Rotačný piest Wankelovho motora

animácia Wankelovho cyklu

Wankelov motor je spaľovací motor s vnútorným spaľovaním s rotujúcim piestom. Pracuje na princípe rozpínania plynov a bol vyvinutý pod vedením nemeckého inžiniera Felixa Wankela.

História

V 50. rokoch 20. storočia vyvinul tím konštruktérov pod vedením Wankela rotačný motor NSU, ktorý bol predstavený v roku 1954. O tri roky neskôr bol predstavený funkčný prototyp.

Princíp

Od začiatku 20. storočia sa objavili pokusy využívať rozpínanie plynov priestorovo úspornejším mechanizmom, ako je to pri použití ojníc a kľukového hriadeľa a ktorý by bolo možné čo najviac vyvážiť. Tieto stroje pracujú na princípe otáčajúcich sa dielov, ktoré svojim pohybom vytvárajú plynulé a cyklické zväčšovanie a zmenšovanie pracovného priestoru medzi valcom a piestom. Výhodou tohto riešenia je spoločné ťažisko rotujúcich častí a vyvážený chod zásluhou vzájomnej eliminácie odstredivých síl komponentov.

Pôvodne Wankel uvažoval o rotácii piestu i valca okolo pevných osí otáčania odlišnou rýchlosťou, čo by prinieslo symetriu rotujúcich častí a ich dobré vyváženie. Toto riešenie však prinášalo problémy s rotujúcim valcom a tak bolo uprednostnené riešenie s použitím rotujúceho piesta, ktorého stred vykonáva ďalší rotačný pohyb. Vyváženie sa tu dosiahne konštrukciou motora s dvojicou piestov.

Využitie

Po predstavení Wankelovho motora verejnosti zakúpilo množstvo spoločností licenciu na jeho výrobu. Motor spočiatku splnil všetky očakávania: bol podstatne menší a ľahší než motory rovnakého výkonu, mal menej rotujúcich častí a tak sa dal takmer dokonale vyvážiť. Medzi nedostatky, s ktorými sa museli popasovať konštruktéri, bol problém s tesniacim krúžkom piesta (eliminovaný použitím keramického tesnenia) a s ním spojená vyššia spotreba oleja, alebo sťažené chladenie spaľovacej časti motora. Problematická bola i úprava spaľovacieho priestoru a tým aj kompresného pomeru.

Napriek konštrukčným nedostatkom sa stal v 60. rokoch 20. storočia vážnou konkurenciou klasickým piestovým motorom. Pokojný chod a malé celkové rozmery prevážili vyššiu spotrebu paliva a oleja, spôsobenú nekompaktným spaľovacím priestorom so zvýšenými tepelnými stratami. Zlom nastal počas ropnej krízy v 70. rokoch, kedy sa nárastom cien ropy výrazne zdražila prevádzka automobilov. Postupne sa začali sprísňovať aj ekologické normy, s ktorých plnením bol pri Wankelovom motore problém pre vyššiu spotrebu oleja. V súčasnosti sa tak konštrukcii rotačného motora venuje len automobilka Mazda, ktorá ho donedávna používala v športovom modeli Mazda RX-8.

Dizajn

Wankelov motor má výhody kompaktnej konštrukcie a nízkej hmotnosti v porovnaní s bežnejším spaľovacím motorom, ktorý využíva piestové piesty . Tieto výhody umožňujú použitie rotačného motora v rôznych vozidlách a zariadeniach vrátane automobilov , motocyklov , závodných automobilov , lietadiel , motokár , vodných skútrov , snežných skútrov , motorových píl a pomocných pohonných jednotiek . Niektoré Wankelove motory majú pomer výkonu k hmotnosti viac ako jeden kôň na kilogram.  Väčšina konštrukčných motorov je zážihových motorov, pričom vznetové motory boli postavené iba vo výskumných projektoch.

Vo Wankelovom motore dochádza k štyrom zdvihom Otovho cyklu v priestore medzi každou stranou trojstranného symetrického rotora a vnútornou časťou krytu. Oválne puzdro v tvare epitrochoidu obklopuje trojuholníkový rotor s čelnými plochami v tvare luku, ktoré sa podobajú Reuleauxovmu trojuholníku .  Teoretický tvar rotora medzi pevnými vrcholmi je výsledkom minimalizácie objemu geometrickej spaľovacej komory a maximalizácie kompresného pomeru .  symetrické krivky spájajúci dva ľubovoľné vrcholyrotora je maximalizovaná v smere tvaru vnútorného puzdra s obmedzením, že sa nedotýka puzdra v žiadnom uhle otáčania ( oblúk nie je riešením tohto optimalizačného problému ).

