mini|Erster KKM-57P-Wankelmotor, ein NSU P58; 1957 Konstruktionsjahr; 1958 Erstlauf; P Konstrukteur mini|Mazda-Wankelmotor im Deutschen Museum mini|Ro80-Wankelmotor KKM 612, Bj. 1969 Der Wankelmotor ist ein Rotationskolbenmotor (RKM), der nach seinem Erfinder Felix Wankel benannt wurde. 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 im zwanzigsten Jahrhundert steht. Wirtschaftliche Bedeutung konnte nur der von Hanns-Dieter Paschke (1920–2015) 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 völlig ausgeglichen werden kann. Der Drehkolben-Wankelmotor DKM 54 hat keine Exzenterwelle. Hier drehen sich der Läufer und die oval-bogige Hüllfigur (Epitrochoide) 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 mini|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 dabei. Kurz bevor das Kraftstoff-Luft-Gemisch seine höchste Dichte erreicht, zündet die Zündkerze das Gemisch. Die bei der Verbrennung freiwerdende Wärme führt zu einer Druckzunahme, wodurch am Kreiskolben nutzbare Arbeit verrichtet wird, während er sich weiterdreht und sich das Volumen des Arbeitsraumes wieder vergrößert: dies ist der Arbeitstakt.
Nach Erreichen des Auslassschlitzes wird das Abgas ausgestoßen. Dieser Zyklus wird von jeder der drei Läuferflanken durchlaufen, was bedeutet, dass bei einer Läuferumdrehung drei Zündungen stattfinden. Die Kammer wird von der Läuferflanke, dem entsprechenden Teilstück der Trochoide und den Seitenwänden begrenzt.
Für ein Arbeitsspiel dreht sich die Exzenterwelle beim Wankelmotor um 1080°. 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 sich über 270° erstreckt. Zum Vergleich: ein Viertakt-Hubkolbenmotor benötigt für ein Arbeitsspiel 720°, ein Einzylindermotor arbeitet damit nur während einer Hälfte jeder zweiten Kurbelwellenumdrehung, weil zwei Hübe zum Ladungswechsel notwendig sind. Bezieht man Steuerzeiten und Arbeitsabläufe auf die Exzenterwelle, setzt der Wankelmotor bei gleicher Drehzahl den doppelten Volumenstrom eines „hubraumäquivalenten“ (dazu rechnet man das doppelte Kammervolumen) Viertakt-Hubkolbenmotors durch.Richard F. Ansdale, Helmut Keller: Der Wankelmotor - Konstruktion und Wirkungsweise, Motorbuchverlag, Stuttgart 1971, Kapitel 6.19.Kenichi Yamamoto: Rotary Engine, Sankaido, 1981, ISBN 978-99973-41-17-4, S. 37
Geometrie mini|Radkurve mini|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, 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 dadurch 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 Trochoide. 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 zugleich 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. Das Ritzel ist fest mit dem Gehäuse-Seitenteil verbunden, die Innenverzahnung des Läufers wälzt sich darauf ab. 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 Kammervolumen Vk und Arbeitsvolumen Vh mini|Bezeichnungen der einzelnen Bauteile mini|rechts|Lage von Exzenterwelle, Exzenter und Ritzel im Läufer
Bei einem Wankelmotor gibt es prinzipbedingt keinen Hubraum wie bei einem Viertakthubkolbenmotor. Im Gegensatz zum Viertakthubkolbenmotor hat der Wankelmotor keinen Leertakt und gibt deshalb bei jeder Exzenterwellenumdrehung pro Kammer Leistung ab. Deshalb verdoppelt man das Kammervolumen, um das sogenannte Arbeitsvolumen zu erhalten, das äquivalent und damit direkt vergleichbar zum Hubraum eines Viertakt-Hubkolbenmotors ist. Das Arbeitsvolumen berechnet sich dabei aus dem Kammervolumen .
Das Kammervolumen bei einem Wankelmotor mit Trochoide ist:
und berechnet sich zu:
mit … Radius des Grundkreises … Exzentrizität … Kammerbreite … Äquidistante
Die Äquidistante zur Trochoide ist keine Trochoide, weiters berühren sich die Dichtleisten nicht bei und . Deshalb ist die Formel zur Berechnung des Kammervolumens nicht genau, was aber zu vernachlässigen ist.
