Wankelmotor - Wankel engine
Der Wankelmotor ist eine Art Verbrennungsmotor , der eine exzentrische Rotationskonstruktion verwendet , um Druck in Rotationsbewegung umzuwandeln.
Im Vergleich zum Hubkolbenmotor hat der Wankelmotor ein gleichmäßigeres Drehmoment; weniger Vibrationen; und ist bei gegebener Leistung kompakter und wiegt weniger.
Der Rotor, der die Drehbewegung erzeugt, ähnelt in seiner Form einem Reuleaux-Dreieck , außer dass die Seiten weniger gekrümmt sind. Wankelmotoren liefern im Otto-Zyklus drei Leistungsimpulse pro Umdrehung des Rotors . Die Abtriebswelle dreht jedoch mit einem Zahnradgetriebe dreimal schneller, was einen Leistungsimpuls pro Umdrehung ergibt. Dies ist in der Animation unten zu sehen. Bei einer Umdrehung erfährt der Rotor gleichzeitig Leistungsimpulse und stößt Gas aus, während die vier Stufen des Otto-Zyklus zu unterschiedlichen Zeiten stattfinden. Zum Vergleich: Bei einem Zweitakt-Kolbenmotor gibt es pro Kurbelwellenumdrehung (wie bei einer Abtriebswelle des Wankelmotors) einen Leistungsimpuls und bei einem Viertakt-Kolbenmotor alle zwei Umdrehungen einen Leistungsimpuls.
Der vierstufige Otto-Zyklus von Einlass, Kompression, Zündung und Auslass findet bei jeder Umdrehung des Rotors an jeder der drei Rotorflächen statt, die sich innerhalb des ovalen epitrochoidalen Gehäuses bewegen , wodurch die drei Leistungsimpulse pro Rotorumdrehung ermöglicht werden.
Die Definition der Verschiebung gilt nur für eine Seite des Rotors, da bei jeder Umdrehung der Abtriebswelle nur eine Seite arbeitet.
Der Motor wird allgemein als Rotationsmotor bezeichnet , obwohl dieser Name auch auf andere völlig unterschiedliche Konstruktionen angewendet wird, einschließlich sowohl mit Kolben als auch mit kolbenlosen Rotationsmotoren .
Konzept
Der Entwurf stammt vom deutschen Ingenieur Felix Wankel . Wankel erhielt 1929 sein erstes Patent für den Motor. Er begann in den frühen 1950er Jahren mit der Entwicklung bei NSU und stellte 1957 einen funktionierenden Prototyp fertig. NSU lizenzierte das Design anschließend an Unternehmen auf der ganzen Welt, die kontinuierlich Verbesserungen vornahmen.
Entwurf
Der Wankelmotor hat die Vorteile der kompakten Bauweise und geringem Gewicht über die üblichere Verbrennungsmotor, der hin- und hergehende Verwendungen Kolben . Diese Vorteile bieten Rotationsmotoranwendungen in einer Vielzahl von Fahrzeugen und Geräten, einschließlich Automobilen , Motorrädern , Rennwagen , Flugzeugen , Go-Karts , Jetskis , Schneemobilen , Kettensägen und Hilfsaggregaten . Bestimmte Wankelmotoren haben ein Leistungsgewicht von über einer PS pro Pfund. Die meisten Motoren der Bauart sind fremdgezündet , wobei Kompressionszündungsmotoren nur in Forschungsprojekten gebaut wurden.
Beim Wankelmotor finden die vier Hübe eines Otto-Zyklus im Raum zwischen jeder Stirnseite eines dreiseitigen symmetrischen Rotors und der Innenseite eines Gehäuses statt. Das ovale, epitrochoidförmige Gehäuse umgibt einen dreieckigen Rotor mit bogenförmigen Flächen ähnlich einem Reuleaux-Dreieck . Die theoretische Form des Rotors zwischen den festen Scheiteln ergibt sich aus der Minimierung des Volumens der geometrischen Brennkammer bzw. der Maximierung des Verdichtungsverhältnisses . Die symmetrische Kurve, die zwei beliebige Scheitel des Rotors verbindet, wird in Richtung der inneren Gehäuseform maximiert mit der Einschränkung, dass sie das Gehäuse bei keinem Drehwinkel berührt (ein Bogen ist keine Lösung dieses Optimierungsproblems ).
Die zentrale Antriebswelle, "Exzenterwelle" oder "E-Welle" genannt, verläuft durch die Mitte des Rotors und wird von Festlagern getragen. Die Rotoren laufen auf Exzentern (analog zu Kurbelzapfen bei Kolbenmotoren), die fest mit der Exzenterwelle (analog zu einer Kurbelwelle) verbunden sind. Die Rotoren drehen sich beide um die Exzenter und machen Orbitalumdrehungen um die Exzenterwelle. Dichtungen an den Spitzen des Rotors dichten gegen den Umfang des Gehäuses ab und teilen es in drei bewegliche Brennkammern . Die Drehung jedes Rotors um seine eigene Achse wird durch ein Synchronzahnradpaar bewirkt und gesteuert Ein an einer Seite des Rotorgehäuses angebrachtes Festrad greift in ein am Rotor angebrachtes Hohlrad ein und sorgt dafür, dass sich der Rotor jeweils genau eine Drittelumdrehung bewegt Drehung der Exzenterwelle. Die Leistungsabgabe des Motors wird nicht über die Synchrongetriebe übertragen. Der Rotor bewegt sich in seiner Drehbewegung, die von den Zahnrädern und der Exzenterwelle geführt wird, und wird nicht von der äußeren Kammer geführt; der Rotor darf nicht am äußeren Motorgehäuse reiben. Die Kraft des expandierten Gasdrucks auf den Rotor übt Druck auf die Mitte des exzentrischen Teils der Abtriebswelle aus.
Am einfachsten lässt sich die Aktion des Motors in der Animation visualisieren, indem man sich nicht den Rotor selbst ansieht, sondern den zwischen ihm und dem Gehäuse entstandenen Hohlraum. Der Wankelmotor ist eigentlich ein volumenvariables Hubraumsystem. Somit wiederholen die drei Kavitäten pro Gehäuse alle den gleichen Zyklus. Die Punkte A und B auf Rotor und E-Welle drehen sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten – Punkt B kreist dreimal so oft wie Punkt A, sodass eine volle Umlaufbahn des Rotors drei Umdrehungen der E-Welle entspricht.
Wenn sich der Rotor umkreisend dreht, wird jede Seite des Rotors näher an die Wand des Gehäuses und dann von dieser weg gebracht, wodurch die Brennkammer wie die Hübe eines Kolbens in einem Hubkolbenmotor komprimiert und expandiert wird . Der Leistungsvektor der Verbrennungsstufe geht durch die Mitte der versetzten Keule.
Während ein Viertakt- Kolbenmotor pro zwei Umdrehungen der Kurbelwelle einen Verbrennungstakt pro Zylinder vollführt (also einen halben Arbeitstakt pro Kurbelwellenumdrehung pro Zylinder), erzeugt jede Brennkammer im Wankel einen Verbrennungstakt pro Antriebswellenumdrehung, dh ein Arbeitshub pro Rotorumdrehung und drei Arbeitshübe pro Rotorumdrehung. Somit wird die Leistung ist Ausgabe eines Wankel - Motor im allgemeinen höher als die einer Viertakt - Kolbenmotor mit ähnlicher Motorhubraum in einem ähnlichen Zustand verstimmt; und höher als die eines Viertakt-Kolbenmotors mit ähnlichen Abmessungen und Gewicht.
Wankelmotoren können im Idealfall viel höhere Motordrehzahlen erreichen als Hubkolbenmotoren ähnlicher Leistung. Dies ist teilweise auf die seiner kreisförmigen Bewegung inhärente Laufruhe, das Fehlen eines mechanischen Ventiltriebs mit hin- und hergehenden Tellerventilen und das Drehen des Rotors mit einem Drittel der Drehzahl der Abtriebswelle zurückzuführen. Die Exzenterwellen haben nicht die belastungsbedingten Konturen von Kurbelwellen. Die maximalen Umdrehungen eines Rotationsmotors werden durch die Zahnbelastung der Synchronräder begrenzt. Für den erweiterten Betrieb über 7000 oder 8000 U/min werden gehärtete Stahlzahnräder verwendet. In der Praxis werden Wankelmotoren in Serienfahrzeugen nicht mit viel höheren Hauptwellendrehzahlen betrieben als Hubkolbenmotoren mit ähnlicher Ausgangsleistung, und die Zyklusdrehzahlen (ein Drittel der Wankel-Hauptwellendrehzahl und die Hälfte der Viertakt-Kurbelwellendrehzahl) sind ähnlich wie konventionelle Motoren; zum Beispiel produzierte der "12A" Rotary im 1970er RX-2 eine Spitzenleistung bei 7.000 U/min (39 Motorzyklen pro Sekunde), während der Hubkolbenmotor im selben Jahr der gleichen Modellfamilie ( Capella ) eine Spitzenleistung bei 6.000 . erzeugte U/min (50 Motorzyklen pro Sekunde). Mazda Wankelmotoren im Autorennen werden über 10.000 U/min betrieben, aber auch Viertakt-Hubkolbenmotoren mit relativ kleinem Hubraum pro Zylinder. In Flugzeugen werden sie konservativ bis zu 6500 oder 7500 U/min verwendet, aber da der Gasdruck zur Dichtungseffizienz beiträgt, kann ein Hochdrehen eines Wankelmotors bei hohen Drehzahlen im Leerlauf den Motor zerstören.
Nationale Behörden, die Autos nach Hubraum besteuern, und Regulierungsbehörden im Automobilrennsport betrachten den Wankelmotor unterschiedlich als gleichwertig mit einem Viertakt-Kolbenmotor mit bis zu zweifachem Hubraum einer Kammer pro Rotor, obwohl pro Rotor drei Nocken vorhanden sind (weil der Rotor führt nur ein Drittel der Umdrehung pro Umdrehung der Abtriebswelle durch, so dass nur ein Arbeitshub pro Arbeitsgang pro Abtriebsumdrehung erfolgt, die anderen beiden Kolben stoßen gleichzeitig eine verbrauchte Ladung aus und nehmen eine neue auf, anstatt dazu beizutragen die Leistung dieser Umdrehung). Einige Rennserien haben den Wankel zusammen mit allen anderen Alternativen zum traditionellen Hubkolben-Viertakt-Design ganz verboten.
Geschichte
Frühe Entwicklungen
1951 begann die NSU Motorenwerke AG in Deutschland mit der Entwicklung des Motors, wobei zwei Modelle gebaut wurden. Der erste, der DKM-Motor, wurde von Felix Wankel entwickelt. Der zweite, der von Hanns Dieter Paschke entwickelte KKM-Motor, wurde als Basis des modernen Wankelmotors übernommen.
Grundlage des Motortyps DKM war, dass sich sowohl der Rotor als auch das Gehäuse auf getrennten Achsen drehten. Der DKM-Motor erreichte höhere Umdrehungen pro Minute (bis zu 17.000 U/min) und war natürlicher ausbalanciert. Der Motor musste jedoch zum Wechseln der Zündkerzen zerlegt werden und enthielt weitere Teile. Der KKM-Motor war einfacher und hatte ein festes Gehäuse.
Der erste funktionsfähige Prototyp, DKM 54, leistete 21 PS (16 kW) und lief am 1. Februar 1957 in der NSU-Forschungs- und Entwicklungsabteilung Versuchsabteilung TX .
Der KKM 57 (der Wankel- Kreiskolbenmotor ) wurde 1957 von NSU-Ingenieur Hanns Dieter Paschke ohne Wissen von Felix Wankel konstruiert, der später bemerkte: „Sie haben mein Rennpferd zur Pflugstute gemacht“.
Lizenzen ausgestellt
1960 unterzeichneten NSU, die Firma, die die beiden Erfinder beschäftigte, und die US-Firma Curtiss-Wright einen gemeinsamen Vertrag. NSU sollte sich auf die Entwicklung von Wankelmotoren mit niedriger und mittlerer Leistung konzentrieren, wobei Curtiss-Wright Hochleistungsmotoren entwickelte, einschließlich Flugmotoren, bei denen Curtiss-Wright jahrzehntelange Erfahrung in der Entwicklung und Herstellung hatte. Curtiss-Wright stellte Max Bentele als Leiter des Designteams ein.
Viele Hersteller unterzeichneten Lizenzverträge für die Entwicklung, angezogen von der Laufruhe, Laufruhe und Zuverlässigkeit, die sich aus dem unkomplizierten Design ergeben. Darunter waren Alfa Romeo , American Motors , Citroën , Ford , General Motors , Mazda , Mercedes-Benz , Nissan , Porsche , Rolls-Royce , Suzuki und Toyota . In den Vereinigten Staaten im Jahr 1959 leistete Curtiss-Wright unter Lizenz von NSU Pionierarbeit bei der Verbesserung des grundlegenden Motordesigns. In Großbritannien war die Motor Car Division von Rolls Royce in den 1960er Jahren Pionier einer zweistufigen Dieselversion des Wankelmotors.
Citroën hat viel geforscht und den M35 , den GS Birotor und den RE-2 -Hubschrauber mit Motoren von Comotor , einem Joint Venture von Citroën und NSU, hergestellt. General Motors schien zu dem Schluss gekommen zu sein, dass der Wankelmotor etwas teurer in der Herstellung war als ein gleichwertiger Hubkolbenmotor. General Motors behauptete, das Problem des Kraftstoffverbrauchs gelöst zu haben, versäumte es jedoch, gleichzeitig zu akzeptablen Abgasemissionen zu gelangen. Mercedes-Benz verbaut in seinem Concept Car C111 einen Wankelmotor .
Deere & Company entwickelte eine Version, die eine Vielzahl von Kraftstoffen verwenden konnte. Das Design wurde in den späten 1980er Jahren als Energiequelle für Kampffahrzeuge und andere Ausrüstung des United States Marine Corps vorgeschlagen .
1961 begann die sowjetische Forschungsorganisation NATI, NAMI und VNIImotoprom mit der Entwicklung von experimentellen Motoren mit verschiedenen Technologien. Der sowjetische Automobilhersteller AvtoVAZ experimentierte auch ohne Lizenz mit Wankelmotoren und führte in einigen Autos eine begrenzte Anzahl von Motoren ein.
Von Mitte September 1967 , auch Wankel Modellmotoren wurden durch die deutschen verfügbar Graupner aeromodeling Produkte fest, gemacht für sie durch O Engines von Japan.
Trotz viel Forschung und Entwicklung weltweit hat nur Mazda Wankelmotoren in großen Stückzahlen produziert.
Entwicklungen für Motorräder
In Großbritannien entwickelte Norton Motorcycles einen Wankel-Rotationsmotor für Motorräder , der auf dem luftgekühlten Sachs-Rotor-Wankel basiert, der das DKW/Hercules W-2000-Motorrad antreibt. Dieser Zwei-Rotor-Motor war im Commander und F1 enthalten . Norton verbesserte die Luftkühlung des Sachs und führte eine Plenumkammer ein. Suzuki stellte auch ein Serienmotorrad her, das von einem Wankelmotor angetrieben wurde, den RE-5 , der mit Ferro- TiC- Aluminium-Apex-Dichtungen und einem NSU-Rotor erfolgreich versuchte, die Lebensdauer des Motors zu verlängern.
