De Wankelmotor: 2016

maandag 21 maart 2016

Inhoud

- Geschiedenis van de Wankelmotor

- Onderdelen

- Principewerking

- Voor en Nadelen Wankelmotor

- Apex afdichting/Nailmarks of the Devil

- Wankel Diesel

-       Mazda

-   Waar is de Wankel

-   Slotwoord

-   Bronvermelding

Geschiedenis van de Wankelmotor

Voor we aankomen bij de wankelmotor ga ik het eerst hebben over de rotatiemotor. Deze is in 1888 uitgevonden. In de Eerste Wereldoorlog werden deze motoren veel toegepast in vliegtuigen. Kenmerkend voor deze motoren was dat de krukas stilstraat en de motor een roterende beweging maakte. Door de arbeidslag wordt de motor in een roterende baan gehouden en schuiven de cilinders over de zuigers. Door de grote bewegende massa kon dit type rotatiemotor niet snel reageren op plotselinge schommelingen in toerental. Ook werd door de trillingen het vliegtuig moeilijk bestuurbaar. Na de Eerste Wereldoorlog werd er gebruik gemaakt van een stermotor (afbeelding links) deze was al in 1887 uitgevonden, in beide gevallen zijn de cilinders rondom in een cirkel om de krukas geplaatst. Bij de stermotor is de krukas niet in het midden geplaatst om te zorgen dat deze roteert. Dit zorgt ervoor dat de zuigers zich door de cilinder bewegen. Om het onbalans op te heffen wordt er een contragewicht geplaatst aan de krukas. Deze motoren waren hierom een stuk stabieler dus besloot Felix Millet als eerste voor commercieel gebruik een stermotor in het achterwiel van zijn fiets te monteren. Verder kwamen er nog nauwelijks voertuigen voor die gebruik maakte van de stermotor doordat deze moeilijk te koelen was. Brandstof kwam via de inlaatklep naar binnen en ging via de uitlaatklep naar buiten, zoals we dat bij normale 4-takt-motoren ook kennen. (bij vliegtuigen geen probleem door roterende propeller die fungeerde als koelventilator.) Maar door het roteren van het achterwiel werd deze toch genoeg gekoeld. Hij maakte dus een motorfiets. Maar door zijn mislukte ontsteking stokte de bekendheid van Millet en na 1900 hoorde niemand meer wat van hem.

Totdat:

De wankelmotor is vernoemd naar de uitvinder Felix Wankel. Hij was een Duitse technicus geboren in 1902. In 1924 richtte Wankel zij eigen laboratorium op om zich bezig te houden met onderzoeken en ontwikkeling van de rotatiemotor en ontwikkelde hij de wankelmotor. Zijn doel was het oude model rotatiemotor te verbeteren naar een meer efficiënte en betrouwbaardere motor. Uiteindelijk kwam hij met een zuigerloze motor met een inwendige verbranding en één rotor.

Tijdens de Tweede Wereldoorlog steunde hij de Duitse luchtmacht en geloofde hij dat de wankelmotor zou leiden tot industriële grootheid. Na de oorlog wilde hij de wankelmotor gebruiken voor commerciële voertuigen zodat iedereen kennis zou maken met de wankelmotor.

Later werkte hij bij het in 1873 opgerichte NSU. Dit was een Duitse fabrikant van breimachines. Later Fabriceerde zei ook auto’s en motorfietsen en waren ze een bekende naam in de motorsport. De NSU werd 1969 overgenomen door Volkswagen en in 1985 omgedoopt naar het merk wat we nu kennen als Audi. Deze geeft echter de wankelmotor in 1977 op.

Felix begon in 1951 zijn carrière bij NSU en ontwikkelde daar zijn eerste DKM54 Drehkolbenmotor die in 1957 21pk opleverde. Dit was de roterende wankelmotor.

