Wankel-Motor


Wankel-Motor
Erster KKM57P Wankelmotor, ein NSU P58; 1957 Konstruktionsjahr; 1958 Erstlauf; P Konstrukteur
Exemplar aus dem Deutschen Museum

Der Wankelmotor ist ein Rotationskolbenmotor (RKM), der nach seinem Erfinder Felix Wankel benannt worden ist. 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. Bei einem Wankelmotor wird die Verbrennungsenergie ohne den Umweg einer Hubbewegung, wie es bei Hubkolbenmotoren (HKM) der Fall ist, direkt in eine Drehbewegung umgesetzt. 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 Funktion 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.

Inhaltsverzeichnis

Technik des Wankelmotors

Beschreibung des Arbeitsablaufs

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

Radkurve
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 Unrund. 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 z.B. 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

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

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; 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 dem Anlaufen des Motors werden sie vom Gasdruck an die Seitenwand gedrückt. Aus perlitischem Grauguss oder Stahl bestehend, überstreifen sie die Laufflächen der Seitenteile.

Dichtleisten

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, 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 beim Seiteneinlass 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. 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 Seiteneinlass 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.

Links axiale Kühlwasserführung, Mitte moderne axiale Kühlwasserführung, rechts moderne radiale Kühlwasserführung, nur im heißen 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  U/min. Die Kühlölzufuhr wird durch ein in die Exzenterwelle eingebauten Ölthermostaten erst ab 60 °C Öltemperatur freigeben. Zwei federbelastete Kugelventile sorgen im betriebswarmen Zustand dafür, dass der Läufer erst bei einer Drehzahl über 3.000 U/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

Wirkungsgrad ŋi des Audi NSU EA871, Stand 1977

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:
\eta_\mathrm{therm.} = 1 - \frac{1}{(\frac{V_\mathrm{OT}}{V_\mathrm{UT}})^{\kappa-1}}

mit  \epsilon= \frac{V_\mathrm{OT}}{V_\mathrm{UT}}

\eta_\mathrm{therm.} = 1 - \frac{1}{{\epsilon}^{\kappa-1}}

wobei \kappa = \frac{c_p}{c_v} = 1,4; (cp Spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck, cv Spezifische Wärmekapazität bei konstantem Volumen) ist.

Der Wirkungsgrad ist allein vom Verdichtungsverhältnis abhängig.

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


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

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 Indikatordiagramme auf, so werden tatsächliche Drücke pi 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 ηi eines Wankelmotors ist hier beispielhaft an einem Audi NSU EA871 für den Benzin- und den Wasserstoffbetrieb dargestellt.

Die Formel für die indizierte Leistung Pi [kW] ist:

P_{i} = M_\mathrm{d}\cdot \omega

P_{i} = p_{i} \cdot V_\mathrm{K}\cdot z\cdot n\cdot i

mit dem indizierten Druck pi, Kammervolumen VK, z = Anzahl der Kolben, n= Drehzahl, i = Anzahl der Arbeitshübe pro Kurbelwellenumdrehung/Exzenterwellenumdrehung( bei Wankelmotor=1)

Die Wellenleistung Pe erhält man bei Drehmomentmessung für HKM und KKM:

P_{e} = M_\mathrm{d}\cdot \omega
P_{e} = M_\mathrm{d}\cdot 2\cdot \pi \cdot n

mit:

Md in [Nm] und n in [U/min] ergibt sich mit der angepassten Formel die Leistung Pe in [kW]:

P_{e} = \frac{M_\mathrm{d} \cdot n}{9550}

Der mechanische Wirkungsgrad ηm ist das Verhältnis der Wellenleistung Pe zur indizierten Leistung Pi.

\eta_{m} = \frac{P_\mathrm{e}}{P_\mathrm{i}}

Wie ersichtlich ist, kann man die Leistung eines Motors durch höhere Drücke beziehungsweise höhere Drehzahlen verbessern. Das Drehmoment wird, entsprechend der Abbildung, durch die Kammerdrücke mit den dazugehörigen Kolbenbodenflächen erzeugt. Die Kräfte Fp greifen immer im Exzentermittelpunkt an und erzeugen mit dem jeweils dazugehörigen winkelabhängigen Hebelarm der Exzentrizität e das Drehmoment Md.

Die Verdichtungsdrücke werden durch die Geometrie des Motors bestimmt und können durch eine andere Exzentrizität verändert werden, die Drehzahl wird begrenzt durch den Verschleiß der Dichtflächen, Füllungsgradprobleme sowie Verbrennungszeit des Gemisches.

Vor- und Nachteile gegenüber dem Hubkolbenmotor

Als Vorteile des Wankelmotors sind zu nennen:

  1. Der Wankelmotor hat nur wenige bewegliche Teile, meist zwei Läufer und eine Exzenterwelle, die durch ihre kompakte Bauweise einen vergleichsweise geringen Platzbedarf haben.
  2. Die Gassteuerung kommt ohne Ventile und die zugehörigen Elemente wie Nockenwelle, Stößel, Ventilspielausgleich und Kipphebel aus, womit der Motor ein größeres Leistungs-Gewichtsverhältnis als ein Viertakt-HKM vergleichbarer Leistung besitzt.
  3. Der Wankelmotor ist vollkommen auswuchtbar, da sich alle beweglichen Teile nur um ihren Schwerpunkt drehen (Exzenterwelle) bzw. der Schwerpunkt auf einer Kreisbahn rotiert (Läufer). Die Folge ist ein weicher und vibrationsarmer Lauf auch bei nur einer Scheibe.
  4. Durch die um 50% längere Taktdauer besitzt der Motor ein gleichförmigeres Drehmoment als ein Viertakt-Hubkolbenmotor.
  5. Da der Ein- und Auslassbereich vom Brennraum räumlich getrennt ist, eignet sich der Wankelmotor sehr gut für den Betrieb mit Wasserstoff.
  6. Er ist besser für den Schichtladebetrieb als ein Hubkolbenmotor geeignet, da sich das Gemisch nicht homogenisiert. Er kann deshalb auch mit idealen Zündzeitpunkten betrieben werden, was den Wandwärmeverlust gegenüber Hubkolben-Schichtlademotoren reduziert. Hubkolben-Schichtlademotoren müssen wegen der drohenden Gemischhomogenisierung mit zu frühen und deshalb mit nicht-idealen Zündzeitpunkten betrieben werden.
  7. Niedrigeres Leistungsgewicht (siehe Punkt 2)
Spezifischer Verbrauch eines OMC (Outboard Marine Corporation) Versuchsmotors für einen Flugzeugmotor

