Wankelmotor

right|thumb|Wankelmotor im Deutschen Museum

Der Wankelmotor (auch: Kreiskolbenmotor) ist ein Verbrennungsmotor, bei dem keine zylindrischen Kolben in einem Zylinder in axialer Richtung hin- und herbewegt werden. Stattdessen findet sich die umkehrfreie Bewegung eines so genannten Kreiskolbens, der – auf einer Exzenterwelle angeordnet – in einem Trochoidgehäuse kreist und gleichzeitig um seine eigene Achse rotiert. Die Kontur des Kreiskolbens besteht aus drei abgeflachten Kreisbögen und sieht aus wie ein "bauchiges" Dreieck (Reuleaux-Dreieck). Die Ecken stehen ständig in Kontakt mit dem Trochoidgehäuse und bilden so drei unabhängige Arbeitsräume.

Benannt ist der Wankelmotor nach seinem Erfinder Felix Wankel, der ihn ab 1954 entwickelt hat. Zuerst als Drehkolbenmotor (DKM54) ausgeführt. Später setzte der NSU Ingenieur Hanns Dieter Paschke den Außenläufer still, so entstand der KKM57P.

Inhaltsverzeichnis
1 Beschreibung des Arbeitsablaufes für einen Arbeitsraum
2 Vor- und Nachteile (gegenüber dem Hubkolbenmotor)
3 Fahrzeuge mit Wankelmotor

3.1 Automobile
3.2 Motorräder

4 Weitere Anwendungen
5 Kraftfahrzeugsteuer (in Deutschland)
6 Weblinks
7 Literatur

Beschreibung des Arbeitsablaufes für einen Arbeitsraum

right|thumb|300px|Der Wankelzyklus: Einlass (blau), Kompression (grün), Zündung (rot), Auslass (gelb)

Ein Arbeitsraum läuft am Einlassschlitz vorbei, wobei ein Kraftstoff-Luft Gemisch angesaugt wird. Durch den bei der Drehung des Kreiskolbens immer kleiner werdenden Arbeitsraum wird das Kraftstoff-Luft Gemisch in diesem Arbeitsraum verdichtet. Nach dem Gasgesetz erwärmt es sich durch die Verdichtung. Schließlich erreicht es den Ort der Zündkerze. Jetzt hat das Kraftstoff-Luft Gemisch seine höchste Dichte und wird gezündet. Durch die Verbrennung wird der Kreiskolben beschleunigt. Man spricht vom Arbeitstakt. Im Gegensatz zu einem Otto- oder Dieselmotor geht die bei der Verbrennung frei werdende Energie direkt in eine Drehbewegung der Kurbelwelle über. Mit weiterer Drehung des Arbeitsraumes vergrößert sich das Brennraumvolumen wieder. Der Auslassschlitz wird erreicht, das Abgas wird durch diesen ausgestoßen.

Dieser Zyklus wird von jedem der drei Arbeitsräume durchlaufen, was bedeutet, dass bei einer Kolbenumdrehung drei Zündungen stattfinden.


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

Vor- und Nachteile (gegenüber dem Hubkolbenmotor)

[[Bild:Mazda rotary engine early.jpg|thumb|250px|Erster Versuchs-Wankelmotor von ]] Ein Vorteil des Wankelmotors ist sein relativ einfacher Aufbau. Er hat nur wenige bewegliche Teile (je nach Bauart unterschiedlich viele, meist zwei Kreiskolben und die Exzenterwelle). Der Motor besitzt eine relativ geringe Baugröße, das heisst, er ermöglicht eine hohe Leistungsdichte bei geringem Gewicht. Durch die räumliche Trennung von Ansaug- und Verbrennungsraum ist er besonders geeignet für den Wasserstoffbetrieb. Durch die Abwesenheit von heißen Auslassventilen ist die Klopffestigkeit gegenüber Viertakthubkolbenmotor gesteigert.

Wie bei einem Zweitakt-Motor gibt es keine Drosselverluste durch Ventile, was zu einer besseren Füllung als bei einem Viertakthubkolbenmotor führen kann.

Ein Wankelmotor ist durch vollkommenen Massenausgleich sehr vibrationsarm. Im Gegensatz zu einem konventionellen Hubkolbenmoter kann ein Wankelmotor vollkommen ausgewuchtet werden.

Der Wankelmotor eignet sich besonders für den Schichtladebetrieb weil zum Einspritzen mehr Zeit zur Verfügung steht und die Ladungsschichtung sich ohne Hilfsmittel einstellt.

Der Hauptnachteil ist sein sehr flach-langgestreckter Verbrennungsraum, der im Vergleich mit dem Hubkolbenmotor ein sehr ungünstiges Verhältnis zwischen Brennraumvolumen und -oberfläche hat und deshalb relativ viel Energie als Verlust-Wärme abführt.

Bei alten Wankelmotoren mit Umfangsauslass wird relativ viel Gemisch unverbrannt zum Auslassschlitz ausgeschoben.