Entwicklungen für Autos
Mazda und NSU unterzeichneten 1961 einen Studienvertrag zur Entwicklung des Wankelmotors und traten gegeneinander an, um das erste Automobil mit Wankelantrieb auf den Markt zu bringen. Obwohl Mazda in diesem Jahr einen experimentellen Wankel produzierte , war NSU zuerst mit einem Wankel-Automobil zum Verkauf, dem sportlichen NSU Spider im Jahr 1964; Mazda konterte mit einer Ausstellung von Zwei- und Vierrotor-Wankelmotoren auf der diesjährigen Tokyo Motor Show . 1967 begann NSU mit der Produktion eines Luxuswagens mit Wankelmotor, dem Ro 80 . NSU hatte jedoch im Gegensatz zu Mazda und Curtiss-Wright keine zuverlässigen Apex-Dichtungen am Rotor hergestellt. NSU hatte Probleme mit dem Verschleiß der Apex-Dichtungen, schlechter Wellenschmierung und schlechtem Kraftstoffverbrauch, was zu häufigen Motorausfällen führte, die bis 1972 nicht behoben wurden, was zu hohen Garantiekosten führte, die die weitere Entwicklung von NSU Wankelmotoren einschränkten. Diese vorzeitige Veröffentlichung des neuen Wankelmotors verschaffte allen Fabrikaten einen schlechten Ruf, und selbst als diese Probleme bei den letzten von NSU in der zweiten Hälfte der 70er Jahre produzierten Motoren gelöst wurden, erholten sich die Verkäufe nicht. Audi baute nach der Übernahme von NSU 1979 einen neuen KKM 871 Motor mit seitlichen Ansaugkanälen, einer 750-ccm-Kammer, 170 PS (130 kW) bei 6.500 U/min und 220 Nm bei 3.500 U/min. Der Motor wurde in einen Audi 100 Rumpf namens "Audi 200" eingebaut, wurde aber nicht in Serie produziert.
Mazda behauptete jedoch, das Problem der Apex-Dichtung gelöst zu haben, indem er Testmotoren 300 Stunden lang ohne Ausfall bei hoher Geschwindigkeit betrieb. Nach jahrelanger Entwicklung war das erste Wankelmotor- Auto von Mazda der Cosmo 110S von 1967 . Das Unternehmen folgte mit einer Reihe von Wankel-Fahrzeugen ("Rotary" in der Terminologie des Unternehmens), darunter ein Bus und ein Pickup . Kunden nannten oft die Laufruhe der Autos. Mazda wählte jedoch eine Methode zur Einhaltung der Kohlenwasserstoff- Emissionsnormen , die zwar weniger teuer in der Herstellung ist, aber den Kraftstoffverbrauch erhöht. Leider für Mazda wurde dies unmittelbar vor einem starken Anstieg der Kraftstoffpreise eingeführt. Curtiss-Wright produzierte den RC2-60-Motor, der in Leistung und Kraftstoffverbrauch mit einem V8-Motor vergleichbar war. Im Gegensatz zu NSU hatte Curtiss-Wright das Problem mit der Rotorabdichtung bis 1966 mit Dichtungen gelöst, die 160.000 km lange halten.
Mazda gab den Wankel später in den meisten seiner Automobildesigns auf und verwendete den Motor weiterhin nur in seiner Sportwagenpalette und produzierte bis August 2002 den RX-7 . Das Unternehmen verwendete normalerweise Zwei-Rotor-Designs. 1991 wurde der Sportwagen Eunos Cosmo mit einem fortschrittlicheren Twin- Turbo -Dreiläufermotor ausgestattet . 2003 stellte Mazda den im RX-8 verbauten Renesis- Motor vor . Der Renesis-Motor hat die Auslassöffnungen vom Umfang des rotierenden Gehäuses zu den Seiten verlegt, was größere Gesamtöffnungen, einen besseren Luftstrom und weitere Leistungssteigerungen ermöglicht. Einige frühe Wankelmotoren hatten auch seitliche Auslassöffnungen, das Konzept wurde aufgrund von Kohlenstoffablagerungen in den Öffnungen und an den Seiten des Rotors aufgegeben. Der Renesis-Motor löste das Problem durch die Verwendung einer Trapez-Abstreifer-Seitendichtung und näherte sich den Schwierigkeiten bei der thermischen Verformung, indem er einige Teile aus Keramik hinzufügte. Der Renesis leistet 238 PS (177 kW) mit verbesserter Kraftstoffeffizienz, Zuverlässigkeit und geringeren Emissionen als frühere Mazda-Rotationsmotoren, alles aus einem nominellen 1,3-Liter-Hubraum, aber dies reichte nicht aus, um strengere Abgasnormen zu erfüllen. Mazda stellte die Produktion seines Wankelmotors im Jahr 2012 ein, nachdem der Motor die strengeren Euro-5-Abgasnormen nicht erfüllt hatte und kein Automobilunternehmen mehr ein Fahrzeug mit Wankelantrieb verkaufte. Das Unternehmen entwickelt die nächste Generation von Wankelmotoren, den SkyActiv-R, weiter. Mazda gibt an, dass der SkyActiv-R die drei Schlüsselprobleme mit früheren Rotationsmotoren löst: Kraftstoffverbrauch, Emissionen und Zuverlässigkeit. Mazda und Toyota gaben bekannt, dass sie sich zusammengeschlossen haben, um einen bereichserweiternden Wankelmotor für Fahrzeuge zu produzieren.
American Motors Corporation (AMC), der kleinste US-Autohersteller, war so überzeugt, "...dass der Wankelmotor eine wichtige Rolle als Triebwerk für Pkw und Lkw der Zukunft spielen wird...", dass der Vorstandsvorsitzende Roy D. Chapin Jr. unterzeichnete im Februar 1973 nach einjährigen Verhandlungen einen Vertrag über den Bau von Wankelmotoren für Pkw und Jeeps sowie das Recht, alle von ihm produzierten Wankelmotoren an andere Unternehmen zu verkaufen. Der Präsident von AMC, William Luneburg, erwartete bis 1980 keine dramatische Entwicklung, aber Gerald C. Meyers , AMCs Vizepräsident der Engineering-Produktgruppe, schlug vor, dass AMC die Motoren von Curtiss-Wright kaufen sollte, bevor er seine eigenen Wankelmotoren entwickelt, und sagte voraus eine vollständige Umstellung auf Rotationsantrieb bis 1984. Pläne sahen vor, dass der Motor im AMC Pacer verwendet werden sollte , aber die Entwicklung wurde zurückgedrängt. American Motors hat den einzigartigen Pacer rund um den Motor entwickelt. Bis 1974 hatte AMC beschlossen, den General Motors (GM) Wankel zu kaufen, anstatt einen eigenen Motor zu bauen. Sowohl GM als auch AMC bestätigten, dass die Beziehung bei der Vermarktung des neuen Motors von Vorteil sein würde, wobei AMC behauptete, dass der GM Wankel einen guten Kraftstoffverbrauch erzielte. Als der Pacer auf den Markt kam, waren die Motoren von GM jedoch noch nicht in Serie. Die Ölkrise von 1973 trug dazu bei, den Einsatz des Wankelmotors zu frustrieren. Steigende Kraftstoffpreise und Gespräche über die vorgeschlagene US-Gesetzgebung für Emissionsnormen trugen ebenfalls zu Bedenken bei.
Bis 1974 war es GM R&D nicht gelungen, einen Wankelmotor herzustellen, der sowohl die Emissionsanforderungen als auch einen guten Kraftstoffverbrauch erfüllte, was zu einer Entscheidung des Unternehmens führte, das Projekt abzubrechen. Aufgrund dieser Entscheidung veröffentlichte das Forschungs- und Entwicklungsteam nur teilweise die Ergebnisse seiner neuesten Forschung, die behauptete, das Problem des Kraftstoffverbrauchs gelöst zu haben und zuverlässige Motoren mit einer Lebensdauer von mehr als 850.000 km zu bauen. Diese Feststellungen wurden bei Erlass der Löschungsanordnung nicht berücksichtigt. Das Ende des Wankel-Projekts von GM erforderte, dass AMC den Pacer neu konfigurierte, um seinen ehrwürdigen AMC-Reihen-6-Motor unterzubringen, der die Hinterräder antreibt.
Im Jahr 1974 schuf die Sowjetunion ein spezielles Motorenkonstruktionsbüro, das 1978 einen als VAZ-311 bezeichneten Motor entwarf, der in ein VAZ-2101- Auto eingebaut wurde. 1980 begann das Unternehmen mit der Lieferung des VAZ-411-Zwillingsrotor-Wankelmotors in VAZ-2106- und Lada- Fahrzeugen, von denen etwa 200 hergestellt wurden. Der Großteil der Produktion ging an die Sicherheitsdienste. Die nächsten Modelle waren der VAZ-4132 und VAZ-415. Eine rotierende Version der Samara wurde ab 1997 an die russische Öffentlichkeit verkauft. Aviadvigatel , das sowjetische Büro für Flugzeugmotorenkonstruktion, ist dafür bekannt, Wankelmotoren mit elektronischer Einspritzung für Starrflügler und Hubschrauber hergestellt zu haben, obwohl nur wenige spezifische Informationen aufgetaucht sind.
Ford führte Forschungen an Wankelmotoren durch, die zu erteilten Patenten führten: GB 1460229 , 1974, Verfahren zur Herstellung von Gehäusen; US 3833321 1974, Seitenplattenbeschichtung; US 3890069 , 1975, Gehäusebeschichtung; CA 1030743 , 1978: Gehäuseausrichtung; CA 1045553 , 1979, Membranventilanordnung . 1972 erklärte Henry Ford II, dass der Rotationskolben den Kolben wahrscheinlich zu "meinem Leben" nicht ersetzen würde.
Maschinenbau
Felix Wankel hat es geschafft, die meisten Probleme zu überwinden, die frühere Rotationsmotoren zum Versagen brachten, indem er eine Konfiguration mit Flügeldichtungen mit einem Spitzenradius entwickelte, der im Vergleich zur theoretischen Epitrochoide der Größe der "Übergröße" der Rotorgehäuseform entspricht, um radiale . zu minimieren Apex-Dichtungsbewegung plus Einführung eines zylindrischen gasbeladenen Apex-Pins, der an allen Dichtelementen anliegt, um die drei Ebenen an jedem Rotor- Apex abzudichten.
In der Anfangszeit mussten für unterschiedliche Gehäuseabmessungen spezielle, dedizierte Produktionsmaschinen gebaut werden. Patentierte Konstruktionen wie US-Patent 3,824,746 , G. J. Watt, 1974, für eine "Wankel Engine Cylinder Generating Machine", US-Patent 3,916,738 , "Vorrichtung zum Bearbeiten und/oder Behandeln von trochoidalen Oberflächen" und US-Patent 3,964,367 , "Vorrichtung zur Bearbeitung". trochoidale Innenwände" und andere lösten das Problem.
Rotationsmotoren haben ein Problem, das bei Hubkolben-Viertaktmotoren nicht gefunden wird, darin, dass das Blockgehäuse Einlass, Kompression, Verbrennung und Auslass an festen Stellen um das Gehäuse herum aufweist. Im Gegensatz dazu führen Hubkolbenmotoren diese vier Hübe in einer Kammer aus, so dass Extreme von "einfrierendem" Einlass und "flammendem" Auspuff gemittelt und durch eine Grenzschicht vor überhitzen Arbeitsteilen abgeschirmt werden. Um diese ungleichmäßige Erwärmung des Blockgehäuses zu überwinden, wurde von der University of Florida der Einsatz von Heatpipes in einem luftgekühlten Wankel vorgeschlagen. Die Vorwärmung bestimmter Gehäuseteile mit Abgas verbessert die Leistung und den Kraftstoffverbrauch und reduziert auch den Verschleiß und die Emissionen.
Die Grenzschichtschilde und der Ölfilm wirken als thermische Isolierung, was zu einer niedrigen Temperatur des Schmierfilms führt (ca. maximal 200 °C oder 392 °F bei einem wassergekühlten Wankelmotor. Dadurch wird eine konstantere Oberflächentemperatur erreicht rund um die Zündkerze etwa gleich der Temperatur im Brennraum eines Hubkolbenmotors, bei Rund- oder Axialkühlung bleibt die Temperaturdifferenz tolerierbar.
Probleme traten bei der Forschung in den 1950er und 1960er Jahren auf. Eine Zeit lang wurden Ingenieure mit sogenannten "Rattermarken" und "Teufelskratzern" in der inneren Epitrochoidenoberfläche konfrontiert. Sie entdeckten, dass die Ursache dafür war, dass die Apex-Dichtungen eine Resonanzschwingung erreichten, und das Problem wurde durch die Reduzierung der Dicke und des Gewichts der Apex-Dichtungen gelöst. Kratzer verschwanden nach der Einführung verträglicherer Materialien für Dichtungen und Gehäusebeschichtungen. Ein weiteres frühes Problem war die Rissbildung in der Statoroberfläche in der Nähe des Kerzenlochs, die durch den Einbau der Zündkerzen in einen separaten Metalleinsatz/Kupferhülse im Gehäuse beseitigt wurde, anstatt die Zündkerze direkt in das Blockgehäuse zu schrauben. Toyota stellte fest, dass der Ersatz der führenden Zündkerze am Standort durch eine Glühkerze die niedrigen Drehzahlen, Teillast, den spezifischen Kraftstoffverbrauch um 7 % sowie die Emissionen und den Leerlauf verbesserte. Eine spätere alternative Lösung zur Kühlung des Zündkerzenansatzes wurde mit einem von Curtiss-Wright patentierten variablen Kühlmittelgeschwindigkeitsschema für wassergekühlte Drehkolbenmotoren bereitgestellt, das von Curtiss-Wright patentiert wurde Kühlung. Diese Ansätze erforderten keinen Kupfereinsatz mit hoher Leitfähigkeit, schlossen jedoch seine Verwendung nicht aus. Ford testete einen Wankelmotor, bei dem die Stopfen in den Seitenplatten anstelle der üblichen Platzierung in der Arbeitsfläche des Gehäuses platziert waren ( CA 1036073 , 1978).
Kürzliche Entwicklungen
Die Erhöhung des Hubraums und der Leistung eines Rotationsmotors durch Hinzufügen weiterer Rotoren zu einer Grundkonstruktion ist einfach, aber die Anzahl der Rotoren kann begrenzt sein, da die Leistungsabgabe durch die letzte Rotorwelle mit allen Belastungen des gesamten Motors geleitet wird zu diesem Zeitpunkt vorhanden. Bei Motoren mit mehr als zwei Rotoren wurde die Kopplung zweier Doppelrotorsätze durch eine gezahnte Kupplung (z. B. ein Hirth-Gelenk ) zwischen den beiden Rotorsätzen erfolgreich getestet.
Untersuchungen im Vereinigten Königreich im Rahmen des SPARCS-Projekts (Self-Pressurising-Air Rotor Cooling System) ergaben, dass Leerlaufstabilität und Wirtschaftlichkeit durch die Zufuhr eines zündfähigen Gemischs zu nur einem Rotor in einem Mehrrotormotor in einem forcierten Luftgekühlten Rotor erreicht wurden , ähnlich den luftgekühlten Norton-Designs.
Die Nachteile des Wankelmotors – unzureichende Schmierung und Kühlung bei Umgebungstemperaturen, kurze Motorlebensdauer, hohe Emissionen und geringe Kraftstoffeffizienz – wurden von Norton-Wenkelmotorspezialist David Garside in Angriff genommen , der 2016 drei patentierte Systeme entwickelte.