Die Nachteile sind dagegen:

  1. Der Wankelmotor hat ein ungünstiges Verhältnis zwischen Oberfläche und Brennraumvolumen, was zu größeren Wärmeverlusten führen kann. Dieser Vergleich gilt aber nur für einen hypothetischen Viertakthubkolbenmotor, der mit dem gleichen Hubraum im Vergleich zum Kammervolumen die gleiche Leistungsdichte erzielen würde. Wegen des Leerhubs ist dies aber technisch nicht möglich, und der Viertakthubkolbenmotor benötigt deshalb den doppelten Hubraum, um das gleiche Verdrängungsvolumen wie ein Wankelmotor zu erreichen. Dadurch erhöht sich die effektive Brennraumoberfläche beim Viertakthubkolbenmotor um den Faktor zwei. Deshalb ist der Wärmeverlust des Wankelmotors über das Kühlwasser pro kW geringer als bei einem Viertakthubkolbenmotor.[1]
  2. Durch die sich einstellende Quetschströmung im Bereich der Einschnürung wird die Verbrennung unterhalb der Kerze zwar beschleunigt und so ein guter Ausbrand der Kammer erreicht, aber der Gemischanteil oberhalb der Kerze wird nur schwer bis gar nicht entzündet. Dies hat aber nur Auswirkung bei Motoren mit Umfangsauslass und homogener Gemischbildung; hier wird der unverbrannte fette Restgaskern über den Umfangsauslass ausgestoßen. Bei Schichtladung befindet sich in dem betroffenen Bereich nur Luft, und beim Seitenauslass verbleibt der fette Altgaskern in der Kammer.
  3. Die Dichtflächen des Wankelmotors sind erheblich länger als bei einem HKM und führen zu höheren Druckverlusten.
  4. Aus den vorgenannten Gründen ist der spezifische Kraftstoffverbrauch des Wankelmotors im Vergleich zum Viertakthubkolbenmotor um bis zu 16 % höher.

Geschichte des Wankelmotors

Geschichte der Rotationskolbenmaschinen

Die Geschichte der Rotationskolbenmaschinen beginnt im 16. Jahrhundert mit dem Bau von Wasserpumpen, die bereits ähnlich den heutigen Kreis- und Drehkolbenmaschinen ausgeführt wurden. Die Kinematik der Drehkolbenmaschinen, bei der sich die beweglichen Teile nur um den Schwerpunkt drehen, war einfacher zu beherrschen, weshalb es noch eine Weile bis zum ersten Kreiskolbenmotor dauern sollte.

1588 publiziert der italienische Ingenieur Agostino Ramelli verschiedene Wasserpumpen, bei denen es sich um dreh- und kreiskolbenartige Umlaufmaschinen handelt.

Graf Pappenheim erfindet 1636 die Zahnradpumpe und versorgt damit eine Fontäne mit Wasser. Die Zahnradpumpe, eine reguläre Drehkolbenmaschine, dient noch heute als Ölpumpe in den meisten Automotoren.

James Watt, der die Hubkolbendampfmaschine entscheidend weiterentwickelt und zum Durchbruch verholfen hat, versucht sich zeitlebens immer wieder an Rotationskolbenmaschinen, bis er 1782 eine drehkolbenartige Umlaufkolbendampfmaschine konstruiert. William Murdoch modifiziert 1799 Pappenheims Zahnradpumpe und versieht die Zahnkopfflanken mit Dichtleisten aus Holz. Mit dieser Dampfmaschine treibt er Bohrmaschinen und Drehbänke in seiner Werkstatt an.

1846 baut Elijah Galloway die erste hubraumbildende Dampfmaschine, die keinen inneren oder äußeren Kämmeingriff hatte. Durch fehlende Dichtelemente kann sie jedoch nicht gegen die mittlerweile gut abgedichteten Hubkolbendampfmaschinen bestehen. Philander und Francis Roots entwickeln 1895 eine Drehkolbenmaschine, die auch heute noch in gleicher Weise gebräuchlich und nach ihnen benannt ist: den Roots-Kompressor. Charles Parsons, der Erfinder der Dampfturbine, baut 1884 eine der ersten funktionsfähigen Kreiskolbenmaschinen mit Hubeingriff. Die Funktionsweise des Kolbenrings ist zu dieser Zeit noch unbekannt.

1923 entsteht eine KKM mit fünfeckigem Läufer von Wallinder & Skoog in Schweden.

Allgemein machen die Abdichtungen Probleme, und es vergehen noch über zwei Jahrzehnte, bis Felix Wankel eine Drehkolbenmaschine zusammen mit NSU entwickelt.