Maar de wankelmotor die we nu kennen had meer gelijkenissen met de tweede uitvoering wankelmotor die was uitgevonden door zijn compagnon bij de NSU, Hanns Dieter Paschke. Dit was de KKM57 Kreiskolbenmotor (cirkelzuiger) uit 1957.

Door de samenwerking van NSU met een Amerikaans bedrijf ondertekende namen als Alfa Romeo, American Motors, Citroën, Ford, General Motors, Mazda, Mercedes-Benz, Nissan, Porsche, Rolls-Royce, Suzuki en Toyota een licentieovereenkomst voor de ontwikkelingen van de wankelmotor. Maar ook John Deere begon zijn interesse te tonen in deze ontwikkelingen en ontwierp een wankelmotor die op verschillende brandstoffen kon lopen zonder iets aan de motor aan te passen. Dit was dus ook een grote doorbraak opnieuw voor legervoertuigen en de luchtvaart en landbouw. In 1967 verscheen Mazda met de eerste auto aangedreven door een Wankelmotor, de Mazda Cosmo.

Het grote verschil tussen deze twee motoren was dat bij de DKM de rotor en behuizing draaien op een afzonderlijke as. Bij deze uitvoering heft de ene as het onbalans op van de andere as. De Buitenrotor zorgt bij dit model voor de krachtoverbrenging, de binnen-rotor wordt alleen maar gebruikt voor de gaswisseling in de rotatieruimte. Alle delen bewegen om hun zwaartepunt.

Helaas kon ik niet meer vinden over hoe deze bewegingen in zijn werk gingen. De DKM had ook meer onderdelen en zat zo complex in elkaar dat bij het verwisselen van de bougies de complete motor uit elkaar geschroefd moest worden, terwijl de behuizing bij de KKM statisch was en ook het ontwerp was eenvoudiger. Deze had een excentrische as wat zorgde voor een groot onbalans dat opgeheven werd door contragewichten. De roterende zuiger had zowel de taak als vermogen opbrengen als de gaswisseling regelen.

Onderdelen

- Middelste behuizingplaat met koelkanalen en inlaat

- 8 Vormig rotorhuis met uitlaatkanaal daar tegenover de gaten voor de bougies opnieuw met koelkanalen

- Hierdoorheen is de excentrische as geplaatst met de rotorgeleiders

- De driehoekvormige rotor met ontstekingskamers/inkepingen en afdichting op de uiteindes (apex afdichting) en rotortandwiel

- Buitenste behuizing Met opnieuw koelkanalen

- Tandwielen 3:1 verhouding

Principewerking Wankelmotor

De principewerking berust op het principe van centrifugaalkracht en Verplaatsing van verbrandingsgassen. Ik ga het hebben over de 4 fase wankelmotor.

Het rotorhuis heeft een trochoïde* vorm. Hierom is het rotorhuis 8-vormig. Door hierin een rotor over een excentrische as te laten draaien creëer je 3 verschillende ruimtes waarin de vier verschillende ontstekingsfase zich afspelen. Dit is weer mogelijk doordat deze ruimtes zichzelf comprimeren en expanderen door het gebruik van een driehoekige rotor met ontstekingsinkepingen.

Wanneer de inlaatslag aan de beurt is expandeert de ruimte bij de inlaat. Doordat de uiteinden van de driehoekige rotor een afdichting vormen tegen de wand van het rotorhuis wordt het mengsel meegevoerd en samengeperst tegen de wand. Dit is te vergelijken met de compressieslag. Wanneer het mengsel gecomprimeerd is vindt de ontsteking plaats door twee bougies die aan de andere kant dan de inlaatruimte zijn geplaatst. Door de explosie wordt de rotor verder in zijn baan geslagen, en centrifugaalkracht zorgt dat bijna alle kracht behouden blijft, dus weinig mechanische verliezen. Ook worden door deze explosie de verbrandingsgassen naar de uitlaat geduwd.

*Trochoïde: Een trochoïde is de kromme die wordt beschreven door een punt P dat zich op een bepaalde afstand a van het middelpunt van een cirkel met straal r bevindt, wanneer die cirkel rolt over een kromme k, zodat een golfpatroon ontstaat.