Dieses Problem kann man durch Doppelzündung und/oder auch mit einer einzigen Kerze in der Late Trailing Position (Late Trailing = Die nacheilende Kerze ist weit oberhalb der Einschnürrung angeordnet) vermindern, der Verbrauch wird gegenüber den ersten Modellen so um etwa 30% gesenkt. Die zweite Kerze ist bei Flugzeugmotoren Pflicht.

Weiterhin hat Mazda die Äquidistante beim Renesis(RX-8) verkleinert und dadurch das Volumen der Zwickel verkleinert und im Gegenzug den Verbrennungsraum mehr in die Brennraummulde des Läufers verlagert. Man hat somit die Brennraumoberfläche verringert. Beim Wärmeübergang kann man nicht eindeutig nur die Brennraumoberfläche betrachten, weil auch Brennraumdrücke beim Wärmeverlust und herrschend Brennraumtemperaturen berücksichtigt werden müssen. Auch sieht man heute eine drehzahl- und temperaturabhänige Kühlung des Läufers vor. Bei aktuellen Mazda-Modellen wird bis 60°C Öltemperatur, die Läufer überhaupt nicht mehr gekühlt, darüber erst ab einer Motordrehzahl von 3000 U/min. So erreicht man eine lastkonforme Kühlung des Läufers.

Insgesamt verringert man den Wärmeverlust allgemein durch heute deutlich höhere Betriebstemperaturen. Das Wärmemanagment eines moderen Viertakthubkolbenmotor ist ähnlich kompliziert.

Während beim Hubkolbenmotor der Brennraum im Ansaugtakt durch das Frischgas gekühlt wird, bilden sich beim Wankelmotor heiße Zonen aus, da die Verbrennung immer an der selben Stelle des Gehäuses stattfindet und im Bereich hinter der Zündkerze nie kaltes Gas vorbeiströmt. Den Wärmeverzug kann man bei Wankelmotor durch entsprechende Kühlwasserführung und/oder Stahleinlagen (zum Beispiel SIP-Verfahren bei Mazda) in tolerierbaren Bereichen halten.

Das SIP-Verfahren ist nichts anderes als ein Stahlmantel, der gleichzeitig den Untergrund für die Laufbahn bildet. Dieser Stahlmantel ermöglicht durch seine Festigkeit gleichzeitig den Einsatz von Chrom, Chrom-Molybdän oder ähnlichen Laufschichten. Gleichzeitig isoliert er den Brennraum und verringert so den Wärmeverlust.

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

Früher ein Nachteil: Die Bearbeitung der Kammer und des Läufers waren früher sehr aufwändig. So benötigte man früher eine Spezialschleifmaschine um die Laufbahn zu fräsen und zu schleifen. Mit den heutigen CNC-Maschinen ist das kein Thema mehr. So brachte Mazda bis zum 13B-REW (RX-7 FD)die Chromlaufschicht im Maßgalvansieren auf, so entfiel ein aufwändiges Schleifen gänzlich. Zum Läufer ist anzumerken, dass Mazda heute ihre Läufer so genau giessen können, das auf ein Auswuchten verzichtet werden kann. Die Flanken werden per Drehen bearbeitet. Audi hat zum Beispiel ein Patent auf einen Blechkolben, dort werden die Flanken aus Blech tiefgezogen. Audi Optimo

Fahrzeuge mit Wankelmotor

Automobile

Motorräder

thumb|Hercules W 2000

Weitere Anwendungen

Anwendung findet der Wankelmotor auch als Flugzeugantrieb. Auch als Antrieb für Gurtstraffer kommen kleine Wankelmotoren zum Einsatz.

Eine Variante ist der "Wankel-Fremdzündungsdiesel", ein Vielstoffmotor, arbeitet mit Fremdzündung für den Antrieb von sogenannten Drohnen. Zwar wird hier Diesel als Kraftstoff mit eingespritzt, jedoch kommt die dieseltypische Selbstzündung nicht zum Einsatz. Die 1998 begonnene Entwicklung ist bis zum heutigen Tage (2004) nicht zu einem Abschluss gekommen. Die englische Firma UAV ist zur Zeit der Weltmarktführer bei Drohnen-Wankelmotoren. Die Wankel Supertec hat einen Fremdzündungsdiesel-Wankelmotor entwickelt, der im Verbrauch an hochoptimierte HKM TDIs heranreicht.

Kraftfahrzeugsteuer (in Deutschland)

Die Höhe der KFZ-Steuer bemisst sich in Deutschland nach dem Hubraum. Da Wankelmotoren keinen Hubraum im eigentlichen Sinne haben, werden sie nach dem zulässigen Gesamtgewicht besteuert.

Weblinks

Literatur


Kategorie:Verbrennungsmotor

See also: Wankelmotor, 1954, 1998, Audi 100, Citroën, Datsun, Dichte, Drohne (Flugzeug), Exzenterwelle, Felix Wankel