Entwicklung des Wankelmotors von 1932 bis 1960 und Erstlauf

Briefmarke zum 50. Geburtstag

Felix Wankel führt Versuche einer Drehschiebersteuerung für einen Viertakthubkolbenmotor durch und beschließt, als diese fehlschlugen, gezielt die Abdichtung des Motors zu erforschen. Im Zuge dieser Untersuchungen gelingt es ihm nachzuweisen, dass es der Gasdruck ist, der für die Abdichtung sorgt. Seine Erkenntnisse führen zur deutlichen Verbesserung der Kolbenringabdichtung und nach 25 Versuchsvorrichtungen gelingt ihm eine wirkungsvolle Abdichtung der Drehschiebersteuerung, womit er den Grundstein für die Entwicklung des Wankelmotors legt.

1932 konzipiert Felix Wankel die Drehkolbenmaschine DKM32, die später nur kurz läuft, aber als Verdichter bei 1000 U/min einen Überdruck von 5 bar liefert, was ein Verdienst der ersten räumlich verlaufenden Dichtgrenze ist.

1936 spricht er bei der Deutschen Versuchsanstalt für Luftfahrt (DVL, Vorläufer des DLR) vor und bringt innerhalb kurzer Zeit einen Siemens-Fünfzylinder-Sternmotor zum Laufen. Der spätere Leiter der Motorenentwicklung von Mercedes-Benz, Wolf-Dieter Bensinger, legt seinen Bericht Staatssekretär Erhard Milch vor, der damit zu Reichsminister Hermann Göring geht. „Dieser Mann ist großzügigst zu unterstützen“ ist daraufhin seine Anweisung, worauf Felix Wankel mit seiner Wankelversuchswerkstatt (WVW) eine eigene Forschungswerkstätte in Lindau gründet. Von 1936 bis 1941 entwickelt er erfolgreich Drehschiebersteuerungen für Junkers-, BMW-, Siemens- und Daimler-Flugmotoren.

Versuche 1941 mit hohen Öldrücken von bis zu 1000 bar zeigen neue Wege bei der Gleitlagerung. Die DVL und WVW schließen eine Reihe Optionsverträge mit den damals wichtigsten Firmen ab. Das Kriegsende 1945 unterbricht die geplante Serienfertigung von Drehschiebermotoren und die Franzosen demontieren die WVW.

1951 nimmt Felix Wankel wieder die Zusammenarbeit mit den Goetze-Werken in Burscheid auf. Es folgt der Abschluss eines Forschungsauftrags mit NSU für die Entwicklung von Drehschiebersteuerungen, der kurz darauf auf Rotationskolbenmaschinen erweitert wird. Felix Wankel geht nun gezielt auf die Suche nach einer hochdrehfähigen Drehkolbenmaschine. Er verhandelt 1954 für eine Auswertung der DKM 53 als Kompressor mit Borsig. Borsig und NSU einigen sich auf eine Interessenabgrenzung, nach der NSU das Gebiet der Kraftmaschinen und Borsig das Gebiet der Arbeitsmaschinen bearbeitet.

Der NSU-Ingenieur Hanns Dieter Paschke entwickelt 1956 aus den Versuchspressluftmotoren (Arenamaschinen) den Drehkolbenkompressor DKK56, der einen 50-cm³-Zweitakt-NSU Quickly-Motor auf damals überragende 13,5 PS auflädt und mit 196 km/h den Weltrekord eines Baumm-Liegestuhl II ermöglicht. Die Art des Laders wird geheim gehalten, was zu allerlei Spekulationen führt.

Felix Wankels Drehkolbenmotor DKM 54

Am 1. Februar 1957 läuft der DKM54 zum ersten Mal zunächst nur kurz in der NSU-Versuchsabteilung TX; nachdem das Gemisch und die Zündung anders eingestellt werden, beginnt der Motor im wahrsten Sinn des Wortes rund zu laufen. Beim DKM 54 drehen sich die Kammer (Außenläufer) und der Innenläufer. Kraftabgebendes Element ist hierbei der Außenläufer, der Innenläufer dient nur als reines Absperr- und Steuerteil. Im April 1957 stellt man von Alkohol auf Benzin um. Der Motor erzielt trotzdem die gleiche Leistung und läuft gleichzeitig ruhiger. Mit der Gemischkühlung sind mit dem 125-cm³-Motor mehr als 20 PS nicht zu erreichen. Der sich drehende Innenläufer wird mit einer Wasserkühlung versehen, die in der TES in Lindau entwickelt wird. Im gleichen Jahr beginnt der NSU-Ingenieur Hanns Dieter Paschke die Konstruktion des einfacher aufgebauten KKM 57P; erstmalig wird nun der Außenläufer stillgesetzt. Damit Wankel davon nichts erfährt, geschieht dies unter strikter Geheimhaltung, denn er hätte es verhindert. Später sagt Felix Wankel erbost über den KKM 57: „Sie haben aus meinem Rennpferd einen Ackergaul gemacht.“ Der NSU-Vorstandsvorsitzende Dr. von Heydekampf konterte: „Hätten wir wenigstens schon den Ackergaul!“ Damit war das Verhältnis zwischen Wankel und NSU auf einem Tiefpunkt angelangt. Die Versuche mit dem DKM 54 werden 1958 eingestellt, denn das Prinzip hatte seine Funktionsfähigkeit gezeigt. Am 7. Juli 1958 läuft zum ersten Mal ein Kreiskolbenmotor, der KKM 57P.

Der Wankelmotor im Fahrzeugbau von 1960 bis heute

Entwicklung von 1960 bis 1970

Zwei Jahre später, 1960, wird erstmals ein Auto von einem Wankelmotor angetrieben, ein NSU Prinz III läuft mit einem KKM 250.

Am 19. Januar des gleichen Jahres wird im Deutschen Museum München während einer Veranstaltung des Vereins Deutscher Ingenieure (VDI) der KKM250 erstmals der Öffentlichkeit laufend vorgeführt. Nun wird der KKM 400 entwickelt, der von vornherein als Automotor konstruiert wird. Noch im gleichen Jahr wird er in einen Sportprinz eingebaut. Weitere umgebaute Sportprinzen folgen, und so fährt man mit der Kombination Sportprinz und Wankelmotor eine Million Versuchskilometer.