- SPARCS
- Kompakt-SPARCS
- CREEV (Compound Rotary Engine für Elektrofahrzeuge)
SPARCS und Compact-SPARCS bieten eine hervorragende Wärmeableitung und einen effizienten Wärmeausgleich zur Optimierung der Schmierung. Ein Problem bei Wankelmotoren besteht darin, dass das Motorgehäuse beim Laufen ständig kühle und heiße Oberflächen hat. Es erzeugt auch übermäßige Hitze im Motor, die das Schmieröl schnell abbaut. Das SPARCS-System reduziert diesen großen Temperaturunterschied im Metall des Motorgehäuses und kühlt auch den Rotor aus dem Inneren des Motorgehäuses. Dies führt zu einem verringerten Motorverschleiß, wodurch die Motorlebensdauer verlängert wird. Wie im Unmanned Systems Technology Magazine beschrieben, "verwendet SPARCS einen abgedichteten Rotorkühlkreislauf, der aus einem umlaufenden Radialventilator und einem Wärmetauscher besteht, um die Wärme abzugeben. Dieser wird selbst unter Druck gesetzt, indem das Blow-by an den rotorseitigen Gasdichtungen von der Arbeitskammern." CREEV ist ein "Abgasreaktor", der eine Welle und einen Rotor im Inneren enthält, der eine andere Form als ein Wankel-Rotor hat. Der Reaktor, der sich im Abgasstrom außerhalb der Brennkammer des Motors befindet, verbraucht unverbrannte Abgasprodukte ohne ein zweites Zündsystem zu verwenden, bevor er verbrannte Gase in das Auspuffrohr leitet. Der Reaktorschacht wird mit Pferdestärken versorgt. Es werden geringere Emissionen und eine verbesserte Kraftstoffeffizienz erreicht. Alle drei Patente sind derzeit an die in Großbritannien ansässigen Ingenieure AIE (UK) Ltd.
Materialien
Anders als bei einem Kolbenmotor, bei dem der Zylinder durch den Verbrennungsprozess erwärmt und dann durch die einströmende Ladung gekühlt wird, werden Wankelrotorgehäuse auf einer Seite ständig erwärmt und auf der anderen gekühlt, was zu hohen lokalen Temperaturen und ungleicher Wärmeausdehnung führt . Dies stellt zwar hohe Anforderungen an die verwendeten Materialien, die Einfachheit des Wankel erleichtert jedoch den Einsatz alternativer Materialien, wie exotische Legierungen und Keramiken . Bei Wasserkühlung in radialer oder axialer Strömungsrichtung und Erwärmung des Kaltbogens durch das heiße Wasser aus dem Heißbogen bleibt die Wärmeausdehnung erträglich. Die Motorobertemperatur wurde auf 129 °C (264 °F) gesenkt, mit einer maximalen Temperaturdifferenz zwischen den Motorteilen von 18 °C (32 °F) durch den Einsatz von Heatpipes um das Gehäuse und in den Seitenplatten als Kühlmittel .
Zu den Legierungen, die für Wankelgehäuse verwendet werden, gehören A-132, Inconel 625 und 356, die auf T6-Härte behandelt wurden. Zum Plattieren der Gehäusearbeitsfläche wurden mehrere Materialien verwendet, darunter Nikasil . Citroën, Mercedes-Benz, Ford, AP Grazen und andere haben in diesem Bereich Patente angemeldet. Bei den Apex-Dichtungen hat sich die Materialauswahl mit den gewonnenen Erfahrungen weiterentwickelt, von Kohlenstofflegierungen bis hin zu Stahl, ferrotischen und anderen Materialien. Die Kombination zwischen Gehäuseplattierung und Materialien der Apex- und Seitendichtungen wurde experimentell bestimmt, um die beste Lebensdauer sowohl der Dichtungen als auch des Gehäusedeckels zu erzielen. Für die Welle werden Stahllegierungen mit geringer Verformung bei Belastung bevorzugt, hierfür wurde die Verwendung von Maraging-Stahl vorgeschlagen.
In den ersten Jahren der Entwicklung des Wankelmotors war verbleiter Benzinkraftstoff der vorherrschende Typ. Blei ist ein Festschmierstoff, und bleihaltiges Benzin soll den Verschleiß von Dichtungen und Gehäusen reduzieren. Bei den ersten Motoren wurde die Ölversorgung unter Berücksichtigung der Schmiereigenschaften des Benzins berechnet. Als verbleites Benzin auslaufen sollte, benötigten Wankelmotoren eine erhöhte Ölmischung im Benzin, um kritische Motorteile zu schmieren. Erfahrene Benutzer raten auch bei Motoren mit elektronischer Kraftstoffeinspritzung, als Sicherheitsmaßnahme mindestens 1% Öl direkt dem Benzin zuzugeben, falls die Pumpe, die Öl zu den brennraumbezogenen Teilen fördert, ausfällt oder Luft ansaugt. In einem SAE-Papier von David Garside wurden Nortons Materialauswahl und Kühlrippen ausführlich beschrieben.
Es wurden mehrere Ansätze mit Festschmierstoffen getestet, und sogar die Zugabe von LiquiMoly (mit MoS 2 ) in einer Menge von 1 cc (1 ml) pro Liter Kraftstoff wird empfohlen. Viele Ingenieure sind sich einig, dass die Zugabe von Öl zu Benzin wie bei alten Zweitaktmotoren ein sichererer Ansatz für die Motorzuverlässigkeit ist als eine Ölpumpe, die in das Ansaugsystem oder direkt in die zu schmierenden Teile einspritzt. Eine kombinierte Öl-im-Kraftstoff plus Öldosierpumpe ist immer möglich.
Abdichtung
Frühe Motorkonstruktionen hatten ein hohes Auftreten von Dichtungsverlusten sowohl zwischen dem Rotor und dem Gehäuse als auch zwischen den verschiedenen Teilen, aus denen das Gehäuse besteht. Bei früheren Wankelmotoren konnten sich außerdem Kohlenstoffpartikel zwischen der Dichtung und dem Gehäuse festsetzen, den Motor blockieren und einen teilweisen Wiederaufbau erforderlich machen. Es war üblich, dass sehr frühe Mazda-Motoren nach 80.000 km überholt werden mussten. Weitere Dichtungsprobleme ergaben sich aus der ungleichmäßigen Wärmeverteilung innerhalb der Gehäuse, die eine Verformung und einen Verlust an Dichtung und Kompression verursachte. Diese thermische Verformung verursachte auch einen ungleichmäßigen Verschleiß zwischen der Apex-Dichtung und dem Rotorgehäuse, der bei Motoren mit höherer Laufleistung offensichtlich ist. Das Problem verschlimmerte sich, wenn der Motor vor Erreichen der Betriebstemperatur belastet wurde . Mazda-Rotationsmotoren lösten jedoch diese anfänglichen Probleme. Aktuelle Motoren haben fast 100 dichtungsbezogene Teile.
Das Problem des Spiels für heiße Rotorspitzen, die zwischen den axial engeren Seitengehäusen in den Bereichen des Kühlereinlasses verlaufen, wurde durch die Verwendung einer axialen Rotorführung radial innerhalb der Öldichtungen sowie einer verbesserten Trägheitsölkühlung des Rotorinneren gelöst (CW US 3261542 , C. Jones, 5/8/63, US 3176915 , M. Bentele, C. Jones, AH Raye. 7/2/62) und leicht "gekrönte" Apex-Siegel (unterschiedliche Höhe in der Mitte und in den Extremen von Siegel).
Kraftstoffverbrauch und Emissionen
Der Wankelmotor hat beim Verbrennen von Benzin Probleme mit der Kraftstoffeffizienz und den Emissionen. Benzingemische entzünden sich langsam, haben eine langsame Flammenausbreitungsgeschwindigkeit und einen höheren Löschabstand von 2 mm beim Kompressionszyklus im Vergleich zu 0,6 mm von Wasserstoff . Zusammengenommen verschwenden diese Faktoren Kraftstoff, der Strom erzeugt hätte, was die Effizienz verringert. Der Spalt zwischen Rotor und Motorgehäuse ist beim Verdichtungstakt für Benzin zu eng, für Wasserstoff aber ausreichend breit. Der schmale Spalt wird benötigt, um eine Kompression zu erzeugen. Wenn der Motor Benzin verwendet, wird übrig gebliebenes Benzin durch den Auspuff in die Atmosphäre ausgestoßen. Dies ist bei der Verwendung von Wasserstoff als Kraftstoff kein Problem, da das gesamte Kraftstoffgemisch in der Brennkammer verbrannt wird, was nahezu keine Emissionen verursacht und die Kraftstoffeffizienz um 23% erhöht.
Die Form der Wankel-Brennkammer ist beständiger gegen Vorzündung bei Betrieb mit Benzin mit niedrigerer Oktanzahl als ein vergleichbarer Kolbenmotor. Die Brennkammerform kann auch zu einer unvollständigen Verbrennung der Luft-Kraftstoff-Ladung unter Verwendung von Benzinkraftstoff führen. Dies würde dazu führen, dass eine größere Menge unverbrannter Kohlenwasserstoffe in das Abgas abgegeben wird. Das Abgas weist jedoch relativ geringe NOx- Emissionen auf, da die Verbrennungstemperaturen niedriger sind als bei anderen Motoren und auch aufgrund der Abgasrückführung (AGR) in frühen Motoren. Sir Harry Ricardo zeigte in den 1920er Jahren, dass pro 1 % Erhöhung des Abgasanteils am Einlassgemisch eine Reduzierung der Flammentemperatur um 7 °C eintritt. Dies ermöglichte es Mazda, 1973 den United States Clean Air Act von 1970 mit einem einfachen und kostengünstigen "thermischen Reaktor" zu erfüllen , der eine vergrößerte Kammer im Abgaskrümmer war . Durch Verringern des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses würden unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) im Abgas die Verbrennung im thermischen Reaktor unterstützen. Autos mit Kolbenmotor erforderten teure Katalysatoren , um sowohl mit unverbrannten Kohlenwasserstoffen als auch mit NOx-Emissionen fertig zu werden.
Diese kostengünstige Lösung erhöhte den Kraftstoffverbrauch. Der Absatz von Wankelmotorwagen litt unter der Ölkrise von 1973, die den Benzinpreis erhöhte, was zu einem Rückgang des Absatzes führte. Toyota entdeckte, dass die Einspritzung von Luft in die Auspufföffnungszone den Kraftstoffverbrauch senkte und die Emissionen reduzierte. Die besten Ergebnisse wurden mit Löchern in den Seitenplatten erzielt; dies im Abgaskanal hatte keinen merklichen Einfluss. Auch der Einsatz eines dreistufigen Katalysators mit Luftzufuhr in der Mitte, wie bei Zweitakt-Kolbenmotoren, erwies sich bei der Einhaltung der Emissionsvorschriften als vorteilhaft.
Mazda hatte mit der Einführung des RX-7 im Jahr 1978 die Kraftstoffeffizienz des thermischen Reaktorsystems um 40% verbessert. Mazda wechselte jedoch schließlich zum Katalysatorsystem. Laut Curtiss-Wright-Forschung ist der Faktor, der die Menge an unverbranntem Kohlenwasserstoff im Abgas steuert, die Rotoroberflächentemperatur, wobei höhere Temperaturen weniger Kohlenwasserstoff produzieren. Curtiss-Wright zeigte auch, dass der Rotor verbreitert werden kann, wodurch der Rest der Motorarchitektur unverändert bleibt, wodurch Reibungsverluste reduziert und Hubraum und Leistung erhöht werden. Der limitierende Faktor für diese Aufweitung war die mechanische, insbesondere die Wellendurchbiegung bei hohen Drehzahlen. Das Abschrecken ist die dominante Quelle von Kohlenwasserstoffen bei hohen Geschwindigkeiten und Leckagen bei niedrigen Geschwindigkeiten.
Wankel-Rotationsmotoren für Automobile können mit hoher Geschwindigkeit betrieben werden. Es zeigte sich jedoch, dass ein frühes Öffnen des Einlasskanals, längere Einlasskanäle und eine größere Rotorexzentrizität das Drehmoment bei niedrigeren Drehzahlen erhöhen können. Die Form und Positionierung der Aussparung im Rotor, die den größten Teil des Brennraums bildet, beeinflusst die Emissionen und den Kraftstoffverbrauch. Die Ergebnisse in Bezug auf Kraftstoffverbrauch und Abgasemissionen variieren in Abhängigkeit von der Form der Verbrennungsmulde, die durch die Anordnung der Zündkerzen pro Kammer eines einzelnen Motors bestimmt wird.
Das RX-8- Auto von Mazda mit dem Renesis- Motor erfüllte die Kraftstoffverbrauchsanforderungen des Staates Kalifornien , einschließlich der kalifornischen Standards für emissionsarme Fahrzeuge (LEV). Dies wurde durch eine Reihe von Innovationen erreicht. Die Auslassöffnungen, die sich bei früheren Mazda-Rotoren in den Rotorgehäusen befanden, wurden an die Seiten der Brennkammer verlegt. Dies löste das Problem der früheren Ascheansammlung im Motor und die Probleme der thermischen Verformung der seitlichen Einlass- und Auslassöffnungen. An den Rotorseiten wurde eine Abstreiferdichtung angebracht und im Motor wurden einige Keramikteile verwendet. Dieser Ansatz ermöglichte es Mazda, die Überlappung zwischen Einlass- und Auslassöffnungen zu beseitigen und gleichzeitig die Auslassöffnungsfläche zu vergrößern. Der seitliche Anschluss fängt den unverbrannten Kraftstoff in der Kammer ein, senkt den Ölverbrauch und verbessert die Verbrennungsstabilität im Niedriggeschwindigkeits- und Leichtlastbereich. Die HC-Emissionen des Wankelmotors mit seitlichem Auslasskanal sind 35–50 % geringer als die des Wankelmotors mit peripherem Auslasskanal, da sich die Einlass- und Auslassöffnungsöffnungen nahezu nicht überlappen. Rotationsmotoren mit peripheren Öffnungen haben einen besseren mittleren effektiven Druck , insbesondere bei hohen Drehzahlen und mit einem rechteckig geformten Einlasskanal. Der RX-8 wurde jedoch nicht verbessert, um die Abgasnorm Euro 5 zu erfüllen, und wurde 2012 eingestellt.
Mazda entwickelt weiterhin Wankelmotoren der nächsten Generation. Das Unternehmen forscht an der Laserzündung von Motoren , die herkömmliche Zündkerzen, Direkteinspritzung , funkenlose HCCI-Zündung und SPCCI-Zündung überflüssig macht . Diese führen zu einer größeren Rotorexzentrizität (entspricht einem längeren Hub bei einem Hubkolbenmotor), mit verbesserter Elastizität und einem niedrigen Drehmoment pro Minute. Untersuchungen von T. Kohno haben bewiesen, dass die Installation einer Glühkerze in der Brennkammer den Kraftstoffverbrauch bei Teillast und niedrigen Umdrehungen pro Minute um 7 % verbessert. Diese Innovationen versprechen eine Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen.
Um die Kraftstoffeffizienz weiter zu verbessern, prüft Mazda den Einsatz des Wankel als Range-Extender in Serien-Hybridfahrzeugen und kündigt einen Prototyp, den Mazda2 EV, für die Presseevaluierung im November 2013 an. Diese Konfiguration verbessert die Kraftstoffeffizienz und die Emissionen. Ein weiterer Vorteil ist, dass ein Wankelmotor mit konstanter Drehzahl läuft, was zu einer längeren Motorlebensdauer führt. Das Einhalten eines nahezu konstanten oder schmalen Drehzahlbandes eliminiert oder reduziert viele der Nachteile des Wankelmotors erheblich.