Für den Ablauf des Viertaktarbeitsprozesses muss die Exzenterwelle des Wankelmotors drei volle Umdrehungen (1080°) machen. Da an jeder Kolbenseite aber um 360° phasenversetzt gleichzeitig ein Arbeitsspiel stattfindet, wird pro Exzenterwellenumdrehung einmal das gesamte Arbeitsvolumen angesaugt und einmal gezündet. Dies kann mit einem Zweizylinderviertaktmotor verglichen werden, der um 360° zueinander versetzte Arbeitstakte hat.
Das Arbeitsvolumen des Wankelmotors wird daher wie folgt berechnet:
mit … Kammervolumen … Läuferzahl
Quellenangaben:Wolf-Dieter Bensinger: Rotationskolben-Verbrennungsmotoren, Springer, Berlin/Heidelberg 1973, ISBN 978-3-642-52174-4, S. 65f.
Diese Betrachtung hat mit Gültigkeit 01.07.2009 Einzug gehalten in die Berechnung der Kfz-Steuer in Deutschland (s. u.) für Fahrzeuge mit Kreiskolbenmotoren.
Berechnungsbeispiel
Für den im NSU Spider eingesetzten Motor KKM 502 sind R = 100 mm, e = 14 mm, b = 67 mm, i = 1; der Abstand a zwischen Rollkurve und Trochoide (Äquidistante) beträgt 2 mm.
Das Kammervolumen berechnet sich also wie folgt:
Und damit beträgt das Arbeitsvolumen :
Quelle für technische Daten:Wolf-Dieter Bensinger: Rotationskolben-Verbrennungsmotoren, Springer, Berlin/Heidelberg 1973, ISBN 978-3-642-52174-4, S. 129
Verdichtung (ε)
Für die Berechnung der Verdichtung gibt es zwei Ansätze. Zum einen lässt sich die ideelle Verdichtung und die tatsächliche Verdichtung berechnen.
Ideelle Verdichtung
Die ideelle Verdichtung ist eine Approximation, bei der man annimmt, dass der Kreiskolben keine Kolbenmulde hat und es keinen Abstand zwischen Kreiskolben und Trochoide gibt. Sie ist dabei vom Verhältnis des Grundkreisradius zur Exzentrizität abhängig. Je kleiner dabei ist, desto kleiner wird die ideelle Verdichtung , weil gleichzeitig der Totraum zwischen Kreiskolben und Trochoide größer wird. Konstruktionsbedingt gibt es für Verhältnis von Grundkreisradius zur Exzentrizität eine Untergrenze, die etwa bei liegt. Grund dafür ist, dass ab diesem Wert die Gas- und Ölabdichtungen nicht mehr sinnvoll konstruktiv unterzubringen sind.
Die ideelle Verdichtung berechnet sich wie folgt:
Dabei darf man annehmen, dass gilt:
Also gilt:
Quellenangabe:Wolf-Dieter Bensinger: Rotationskolben-Verbrennungsmotoren, Springer, Berlin/Heidelberg 1973, ISBN 978-3-642-52174-4, S. 67
Berechnungsbeispiel
Als Berechnungsbeispiel dient wieder der Motor KKM 502 aus dem NSU-Spider (R = 100 mm, e = 14 mm, b = 67 mm, i = 1, a= 2 mm).
Die ideelle Verdichtung berechnet sich also wie folgt:
Quelle für technische Daten:
Tatsächliche Verdichtung
Da ein Wankelmotor in der Regel eine Brennraummulde hat, ist die ideelle Verdichtung in der Realität nicht mit der tatsächlichen Verdichtung ident. Die Verdichtung kann entweder wie bei einem Hubkolbenmotor auch aus dem Verhältnis von Arbeitsvolumen zu Kompressionsvolumen berechnet werden, oder alternativ aus der ideellen Verdichtung und dem Verhältnis von Brennraummulde zu minimalem theoretischen Kammervolumen.Jean Pierre Corbat, Uwe L. Pawlowski: Kreiskolbenmotoren des Systems NSU-Wankel - Ihre Berechnung und Auslegung, Springer, Basel 1973, ISBN 978-3-7643-0693-9, S. 8,9
Berechnungsbeispiel
Für den KKM 502 gilt q=1,4, VH=994 cm3 und VC= 133 cm3. Damit berechnet sich seine Verdichtung wie folgt:
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 Räumen, 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.