1962 findet am 16. Februar die sogenannte Rattermarkenkonferenz statt. Sie wurde notwendig, weil von den Laufflächen abplatzende Chromschichten zu häufigen Motorausfällen führten. Versuche mit leichteren Dichtleisten führten zum Erfolg, und so konnte im September der KKM 150 als erster Wankelmotor in Serie gebaut werden. Bei ihm werden auch zum ersten Mal Sinter-Kohledichtleisten verwendet, womit das Rattermarkenproblem vorerst gelöst ist. Der KKM 150 dient als Antrieb eines Wasserskischleppgerätes mit dem Namen Skicraft. Der Motor dient auch als Hilfsantrieb, als sogenannter Flautenschieber für Segelboote.

1963 wird der NSU Wankel Spider auf der IAA der Öffentlichkeit präsentiert, und Mazda stellt einen Versuchswagen mit einem Zweischeibenmotor auf der Motorshow in Tokio aus. Im Oktober 1964 geht der NSU Wankel-Spider in Serie. Der KM 37 ist der erste von Fichtel & Sachs in Serie gebaute Wankelmotor. Gleichzeitig entsteht der KM 914 mit 300 cm³ Kammervolumen in den Ausführungen als Stationärmotor und als Antrieb für Schneemobile, in die er von Fichtel & Sachs 1965 eingebaut wird. Im gleichen Jahr stellt NSU den Zweischeiben-Motor-Typ 506/509 auf der IAA aus.

1967 wird der NSU Ro 80 auf der IAA in Frankfurt der Öffentlichkeit präsentiert. Am 21. April gründen NSU und Citroën die gemeinsame Tochterfirma Comotor. Mazda geht im Mai mit dem Cosmo Sport in Serie und stellt somit als erster Autohersteller ein Auto mit einem Zweischeibenmotor her. 1969 beginnt Citroën mit der Operation M35, bei der an 300 handverlesenen Kunden geänderte Citröen AMI 8 verkauft werden, die zusammen über 30 Millionen Versuchskilometer zurücklegen. Mercedes-Benz präsentiert den C-111 I mit einem Dreischeibenmotor auf der IAA in Frankfurt. Im Herbst wird der Ro80-Motor von Doppel- auf Einfachzündung umgestellt und eine Hochspannungs-Kondensatorzündung (HKZ) eingebaut. Der Bootsmotor NSU Marine Ro135 mit Doppelzündung wird in Serie gebaut.

Entwicklung von 1970 bis 1980

Mercedes-Benz stellt 1970 seinen C-111 II auf dem Genfer Automobil Salon aus. Die Karosserie ist überarbeitet worden, und statt eines Dreischeibenmotors testet man jetzt einen Vierscheibenmotor; in der Folge entscheidet sich Mercedes jedoch gegen den Einbau von Wankelmotoren. Der britische Motorradhersteller BSA testet eine BSA A65 mit einem Wankelmotor. Hercules stellt den W2000-Prototyp auf der IFMA aus, als Motor wird ein modifizierter Schneemobilmotor KM 914B von Fichtel & Sachs verwendet. Die Firma Graupner führt den Modellmotor OS Wankel (Ogawa Seiki) in die Serie ein.

BSA/Triumph entwickelt 1971 einen eigenen luftgekühlten Zweischeibenmotor, den man in einen Triumph-Bandit-Rahmen einbaut. Beim Ro80 werden thermische Abgasreinigung und Drehzahlwarner eingeführt.

1972 stellt Ingersoll Rand mit den Wankelmotoren IR-2500 und IR-5000 die Motoren mit dem bisher größten Kammervolumen von 41 Litern her. Fichtel & Sachs führt die zweite Motorengeneration ein, den KM 3 und den KM 24; letzterer löst den KM 914 als Schneemobilantrieb ab. Mazda produziert in diesem Jahr 155.500 Autos mit Wankelmotoren. VW zieht sich aus dem von NSU und Citroën geschlossenen Vertrag zurück, und Comotor wird alleinige Tochterfirma von Citroën. Mazda stellt 1973 ca. 240.000 Autos mit Wankelmotoren her, insgesamt wird der 500.000. Wagen mit einem Wankelmotor produziert. OMC geht unter dem Label Evinrude und Johnson mit einem Vierscheibenmotor in der offenen Bootsrennklasse an den Start. Evinrude bringt im gleichen Jahr Schneemobile mit einem Wankelmotor auf den Markt. Nachdem Johnson und Evinrude die offene Klasse bei den Bootsrennen dominieren, werden Wankelmotoren für das Jahr 1974 vom Wettbewerb ausgeschlossen. Im September beginnt Citroën mit der Serienproduktion des Citroën GS Birotor. Yanmar Diesel stellt drei Typen Außenbordmotoren mit Wankelmotoren her. Rhein-Flugzeugbau baut einen 60-PS-Fichtel & Sachs-Zweischeiben-Wankelmotor in den Motorsegler Sirius II ein. In Altforweiler wird das Comotorwerk eingeweiht. VW und Citroën treffen eine Entwicklungsvereinbarung für den EA871, der für die großen Citroën-Modelle vorgesehen wurde. Ford kündigt den Lizenzvertrag, weil Curtiss-Wright eine Lizenzgebühr von über 100 Millionen Dollar fordert; Ford versucht im Gegenzug, Mazda zu übernehmen.

1976 entsteht das Motorrad Van Veen OCR 1000 des niederländische Motorrad-Spezialisten Van Veen; er verwendet den Comotor-Wankelmotor (Citroën) und rüstet ihn mit einer elektronischen Kennfeldzündung von Hartig aus. OMC stellt nach 15.000 Motoren die Produktion ein und zieht sich aus dem Markt für Schneemobile zurück. Hercules bringt die verbesserte Hercules-2000-Injektion mit dem stärkeren KC-27-Wankelmotor heraus.