Im Jahr 2015 wurde ein neues System zur Reduzierung von Emissionen und zur Erhöhung der Kraftstoffeffizienz mit Wankelmotoren von den britischen Ingenieuren AIE (UK) Ltd entwickelt, nachdem eine Lizenzvereinbarung zur Nutzung von Patenten von David Garside, dem Schöpfer von Norton-Rotationsmotoren, abgeschlossen wurde . Das CREEV-System (Compound Rotary Engine for Electric Vehicles) verwendet einen Sekundärrotor, um dem Abgas Energie zu entziehen, wobei unverbrannte Abgasprodukte verbraucht werden, während die Expansion in der Sekundärrotorstufe stattfindet, wodurch die Gesamtemissionen und Kraftstoffkosten durch die Rückgewinnung von Abgasenergie reduziert werden, die ansonsten anfallen würde hat verloren. Durch die Expansion des Abgases auf nahezu atmosphärischen Druck sorgte Garside auch dafür, dass die Motorabgase kühler und leiser blieben. AIE (UK) Ltd nutzt dieses Patent nun zur Entwicklung von Hybridantrieben für Automobile und unbemannte Luftfahrzeuge.
Laserzündung
Herkömmliche Zündkerzen müssen in die Wände der Brennkammer eingekerbt werden, damit die Spitze des Rotors vorbeistreichen kann. Wenn die Apex-Dichtungen des Rotors über das Zündkerzenloch laufen, kann eine kleine Menge komprimierter Ladung von der Ladekammer in die Abgaskammer verloren gehen, was zu Kraftstoff im Auspuff führt, die Effizienz verringert und zu höheren Emissionen führt. Diese Punkte wurden durch den Einsatz von Laserzündung, den Wegfall herkömmlicher Zündkerzen und das Entfernen des schmalen Schlitzes im Motorgehäuse überwunden, damit die Rotorspitzendichtungen ohne Kompressionsverlust aus benachbarten Kammern vollständig überstreichen können. Dieses Konzept hat einen Präzedenzfall in der von Toyota verwendeten Glühkerze (SAE-Paper 790435) und dem SAE-Paper 930680 von D. Hixon et al. über "Catalytic Glow Plugs in the JDTI Stratified Charge Rotary Engine". Der Laserplug kann durch den schmalen Schlitz feuern. Laserkerzen können auch mit mehreren Lasern tief in die Brennkammer feuern. Somit ist ein höheres Kompressionsverhältnis zulässig. Es hat sich gezeigt, dass die Direkteinspritzung , für die der Wankelmotor geeignet ist, kombiniert mit einer Laserzündung in einzelnen oder mehreren Laserkerzen, den Motor noch weiter verbessert und die Nachteile reduziert.
Homogene Kompressionszündung (HCCI)
Bei der homogenen Kompressionszündung (HCCI) wird ein vorgemischtes mageres Luft-Kraftstoff-Gemisch bis zum Punkt der Selbstzündung komprimiert, so dass eine elektronische Funkenzündung eliminiert wird. Ottomotoren kombinieren homogene Ladung (HC) mit Funkenzündung (SI), abgekürzt als HCSI. Dieselmotoren kombinieren Schichtladung (SC) mit Kompressionszündung (CI), abgekürzt als SCCI. HCCI-Motoren erreichen benzinmotorähnliche Emissionen mit einem kompressionsgezündeten motorähnlichen Wirkungsgrad und niedrige Stickoxidemissionen (NO x ) ohne Katalysator. Die Emissionen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid erfordern jedoch immer noch eine Behandlung, um den Emissionsvorschriften für Kraftfahrzeuge zu entsprechen.
Mazda hat Forschungen zur HCCI-Zündung für sein SkyActiv-R-Rotationsmotorprojekt durchgeführt und dabei die Forschung aus seinem SkyActiv Generation 2-Programm verwendet. Eine Einschränkung von Rotationsmotoren ist die Notwendigkeit, die Zündkerze außerhalb der Brennkammer anzuordnen, damit der Rotor vorbeistreichen kann. Mazda bestätigte, dass das Problem im SkyActiv-R-Projekt gelöst wurde. Rotarys haben im Allgemeinen hohe Kompressionsverhältnisse, wodurch sie sich besonders für den Einsatz von HCCI eignen.
Funkengesteuerte Kompressionszündung (SPCCI)
Mazda hat erfolgreiche Forschungen zu Spark Plug Controlled Compression Ignition ( SPCCI ) -Zündung an Wankelmotoren durchgeführt und erklärt, dass neu eingeführte Wankelmotoren SPCCI enthalten werden. SPCCI beinhaltet Funken- und Kompressionszündung, die die Vorteile von Benzin- und Dieselmotoren kombiniert, um Umwelt-, Leistungs-, Beschleunigungs- und Kraftstoffverbrauchsziele zu erreichen. Beim Verbrennungsprozess wird immer ein Funke verwendet. Je nach Last kann es sich nur um Funkenzündung handeln, manchmal auch um SPCCI. Ein Funke wird immer verwendet, um genau zu steuern, wann die Verbrennung stattfindet.
Der Kompressionszündungsaspekt von SPCCI ermöglicht eine supermagere Verbrennung, die den Motorwirkungsgrad um bis zu 20–30% verbessert. SPCCI bietet eine hohe Effizienz über einen weiten Bereich von Drehzahlen und Motorlasten. SPCCI gibt einem Rotary die Möglichkeit, vom idealen, stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Gemisch von 14,7:1 eines herkömmlichen Benzinmotors auf das magere Gemisch von über 29,4:1 umzuschalten.
Der Motor befindet sich etwa 80 % der Laufzeit im Magerbetrieb. Die Zündkerzen zünden einen kleinen Impuls mageren Gemisches, das in den Brennraum eingespritzt wird. Beim Abfeuern entsteht ein Feuerball, der wie ein Luftkolben wirkt und den Druck und die Temperatur in der Brennkammer erhöht. Die Kompressionszündung des sehr mageren Gemisches erfolgt mit einer schnellen und gleichmäßigen und vollständigen Verbrennung, was zu einem stärkeren Zyklus führt. Der Verbrennungszeitpunkt wird durch die Flamme der Zündkerze gesteuert. Dadurch kombiniert SPCCI die Vorteile von Benzin- und Dieselmotoren.
In Kombination mit einem Kompressor liefert die Kompressionszündung eine Drehmomentsteigerung von 20–30%.
Kompressionszündung rotierend
Es wurden Forschungen an Motoren mit Rotationskompressionszündung und der Verbrennung von Diesel-Schwerkraftstoff unter Verwendung von Funkenzündung durchgeführt. Die grundlegenden Konstruktionsparameter des Wankelmotors schließen ein Verdichtungsverhältnis von mehr als 15:1 oder 17:1 in einem praktischen Motor aus, aber es werden ständig Versuche unternommen, einen Wankel mit Kompressionszündung herzustellen. Der Kompressionszündungsansatz von Rolls-Royce und Yanmar bestand darin, eine zweistufige Einheit zu verwenden, bei der ein Rotor als Kompressor fungiert, während im anderen die Verbrennung stattfindet. Die Umrüstung einer standardmäßigen 294 cm³-Kammer-Funkenzündungseinheit zur Verwendung von Schwerkraftstoff wurde in SAE-Papier 930682 von L. Louthan beschrieben. Das SAE-Papier 930683 von D. Eiermann führte zur Wankel SuperTec-Reihe von Rotationsmotoren mit Selbstzündung.
Die Forschung an Kompressionszündungsmotoren wird von Pratt & Whitney Rocketdyne durchgeführt , die von der DARPA beauftragt wurden, einen Kompressionszündungs-Wankelmotor für den Einsatz in einem Prototyp eines VTOL- Flugwagens namens "Transformer" zu entwickeln. Der Motor basiert auf einem früheren Konzept mit einem unbemannten Fluggerät namens "Endurocore", das von einem Wankel-Diesel angetrieben wird. plant den Einsatz von Wankelrotoren unterschiedlicher Größe auf einer gemeinsamen Exzenterwelle zur Effizienzsteigerung. Der Motor soll ein „Vollkompressions-Vollexpansions-Kompressions-Zünd-Zyklus-Motor“ sein. Ein Patent vom 28. Oktober 2010 von Pratt & Whitney Rocketdyne beschreibt ein Wankel-Triebwerk, das oberflächlich dem früheren Prototyp von Rolls-Royce ähnlich ist, das einen externen Luftkompressor benötigt, um eine ausreichend hohe Kompression für die Kompressions-Zündung-Zyklus-Verbrennung zu erreichen. Das Design unterscheidet sich von Rolls-Royce's Rotationskompressionszündung hauptsächlich dadurch, dass ein Injektor sowohl im Abgaskanal zwischen dem Brennkammerrotor und den Expansionsrotorstufen als auch ein Injektor in der Expansionskammer des Expansionsrotors für die „Nachverbrennung“ vorgeschlagen wird.
Das britische Unternehmen Rotron, das auf Wankelmotoren für unbemannte Luftfahrzeuge (UAV) spezialisiert ist, hat eine Einheit für den Einsatz mit Schweröl für NATO- Zwecke entwickelt und gebaut . Die Motoren verwenden Funkenzündung. Die wichtigste Innovation ist die Flammenausbreitung, die dafür sorgt, dass die Flamme gleichmäßig über die gesamte Brennkammer brennt. Der Kraftstoff wird auf 98 Grad Celsius vorgewärmt, bevor er in den Brennraum eingespritzt wird. Es werden vier Zündkerzen verwendet, die in zwei Paaren ausgerichtet sind. Zwei Zündkerzen zünden die Kraftstoffladung an der Vorderseite des Rotors, während er in den Verbrennungsabschnitt des Gehäuses gelangt. Während der Rotor die Treibstoffladung bewegt, zünden die zweiten beiden einen Bruchteil einer Sekunde hinter dem ersten Paar Zündkerzen und zünden nahe der Rückseite des Rotors an der Rückseite der Treibstoffladung. Die Antriebswelle ist wassergekühlt, was auch eine kühlende Wirkung auf das Innere des Rotors hat. Durch einen Spalt im Gehäuse wird der Motor auch außen von Kühlwasser umströmt, wodurch die Wärme des Motors von außen und innen reduziert wird und Hot Spots vermieden werden.
Wasserstoff-Brennstoff
Die Verwendung von Wasserstoffkraftstoff in Wankelmotoren verbesserte die Effizienz um 23 % gegenüber Benzinkraftstoff mit nahezu null Emissionen. Viertakt-Hubkolben-Otto-Motoren sind für die Umwandlung in Wasserstoff-Kraftstoff nicht gut geeignet . Das Wasserstoff-Luft-Kraftstoff-Gemisch kann an heißen Teilen des Motors wie dem Auslassventil und den Zündkerzen Fehlzündungen verursachen, da alle Viertaktvorgänge in derselben Kammer stattfinden.
Da sich ein Wasserstoff/Luft-Kraftstoff-Gemisch mit einer schnelleren Verbrennungsrate schneller entzündet als Benzin, besteht ein wichtiges Thema bei Wasserstoff-Verbrennungsmotoren darin, Vorzündungen und Fehlzündungen zu verhindern. Bei einem Rotationsmotor tritt jeder Puls des Otto-Zyklus in verschiedenen Kammern auf. Der Rotationskolben hat keine Auslassventile, die heiß bleiben und die Rückzündung erzeugen können, die bei Hubkolbenmotoren auftritt. Wichtig ist, dass die Ansaugkammer von der Brennkammer getrennt ist, um das Luft/Kraftstoff-Gemisch von lokalisierten heißen Stellen fernzuhalten. Diese strukturellen Merkmale des Wankelmotors ermöglichen die Verwendung von Wasserstoff ohne Vorzündung und Fehlzündung.
Ein Wankelmotor hat stärkere Strömungen des Luft-Kraftstoff-Gemischs und einen längeren Betriebszyklus als ein Hubkolbenmotor, wodurch eine gründliche Vermischung von Wasserstoff und Luft erreicht wird. Das Ergebnis ist ein homogenes Gemisch ohne Hot Spots im Motor, was für die Wasserstoffverbrennung entscheidend ist. Wasserstoff/Luft-Kraftstoffgemische zünden schneller als Benzingemische mit einer hohen Brenngeschwindigkeit, was dazu führt, dass der gesamte Kraftstoff verbrannt wird, ohne dass unverbrannter Kraftstoff in den Abgasstrom ausgestoßen wird, wie dies bei Ottokraftstoff in Rotationsmotoren der Fall ist. Die Emissionen sind nahezu null, selbst bei Ölschmierung der Apex-Dichtungen.
Ein weiteres Problem betrifft den Hydratangriff auf den Schmierfilm bei Hubkolbenmotoren. Bei einem Wankelmotor wird das Problem eines Hydratangriffs durch den Einsatz von keramischen Apex-Dichtungen umgangen.
All diese Punkte machen den Wankelmotor ideal für die Wasserstoffverbrennung. Mazda baute und verkaufte ein Fahrzeug, das die Eignung des Rotary für Wasserstoffkraftstoff nutzte, einen Mazda RX-8 Hydrogen RE mit zwei Kraftstoffen, der im Handumdrehen von Benzin auf Wasserstoff und zurück umschalten konnte.
Vorteile
Hauptvorteile des Wankelmotors sind:
- Ein weitaus höheres Leistungsgewicht als bei einem Kolbenmotor
- Etwa ein Drittel der Größe eines Kolbenmotors gleicher Leistung
- Einfacher in kleinen Motorräumen unterzubringen als ein gleichwertiger Kolbenmotor
- Keine sich hin- und herbewegenden Teile
- Kann höhere Umdrehungen pro Minute erreichen als ein Kolbenmotor
- Fast vibrationsfreier Betrieb
- Nicht anfällig für Motorklopfen
- Günstiger in der Massenproduktion, da der Motor weniger Teile enthält
- Überlegene Atmung, Füllen der Verbrennungsladung bei 270 Grad Hauptwellendrehung statt 180 Grad bei einem Kolbenmotor
- Bereitstellung von Drehmoment für etwa zwei Drittel des Verbrennungszyklus statt für ein Viertel bei einem Kolbenmotor
- Breiterer Geschwindigkeitsbereich für größere Anpassungsfähigkeit
- Kann Kraftstoffe mit einer höheren Oktanzahl verwenden
- Leidet nicht unter "Skalierungseffekt", um seine Größe zu begrenzen.
- Leicht anpassbar und sehr gut geeignet, um Wasserstoff als Kraftstoff zu verwenden.
- Bei einigen Wankelmotoren bleibt das Sumpföl durch den Verbrennungsprozess unbelastet, so dass kein Ölwechsel erforderlich ist. Das Öl in der Hauptwelle ist vollständig vom Verbrennungsprozess abgedichtet. Das Öl für Apex-Dichtungen und Kurbelgehäuseschmierung ist getrennt. Bei Kolbenmotoren wird das Kurbelgehäuseöl durch Verbrennungs-Blow-by durch die Kolbenringe verunreinigt.
Wankelmotoren sind wesentlich leichter und einfacher und enthalten weit weniger bewegliche Teile als Kolbenmotoren gleicher Leistung. Ventile oder komplexe Ventiltriebe werden eliminiert, indem einfache Anschlüsse verwendet werden, die in die Wände des Rotorgehäuses geschnitten sind. Da der Rotor direkt auf einem großen Lager auf der Abtriebswelle läuft, gibt es keine Pleuel und keine Kurbelwelle . Der Wegfall der hin- und hergehenden Masse und der Wegfall der am stärksten beanspruchten und störungsanfälligen Teile von Kolbenmotoren verleihen dem Wankelmotor eine hohe Zuverlässigkeit, einen gleichmäßigeren Kraftfluss und ein hohes Leistungsgewicht .
