Motoren aus technischer Sicht/ Wankelmotor

Einleitung

Felix Wankels Drehkolbenmotor DKM 54

Die Wankelmotor wurde nach seinem Erfinder Dr. Felix Wankel benannt und im Dezember 1954 als Drehkolbenmotor mit drehendem Kolben und drehendem Gehäuse erfunden.

Bis 1959 wurde durch Abänderung der Bewegungsweise hieraus bei Wankels Partner, der Zweirad- und Automobilfirma NSU, der Kreiskolbenmotor entwickelt. Der Kolben kreist auf einem Zapfen der Exzenterwelle und dreht sich dabei um seine Achse. Das Gehäuse steht still. Er dient als Antrieb für Motorräder (Suzuki, VanVeen, Norton, Hercules) und wurde seit 1964 auch in Vierradfahrzeugen eingesetzt (NSU Spider, Mazda Cosmo Sport).

1967 kam die von NSU gebaute Limousine RO 80 auf den Markt. Damals erregte dieses Fahrzeug wegen seiner windschlüpfigen Form und wegen des revolutionären Wankelmotors grosses Aufsehen (Auto des Jahres 1967). Der hohe Verbrauch (Ölkrise 1972), die für den damaligen Breitengeschmack zu futuristische Form und vor allem der wegen der Kinderkrankheiten der ersten Produktionsjahre angeschlagene Ruf des Antriebskonzeptes führten zu geringen Verkaufszahlen, weshalb die Produktion bereits 1977 eingestellt wurde.

Seit der Übernahme von NSU durch Audi/VW und dem Ende entsprechender Projekte bei Daimler-Benz und weiteren Firmen wurde der Wankelmotor im Automobilbau nach 1980 nur noch von Mazda weiterentwickelt. Endpunkt einer längeren Modellreihe ist das heutige Serienautomobil RX8 von Mazda, das mit einem Kreiskolbenmotor angetrieben wird.

Arbeitsweise

Der Wankelmotor arbeitet nach dem Viertakt-Ottomotor-Prinzip, wobei der Unterschied zum Hubkolbenmotor darin besteht, dass anstelle der Hubkolben dreiecksförmige Kreiskolben verwendet werden, die in einer ovalen Kammer rotieren und sich hierbei um die eigene Achse drehen. Am Bewegungsablauf sind nur der Kreiskolben (A) und die Exzenterwelle (B) beteiligt. Die Einlass- und Auslassschlitze werden vom Kreiskolben selbst geöffnet und geschlossen. Die drei sichelförmigen Kammern ändern während der vier Takte periodisch ihr Volumen und stehen 120° gegeneinander versetzt.

1.Takt: Einlass / Ansaugen

2. Takt: Kompression / Verdichten

1. Takt (Ansaugen) Bei der Drehung des Drehkolbens (im Uhrzeigersinn) wird die Einlassöffnung frei, und das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird in die Kammer eingesaugt.

2. Takt (Verdichten) Bei weiterer Drehung des Kolbens wird die Kammer verschlossen und das enthaltene Kraftstoff-Luft-Gemisch verdichtet.

3. Takt: Zündung / Arbeiten

4. Takt: Auslass / Ausstossen

3. Takt (Arbeiten) Das verdichtete Gemisch wird gezündet. Durch die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs dehnt sich dieses aus und dreht den Kolben weiter.

4. Takt (Ausstossen) Die Abgase werden aus der unteren Kammer über die Ablassöffnung ausgestossen.

Ein neuer Zyklus beginnt.

Zu den Vorteilen des Wankelmotors zählen:

• Er hat nur wenige bewegliche Teile (meistens zwei Kreiskolben und die Exzenterwelle) und damit einen günstigen mechanischen Wirkungsgrad (wenig Reibungsverluste).
• Er besitzt eine geringe Baugrösse, d. h. er ermöglicht eine hohe Leistungsdichte bei geringem Gewicht und Platzbedarf
• Der Motor ist im Vergleich zu Viertaktmotoren (v. a. Dieselmotoren) sehr vibrationsarm
• Der Wankelmotor kann ohne bauliche Veränderungen mit Wasserstoff betrieben werden, da Ansaugbereich und Verbrennungsbereich voneinander räumlich getrennt sind. Es sind keine heißen Ventile vorhanden, die als unerwünschte Zündquelle dienen könnten.
• Der Wankelmotor erzeugt eine direkte Kreisbewegung, und es muss nicht wie bei Ottomotoren eine Linear- in eine Kreisbewegung umgewandelt werden.

Nachteile des Wankelmotors:

• Die Produktionskosten des Wankelmotors sind relativ hoch
• Man muss Schmieröl in den Sprit geben
• Er ist nicht dieselfähig
• Er weist einen höheren Verbrauch auf