Die Produktion des Ro 80 wird mit Ende des Modelljahres 1977 nach 37.450 gebauten Fahrzeugen innerhalb 10 Jahren eingestellt; Mazda baut im gleichen Jahr ca. 50.000 Autos mit Wankelmotor. Der RFB-Prototyp Fantrainer 300 wird am 14. Dezember der Öffentlichkeit vorgestellt. Als Antrieb dienen zwei Audi-NSU-EA871A-Wankelmotoren, deren Schmiersystem kunstflugtauglich ist.

Mazda führt 1978 den Zweischeiben-KKM RX-7 SA in die Serie ein, und John Deere übernimmt die Wankelentwicklung von Curtiss & Wright. Durch die Insolvenz von BSA/Triumph wird die BSA-Wankelmotorenentwicklung Norton eingestellt.

Entwicklung von 1980 bis heute

Die OMC verkauft 1985 ihre Wankelabteilung an den kanadischen Entwickler und Erfinder Paul Moller.[2] Für die britische Polizei stellt Norton die Interpol 2 in Serie her. Teledyne Continental Aircraft Products entwickelt Flugzeugmotoren auf der Basis von Nortonmotoren. Bedingt durch die Produkthaftung in den USA lässt man das Projekt später fallen.

Für 100 Millionen D-Mark erwirbt Mercedes Benz 1986 das Institut von Felix Wankel. Norton produziert 1988 mit der Norton Classic, basierend auf der Interpol, das erste Wankelmotorrad für den freien Markt. Die Interpol 2 wird 1989 von der Norton Police Commander abgelöst, eine zivile Version wird als Norton Commander gebaut.

Mazda produziert 1990 mit dem Eunos Cosmo das erste Serienauto mit Dreischeiben-Wankelmotor. Mit dem Mazda 787B und der Startnummer 55 gewinnt Mazda 1991 das 24-Stunden-Rennen von Le Mans. Der Rennwagen wird dabei von einem Vierscheiben-Wankelmotor angetrieben. 1992 bringt Mazda den RX-7FD auf den Markt. Im gleichen Jahr entsteht die UEL aus einem Management-Buy-out der ehemaligen Entwicklungsabteilung von Norton. Midwest Engines wird gegründet und stellt Wankelmotoren für bemannte Flugzeuge auf der Basis von Nortonmotoren her.

Carlos Fernandez Pello von der Universität Berkeley entwickelt im Rahmen von Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) einen Miniaturwankelmotor[3] und stellt ihn 2001 vor. Mazda baut im Herbst 2002 den letzten RX-7, von dessen Baureihe insgesamt 811.634 Fahrzeuge verkauft wurden. Die Firma Wankel Super Tec wird am 12. Februar 2003 in Cottbus gegründet und führt in Mitarbeiterfolge von Felix Wankel die Entwicklung der Kreiskolbenmotoren fort.

Von April 2003 bis März 2006 stellt Mazda den RX-8 mit einer Stückzahl von 148.317 in Serie her. Seit dem 23. März 2006 verleast Mazda in Japan den Mazda RX-8 Hydrogen RE, das erste Serienauto, bei dem Wasserstoff als Treibstoff eingesetzt wird. Am 10. August 2006 erreicht Freedom Motors mit seinen Wankelmotoren das SULEV-Emissionsziel für emissionsfreie Fahrzeuge.[4]

Auf der Tokyo Motor Show 2007 zeigt Mazda den Premacy Hydrogen RE Hybrid. Außerdem wird der verbesserte Renesis-16X-Wankelmotor der Öffentlichkeit vorgestellt. Der Premacy Hydrogen RE Hybrid wird ab dem 25. März 2009 in Japan verleast.[5]

Wankeldiesel

Rolls Royce-Wankeldieselmotor

Immer wieder gab es Versuche, den Dieselprozess mit einem Wankelmotor auszuführen, unter anderem von Rolls-Royce mit der Typserie R1 bis R6, wobei zwei Wankelscheiben hintereinandergeschaltet wurden. Das ist vom Prinzip her mit einem Scania-Turbo-Compound-Dieselmotor vergleichbar. Der vorgeschaltete Läufer verdichtet für die obere Hochdruckstufe vor und nutzt die Abgasenergie aus der Hochdruckstufe. Der spezifische Verbrauch lag 1972 bei 220 g/kWh im Drehzahlbereich von 2500 bis 3500 Upm. Der Motor sollte als Antrieb für einen Panzer dienen, der dann nicht gebaut wurde. Mitte der 1990er Jahre wurde von Maico ein Zweischeiben-Wankeldiesel für den Motorradeinsatz geprüft, jedoch im Zuge der Firmenveräußerung nicht weiterverfolgt. Die Fima UEL stellt einen kleinen Einscheiben-Wankeldieselmotor (AR-8010) her, der zwar nur 63 Prozent der Leistung seines Benzinpendants (AR-801) erreicht, aber immerhin ohne Turboaufladung die Literleistung von Hubkolben-Turbodieselmotoren erreicht. Die Firma Pats Aircraft stellt auf der Basis des AR-8010 ein APU her.

Als ein Hauptproblem erwiesen sich beim Wankel-Diesel die hohen Spitzendrücke und entsprechend hohen Spannkräfte, welche auf die Kammer einwirkten. Man löste das Problem durch integrierte Zuganker, welche nun die Scherkräfte aufnehmen. Damit konnte das sogenannte Warmwechsel-Kriechen des als Kammermaterial verwendeten Aluminiums vermieden werden. Eine weitere Schwierigkeit beim Wankeldiesel war es, eine ausreichend hohe Kompression zu erreichen. Die Verdichtung bei TDIs liegt bei etwa 16:1 bis 18:1, was theoretisch auch mit einem Wankelmotor erreicht werden kann. Zu hohe Verdichtungsverhältnisse führen zu einem sprunghaften Anstieg der Stickoxidemissionen.