De as heeft een tandwiel, maar ook de rotor heeft een tandwiel. Doordat het tandwiel van de rotor meer tanden heeft dan het tandwiel van de excentrische as ontstaat er een verhouding van 3 staat tot 1. Wanneer de excentrische as 360° verdraait de rotor 120°. Dit betekend dat deze motor heel hoge toeren kan bereiken. Wanneer de motor dus 9000 toeren draait, draait de rotor slechts 3000 toeren.

Dit betekend dat de wankelmotor een stuk stiller en betrouwbaarder is dan een reguliere verbrandingsmotor en ook veel efficiënter zijn vermogen gebruikt.

Vooral als je bedenkt dat een zuiger drie maal op en neer gaat in zijn cilinder en de krukas twee omwentelingen moet maken voor en een volledige arbeidscyclus is voltooid.

Voor en Nadelen

Voordelen: - Compacte bouw

- Weinig bewegende delen, dus weinig mechanische verliezen.

De kleppen zijn weggelaten en vervangen door open poorten. Ook zijn er geen moeilijke tandwielcombinaties of verschillende zuigerstangen. De rotor is direct afgestemd op de krukas wat ook weer leidt tot gewichtsbesparing.

- Enorme acceleratie. Doordat de normale lineaire beweging van de motor, wat gepaard gaat met versnelling en vertraging, nu wordt vervangen door een roterende beweging kan deze motor veel meer vermogen leveren. Dit is ook mogelijk door de tandwielverhouding van 3:1.

Andere voordelen van deze roterende beweging zijn dat de energiedoorstroming beter is en de motor minder trillingen produceert.

- Lage productiekosten, ook door het eenvoudige ontwerp en het laag aantal onderdelen.

- Trillingsarm doordat de ontbrandingsenergie direct wordt omgezet in een roterende beweging

- Doordat de rotor van ijzer is gemaakt en de behuizing van aluminium zal de behuizing eerder uitzetten dan de rotor. Dit om te voorkomen dat de motor bij oververhitting vastloopt zoals bij een reguliere lijnmotor. Dit vooral om meer veiligheid te waarborgen in de luchtvaart.

- Door de vorm van de ontbrandingsruimte kon er een brandstof met een zeer laag octaangetal worden gebruikt omdat zogenoemde hot-spots niet konden ontstaan.

Nadelen: - Hoog olieverbruik en hoog brandstofverbruik dit door de vorm van de

wankelmotor en de bewegende afdichting die gedurende verschillende temperatuurschommelingen constant moeten afdichten. Ook de afdichting tussen de rotorlagen was niet stabiel.

- Veel warmteverliezen door ongunstige vorm van trommel

- Sterke vervuiling van ontsteking door inlaat van olie in verbrandingsruimte ook veroorzaakt door lekke afdichtingen

- Kortere tijd om brandstof in te spuiten door vorm. Er is geen BDP of ODP die een vertraging van de rotor oplevert om meer tijd te creëren om brandstof in te spuiten.

- Er is geen inlaatklep dus er kan geen brandstof klaargezet worden

- Beter geregelde brandstofinjectieregeling nodig

- Meer drukverlies bij een laag toerental in vergelijking met otto-motor

- Grote verbrandingskamer dus lage compressieverhouding veel thermische verliezen

- Onvolledige ontbranding waardoor er een hoge uitstoot is van HC. Dit werd opgelost door het mengsel dusdanig te verrijken tot de hoeveelheid koolwaterstoffen voldoende was om te leiden tot een schonere en meer complete verbranding in een thermische reactor geplaatst in het uitlaatspruitstuk.

- Bij nog hogere toeren vergroot de arbeidkamer zich sneller dan het volume van het ontstoken mengsel. Hierdoor gaat bij sommige toerentallen veel kracht verloren. Ook konden hierdoor door de plaatsing van de inlaat en uitlaatpoort in de wand van het rotorhuis soms een overlapping plaatsvinden.

