventile sorgen im betriebswarmen Zustand dafür, dass der Läufer erst bei einer Drehzahl über 3.000/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

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 W175-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 festgestellt. 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. Im Ergebnis hat man den geringsten Treibstoffverbrauch, wenn beide Kerzen gleichzeitig zünden, was aber zu erhöhten HC-Emissionen führt. Beim Serienwankelmotor zündet man deshalb die untere Kerze oft zuerst, womit man bessere Abgaswerte zu Lasten des Treibstoffverbrauch erhält. 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

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:

<math>\eta_\mathrm{therm.} = 1 - \frac{1}{(\frac{V_\mathrm{OT}}{V_\mathrm{UT}})^{\kappa-1}}</math>

Mit  <math>\epsilon= V_\mathrm{OT}/V_\mathrm{UT}</math> wird der ideale Wirkungsgrad zu:

<math>\eta_\mathrm{therm.} = 1 - \frac{1}{{\epsilon}^{\kappa-1}}</math>

Dabei ist <math>\kappa = c_p/c_v</math> = 1,4 (<math>c_p</math> Spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck, <math>c_v</math> Spezifische Wärmekapazität bei konstantem Volumen). Der Wirkungsgrad ist allein vom Verdichtungsverhältnis abhängig.

Für die isentrope Verdichtung gilt: (1: Verdichtungsbeginn, unterer Totpunkt, größtes Volumen; 2: Verdichtungsende, oberer Totpunkt, kleinstes Volumen)

<math>

{T_2} = {T_1} \left({V_1 \over V_2} \right)^{\kappa - 1} </math> und    <math> {T_2 } = {T_1} \left({p_2 \over p_1} \right)^{ \kappa -1 \over \kappa} </math>

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 die Indikatordiagramme auf, so werden die tatsächlichen Drücke p_i 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 usw. Der Wirkungsgrad <math>\eta_{i}</math> eines Wankelmotors ist hier beispielhaft an einem Audi NSU EA871 für den Benzin- und den Wasserstoffbetrieb dargestellt.

Die Formel für die indizierte Leistung <math>P_{i}</math>

Weitere Informationen

• der-wankelmotor.de (Informationen über den Wankelmotor)
• MEMS Rotary Engine Power System (engl.)

Einzelnachweise

<references />