1992 kaufte der ehemalige Mitarbeiter von Felix Wankel, Dankwart Eiermann, zusammen mit Jürgen G. Bax die Wankel Rotary GmbH vom LONRHO-Konzern zurück. In den folgenden Jahren entwickelte die Firma einen Wankeldiesel mit Fremdzündung (also mit Zündkerze) und Direkteinspritzung, wobei auf bereits seit den 1960ern bekannte Verfahren zurückgegriffen wurde (u. a. das FM-Verfahren). Durch die Verwendung von Direkteinspritzung und Fremdzündung konnten viele der bisherigen Schwierigkeiten bei der Verwendung von Diesel als Treibstoff ausgeräumt werden, wie schlechte Verbrennung, niedriger Wirkungsgrad und die erforderlichen hohen Drücke zur Selbstzündung. Die Literleistung von Prototypen betrug bis zu 150 PS bei vergleichbaren Verbräuchen wie moderne Hubkolben-Direkteinspritzer. Trotz dieser vielversprechenden Entwicklung musste die Wankel Rotary GmbH im Jahre 2000 Konkurs anmelden.

Lizenznehmer

21.10.1958 Curtiss-Wright Corp. USA ohne Einschränkung
29.12.1960 Fichtel & Sachs AG D Industrie-Motoren, Boot 0,5–30 PS
25.02.1961 Yanmar Diesel Co. Ltd JP Benzin- und Dieselmotoren, 1–100 PS, 1–300 PS
27.02.1961 Toyo Kogyo, Co. Ltd. JP Benzinmotoren 1–200 PS für Landfahrzeuge
04.10.1961 Klöckner-Humboldt-Deutz AG D Dieselmotoren ohne Einschränkung
26.10.1961 Daimler-Benz AG D Benzinmotoren 50 PS aufwärts
30.10.1961 MAN AG D Dieselmotoren ohne Einschränkung
02.11.1961 Friedrich Krupp AG D Dieselmotoren ohne Einschränkung
12.03.1964 Daimler-Benz AG D Dieselmotoren ohne Einschränkung
15.04.1964 S.p.A Alfa Romeo IT Benzinmotoren von 50–300 PS für PKWs
17.02.1965 Rolls-Royce Motors Ltd. GB Diesel- und Hybridmotoren 100–850 PS
18.02.1965 IFA VEB DDR Ottomotoren 0,5–25 PS und 50–150 PS
02.03.1965 Dr. Ing. h.c. Porsche KG D Benzinmotoren von 50–1000 PS
01.03.1966 Outboard Marine Corporation USA Benzinmotoren 50–400 PS
11.05.1967 Comotor S.A. L Benzin- und Dieselmotoren 40–200 PS
12.09.1967 Graupner D 0,1–3 PS Modellmotoren
28.08.1969 Savkel Ltd. IS Benzinmotoren von 0,5–30 PS Industrie-Motoren
01.10.1970 Nissan Motor Company Ltd JP Benzinmotoren von 80–120 PS
10.11.1970 General Motors USA Alles, außer Flugzeugmotoren
24.11.1970 Suzuki JP Benzinmotoren von 20–60 PS für Zweiräder
25.05.1971 Toyota JP Benzinmotoren von 75–150 PS für Pkw
29.11.1971 Ford-Werke AG, Köln D Benzinmotoren 80–200 PS (1974 gekündigt)
25.07.1972 BSA Ltd. GB Benzinmotoren 35–60 PS für Motorräder
29.09.1972 Yamaha JP Benzinmotoren 20–80 PS für Motorräder
04.10.1971 Kawasaki Heavy Industries JP Benzinmotoren 20–80 PS für Motorräder
07.02.1973 American Motors Corporation USA Benzinmotoren 20–200 PS

Die Patente zum Wankelmotor sind inzwischen abgelaufen, weshalb heute zu seinem Bau keine Lizenzen mehr benötigt werden.

Fahrzeuge mit Wankelmotor

Automobile

NSU Ro 80
Mazda RX8 - gegenwärtig das einzige in Deutschland erhältliche Wankelmotor-Auto

Motorräder

Hercules W 2000
Van Veen OCR1000

Obwohl alle großen Motorradmarken an der Integration eines Wankelmotors für Motorräder arbeiteten, konnten keine nennenswerten Verkaufszahlen erreicht werden. Grund waren technische Probleme des Motoreinbaus und hohe Entwicklungskosten. Das erste mit Wankelmotor ausgestattete Serienmotorrad war die W 2000 der Firma Hercules. Obgleich sie in Vergleichstests mit direkten Konkurrenzmodellen gut abschnitt, wurde sie vom Markt wenig akzeptiert; 1780 Exemplare wurden gebaut.