Stredový hnací hriadeľ, nazývaný „excentrický hriadeľ“ alebo „E-hriadeľ“, prechádza stredom rotora podopretým pevnými ložiskami.  Rotory jazdia na excentroch (analogicky s kľukovými čapmi v piestových motoroch), ktoré sú integrálne s excentrickým hriadeľom (analogicky s kľukovým hriadeľom). Oba rotory sa otáčajú okolo výstredníkov a vytvárajú orbitálne otáčky okolo výstredného hriadeľa. Tesnenie na vrcholoch tesnenia rotora proti obvodu krytu, ktoré ho rozdeľuje na tri pohyblivé spaľovacie komory .  Otáčanie každého rotora okolo jeho vlastnej osi je spôsobené a riadené dvojicou synchronizačných prevodov Pevné ozubené koleso namontované na jednej strane krytu rotora zaberá s prstencovým ozubeným kolesom pripevneným k rotoru a zaisťuje, aby sa rotor hýbal presne o jednu tretinu otáčky pri každom otočení excentrického hriadeľa. Výkon motora sa neprenáša cez synchronizačný prevod.  Rotor sa pohybuje vo svojom rotačnom pohybe vedenom ozubenými kolesami a excentrickým hriadeľom, pričom nie je vedený vonkajšou komorou; rotor sa nesmie trieť o vonkajšie puzdro motora. Sila tlaku expandovaného plynu na rotor vyvíja tlak do stredu excentrickej časti výstupného hriadeľa.

Najjednoduchší spôsob, ako vizualizovať činnosť motora v animácii, je nepozerať sa na samotný rotor, ale na dutinu vytvorenú medzi ním a krytom. Wankelov motor je vlastne systém s postupnou dutinou s premenným objemom. Všetky tri dutiny na puzdro teda opakujú rovnaký cyklus. Body A a B na rotore a E-hriadeli sa otáčajú rôznymi rýchlosťami - bod B krúži trikrát tak často ako bod A, takže jedna celá obežná dráha rotora sa rovná trom otáčkam E-hriadeľa.

Pri rotácii rotora rotujúceho rotora sa každá strana rotora približuje k stene krytu a potom od neho, čím sa spaľovacia komora stláča a rozširuje ako zdvihy piestu v piestovom motore . Výkonový vektor spaľovacieho stupňa prechádza stredom ofsetového laloku.

Zatiaľ čo štvortaktný piestový motor dokončí jeden spaľovací zdvih na valec pre každé dve otáčky kľukového hriadeľa (to znamená polovičný silový zdvih na jednu otáčku kľukového hriadeľa na valec), každá spaľovacia komora vo Wankelovi generuje jeden spaľovací zdvih na jednu otáčku hnacieho hriadeľa, tj. jeden silový zdvih na obežnú rotáciu rotora a tri silové zdvihy na jednu rotáciu rotora. To znamená, že sila výkon motora Wankel je všeobecne vyšší ako u štvortaktného piestového motora podobné posunutie motora v podobnom stave melodie; a vyššia ako u štvortaktného piestového motora podobných fyzických rozmerov a hmotnosti.

Wankelove motory sú všeobecne schopné dosiahnuť oveľa vyššie otáčky motora ako piestové motory s podobným výkonom. Je to čiastočne spôsobené jemnosťou krúživého pohybu a skutočnosťou, že otáčky „motora“ sú na výstupnom hriadeli, čo je trikrát rýchlejšie ako v prípade oscilujúcich častí. Excentrické hriadele nemajú kontúry kľukového hriadeľa súvisiace so stresom. Maximálne otáčky rotačného motora sú obmedzené zaťažením zubov synchronizačného prevodu. Prevodové stupne z kalenej ocele sa používajú pre predĺženú prevádzku nad 7000 alebo 8000 ot./min. Motory Mazda Wankel v automobilových závodoch sú prevádzkované nad 10 000 ot./min. V lietadlách sa používajú konzervatívne, až do 6500 alebo 7500 otáčok za minútu, ale keďže tlak plynu sa podieľa na účinnosti tesnenia, môže motor s Wankelovým motorom pri vysokých otáčkach za podmienok bez zaťaženia motor zničiť.

Národné agentúry, ktoré zdaňujú automobily podľa posunovacích a regulačných orgánov v automobilových závodoch, rôzne považujú Wankelov motor za ekvivalent štvortaktného piestového motora s až dvojnásobným zdvihom oproti jednej komore na rotor, hoci na každý rotor existujú tri laloky (pretože rotor dokončuje iba jednu tretinu otáčania na jednu otáčku výstupného hriadeľa, takže na jednu prácu na výstupnú otáčku dôjde iba k jednému silovému zdvihu, ďalšie dva laloky súčasne vysúvajú vyhorený náboj a prijímajú nový, skôr než prispievajú výkon tejto revolúcie). Niektoré závodné série úplne zakázali Wankel spolu so všetkými ostatnými alternatívami k tradičnému štvortaktnému dizajnu s piestovými piestami.

Iné projekty

• Commons ponúka multimediálne súbory na tému Wankelov motor

Externé odkazy

• História Wenkelovho motora

Zdroj

Tento článok je čiastočný alebo úplný preklad článkov Wankel engine na anglickej Wikipédii a Wankelův motor na českej Wikipédii.