Nachteilig beim Wankelmotor ist zudem der Umstand, dass im Bereich des OT eine Volumenverlagerung vom oberen Teil der Brennkammer in den unteren Teil der Brennkammer stattfindet. Durch die dadurch entstehende Quetschströmung nimmt der oberhalb der Zündkerze befindliche Gemischanteil nicht an der Verbrennung teil. Dieser unverbrannte Gemischanteil wird beim Umfangsauslass zum größten Teil ausgestoßen und verbrennt erst im Auslasskrümmer. Dies führt zu erhöhten Verbrauchswerten in Verbindung mit einer homogenen Gemischbildung. Bei modernen Wankelmotoren wird dies durch die Verwendung eines Seitenauslasses vermieden. Der unverbrannte fette Gemischanteil wird beim nächsten Ansaugvorgang wieder frisch mit neuen Gemisch durchmischt und dient so der Energiegewinnung. Bei der Kombination von Seiteneinlass und Seitenauslass hat man darüber hinaus keinerlei Überschneidung und damit auch keine unerwünschte ungeregelte Abgasrückführungsrate, die im Leerlauf und im Teillastbetrieb zu Zündaussetzern führen könnte. Unterhalb der Zündkerze hat die Quetschströmung den positiven Effekt, dass sie die Verbrennung beschleunigt und sie deutlich vor dem Öffnen des Auslasses abgeschlossen ist. Eine weitere Möglichkeit zur Verbrauchsreduktion beim Wankelmotor stellt das Vorlagern von Luft dar; dadurch erreicht man, dass sich im Bereich des nacheilenden Zwickels kein brennbares Gemisch befindet. Hierbei nutzt man den Umstand aus, dass sich eine Ladungsschichtung beim Wankelmotor selbständig einstellt. Durch die längere Taktdauer von 270° besteht eine größere Freiheit in Bezug auf Direkteinspritzung. Bei einem Viertakthubkolbenmotor steht nur ein Fenster von 180° zur Verfügung, das man darüber hinaus auch nicht voll nutzen kann. Stickoxide entstehen beim Wankelmotor so gut wie gar nicht.

Während beim Viertaktmotor der Brennraum im Ansaugtakt z. T. eine Kühlung durch das angesaugte Gemisch erfährt, kommt es beim Wankelmotor zur Ausbildung von heissen Zonen, weil die Verbrennung immer an der gleichen Stelle des Gehäuses stattfindet und im Bereich zwischen Zündkerze und Auslass nie kühlendes Gemisch vorbeiströmt. Dies erhöht zum einen die thermische Belastung, verbessert andererseits den thermischen Wirkungsgrad deutlich. Gleichzeitig isoliert der Schmierfilm die Kammer gegen Wärmeverluste. So fällt der Wasserkühler bei einem Wankelmotor kleiner aus als der eines vergleichbaren Hubkolbenmotors, weil weniger Verlustwärme abgeführt werden muss.

Der Mazda RX8

Der sportliche Mazda RX8

Nachdem sich der Ro80 der Marke NSU in den siebziger Jahren nur in geringfügigen Zahlen verkaufte, kam der Wankelmotor in Europa in keinem anderen Serienautomobil mehr zum Einsatz. Mazda hingegen hat seit der ersten Verwendung im Sportwagen Cosmo am Wankelmotor ständig weiterentwickelt, um die Probleme des hohen Verbrauchs und der schlechten Abgaswerte zu lösen.

1991 schickte Mazda den Wankelrennwagen 787B zum 24-Stunden-Rennen von Le Mans und gewann. Der Wankelmotor hatte vier Scheiben und verfügte pro Scheibe über ein Kammervolumen von 654 cm³. Insgesamt hatte der Motor ein Kammervolumen von 2.616 cm³. Dies entspricht dem Zylinder- und Hubraumäquivalent von 5.232 cm³ eines 8-Zylinder-Hubkolbenmotors. Damit leistete der Mazda 700 PS bei 9.000 Umdrehungen. Die Durchschnittsgeschwindigkeit betrug 205,133 km/h, und die Dreimannbesatzung, bestehend aus Bertrand Gachot, Johnny Herbert und Volker Weidler, absolvierte im Mazda 787B in 24 Stunden (inklusive Boxenstops) eine Streckendistanz von 4.923,2 km, womit sie als Sieger aus dem Rennen hervorging. Zu dem Zeitpunkt galt in der Gruppe C ein Verbrauchslimit; alle Teilnehmer mussten mit der gleichen Treibstoffmenge die 24 Stunden meistern. Hier erwies sich der 26B als sparsamster Motor.

In Fahrzeugen der RX-Reihe (RX3, RX5, RX7), die auch exportiert wurden, und in einigen Prestige-Modellen nur für den japanischen Markt gelangten seit den späten 1960er Jahren Wankelmotoren unterschiedlicher Kammergrößen zum Serieneinsatz. So stellte Mazda allein im Jahr 1973 240.000 Fahrzeuge mit Wankelmotoren her. Das aktuelle Wankelfahrzeug der RX-Reihe ist der Mazda RX8, der im Gegensatz zum Vorgänger RX7 nur halb so viel Schmieröl und 40% weniger Treibstoff benötigt. Der Mazda RX8 besitzt einen Zweischeibenmotor (Renesis) mit insgesamt 1.308 cm³ und hat eine Leistung von 231 PS. Seine Spitzengeschwindigkeit liegt bei 235 km/h. Man ersieht, dass der Mazda RX8 mit den Fahrzeugen, die einen Diesel- oder Ottomotor als Antrieb besitzen, durchaus mithalten kann. Der Mazda RX8 erfüllt sogar die im Jahre 2005 in Kraft getretene strenge Euro-4-Abgasnorm.

Die Produktion des Mazda RX8 wurde im April 2012 eingestellt.

Fazit

Abschließend lässt sich sagen, dass dem Wankelmotor mit der RX-Reihe von Mazda neues Interesse gilt (Zweimal die Auszeichnung „Engine of the year“), und dass er sicher die Automobilindustrie noch eine Zeit lang begleiten wird. Mit dem RX8 Bi-fuel war Mazda der erste Autohersteller, der ein Auto für den Wasserstoffbetrieb in Serie baut. Der RX-8 wird in deutlich höheren Stückzahlen als der RX7 gebaut. Am 28. Mai 2004 hatte man schon 80735 RX8 produziert und damit die gleiche Anzahl an Fahrzeuge mit Wankelmotor innerhalb eines Jahres hergestellt, wofür man vorher zehn Jahre benötigte.

Weiterhin gibt es im Luftfahrtbereich noch einige andere Hersteller, die entweder Mazda-Wankelmotoren umrüsten oder sogar Eigenentwicklungen vermarkten.