  • Hercules W 2000 „Staubsauger“
  • Hercules KC31 KC31 im GS 250-Rahmen
  • Suzuki RE 5
  • Van Veen OCR 1000
  • Motoprom
  • MZ Prototypen
  • Norton P41 „Interpol 2“
  • Norton P43 „Classic“
  • Norton P52 „Commander Police“
  • Norton P53 „Commander Civilian“
  • Norton P55 „F1“
  • Norton P55B„F1 Sports“
  • Norton RCW 588
  • Norton NRV 588

Wasserfahrzeuge

Wankel Zisch 74

Flugzeuge

Diamond Katana DA20 mit Diamond Engines Zweischeiben Wankelmotor

Unbemannte Flugzeuge, Drohnen, UAV

  • Blue Horizon II UAV Hersteller EMIT
  • CAMCOPTER S-100, Hersteller SCHIEBEL (Österreich)
  • Crecerelle UAV, Hersteller SAGEM
  • Darter UAV, Hersteller Silver Arrow
  • Deltron III UAV, Hersteller TESTEM
  • Dragon UAV, Hersteller Matra
  • Galileo UAV mit UEL AR-682
  • GLOV UAV Hersteller Accurate Automation Corp.
  • Goldeneye UAV mit UEL AR-741
  • Harpy UAV , Hersteller IAI
  • Hellfox UAV, Hersteller Mi-Tex
  • Hermes 180 mit UEL AR-74-1000, 10 Stunden Flugzeit, Hersteller Silver Arrow
  • Hermes 450 und 450S mit UEL AR 80-1010, 20 Stunden und 30 Stunden Flugzeit, Hersteller Silver Arrow
  • i-Foile UAV
  • ISIS mit UEL AR-8010
  • Lark UAV, Hersteller Kentron
  • Marula UAV, Hersteller SAGEM
  • Night Intruder 300 KAI
  • Nishant UAV, Hersteller ADE
  • Phantom Medium Tactical UAV
  • Pioneer RQ2A mit UEL AR-741, Hersteller PUI
  • Pioneer RQ2B mit UEL AR-741, Hersteller IAI
  • Prowler I, Hersteller GA-ASI
  • Scout UAV mit UEL AR-801 Hersteller IAI
  • Schiebel Camcopter S-100 mit Diamond Engines AE-50R, Hersteller Schiebel
  • Seabat UAV, Hersteller Orion
  • Sea Scout mit UEL AR-801
  • Searcher II Hersteller IAI
  • Shadow 200 mit UEL AR-741, Shadow 200B mit UEL AR-741, Shadow 400 mit UEL AR-741, Shadow 600 mit UEL AR-801, Hersteller AAI
  • Sikorsky Cypher und Cypher II mit UEL AR-801
  • Skyeye mit UEL AR 80-1010, Hersteller BAE Systems
  • Sniper UAV, Hersteller Silver Arrow
  • Starbird UAV, Hersteller Northrop Grumman
  • STF-9A UAV, Hersteller Daedalus
  • TPPV-1 Doysae UAV, Hersteller KAI
  • UAV-X1, Hersteller TAI
  • Vixen UAV, Hersteller Mi-Tex

Sporteinsatz

Um den Wankelmotor in der Motorwelt zu etablieren, nahmen das NSU- und Mazda-Team an diversen Autorennen teil und konnten einige Siege verbuchen, die systembedingt keine Rückschlüsse auf den Motor alleine zulassen. Es waren die Deutsche Ralleymeisterschaft (1969), das 24-Stunden-Bootsrennen von Rouen (1966), deutscher Bergmeister aller Klassen (1967 und 1968), der Sieg im 24-Stunden-Rennen von Le Mans (1991), bei dem der Motor im Bereich des maximalen Drehmoments etwa 285 g/kWh verbrauchte, ferner u. a. Siege in der amerikanischen- und australischen Tourenwagenmeisterschaft. Ebenso konnten Siege in der offenen Klasse der Rennboote verzeichnet werden (1973).

Norton stattete Motorräder mit Wankelmotoren aus und errang einige Erfolge im Rennsektor. So die britische Superbike-Meisterschaft, zweimal die Powerbike International und 1992 mit der RCW588 die Tourist Trophy auf der Isle of Man.

Seit den 90er Jahren werden auch Karts von Wankelmotoren angetrieben. Die Vorteile liegen im geringen Gewicht. Die Leistung beträgt bis zu 30 kW bei einem Kammervolumen von weniger als 300 cm³ und einem Gewicht von etwa 17 Kilogramm. Der Achsantrieb erfolgt über eine Fliehkraftkupplung ohne Getriebe

Weitere Anwendungen

Aixro Kart Wankelmotor
Sikorsky Cypher UAV, angetrieben von einem UEL-AR801-Wankelmotor

Anwendung findet der Wankelmotor auch als Flugzeugantrieb. Die Alexander Schleicher GmbH baut einen Diamond-Engines-Einscheibenmotor in ihren Klappantrieb der ASK 21 Mi, ASH 26 E und ASH 25 Mi ein. Der VLA (very light aircraft)-Zweisitzer Katana soll künftig mit dem 110 PS starken Zweischeiben-Wankelmotor von Diamond Engines ausgerüstet werden, und ebenfalls einen Diamond-Wankelmotor GIAE-110R bekommt die Aeriks 200, ebenfalls ein Zweisitzer aus Manno in der Schweiz. Die Firma Wankel Super Tec in Cottbus hat einen Fremdzündungsdiesel-Wankelmotor entwickelt, der im Verbrauch an hoch optimierte HKM-TDIs heranreicht. Dieser soll in Flugzeugen eingesetzt werden

Eine Variante ist der „Wankel-Fremdzündungsdiesel“, ein Vielstoffmotor, der mit Fremdzündung für den Antrieb von sogenannten Drohnen arbeitet. Zwar wird hier Diesel als Kraftstoff eingespritzt, jedoch kommt die dieseltypische Selbstzündung nicht zum Einsatz. Die englische Firma UAV EL ist zurzeit der Weltmarktführer bei Drohnen-Wankelmotoren.