Das Oberflächen-Volumen-Verhältnis im bewegten Brennraum ist so komplex, dass ein direkter Vergleich zwischen einem Hubkolbenmotor und einem Wankelmotor nicht möglich ist. Die Strömungsgeschwindigkeit und die Wärmeverluste sind sehr unterschiedlich. Die Eigenschaften der Oberflächentemperatur sind völlig unterschiedlich; Der Ölfilm im Wankelmotor wirkt als Isolation. Motoren mit einem höheren Verdichtungsverhältnis haben ein schlechteres Oberflächen-Volumen-Verhältnis. Das Oberflächen-Volumen-Verhältnis eines Hubkolben-Dieselmotors ist viel schlechter als ein Hubkolben-Benzinmotor, jedoch haben Dieselmotoren einen höheren Wirkungsgrad. Daher ist der Vergleich von Leistungsabgaben eine realistische Metrik. Ein Hubkolbenmotor mit gleicher Leistung wie ein Wankel hat ungefähr den doppelten Hubraum. Vergleicht man das Leistungsgewicht, die Baugröße oder das Baugewicht mit einem Kolbenmotor mit ähnlicher Leistung, ist der Wankel überlegen.
Ein Viertaktzylinder erzeugt nur bei jeder zweiten Umdrehung der Kurbelwelle einen Arbeitstakt, wobei drei Takte Pumpverluste sind. Dadurch verdoppelt sich das reale Oberflächen-Volumen-Verhältnis beim Viertakt-Hubkolbenmotor und der Hubraum vergrößert sich. Der Wankel hat daher einen höheren volumetrischen Wirkungsgrad und geringere Pumpverluste durch das Fehlen von Drosselventilen. Durch die Quasi-Überlappung der Arbeitshübe, die die Laufruhe des Motors und die Vermeidung des Viertakt-Zyklus bei einem Hubkolbenmotor bewirken, reagiert der Wankelmotor sehr schnell auf Leistungssteigerungen und sorgt so für eine schnelle Leistungsentfaltung bei Bedarf, insbesondere bei höheren Drehzahlen. Dieser Unterschied ist im Vergleich zu Vierzylinder-Hubkolbenmotoren ausgeprägter und im Vergleich zu höheren Zylinderzahlen weniger ausgeprägt.
Zusätzlich zur Beseitigung der sich hin- und herbewegenden Spannungen durch die vollständige Entfernung von sich hin- und herbewegenden Innenteilen, die typischerweise in einem Kolbenmotor zu finden sind, ist der Wankelmotor mit einem Eisenrotor in einem Gehäuse aus Aluminium konstruiert , das einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat . Dadurch wird sichergestellt, dass auch ein stark überhitzter Wankelmotor nicht festfressen kann, wie es bei einem überhitzten Kolbenmotor der Fall ist. Dies ist ein wesentlicher Sicherheitsvorteil beim Einsatz in Flugzeugen. Zudem erhöht der Verzicht auf Ventile und Ventiltriebe die Sicherheit. GM testete in seinem Prototypen von Wankelmotoren einen Eisenrotor und ein Eisengehäuse, die bei höheren Temperaturen mit geringerem spezifischen Kraftstoffverbrauch arbeiteten.
Ein weiterer Vorteil des Wankelmotors für den Einsatz in Flugzeugen besteht darin, dass er im Allgemeinen eine kleinere Frontfläche hat als ein Kolbenmotor gleicher Leistung, wodurch eine aerodynamischere Nase um das Triebwerk herum konstruiert werden kann. Ein kaskadierender Vorteil besteht darin, dass die geringere Größe und das geringere Gewicht des Wankelmotors im Vergleich zu Kolbenmotoren vergleichbarer Leistung Einsparungen bei den Konstruktionskosten der Flugzeugzelle ermöglichen.
Wankelmotoren, die innerhalb ihrer ursprünglichen Konstruktionsparameter arbeiten, sind nahezu immun gegen katastrophale Ausfälle. Ein Wankelmotor, der an Kompression, Kühlung oder Öldruck verliert, verliert viel Leistung und fällt innerhalb kurzer Zeit aus. Es wird jedoch in der Regel während dieser Zeit weiterhin etwas Strom produzieren, was eine sicherere Landung beim Einsatz in Flugzeugen ermöglicht. Kolbenmotoren neigen unter den gleichen Umständen zum Festfressen oder Brechen von Teilen, was mit ziemlicher Sicherheit zu einem katastrophalen Ausfall des Motors und zum sofortigen Verlust aller Leistung führt. Aus diesem Grund eignen sich Wankelmotoren sehr gut für Schneemobile, die den Benutzer oft an abgelegene Orte bringen, an denen ein Ausfall zu Erfrierungen oder zum Tod führen kann, und in Flugzeugen, wo ein plötzlicher Ausfall wahrscheinlich zu einem Absturz oder einer Notlandung in einem Flugzeug führen kann Abgelegener Ort.
Aufgrund der Brennraumform und -ausstattung ist der Kraftstoff- Oktanzahlbedarf von Wankelmotoren geringer als bei Hubkolbenmotoren. Die Anforderungen an die maximale Straßenoktanzahl betrugen 82 für einen Wankelmotor mit peripherem Einlasskanal und weniger als 70 für einen Motor mit seitlichem Einlasskanal. Aus Sicht der Ölraffinerien kann dies ein Vorteil bei den Kraftstoffherstellungskosten sein.
Aufgrund einer 50 % längeren Hubdauer als bei einem Viertakt-Kolbenmotor bleibt mehr Zeit, um die Verbrennung abzuschließen. Dies führt zu einer besseren Eignung für Direkteinspritzung und Schichtladungsbetrieb .
Nachteile
Obwohl viele der Nachteile Gegenstand laufender Forschung sind, sind die aktuellen Nachteile des Wankelmotors in der Produktion folgende:
- Rotorabdichtung
- Dies ist immer noch ein kleines Problem, da das Motorgehäuse in jedem separaten Kammerabschnitt stark unterschiedliche Temperaturen aufweist. Die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien führen zu einer mangelhaften Abdichtung. Außerdem sind beide Seiten der Dichtungen dem Kraftstoff ausgesetzt, und die Konstruktion ermöglicht keine genaue und präzise Steuerung der Schmierung der Rotoren. Rotationsmotoren neigen dazu, bei allen Motordrehzahlen und -lasten überschmiert zu werden, und haben einen relativ hohen Ölverbrauch und andere Probleme, die aus überschüssigem Öl in den Verbrennungsbereichen des Motors resultieren, wie beispielsweise Kohlenstoffbildung und übermäßige Emissionen von brennendem Öl. Im Vergleich dazu hat ein Kolbenmotor alle Funktionen eines Zyklus in derselben Kammer, was eine stabilere Temperatur für die Kolbenringe ergibt, gegen die sie wirken können. Außerdem ist bei einem (Viertakt-)Kolbenmotor nur eine Seite des Kolbens dem Kraftstoff ausgesetzt, sodass das Öl die Zylinder von der anderen Seite schmieren kann. Kolbenmotorkomponenten können auch so ausgelegt werden, dass die Ringdichtung und die Ölkontrolle verbessert werden, wenn Zylinderdrücke und Leistungsniveaus steigen. Um die Probleme bei einem Wankelmotor der Temperaturunterschiede zwischen verschiedenen Bereichen des Gehäuses und der Seiten- und Zwischenplatten und der damit verbundenen thermischen Dilatationsungleichheiten zu überwinden, wurde ein Wärmerohr verwendet, um Wärme von den heißen zu den kalten Teilen des Motors zu transportieren. Die "Heatpipes" leiten heißes Abgas effektiv zu den kühleren Teilen des Motors, was zu einer Verringerung von Effizienz und Leistung führt. In Wankelmotoren mit ladungsgekühltem Rotor und luftgekühltem Gehäuse mit kleinem Hubraum, die nachweislich die maximale Motortemperatur von 231 °C auf 129 °C und den maximalen Unterschied zwischen heißeren und kälteren Motorbereichen von 159 °C reduzieren C bis 18 °C.
- Anheben der Apex-Dichtung
- Die Zentrifugalkraft drückt die Apex-Dichtung fest auf die Gehäuseoberfläche. Bei Ungleichgewichten in Fliehkraft und Gasdruck können im Leichtlastbetrieb Lücken zwischen Apex-Dichtung und Troichoidgehäuse entstehen. Bei niedrigen Motordrehzahlen oder bei geringer Last kann der Gasdruck in der Brennkammer dazu führen, dass sich die Dichtung von der Oberfläche abhebt, was dazu führt, dass Verbrennungsgas in die nächste Kammer entweicht. Mazda entwickelte eine Lösung, indem er die Form des Troichoid-Gehäuses änderte, wodurch die Dichtungen bündig mit dem Gehäuse bleiben. Die Verwendung des Wankelmotors bei anhaltend höheren Drehzahlen trägt dazu bei, das Abheben der Apex-Dichtung zu vermeiden, und macht ihn in Anwendungen wie der Stromerzeugung sehr praktikabel. In Kraftfahrzeugen wird der Motor für Serien-Hybrid-Anwendungen geeignet sein.
- Langsame Verbrennung
- Die Kraftstoffverbrennung ist bei Verwendung von Benzinkraftstoff langsam, da die Brennkammer lang, dünn und beweglich ist. Die Flammenbewegung erfolgt fast ausschließlich in Richtung der Rotorbewegung, was die schlechte Abschreckung eines Benzin-Luft-Gemisches von 2 mm, das die Hauptquelle für unverbrannte Kohlenwasserstoffe bei hohen Drehzahlen ist, noch verstärkt. Die Hinterseite der Brennkammer erzeugt natürlich einen "Quetschstrom", der verhindert, dass die Flamme die Hinterkante der Kammer erreicht, kombiniert mit der schlechten Abschreckung eines Benzin-Luft-Gemisches. Dieses Problem tritt bei Verwendung von Wasserstoffbrennstoff nicht auf, da die Abschreckung 0,6 mm beträgt. Die Kraftstoffeinspritzung, bei der Kraftstoff in Richtung der Vorderkante der Brennkammer eingespritzt wird, kann die Menge an unverbranntem Kraftstoff im Abgas minimieren. Wo Kolbenmotoren einen sich ausdehnenden Brennraum für den brennenden Kraftstoff haben, da sein oxidierter und abnehmender Druck, wenn sich der Kolben während des Arbeitstakts zum Boden des Zylinders bewegt, durch eine zusätzliche Hebelwirkung des Kolbens auf der Kurbelwelle während der ersten Hälfte dieses Hubs ausgeglichen wird , gibt es während der Verbrennung keine zusätzliche "Hebelwirkung" eines Rotors auf der Hauptwelle und die Hauptwelle hat keine erhöhte Hebelwirkung, um den Rotor während der Einlass-, Kompressions- und Auslassphasen seines Zyklus anzutreiben.
- Schlechter Kraftstoffverbrauch bei Benzinkraftstoff
- Dies liegt an der Form der beweglichen Brennkammer, die bei Teillast und niedrigen Drehzahlen zu einem schlechten Verbrennungsverhalten und einem mittleren effektiven Druck führt. Dies führt dazu, dass unverbrannter Kraftstoff in den Abgasstrom gelangt; Kraftstoff, der verschwendet wird, wird nicht zur Stromerzeugung verwendet. Die Erfüllung der Emissionsvorschriften erfordert manchmal ein Kraftstoff-Luft-Verhältnis unter Verwendung von Benzinkraftstoff, das einer guten Kraftstoffwirtschaftlichkeit nicht förderlich ist. Beschleunigung und Verzögerung unter durchschnittlichen Fahrbedingungen wirken sich auch auf den Kraftstoffverbrauch aus. Der Betrieb des Motors mit konstanter Drehzahl und Last verhindert jedoch einen übermäßigen Kraftstoffverbrauch. Die Wankelmotoren mit kleinem luftgekühltem Gehäuse und ladungsgekühltem Rotor sind speziell auf Alkohol-in-Benzin-Mischungen abgestimmt, die in Europa als E5 und E10 verkauft werden. 'Die Wirkung von Alkoholmischungen auf die Leistung eines luftgekühlten Rotationstrochoidalmotors', SAE Technical Paper 840237, Marcel Gutman, Izu Iuster.
- Hohe Emissionen
- Da sich bei der Verwendung von Benzinkraftstoff unverbrannter Kraftstoff im Abgasstrom befindet, sind die Emissionsanforderungen schwer zu erfüllen. Dieses Problem kann überwunden werden, indem eine direkte Kraftstoffeinspritzung in die Brennkammer implementiert wird. Der Rotapower Wankelmotor von Freedom Motors, der noch nicht in Produktion ist, erfüllte die extrem niedrigen kalifornischen Abgasnormen. Der Mazda Renesis-Motor mit Einlass- und Auslassseitenöffnungen unterdrückte den Verlust von unverbranntem Gemisch an die Abgase, der früher durch die Öffnungsüberlappung verursacht wurde.
Obwohl das Dichtungssystem eines Wankels in zwei Dimensionen noch einfacher aussieht als das eines entsprechenden Mehrzylinder-Kolbenmotors, ist in drei Dimensionen das Gegenteil der Fall. Neben den in der Konzeptskizze ersichtlichen Rotorscheiteldichtungen muss der Rotor auch gegen die Kammerenden abdichten.
Kolbenringe in Hubkolbenmotoren sind keine perfekten Dichtungen; jeder hat eine Lücke, um eine Erweiterung zu ermöglichen. Die Abdichtung an den Scheiteln des Wankelrotors ist weniger kritisch, da die Leckage zwischen benachbarten Kammern bei benachbarten Takten des Zyklus und nicht zum Hauptwellengehäuse erfolgt. Obwohl sich die Abdichtung im Laufe der Jahre verbessert hat, bleibt die weniger wirksame Abdichtung des Wankels, die hauptsächlich auf mangelnde Schmierung zurückzuführen ist, ein Faktor, der die Effizienz beeinträchtigt.
Bei einem Wankelmotor kann das Kraftstoff-Luft-Gemisch nicht vorgespeichert werden, da es aufeinander folgende Ansaugzyklen gibt. Der Motor hat eine 50 % längere Hubdauer als ein Hubkolbenmotor. Die vier Otto-Zyklen dauern 1080° bei einem Wankelmotor (drei Umdrehungen der Abtriebswelle) gegenüber 720° bei einem Viertakt-Hubkolbenmotor, aber die vier Takte haben immer noch den gleichen Anteil an der Gesamtzahl.
Es gibt verschiedene Methoden, den Hubraum eines Wankels zu berechnen. Die japanischen Vorschriften zur Berechnung des Hubraums für Motorleistungen verwenden nur die Volumenverdrängung einer Rotorfläche, und die Automobilindustrie akzeptiert diese Methode allgemein als Standard für die Berechnung des Hubraums eines Kreisels. Im Vergleich zur spezifischen Leistung führte die Konvention jedoch zu großen Unwuchten zugunsten des Wankelmotors. Ein früher überarbeiteter Ansatz bestand darin, die Verdrängung jedes Rotors als das Doppelte der Kammer zu bewerten.