- De enkel-rotor wankelmotor veroorzaakte veel trillingen in het lage-toerengebied en had te weinig koppel.

Apex afdichting/ Nailmarks of the Devil

Ik ga nog dieper in op het probleem van de afdichting. Dit was namelijk het grootste probleem voor een Wankelmotor. Door thermische veranderingen en trillingen vraten de seals zich in de rotorwand waardoor deze onmogelijk nog kon afdichten. Dit zorgde voor detonatie, hoog olie en een hoog brandstofverbruik. Ook glijden de “seals” veel sneller over de wand van het rotorhuis wat zorgt voor een moeilijke opgave de wand constant gesmeerd te houden.

Wat is een ‘Apex Afdichting”?

De apex afdichting is de afdichting tussen de punten van de Driehoekige rotor en de wand van het rotorhuis. Bij normale lijnmotoren zorgen de zuigerveren voor de afdichting en een olieschraapveer haalt overtollige olie weg. De afdichting van een wankelmotor is zo moeilijk te realiseren omdat het puntje de ene ruimte met de andere direct verbind. Hierdoor wordt de olie vaak verbrandt. Om voor smering te zorgen wordt er een beetje olie bij de inlaat naar binnen gebracht. Dit zorgt ook weer voor een slechte uitlaatgasemissie en een hoog olieverbruik.

Japanse autofabrikant Mazda, die in 1961 een licentieovereenkomst had met NSU, ging aan de slag met het NSU 1-rotor wankelmotor prototype. Zij richtte het RE research team op (rotary engine research) en gingen onderzoeken starten naar het gebruik van 2- 3 en -4- rotor rotatie motoren.

In 1967 brachten zij de Cosmo Sports uit met een 2 rotor-rotatie motor, beiden een inhoud van 491 cc. Deze motor leverde een mooie 110pk. En de problemen met de wankelmotor leken even verdwenen door de ontwikkeling van een Carbon Apex afsluiting en de met Nippon parts ontwikkelde nieuwe oliepakkingen voor tussen de rotorlagen. En een speciale olie.

Deze carbon seals bestonden uit een gietijzeren onderlaag met Carbon afdekkapjes.

Er werd vaak een silicium-aluminium legering gebruikt voor de wand van het rotorhuis of nikkel-siliciumcarbide. De apex afdichting werd (afbeelding hierboven) en gemaakt van gietijzer met een legering.

Dit was alleen niet bestand tegen krachtigere motoren dus werden er Carbon-aluminium kapjes gebruikt.

Toen Mazda verder ging ontwikkelen maakten zij voor raceauto’s een vezel versterkte keramische afdichting. Deze bestonden uit keramisch materiaal versterkt met silicium-carbide vezels. Dit zorgde voor een hoge slijtvastheid en een laag gewicht. Dit maakte de afdichting zeer betrouwbaar maar hier hing wel een hoog kostenplaatje aan.

Maar het lijkt even of de problemen met de wankelmotor zijn opgelost.

Wankel Diesel

In eerste instantie leek een dieselwankel bijna onmogelijk. Door de lange smalle ontstekingskamer waren de warmteverliezen hoog en was er een slechte ontsteking. Ook zorgde de vorm van het rotorhuis ervoor dat er een te lage compressieverhouding mogelijk was voor een dieselmotor.

Rolls Royce kwam met de oplossing:

De oplossing hiervoor was een tweede grotere compressie rotor in serie geplaatst met een kleinere ontstekingsrotor. De Lucht werd bij de onderste rotor met een grotere ruimte via een kanaal naar de kleinere ruimte van de ontstekingsrotor gevoerd. Ook werd er een brandstofinjectiesysteem ingebouwd voor een betere verbranding.