Durch die räumliche Trennung von Ansaug- und Verbrennungsraum ist der Wankelmotor besonders geeignet zur Verbrennung von Wasserstoff (Wasserstoffbetrieb) und ähnlich leichtentzündlichen Brennstoffen (Erdgas, Autogas usw.), da sich das Gasgemisch nicht vorzeitig an heißen Bauteilen (wie etwa an Auslassventilen und der Brennraumoberfläche) entzünden kann. Es liegt eine räumliche Trennung von Verdichtungs- und Verbrennungsraum vor, was gegenüber dem Viertakt-Hubkolbenmotor die Klopffestigkeit steigert. Mazda erprobt aktuell im RX-8 HRE und Mazda 5 HRE den Betrieb mit Wasserstoff. Hier kommt dem Wankelmotor seine spezielle Brennraumform zugute.[6]

Ingersoll-Rand baute zwischen 1972 und 1986 Gaswankelmotoren in Serie für Gaspumpstationen.

Norton, Suzuki und Yamaha versuchten sich an Motorrädern, Sachs baute einen modifizierten Motor in die Hercules W 2000 ein.

In den Schneemobilen der Firma OMC kamen eigenentwickelte Wankelmotoren zum Einsatz, andere Schneemobilhersteller setzten F&S-Wankelmotoren ein.

Die Firmen Italsystem und Aixro bauen Wankelmotoren für Renncarts, Freedom Motors für Wasser-Scooter und Fichtel & Sachs für Rasenmäher sowie Notstromerzeuger. 1975 wird eine Dolmar-Kettensäge mit einem KMS 4 von Fichtel & Sachs angetrieben.

Als Antrieb für Gurtstraffer wurden 1997 kleine, druckgasbetriebene Einweg-Wankelmotoren verwendet, die VW in den Passat und Mercedes in seine S-Klasse einbaute.

Kraftfahrzeugsteuer (in Deutschland)

Wankelmotoren werden nach dem zulässigen Gesamtgewicht wie LKW besteuert.

Die Höhe der Kraftfahrzeugsteuer für PKW bemisst sich in Deutschland nach dem Hubraum. Der NSU-RO80 mit knapp 1000 cm³ Kammervolumen und 86 kW hätte bei Anwendung der damaligen Hubraumsteuer von 14,40 DM/100 cm³ 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 86 kW zu dieser Zeit einem Hubraum von 2 Litern eines Hubkolbenmotors entsprach. Nach etlichen Verhandlungen einigte man sich aber auf die Anwendung der LKW-Steuer. Die Steuer bemisst sich nach dem verkehrsrechtlich zulässigen Gesamtgewicht. Kosten bei einem zulässigen Gesamtgewicht bis 2000 kg: EUR 11,25 pro 200 kg Fahrzeuggewicht.

Bilder

Sonstiges

  • Die Briefmarke 50 Jahre Wankelmotor im Wert von 145 Cent wurde am 2. Januar 2007 durch die Deutsche Post ausgegeben
  • Das Museum Autovision zeigt die weltweit erste ständige Wankelmotor-Ausstellung
  • Eine der weltweit größten Sammlungen von Fahrzeugen und Geräten mit Wankelmotor besitzt Walter Frey in Gersthofen.[7]

Siehe auch

Einzelnachweise

  1. Wolf-Dieter Bensinger: Rotationskolben – Verbrennungsmotoren. Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg, ISBN 3-540-05886-9 (Auslegung des Kühlers). 
  2. The ancestry of freedom motors. Abgerufen am 9. Oktober 2008. (PDF, engl., Freedom Motors Stammbaum)
  3. The incredible shrinking engine. In: Forefront. University of Berkeley, 2001. Abgerufen am 9. Oktober 2008. (PDF, engl., Der Berkley-MEMS-Wankel)
  4. Berny Herrera: Rotapower Engine Achieves SULEV Emissions Goal. In: RotaryNews.com. 10. August 2006. Abgerufen am 9. Oktober 2008. (engl.)
  5. 25.03.2009 erster Premacy Hydrogen RE Hybrid in Japan verleast und zugelassen. Quelle Mazda Media
  6. Hydrogen and the Rotary Engine. In: MAZDA. Abgerufen am 9. Oktober 2008. (engl., Mazda Wasserstoffwankelmotoren)
  7. Im Wendekreis des Kolbens bei spiegel.de (besucht am 1. März 2009)

Literatur

  • Kenichi Yamamoto: Rotary Engine Sankaido Co. Ltd. 1st ed. 1981
  • Richard F. Ansdale: Der Wankelmotor. Konstruktion und Wirkungsweise, 228 Seiten, Motorbuch Verlag, Stuttgart, 1. Aufl. 1971, ISBN 3-87943-214-7
  • Wolf-Dieter Bensinger: Rotationskolben – Verbrennungsmotoren Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg, ISBN 3-540-05886-9
  • Andreas Knie: Wankel-Mut in der Autoindustrie, 290 Seiten, Edition Sigma, ISBN 3-89404-145-5
  • Dieter Korp: Protokoll einer Erfindung: Der Wankelmotor, 224 Seiten, ISBN 3-87943-381-X
  • Claus Myhr: NSU Ro 80 und Wankel Spider 1964–1977, 96 Seiten, ISBN 3-922617-49-2
  • Marcus Popplow: Motor ohne Lobby?, 256 Seiten, ISBN 3-89735-203-6
  • Ulrich Knapp: Wankel auf dem Prüfstand, 216 Seiten, ISBN 3-8309-1637-X
  • John B. Hege: The Wankel rotary engine: A History, 174 Seiten, in englisch, viele Bilder (s/w), ISBN 0-7864-1177-5
  • Ludvigsen Publications: Wankel Engines A to Z, 128 Seiten, ISBN 0-913646-01-6
  • BMF-Bericht über den Fremdzündungsdiesel-Wankelmotor (PDF-Datei zum Download, mit Fertigteilzeichnungen, Temperatur- und Belastungsdiagrammen in 3D)
  • M.4-Rotor Rotary Engine for Le Mans (26B Bericht, .doc-Datei zum Download, engl.)

Weblinks

Animationen

Weitere Informationen



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