Der Hubraum des Wankel-Rotationsmotors und des Kolbenmotors und die entsprechende Leistung können genauer durch den Hubraum pro Umdrehung der Exzenterwelle verglichen werden. Eine Berechnung dieser Form schreibt vor, dass ein Wankel mit zwei Rotoren, der 654 ccm pro Fläche verdrängt, eine Verdrängung von 1,3 Litern pro Umdrehung der Exzenterwelle hat (nur zwei Gesamtflächen, eine Fläche pro Rotor durchläuft einen vollen Krafthub) und 2,6 Liter nach zwei Umdrehungen (vier Gesamtflächen, zwei Flächen pro Rotor, die einen vollen Krafthub durchlaufen). Die Ergebnisse sind direkt vergleichbar mit einem 2,6-Liter-Kolbenmotor mit gerader Zylinderzahl in konventioneller Zündfolge, der nach einer Umdrehung der Hauptwelle ebenfalls 1,3 Liter durch seinen Arbeitstakt und nach zwei Umdrehungen 2,6 Liter durch seine Arbeitstakte verdrängt Umdrehungen der Hauptwelle. Ein Wankel-Rotationsmotor ist immer noch ein Viertaktmotor, und Pumpverluste aus Nicht-Leistungshüben gelten immer noch, aber das Fehlen von Drosselventilen und eine um 50 % längere Hubdauer führen zu einem deutlich geringeren Pumpverlust im Vergleich zu einem Viertakt-Hubkolben Kolbenmotor. Eine solche Messung eines Wankel-Rotationsmotors erklärt seine spezifische Leistung genauer, denn das Volumen seines Luft-Kraftstoff-Gemischs, das pro Umdrehung einen kompletten Arbeitshub durchläuft, ist direkt für das Drehmoment und damit die erzeugte Leistung verantwortlich.
Die hintere Seite der Brennkammer des Wankelmotors entwickelt einen Quetschstrom, der die Flammenfront zurückdrückt. Dieser Quetschstrom verhindert bei konventionellem Ein- oder Zwei-Zündkerzensystem und homogenem Gemisch im mittleren und hohen Drehzahlbereich eine Ausbreitung der Flamme auf die Hinterseite des Brennraums. Kawasaki hat dieses Problem in seinem US-Patent US 3848574 behandelt ; Toyota erzielte eine 7%ige Verbesserung der Wirtschaftlichkeit durch die Platzierung einer Glühkerze an der führenden Stelle und den Einsatz von Reed-Ventilen in Einlasskanälen. Bei 2-Takt-Motoren halten Metallblätter ca. 15'000 km und Kohlefaser ca. 8'000 km. Diese schlechte Verbrennung in der hinteren Seite der Kammer ist einer der Gründe, warum mehr Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe im Abgasstrom des Wankels vorhanden sind. Ein Sideport -Auspuff, wie er im Mazda Renesis verwendet wird , vermeidet die Portüberlappung , eine der Ursachen dafür, weil das unverbrannte Gemisch nicht entweichen kann. Der Mazda 26B umging dieses Problem durch die Verwendung eines Drei-Zündkerzen-Zündsystems. (Beim 24-Stunden- Langstreckenrennen von Le Mans 1991 hatte der 26B einen deutlich geringeren Kraftstoffverbrauch als die konkurrierenden Hubkolbenmotoren. Alle Teilnehmer hatten aufgrund der begrenzten Kraftstoffmenge von Le Mans die gleiche Kraftstoffmenge zur Verfügung.)
Ein peripherer Einlasskanal liefert den höchsten mittleren effektiven Druck ; Die seitliche Einlassöffnung erzeugt jedoch einen gleichmäßigeren Leerlauf, da sie dazu beiträgt, ein Zurückblasen von verbrannten Gasen in die Einlasskanäle zu verhindern, was zu "Aussetzern" führt, die durch abwechselnde Zyklen verursacht werden, bei denen sich das Gemisch entzündet und nicht entzündet. Peripheral Porting (PP) liefert den besten mittleren effektiven Druck über den gesamten Drehzahlbereich, aber PP wurde auch mit einer schlechteren Leerlaufstabilität und Teillastleistung in Verbindung gebracht. Frühe Arbeiten von Toyota führten zum Hinzufügen einer Frischluftzufuhr zum Auslasskanal und bewiesen auch, dass ein Reed-Ventil im Einlasskanal oder in den Kanälen die Leistung von Wankelmotoren bei niedrigen Drehzahlen und Teillast verbessert, indem es das Zurückblasen von Abgas in den Einlasskanal und die Kanäle und reduziert die Fehlzündungen verursachende hohe AGR auf Kosten eines geringen Leistungsverlusts bei der Höchstdrehzahl. David W. Garside, der Entwickler des Norton-Rotationsmotors, der vorgeschlagen hat, dass ein früheres Öffnen des Einlasskanals vor dem oberen Totpunkt (OT) und längere Einlasskanäle das Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen und die Elastizität von Wankelmotoren verbessern. Das wird auch in den Büchern von Kenichi Yamamoto beschrieben . Die Elastizität wird auch mit einer größeren Rotorexzentrizität verbessert, analog zu einem längeren Hub in einem Hubkolbenmotor. Wankelmotoren arbeiten besser mit einem Niederdruck-Abgassystem. Ein höherer Abgasgegendruck verringert den mittleren effektiven Druck, stärker bei Motoren mit peripheren Einlasskanälen. Der Mazda RX-8 Renesis-Motor verbesserte die Leistung durch die Verdoppelung der Auslassöffnungsfläche im Vergleich zu früheren Konstruktionen, und es wurden spezifische Studien über die Auswirkungen der Einlass- und Auslassrohrkonfiguration auf die Leistung von Wankelmotoren durchgeführt.
Alle Wankel-Rotationen von Mazda, einschließlich der im RX-8 enthaltenen Renesis , verbrennen konstruktionsbedingt eine kleine Menge Öl, die in die Brennkammer dosiert wird, um die Apex-Dichtungen zu erhalten. Die Eigentümer müssen regelmäßig kleine Mengen Öl nachfüllen, wodurch die Betriebskosten steigen. Einige Quellen, wie z. B. rotationeng.net, behaupten, dass die Verwendung eines Öl-in-Kraftstoff-Gemischs anstelle einer Öldosierpumpe bessere Ergebnisse liefert. Flüssigkeitsgekühlte Motoren benötigen für den Kaltstart ein mineralisches Mehrbereichsöl, Wankelmotoren benötigen wie Hubkolbenmotoren eine Aufwärmzeit vor dem Volllastbetrieb. Alle Motoren weisen Ölverlust auf, aber der Rotationsmotor ist mit einem abgedichteten Motor ausgestattet, im Gegensatz zu einem Kolbenmotor, der einen Ölfilm hat, der auf die Wände des Zylinders spritzt, um sie zu schmieren, daher ein Öl-"Kontroll"-Ring. Es wurden Motoren ohne Ölverlust entwickelt, die einen Großteil des Ölschmierungsproblems beseitigen.
Anwendungen
Autorennen
In der Rennwelt hat Mazda mit Zwei-, Drei- und Vier-Rotor-Autos beachtliche Erfolge erzielt. Private Rennfahrer haben auch beachtliche Erfolge mit serienmäßigen und modifizierten Mazda Wankel-Motoren erzielt.
Der Sigma MC74 mit einem Mazda 12A-Motor war der erste Motor und das einzige Team außerhalb Westeuropas oder der Vereinigten Staaten, das 1974 die gesamten 24 Stunden des 24-Stunden- Rennens von Le Mans beendete . Yojiro Terada war der Fahrer des MC74 . Mazda war das erste Team außerhalb Westeuropas oder der Vereinigten Staaten, das Le Mans komplett gewann. Es war auch das einzige Auto ohne Kolbenmotor, das Le Mans gewann, was das Unternehmen 1991 mit seinem 787B mit vier Rotoren (2,622 l oder 160 cuin – tatsächlicher Hubraum, bewertet nach FIA-Formel bei 4,708 l oder 287 cuin) erreichte. . Es hatte jedoch angeblich den schlechtesten Kraftstoffverbrauch aller Konkurrenten bei der Veranstaltung.
Formula Mazda Racing bietet Open-Wheel-Rennwagen mit Mazda Wankel-Motoren , die auf verschiedenen Wettbewerbsebenen sowohl an Oval- als auch an Straßenkurse angepasst werden können. Seit 1991 ist die professionell organisierte Star Mazda Series das beliebteste Format für Sponsoren, Zuschauer und Aufsteiger. Die Motoren werden alle von einem Motorenbauer gebaut, sind für die vorgeschriebene Leistung zertifiziert und versiegelt, um Manipulationen zu verhindern. Sie befinden sich in einem relativ milden Zustand des Rennsports, so dass sie extrem zuverlässig sind und zwischen Motorüberholungen Jahre liegen können.
Die Malibu-Grand-Prix- Kette, die im Konzept kommerziellen Kart-Rennstrecken ähnelt , betreibt mehrere Veranstaltungsorte in den Vereinigten Staaten, an denen ein Kunde mehrere Runden auf einer Strecke in einem Fahrzeug kaufen kann, das Open-Wheel-Rennfahrzeugen sehr ähnlich ist , aber von einem kleinen Curtiss angetrieben wird -Wright- Rotationsmotor.
Bei Motoren mit mehr als zwei Rotoren oder Motoren mit zwei Rotorlaufbahnen, die für den Einsatz bei hohen Drehzahlen vorgesehen sind, kann eine mehrteilige Exzenterwelle verwendet werden, die zusätzliche Lager zwischen den Rotoren ermöglicht. Obwohl dieser Ansatz die Komplexität des Exzenterwellendesigns erhöht, wurde er erfolgreich im Mazda-Serien- Dreirotor-20B-REW- Motor sowie in vielen Kleinserien- Rennmotoren eingesetzt. Die C-111-2 4 Rotor Mercedes-Benz Exzenterwelle für die KE Serie 70, Typ DB M950 KE409 ist aus einem Stück gefertigt. Mercedes-Benz verwendet geteilte Lager.
Motorradmotoren
Die geringe Größe und das attraktive Leistungsgewicht des Wankelmotors sprachen die Motorradhersteller an. Das erste Motorrad mit Wankelmotor war die 1960 vom deutschen Motorradhersteller MZ gebaute "IFA/MZ KKM 175W" , die von NSU lizenziert wurde .
1972 stellte Yamaha auf der Tokyo Motor Show den RZ201 vor , einen Prototyp mit Wankelmotor, der 220 kg wiegt und 60 PS (45 kW) aus einem Doppelrotor-660-ccm-Motor erzeugt (US-Patent N3964448). 1972 präsentierte Kawasaki seinen zweirotoren Kawasaki X99-Rotationsmotor-Prototyp (US-Patente N 3848574 & 3991722). Sowohl Yamaha als auch Kawasaki behaupteten, die Probleme des schlechten Kraftstoffverbrauchs, der hohen Abgasemissionen und der schlechten Motorlebensdauer in frühen Wankels gelöst zu haben, aber keiner der Prototypen erreichte die Produktion.
1974 produzierte Hercules W-2000 Wankel-Motorräder, aber niedrige Produktionszahlen machten das Projekt unrentabel und die Produktion wurde 1977 eingestellt.
Von 1975 bis 1976 produzierte Suzuki sein Einrotor-Wankelmotorrad RE5 . Es war eine komplexe Konstruktion mit Flüssigkeitskühlung und Ölkühlung sowie mehreren Schmier- und Vergasersystemen . Es funktionierte gut und war leichtgängig, aber ziemlich schwer und mit einer bescheidenen Leistung von 62 PS (46 kW) verkaufte es sich nicht gut.
Der niederländische Motorradimporteur und -hersteller Van Veen produzierte zwischen 1978 und 1980 kleine Mengen eines OCR-1000-Motorrads mit Doppelrotor-Wankelmotor, wobei überschüssige Comotor- Motoren verwendet wurden. Der Motor des OCR 1000 verwendet einen umfunktionierten Motor, der ursprünglich für das Citroën GS-Auto gedacht war.
In den frühen 1980er Jahren, frühere Arbeiten bei Verwendung von BSA , Norton produzierte die luftgekühlten Zweikreisel- klassisch , gefolgt von dem flüssigkeitsgekühlten Kommandant und der Interpol2 (eine Polizei - Version). Nachfolgende Norton Wankel-Bikes umfassten die Norton F1 , F1 Sports, RC588, Norton RCW588 und NRS588. Norton schlug ein neues 588-cm³-Doppelrotormodell namens "NRV588" und eine 700-cm³-Version namens "NRV700" vor. Ein ehemaliger Mechaniker bei Norton, Brian Crighton, begann mit der Entwicklung seiner eigenen Rotationsmotor-Motorradlinie namens "Roton", die mehrere australische Rennen gewann.
Trotz Erfolgen im Rennsport wurden seit 1992 keine Motorräder mit Wankelmotoren mehr für den Straßenverkehr produziert.
Die beiden unterschiedlichen Designansätze von Suzuki und BSA können sinnvollerweise verglichen werden. Schon vor Suzuki die RE5 produziert, in Birmingham BSA ‚s Forschungsingenieur David Garside , war die Entwicklung eines Doppelscheiben-Wankel Motorrad. Der Zusammenbruch von BSA stoppte die Entwicklung, aber Garsides Maschine ging schließlich als Norton Classic in Produktion .
Wankelmotoren laufen auf der Zünd- und Auslassseite der Trochoidenkammer des Motors sehr heiß , während die Ansaug- und Verdichtungsteile kühler sind. Suzuki entschied sich für ein kompliziertes Öl- und Wasserkühlungssystem. Garside argumentierte, dass bei einer Leistung von nicht mehr als 80 PS (60 kW) eine Luftkühlung ausreichen würde. Garside kühlte das Innere der Rotoren mit gefilterter Stauluft . Diese sehr heiße Luft wurde in einem Plenum innerhalb des Semi- Monocoque- Rahmens gekühlt und anschließend, einmal mit Kraftstoff vermischt, dem Motor zugeführt. Diese Luft war, nachdem sie durch das Innere der Rotoren gelaufen war, ziemlich ölig und wurde daher verwendet, um die Rotorspitzen zu schmieren. Die Auspuffrohre werden sehr heiß, wobei Suzuki sich für einen gerippten Auspuffkrümmer, doppelwandige Auspuffrohre mit Kühlgittern, hitzebeständige Rohrumhüllungen und Schalldämpfer mit Hitzeschilden entscheidet. Garside verstaute die Rohre einfach unter dem Motor, damit sich die Wärme im Fahrtwind des Fahrzeugs verflüchtigte. Suzuki entschied sich für eine komplizierte mehrstufige Vergasung, während Garside sich für einfache Vergaser entschied. Suzuki hatte drei Schmiersysteme, während Garside ein einziges Öleinspritzsystem mit Totalverlust hatte, das sowohl den Hauptlagern als auch den Ansaugkrümmern zugeführt wurde. Suzuki wählte einen einzelnen Rotor, der ziemlich glatt war, aber mit rauen Stellen bei 4.000 U/min. Garside entschied sich für einen turbinenweichen Doppelrotormotor. Suzuki montierte den massiven Rotor hoch im Rahmen, aber Garside legte seine Rotoren so niedrig wie möglich, um den Schwerpunkt des Motorrads zu senken.
Obwohl es gut zu handhaben war, war die Suzuki schwer, zu kompliziert, teuer in der Herstellung und (bei 62 PS) etwas zu wenig Leistung. Das Design von Garside war einfacher, glatter, leichter und mit 80 PS (60 kW) deutlich leistungsstärker.
Flugzeugmotoren
Wankelmotoren sind prinzipiell ideal für Leichtflugzeuge, da sie leicht, kompakt, nahezu vibrationsfrei und mit einem hohen Leistungsgewicht sind. Weitere Vorteile eines Wankelmotors für die Luftfahrt sind:
- Rotoren können sich nicht festfressen, da sich Rotorgehäuse stärker ausdehnen als Rotoren;
- Der Motor ist weniger anfällig für den schwerwiegenden Zustand, der als "Engine-Klopfen" bekannt ist und die Kolbenmotoren eines Flugzeugs mitten im Flug zerstören kann.