Het doel van Rolls Royce was een zuinigere diesel ervan te maken. Omdat een dieselmotor veel hogere belastingen moet kunnen doorstaan werden de door Mazda ontwikkelde Carbon Apex afdichtingen vervangen door een stalen uitvoering. Om te zorgen voor de constante afdichting zijn er gleuven gemaakt die ervoor zorgen dat in de rotorkamer opgebouwde druk onder de afsluitingen kan zitten en dezen dus tegen de wand van de rotorkamer wan worden gedrukt. Voor het behoud van deze werking bij lage druk in de rotatiekamer hebben de gleuven aan het uiteinde uitsparingen zodat de druk even behouden kan blijven tot deze de lagedruk-ruimte is gepasseerd. Dit systeem zorgt voor een verbruiksvermindering van zo’n 30% in het lagentorengebied.

De eerste dieselwankel-motor was de R1. Deze werd vooral alleen gebruikt voor onderzoek te doen op de wankelmotor om verbeteringen toe te kunnen passen. Dit prototype had zo’n 50,7 PK. De inhoud van de compressiefase bedroeg 1126 cc. De inhoud van de ontstekingsfase bedroeg 500cc.

De R2 bestond uit 3 fase. Deze is ooit gebouwd maar nooit verder onderzocht of gebruikt.

Vervolgens verscheen de R3 met een enkele rotor, inhoud van de ruimte was 1216cc. Deze motor leverde 182,5pk bij een toerental va 4500omw/min.

Het is dus duidelijk dat deze motoren ook veel vermogen konden leveren vooral in verhouding met de massa en de productiekosten. Hierom was de militaire tak ook geïnteresseerd in de dieselwankel.

Dus kwam Rolls Royce met de 2R6 op de markt. Dit was een dubbelzijdige 2-takt dieselwankel-motor met zo’n 355pk bij 4500 toeren. Ontstekingskamer: 1265 cc tegenover een 3250 cc ruimte bij de compressierotor. Deze motor woog echter slechts 425kg. Zeer licht voor een dieselmotor met zulk vermogen uit die tijd.

Mazda

Ik heb het al even kort gehad over de licentieovereenkomst met Mazda en over de dubbel-rotor rotatie motor.

Deze motor kwam op de markt nadat Mazda met hun RE research team aan de slag gingen met het ontwikkelen van een wankelmotor die minder trillingen zal veroorzaken in het lage toerengebied.

Ze wilden een motor met vergelijkbare trillingsfrequentie als een 6cil lijnmotor. Zo vielen deze trillingen bij een acceptabele vergelijkbare waarde.

De allereerste Mazda Wankel was de 40A. Deze had een enkele rotor en werd gebruikt als prototype om verder te kunnen ontwikkelen. De rotordiameter was 9 cm met een 14mm legering. De dikte van de rotor bedroeg 59mm.

Met deze motor onderzocht Mazda de zwakke punten van de wankelmotor.

Het prototype van de beroemde Mazda Cosmo verscheen voor het eerst in 1963. In deze auto lag de twee-rotor wankelmotor. De rotors waren 8 mm groter maar wel 3mm dunner dan de rotor van de 40A.

Tijdens de autoshow in Tokyo in 1963 stond iedereen versteld van de prestaties van de later in 1967 uitgebrachte Cosmo Sport. 185km/u, 2x 491cc en 400 meter in 16,3 seconden waren een topprestatie.

Een jaar later kwam The Familia R100 uit met evenals een topsnelheid van 180km/u en in 1969 behaalde de Familia Coupe een overwinning in de Grand Prix in Singapore.

Opnieuw kwam er een jaar later een nieuw model Mazda uit met een Wankelmotor. De Kaze No Capella had een nieuwe twee-rotor rotatiemotor, de 12A.

De L10A motoren werden tot 1965 ook gebruikt in de eerste serie Cosmo. Deze leverde wel 110pk bij 7000 toeren van de uitgaande as.