- Der Motor ist während der Abfahrt nicht anfällig für "Shock-Cooling";
- Der Motor benötigt kein angereichertes Gemisch zur Kühlung bei hoher Leistung;
- Da keine sich hin- und herbewegenden Teile vorhanden sind, besteht eine geringere Anfälligkeit für Schäden, wenn der Motor mit einer höheren Drehzahl als dem ausgelegten Maximum dreht. Die Grenze der Umdrehungen ist die Stärke der Hauptlager.
Im Gegensatz zu Autos und Motorrädern wird ein Wankel-Flugmotor aufgrund der Zeit für die Vorflugkontrolle ausreichend warm sein, bevor ihm die volle Leistung abverlangt wird. Außerdem hat die Fahrt zur Start- und Landebahn eine minimale Kühlung, die es dem Triebwerk außerdem ermöglicht, die Betriebstemperatur für die volle Leistung beim Start zu erreichen. Ein Wankel-Flugmotor verbringt die meiste Zeit seiner Betriebszeit mit hoher Leistung und wenig Leerlauf. Dies macht die Verwendung von Peripherieanschlüssen ideal. Ein Vorteil ist, dass modulare Motoren mit mehr als zwei Rotoren realisierbar sind, ohne die Frontfläche zu vergrößern. Sollte die Vereisung von Ansaugtrakten ein Problem darstellen, steht viel Motorabwärme zur Verfügung, um eine Vereisung zu verhindern.
Das erste Wankel-Rotationsmotorflugzeug war in den späten 1960er Jahren die experimentelle Lockheed Q-Star zivile Version des Aufklärungsflugzeugs QT-2 der US-Armee , im Wesentlichen ein Schweizer Motorsegler . Das Flugzeug wurde von einem Curtiss-Wright RC2-60 Wankel-Rotationsmotor mit 185 PS (138 kW) angetrieben. Das gleiche Triebwerksmodell wurde auch in einer Cessna Cardinal und einem Hubschrauber sowie anderen Flugzeugen verwendet. In Deutschland wurde Mitte der 1970er-Jahre in ziviler und militärischer Ausführung, Fanliner und Fantrainer, ein Schub-Düsen-Fan-Flugzeug entwickelt, das von einem modifizierten NSU-Mehrrotor-Wankelmotor angetrieben wurde.
Etwa zur gleichen Zeit wie die ersten Experimente mit Flugzeugen Full-Scale angetrieben mit Wankelmotoren, Modellflugzeuge -groß Versionen von einem Pionier wurden kombinieren der bekannten japanisches O Engines fest und die damals noch vorhandenen deutschen Graupner aeromodeling Produkte fest, unter Lizenz von NSU/Auto-Union. Bis 1968 lief der erste Prototyp eines luftgekühlten Einrotor- Glühkerzen- Zündungs-, Methanol-betriebenen 4,9 cm 3 Hubraum OS/Graupner Wankelmotors und wurde von 1970 bis heute in mindestens zwei unterschiedlichen Versionen produziert. allein von der OS-Firma nach Graupners Tod im Jahr 2012.
Flugzeug-Wankelmotoren werden zunehmend in Anwendungen eingesetzt, bei denen es auf kompakte Abmessungen, ein hohes Leistungsgewicht und einen leisen Betrieb ankommt, insbesondere in Drohnen und unbemannten Fluggeräten . Viele Firmen und Hobbyisten adaptieren Mazda-Rotationsmotoren, die aus Autos stammen, für den Einsatz in Flugzeugen. Andere, darunter die Wankel GmbH selbst, stellen Wankel-Rotationsmotoren her, die für diesen Zweck bestimmt sind. Eine solche Anwendung sind die "Rotapower"-Motoren im Moller Skycar M400 . Ein weiteres Beispiel für speziell angefertigte Rotationsmaschinen für Flugzeuge sind die 55 PS (41 kW) AE50R (zertifiziert) und die 75 PS (56 kW) AE75R (in Entwicklung) von Austro Engine , beide ca. 2 PS/kg.
Wankelmotoren wurden in selbstgebauten Versuchsflugzeugen wie dem ARV Super2 eingebaut , von denen einige vom britischen MidWest -Flugmotor angetrieben wurden. Die meisten sind Mazda 12A- und 13B-Automotoren, die für den Einsatz in der Luftfahrt umgebaut wurden. Dies ist eine sehr kostengünstige Alternative zu zertifizierten Flugzeugtriebwerken und bietet Motoren mit einer Leistung von 100 bis 300 PS (220 kW) zu einem Bruchteil der Kosten herkömmlicher Kolbenmotoren. Diese Umbauten erfolgten zunächst Anfang der 1970er Jahre. Da eine Reihe dieser Triebwerke in Flugzeugen montiert sind, liegen dem National Transportation Safety Board am 10. Dezember 2006 nur sieben Berichte über Vorfälle mit Flugzeugen mit Mazda-Triebwerken vor, und keiner davon war ein Fehler aufgrund von Konstruktions- oder Herstellungsfehlern.
Peter Garrison, Redakteur des Flying- Magazins, sagte, dass "meiner Meinung nach ... der vielversprechendste Motor für den Einsatz in der Luftfahrt der Mazda-Rotationsmotor ist." Mazda-Rotationen haben sich gut bewährt, wenn sie für den Einsatz in selbstgebauten Flugzeugen umgebaut wurden. Die eigentliche Herausforderung in der Luftfahrt besteht jedoch darin, FAA-zertifizierte Alternativen zu den Standard-Hubkolbenmotoren herzustellen, die die meisten kleinen Flugzeuge der allgemeinen Luftfahrt antreiben. Mistral Engines mit Sitz in der Schweiz hat speziell angefertigte Rotationsmotoren für Werks- und Nachrüstungsinstallationen in zertifizierten Serienflugzeugen entwickelt. Die Wankelmotoren G-190 und G-230-TS flogen bereits auf dem experimentellen Markt, und Mistral Engines hoffte bis 2011 auf eine FAA- und JAA- Zertifizierung. Im Juni 2010 wurde die Entwicklung der G-300-Rotationsmotoren eingestellt Strömungsprobleme.
Mistral behauptet, die Herausforderungen des Kraftstoffverbrauchs, die dem Rotationskolben innewohnen, gemeistert zu haben, zumindest insoweit, als die Motoren einen spezifischen Kraftstoffverbrauch innerhalb weniger Punkte von Hubkolbenmotoren mit ähnlichem Hubraum aufweisen. Der Kraftstoffverbrauch ist zwar immer noch geringfügig höher als bei herkömmlichen Motoren, wird jedoch durch andere vorteilhafte Faktoren aufgewogen.
Um den Preis erhöhter Kompliziertheit für ein Hochdruck-Diesel-Einspritzsystem wurde mit den Mehrstoff-Mehrstoffmotoren mit geschichteter Ladung von Curtiss-Wright ein Kraftstoffverbrauch im gleichen Bereich wie bei kleinen Vorkammer-Automobil- und Industriedieselmotoren nachgewiesen, während die Vorteile der Wankelrotation erhalten bleiben Bei einem Motor mit Kolben und hängenden Ventilen gibt es keine Ventile, die bei höheren Drehzahlen schwimmen können, was zu Leistungsverlusten führt. Der Wankel ist eine effektivere Konstruktion bei hohen Drehzahlen ohne hin- und hergehende Teile, viel weniger bewegliche Teile und keinen Zylinderkopf.
Das französische Unternehmen Citroën hatte in den 1970er Jahren den Hubschrauber RE-2 Wankelantrieb entwickelt .
Da Wankelmotoren mit einer relativ hohen Drehzahl arbeiten , macht der Rotor bei 6.000 U/min der Abtriebswelle nur 2.000 Umdrehungen. Bei relativ niedrigem Drehmoment müssen Propellerflugzeuge eine Propellerdrehzahlreduzierungseinheit verwenden , um die Propeller innerhalb des vorgesehenen Drehzahlbereichs zu halten. Experimentelle Flugzeuge mit Wankelmotoren verwenden Propeller-Untersetzungsgetriebe, zum Beispiel hat der MidWest - Zweiläufermotor ein 2,95:1-Untersetzungsgetriebe. Die Wellendrehzahl eines Wankelmotors ist im Vergleich zu Hubkolbenkonstruktionen hoch. Nur die Exzenterwelle dreht sich schnell, während sich die Rotoren mit genau einem Drittel der Wellendrehzahl drehen. Wenn die Welle mit 7.500 U/min dreht, drehen sich die Rotoren mit 2.500 U/min deutlich langsamer .
Pratt & Whitney Rocketdyne wurde von der DARPA beauftragt, einen Diesel-Wankelmotor für den Einsatz in einem Prototyp eines VTOL- Flugwagens namens "Transformer" zu entwickeln. Der Motor basiert auf einem früheren unbemannten Fluggerät Wankel-Diesel-Konzept namens "Endurocore".
Der Segelflugzeug Hersteller Schleicher verwendet eine Austro Engines AE50R Wankel in seinen selbststart Modellen ASK-21 Mi , ASH-26E , ASH-25 M / Mi , ASH-30 Mi , ASH-31 Mi , ASW-22 BLE und ASG- 32 Mio. .
Im Jahr 2013 gab e-Go- Flugzeuge mit Sitz in Cambridge , Großbritannien, bekannt, dass seine neuen einsitzigen Canard-Flugzeuge, die Gewinner eines Designwettbewerbs zur Erfüllung der neuen britischen einsitzigen deregulierten Kategorie sind, von einem Wankel-Triebwerk von . angetrieben werden Rotron Power, ein spezialisierter Hersteller von fortschrittlichen Rotationsmotoren für unbemannte Luftfahrzeuganwendungen (UAV). Der erste Verkauf war 2016. Das Flugzeug soll eine Reisegeschwindigkeit von 100 Knoten (190 km/h; 120 mph) von einem 30 PS (22 kW) Wankelmotor mit einem Kraftstoffverbrauch von 75 mpg ‑imp (3,8 l/100 .) erreichen km; 62 mpg ‑US ) mit Standardmotorbenzin (MOGAS) mit 22 kW (30 PS).
Die DA36 E-Star, ein von Siemens , Diamond Aircraft und EADS entworfenes Flugzeug , verwendet einen seriellen Hybridantriebsstrang, bei dem der Propeller von einem 70 kW (94 PS) starken Siemens-Elektromotor angetrieben wird. Ziel ist es, Kraftstoffverbrauch und Emissionen um bis zu 25 % zu reduzieren. Ein Onboard 40 PS (30 kW) Austro Engines Wankel-Rotationsmotor und Generator liefert den Strom. Eine Propellerdrehzahlreduzierungseinheit entfällt. Der Elektromotor verwendet bei ausgeschaltetem Generatormotor in Batterien gespeicherte Elektrizität, um zu starten und zu steigen und die Geräuschemissionen zu reduzieren. Der Serien-Hybrid-Antriebsstrang mit Wankelmotor reduziert das Gewicht des Flugzeugs im Vergleich zum Vorgänger um 100 kg. Der DA36 E-Star flog erstmals im Juni 2013 und war damit der erste Flug eines Serien-Hybrid-Antriebsstrangs überhaupt. Diamond Aircraft gibt an, dass die Technologie mit Wankelmotoren auf ein Flugzeug mit 100 Sitzplätzen skalierbar ist.
Reichweitenverlängerer für Fahrzeuge
Aufgrund der kompakten Größe und des hohen Leistungsgewichts eines Wankelmotors wurde für Elektrofahrzeuge als Range Extender vorgeschlagen , zusätzliche Leistung bereitzustellen, wenn der Ladezustand der elektrischen Batterie niedrig ist. Es gab eine Reihe von Konzeptfahrzeugen, die eine Reihenhybrid- Antriebsstranganordnung enthalten. Ein Wankelmotor, der nur als Generator verwendet wird, hat bei der Verwendung in einem Fahrzeug Vorteile in Bezug auf Bauraum, Geräusch, Vibration und Gewichtsverteilung, wodurch der Innenraum für Passagiere und Gepäck maximiert wird. Der Motor/Generator kann sich an einem Ende des Fahrzeugs befinden und die elektrischen Antriebsmotoren am anderen, nur durch dünne Kabel verbunden. Mitsueo Hitomi, der globale Powertrain-Chef von Mazda, sagte: "Ein Wankelmotor ist ideal als Range Extender, weil er kompakt und leistungsstark ist und gleichzeitig eine geringe Vibration erzeugt".
Im Jahr 2010 stellte Audi einen Prototyp eines Serien-Hybrid-Elektroautos, den A1 e-tron , vor, der einen kleinen 250-cm³-Wankelmotor mit 5.000 U/min enthielt, der die Batterien des Autos nach Bedarf auflädt und den elektrischen Antrieb direkt mit Strom versorgt. Motor. Im Jahr 2010 sagte FEV Inc , dass in ihrer Prototyp-Elektroversion des Fiat 500 ein Wankelmotor als Range Extender verwendet werden würde. Im Jahr 2013 enthüllte Valmet Automotive aus Finnland einen Prototyp mit dem Namen EVA, der ein Serien-Hybrid-Fahrzeug mit Wankelantrieb und einem Motor der deutschen Firma Wankel SuperTec enthält. Das britische Unternehmen Aixro Radial Engines bietet einen Range Extender auf Basis des 294-ccm-Kammer -Gokart- Motors an.
Mazda aus Japan hat die Produktion von Wankelmotoren mit Direktantrieb innerhalb seiner Modellpalette im Jahr 2012 eingestellt, sodass die Automobilindustrie weltweit keine Serienfahrzeuge mehr hat, die den Motor verwenden. Das Unternehmen entwickelt die nächste Generation seiner Wankelmotoren, den SkyActiv-R, weiter. Mazda gibt an, dass der SkyActiv-R die drei Schlüsselprobleme mit früheren Rotationsmotoren löst: Kraftstoffverbrauch, Emissionen und Zuverlässigkeit. Takashi Yamanouchi , der globale CEO von Mazda, sagte: „Der Wankelmotor hat eine sehr gute dynamische Leistung, aber beim Beschleunigen und Verzögern ist er nicht so wirtschaftlich , am effizientesten. Es ist auch kompakt." Ein Wankelmotor in dieser Anordnung wurde bisher noch nicht in Serienfahrzeugen oder Flugzeugen verwendet. Im November 2013 kündigte Mazda jedoch der Automobilpresse einen Serien-Hybrid-Prototyp an, den Mazda2 EV , der einen Wankelmotor als Range Extender verwendet. Der Generatormotor, der sich unter dem hinteren Gepäckboden befindet, ist ein winziger, fast unhörbarer 330-ccm-Einläufer, der 30 PS (22 kW) bei 4.500 U/min leistet und eine elektrische Dauerleistung von 20 kW aufrechterhält. Im Oktober 2017 gab Mazda bekannt, dass der Wankelmotor mit dem angestrebten Einführungstermin 2019/20 in einem Hybridauto eingesetzt werden soll.
Mazda hat Untersuchungen zur Zündung mit funkengesteuerter Kompressionszündung ( SPCCI ) bei Rotationsmotoren durchgeführt und festgestellt, dass alle neuen Rotationsmotoren SPCCI enthalten werden. SPCCi beinhaltet Funken- und Kompressionszündung, die die Vorteile von Benzin- und Dieselmotoren kombiniert, um Umwelt-, Leistungs- und Kraftstoffverbrauchsziele zu erreichen.
Mazda bestätigte, dass ein Jahr Ende des Jahres 2020 ein Auto mit rotierender Reichweite auf den Markt kommen wird. Die Motor- / Elektromotor-Architektur wird einem Toyota Prius Synergy Drive mit voller Motortraktion oder vollständiger Elektromotortraktion oder einem beliebigen Prozentsatz der beiden kombiniert ähneln zwischen. Es kann eine größere Batteriebank gewählt werden, um den vollen EV-Betrieb mit Batterieladung aus dem Netz zu ermöglichen, wobei der Motor die Doppelfunktionen eines Range-Extenders und eines Batterieladegeräts übernimmt, wenn die Batterieladung zu niedrig ist. Beim Betrieb mit Verbrennungsmotor dient der Elektromotor der Beschleunigung und dem Anfahren aus dem Stand.
Andere Verwendungen
Kleine Wankelmotoren finden sich zunehmend auch in anderen Anwendungen wie Go-Karts , Wasserfahrzeugen und Hilfstriebwerken für Flugzeuge. Kawasaki patentierter gemischgekühlter Rotationsmotor (US-Patent 3991722). Der japanische Dieselmotorenhersteller Yanmar und Dolmar-Sachs aus Deutschland hatten eine Kettensäge mit Rotationsmotor (SAE-Papier 760642) und Außenbordbootsmotoren, und der französische Outils Wolf stellte einen Rasenmäher (Rotondor) her, der von einem Wankel-Rotationsmotor angetrieben wurde. Um Produktionskosten zu sparen, befand sich der Rotor in einer horizontalen Position und es gab keine Dichtungen an der Unterseite. Der Graupner / OS 49-PI ist ein 1,27 PS (950 W) 5-ccm-Wankelmotor für den Modellflugeinsatz , der seit 1970 im Wesentlichen unverändert in Produktion ist. Selbst mit großem Schalldämpfer wiegt das Gesamtpaket nur 380 Gramm (13 .). Unze).
Die Einfachheit des Wankelmotors macht ihn für Mini-, Mikro- und Mikro-Mini-Motordesigns gut geeignet. Das Rotary Engine Lab für Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) an der University of California, Berkeley , hat zuvor an der Entwicklung von Wankelmotoren mit einem Durchmesser von bis zu 1 mm und einem Hubraum von weniger als 0,1 cm³ geforscht. Materialien umfassen Silizium und Antriebskraft umfasst Druckluft. Das Ziel dieser Forschung war es, schließlich einen Verbrennungsmotor zu entwickeln, der 100 Milliwatt elektrische Leistung liefern kann; wobei der Motor selbst als Rotor des Generators dient , mit Magneten, die in den Motorrotor selbst eingebaut sind. Die Entwicklung des Miniatur-Wankelmotors endete am Ende des DARPA-Vertrags an der UC Berkeley. Miniatur-Wankelmotoren hatten aufgrund von Dichtungsproblemen Schwierigkeiten, die Kompression aufrechtzuerhalten, ähnlich den Problemen, die bei den Großversionen beobachtet wurden. Außerdem leiden Miniaturmotoren unter einem ungünstigen Oberflächen-Volumen-Verhältnis, das übermäßige Wärmeverluste verursacht; Die relativ große Oberfläche der Brennkammerwände leitet die geringe Wärme ab, die in dem kleinen Brennvolumen entsteht, was zu einer Abschreckung und einem geringen Wirkungsgrad führt.
Ingersoll-Rand baute den größten Wankelmotor aller Zeiten mit zwei Rotoren, der zwischen 1975 und 1985 erhältlich war, und leistete 1.100 PS (820 kW). Eine Ein-Rotor-Version mit 550 PS (410 kW) war erhältlich. Die Verdrängung pro Rotor betrug 41 Liter, wobei jeder Rotor einen Durchmesser von etwa einem Meter hatte. Der Motor wurde von einer früheren, erfolglosen Curtiss-Wright- Konstruktion abgeleitet, die an einem bekannten Problem bei allen Verbrennungsmotoren scheiterte : Die feste Geschwindigkeit, mit der sich die Flammenfront ausbreitet, begrenzt die Entfernung, die die Verbrennung vom Zündpunkt in eine gegebene Zeit, wodurch die maximale Größe des Zylinders oder der Rotorkammer, die verwendet werden kann, begrenzt wird. Dieses Problem wurde durch die Begrenzung der Motordrehzahl auf nur 1200 U/min und die Verwendung von Erdgas als Kraftstoff gelöst . Das war besonders gut gewählt, denn einer der Hauptanwendungen des Motors war der Antrieb von Kompressoren in Erdgaspipelines .
Yanmar aus Japan produzierte einige kleine, ladungsgekühlte Rotory-Motoren für Kettensägen und Außenbordmotoren. Eines seiner Produkte ist der LDR-Motor (Rotor Recess in the Leading Edge of Brennkammer) mit besseren Abgasprofilen und membrangesteuerten Einlasskanälen, die die Leistung bei Teillast und niedrigen Drehzahlen verbessern.
In den Jahren 1971 und 1972 produzierte Arctic Cat Schneemobile mit Sachs KM 914 303 ccm und KC-24 294-ccm Wankelmotoren made in Germany.
In den frühen 1970er Jahren verkaufte die Outboard Marine Corporation Schneemobile der Marke Johnson und anderer Marken, die von OMC-Motoren mit 35 oder 45 PS (26 oder 34 kW) angetrieben wurden.
Aixro of Germany produziert und vertreibt einen Go-Kart-Motor mit einem ladungsgekühlten Rotor mit 294-ccm-Kammer und flüssigkeitsgekühlten Gehäusen. Weitere Hersteller sind: Wankel AG, Cubewano, Rotron und Precision Technology USA.
Der amerikanische M1A3 Abrams- Panzer wird eine rotierende Diesel-APU verwenden, die vom TARDEC-Labor der US-Armee entwickelt wurde. Es verfügt über einen 330-ccm-Rotationsmotor mit hoher Leistungsdichte, der für den Betrieb mit verschiedenen Kraftstoffen wie dem standardmäßigen militärischen Düsentreibstoff JP-8 modifiziert wurde .
Nicht-interne Verbrennung
Neben der Verwendung als Verbrennungsmotor wurde die Wankel-Grundkonstruktion auch für Gaskompressoren und Kompressoren für Verbrennungsmotoren verwendet, aber in diesen Fällen bietet die Konstruktion zwar noch Vorteile in der Zuverlässigkeit, aber die grundlegenden Vorteile des Wankels in Größe und Gewicht gegenüber dem Viertakt-Verbrennungsmotor spielen keine Rolle. Bei einer Konstruktion, bei der ein Wankel-Kompressor an einem Wankel-Motor verwendet wird, ist der Kompressor doppelt so groß wie der Motor.
Das Wankel-Design wird im Gurtstraffersystem einiger Mercedes-Benz und Volkswagen verwendet. Wenn die Verzögerung Sensoren ein potenzielles Absturz erkennen, sind kleine Sprengpatronen elektrisch ausgelöst, und die daraus resultierenden Druck Gaszuführungen in winzige Wankelmotoren , die das Spiel in den Sitzgurtsysteme aufzunehmen drehen, die Fahrer und die Passagiere fest im Sitz vor einer Verankerung Kollision.
Siehe auch
- General Motors Rotationsverbrennungsmotor
- Gunderson Alleskönner
- Mazda RX-8 Wasserstoff RE
- Mazda Wankelmotor
- Mercedes-Benz M950F
- Mercedes-Benz C111
- OS Engines , der einzige lizenzierte Hersteller von Wankel- Modellmotoren
- Kolbenloser Rotationsmotor
- Quasiturbine
- RKM-Motor
- Kategorie:Wankelmotorflugzeuge
- Kategorie:Autos mit Wankelmotoren
- Kategorie:Motorräder mit Wankelmotoren
Anmerkungen
Verweise
- Yamaguchi, Jack K. (2003). Der Mazda RX-8: Der weltweit erste 4-Türer, 4-Sitzer-Sportwagen plus vollständige Historien der Entwicklung von Mazda-Rotationsmotoren und Rotationsrennen auf der ganzen Welt . Mazda-Motor. ISBN 4-947659-02-5.
- Yamaguchi, Jack K. (1985). Die neuen Sportwagen Mazda RX-7 und Mazda Drehmotor . New York: St. Martins Press. ISBN 0-312-69456-3.
- Norbye, Jan P. (1973). "Pass auf Mazda auf!". Automobil vierteljährlich . XI.1 : 50–61.
- Biermann, Arnold E.; Ellerbrock Jr., Herman H. (1941). "Bericht Nr. 726 Die Gestaltung von Rippen für luftgekühlte Zylinder" (PDF) . NACA. Archiviert vom Original (PDF) am 2020-12-04 . Abgerufen 2018-05-05 .
- Yamamoto, Kenichi (1981). Rotierender Motor . Toyo Kogyo.
- Grazen, Alfred EP, Patente CA 602098 und CA 651826 (Beschichtung für Arbeitsfläche in Suzuki RE-5)
- Societé Anonyme Automobiles Citroën (1969), Spanische Patente 0374366 und 0375053 über Verbesserungen bei Verfahren zum Abdecken einer Reibfläche (Nikasil).
- F Feller und MI Mech: „The 2-Stage Rotary Engine – A New Concept in Diesel Power“ von Rolls-Royce, The Institution of Mechanical Engineers, Proceedings 1970–71, Vol. 2, No. 185, S. 139–158, D55-D66. London
- Ansdale, RF (1968). Der Wankel RC-Motor, Design und Leistung . Iliffe. ISBN 0-592-00625-5.
- Frank Jardine (Alcoa): "Thermal Expansion in automotive engine design", SAE Journal , Sept 1930, S. 311–319, sowie SAE paper 300010.
- PV Lamarque, "The Design of Cooling Fins for Motor-Cycle Engines", The Institution of Automobile Engineers Magazine , London, Ausgabe März 1943, und auch in "The Institution of Automobile Engineers Proceedings", XXXVII, Session 1942–1943, S. 99–134 und 309–312.
- WM Holaday und John Happel (Socony-Vacuum Oil Co): 'A Refiner's Viewpoint on Motor Fuel Quality', SAE-Papier 430113
- Walter G. Froede: 'The NSU-Wankel Rotating Combustion Engine', SAE Technical paper 610017
- MR Hayes & DP Bottrill: 'NSU Spider-Vehicle Analysis', Mira (Motor Industry Research Association, UK), 1965.
- C. Jones (Curtiss-Wright), "Rotary Combustion Engine is as a clean and trim as the Aircraft Turbine", SAE Journal, Mai 1968, Bd. 76, Nr. 5: 67–69. Auch im SAE-Papier 670194.
- Jan P. Norbye: "Rivalen zum Wankel", Popular Science, Januar 1967; »Der Wankelmotor. Design, Entwicklung, Anwendungen'; Chilton, 1972. ISBN 0-8019-5591-2
- TW Rogers et al. (Mobil),"Schmierende Rotationsmotoren", Automotive Engineering (SAE) Mai 1972, Bd. 80, Nr. 5: 23–35.
- K. Yamamoto et al. (Mazda): „Combustion and Emission Properties of Rotary Engines“, Automotive Engineering (SAE), Juli 1972: 26–29. Auch im SAE-Papier 720357.
- LW Manley (Mobil): „Low-Octane Fuel is OK for Rotary Engines“, Automotive Engineering (SAE), Aug 1972, Bd. 80, Nr. 8: 28–29.
- WD Bensinger (Daimler-Benz), "Rotationskolben-Verbrennungsmotoren", Springer-Verlag 1973; ISBN 978-3-642-52173-7
- Reiner Nikulski: "Der Norton-Rotor dreht sich in meinem Hercules W-2000", "Sachs KC-27-Motor mit Katalysator", und weitere Artikel in: "Wankel News" (auf Deutsch, von Hercules Wankel IG)
- „A WorldWide Rotary Update“, Automotive Engineering (SAE), Februar 1978, Bd. 86, Nr. 2: 31–42.
- B Lawton: 'The Turbocharged Diesel Wankel Engine', C68/78, of: 'Institution of Mechanical Engineers Conference Publications. 1978–2, Turbolader und Turbolader, ISBN 0 85298 395 6 , S. 151–160.
- T. Kohno et al. (Toyota): "Rotary Engine's Light-Load Combustion Improved", Automotive Engineering (SAE), August 1979: 33–38. Auch im SAE-Papier 790435.
- Kris Perkins: Norton Rotaries , 1991 Osprey Automotive, London. ISBN 1855321 81 5
- Karl Ludvigsen: Wankelmotoren A bis Z , New York 1973. ISBN 0-913646-01-6
- Len Louthan (AAI corp.): 'Development of a Lightweight Heavy Fuel Rotary Engine', SAE-Papier 930682
- G. Bickle et al. (ICT co), R. Domesle et al. (Degussa AG), "Controlling Two-Stroke Engine Emissions", Automotive Engineering International (SAE), Feb. 2000, S. 27–32.
- BOSCH, "Automotive Handbook", 2005, Fluid's Mechanics, Tabelle: 'Austrag aus Hochdrucklagerstätten'.
- Anish Gokhale et al.: "Optimierung der Motorkühlung durch konjugierte Wärmeübertragungssimulation und Rippenanalyse"; SAE-Papier 2012-32-0054.
- Patente: US 3848574 , 1974 – Kawasaki; GB 1460229 , 1974 – Ford; US 3833321 , 1974; US 3981688 , 1976. -Ford; CA 1030743 , 1978; CA 1045553 , 1979, -Ford.
- Dun-Zen Jeng et al.: 'The Numerical Investigation on the Performance of Rotary Engine with Leakage, Different Fuels and Recess Sizes', SAE paper 2013-32-9160, und derselbe Autor: 'The Intake and Exhaust Pipe Effect on Rotary Engine Performance', SAE-Papier 2013-32-9161
- Wei Wu et al.: „A Heatpipe Assisted Air-Cooled Rotary Wankel Engine for Improved Durability, Power and Efficiency“, SAE-Papier 2014-01-2160
- Mikael Bergmannet al. (Husqvarna): 'Advanced Low Friction Engine Coating, appliziert auf eine 70 cc Hochleistungs-Kettensäge', SAE-Papier 2014-32-0115
- Alberto Boretti: 'CAD/CFD/CAE Modeling of Wankel Engines for UAV', SAE Technical Paper 2015-01-2466
Externe Links
- US-Patent 2,988,008
- Wie Wankelmotoren funktionieren , Wie Dinge funktionieren , abgerufen 2012-08-14
- Wankelmotor , Animierte Motoren, Keveney
- Wie und warum ein Motor reibungslos laufen muss , UK: Citroën Net , abgerufen am 14.08.2012
- Aaron Cakes Seite über Wankelmotor , CA
- JI Martin-Artajo SI Rotationsmotormodell , ES
- Der Moto-Turbine-Radiale-Rotationsmotor von JC Lefeuvre in einem Motorrad eingebaut, NS
- Scott, David (März 1960). "Automotor ohne Kolben" . Populärwissenschaft : 82.
- Norbye, Jan P. (Januar 1967). „Rivalen zum Wankel: Eine Zusammenfassung von Rotationsmotoren“ . Popular Science : 80. Kauertz, Tschudi, Virmel, Mercer, Selwood, Jernaes Beispiele.CS1-Wartung: Postscript ( Link )
- Der Norton-Rotary ; Zusammenfassung der Entwicklung der Norton-Baureihe von Wankelmotoren von David Garside