Dmv een carburateur wordt er brandstof en lucht naar de verschillende inlaatpoorten gevoerd. Wanneer het toerental lager is wordt slechts een poort per rotor gebruikt. Ook wordt er nog steeds een beetje olie door het inlaatkanaal kanaal gevoerd voor de smering wat blijft zorgen voor een verhoogde uitstoot. Er werd van 1968 tot 1973 zo’n zelfde motor geproduceerd. Er werd hierbij gebruik gemaakt van goedkopere materialen dus nam het gewicht toe wat zorgde voor nog meer slechte uitstoot.

Toen de Japanse overheid in 1968 de milieuwetgeving verscherpte kwam Mazda met de 0866 motor. Dit was de uitvoering met de thermische reactor om de uitstoot van schadelijke stoffen te verminderen. Ook bestond de wand van het rotorhuis nu uit opgespoten staal met een chroom-laag. Deze werd tot 1974 toegepast op de Mazda RX-3.

Als toppunt lanceerde Mazda in 1978 de RX-7. Met aangepaste uitgangspoorten en een thermische reactor in de uitlaat waarin schadelijke stoffen werden afgebroken kon het brandstofverbruik verlaagd worden met wel 20 tot 40%.

Maar wat de Wankel Mazda echt op de kaart zette was de 12A motor. Deze werd van 1970 tot 1985 geproduceerd en in 1974 was de 12A de eerste buiten Europa of Amerika gebouwde motor die de 24-uurs race van Le Mans. Door de versteviging van de wand van het rotorhuis konden de carbon apex afdichtingen weer vervangen worden door stalen uitvoeringen. Vanaf 1980 werd de thermische reactor vervangen door een standaard katalysator.

Vanaf 1982 kreeg de 12A een elektronisch inspuitsysteem. Deze was geplaatst in de RX-7 en had een turbo en was de snelste Japanse productieauto.

13B

Met de 13B motoren vlogen de ontwikkelingen nog verder vooruit. Deze werd 20 jaar lang geproduceerd tot deze in 2002 stopte. De 13B-RESI rotary engine super injection motor had een nieuw Bosch inspuitsysteem. De inlaat was verdeeld in twee trappen voor een lagere uitstoot door betere verbranding en zorgde voor een soepeler verloop bij lage toeren.

Tot 2002 werd de R13-REW motor toegepast in de RX-7 deze was uitgevoerd met twin-turbo’s. een turbo voerde snel de toeren op tot 4500 rpm, de tweede turbo sloeg pas daarna in.

In 2007 verscheen er een nieuwe Mazda Taiki op de autoshow in Japan. Deze directe injectiemotor is hierna alleen nergens meer verschenen.

Waar is de Wankel?

Doordat deze motor al deze tijd nog niet is veranderd in het feit dat de smering zeer moeilijk te verkrijgen is zien we de wankel motor niet veel in de autowereld tegenwoordig. Ook blijven de apex afdichtingen en de wand van het rotorhuis zeer slijtagegevoelig, waardoor de motoren snel inwendige lekkages kunnen krijgen, of om de 50.000 km de seals vervangen en wanden controleren. Ook zijn de milieueisen door de jaren heen zo streng geworden dat het nog maar de vraag is of de wankelmotor door zijn olieverbruik ooit terugkomt.
Mazda is bezig met het verder ontwikkelen van de Waterstof-wankelmotor.

Slotwoord

Door zijn hoge rendement en brandstofefficiëntie lijkt de Wankelmotor op papier een betere motor dan de standaard lijnmotor. Toch blijft de voortbloei van de Wankel steken op het punt van olieverbruik. Wel komen wankelmotoren nog wel eens voor in landbouwvoertuigen.

Ik vond het lastig om diepgaande informatie te vinden over de Wankelmotor. Wel begrijp ik nu goed waarom de Wankelmotor niet dagelijks voorkomt in het straatbeeld en wat de principewerking is van deze motoren. Ik vond het zeer interessant om te lezen over welke ontwikkelingen de motor zoal heeft doorgemaakt en ik heb een diep respect opgebouwd voor Mazda die toen alle anderen de handdoek in de ring wierpen toch een mooie praktische Wankel konden realiseren.