Wankelův motor

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
schéma Wankelova motoru
1. obvodový sací kanál
2. obvodový výfukový kanál
3. skříň
4. komora
5. ozubení výstředníku
6. píst (rotor) tvaru trojúhelníku
7. vnitřní ozubení pístu (rotoru)
8. výstředník hnaného hřídele
    s trojnásobnými otáčkami pístu
    (rotoru)
9. zapalovací svíčka
běh Wankelova motoru
intake – sání
compression – komprese
ignition – zapálení
exhaust – výfuk
Wankelův motor s bočními sacími a obvodovými výfukovými kanály

Wankelův motor je spalovací motor, ve kterém mění trojboký píst rotací v oválné skříni objem uzavřených komor bez potřeby klikového mechanismu. V komorách probíhá sání, komprese, expanze a výfuk, zatímco hrany pístu otevírají a zavírají sací a výfukové kanály bez potřeby rozvodového zařízení. Motor vynalezl Felix Wankel v roce 1954.

Vývoj[editovat | editovat zdroj]

Od začátku 20. století se objevovaly pokusy využívat rozpínání plynů mechanizmem, který by zaujímal menší prostor než mechanizmus s ojnicí a klikou způsobující neustálé zastavování a zrychlování mařící získanou kinetickou energii a který by bylo možno zcela vyvážit. Tyto stroje jsou založeny na uspořádání otáčejících se dílů tak, aby plynulé a cyklické zvětšování a zmenšování prostoru mezi válcem a rotorem bylo vyvoláno výhradně částmi, jejichž těžiště se rovnoměrně otáčejí, takže jejich odstředivou sílu je možno zcela kompenzovat. Jsou zahrnuty pod společný název rotační a Wankelův motor je jejich jediný zástupce, který se uplatnil a dočkal sériové výroby.

Felix Wankel navrhl otáčení trojbokého pístu (rotoru) i válce (oválné skříně) rozdílnými rychlostmi kolem společné osy. Tak by byly rotující části symetrické, a tedy dobře vyvážené. To ale přineslo problém rotující skříně. Do funkčního prototypu vyvinul Felix Wankel takovýto motor s podporou NSU v roce 1954. Hanns Dieter Paschke z NSU motor přepracoval v roce 1957 do použitelnějšího řešení, kde rotuje jen rotor a výstředník s hnaným hřídelem.[1] V každé ze tří komor se během jedné otáčky rotoru uskuteční pracovní cyklus čtyřdobého spalovacího motoru s přímočarým vratným pohybem pístu. Během jedné otáčky rotoru se tak uskuteční tři pracovní cykly. Pro převodový poměr mezi rotorem a výstupním hřídelem 3 : 1 se hřídel otáčí třikrát rychleji. Za jednu otáčku výstupního hřídele Wankelova motoru se tedy uskuteční jeden cyklus jako zdvihový objem za jednu otáčku dvouválcového čtyřdobého motoru. Proto se celkový objem komor Wankelova motoru přepočítává na porovnatelný zdvihový objem dvojnásobně. Vyvážení se dosáhne konstrukcí se dvěma rotory.

Po představení Wankelu zahájila jeho licenční vývoj většina známých výrobců motorů nebo automobilů jako Curtiss-Wright, Alfa Romeo, Daimler-Benz, GM, Mazda, Nissan, Porsche nebo Rolls-Royce. Odborníky byl považován za motor budoucnosti. Při stejném výkonu se dá vyrábět úsporněji, je kompaktnější a váží přibližně o třetinu méně. Rotující části lze téměř dokonale vyvážit, což přispívá k mimořádně hladkému chodu a minimálnímu hluku.

Postupem vývoje se projevily nedostatky. Oproti prvotnímu návrhu Felixe Wankela se v používaných Wankelových motorech mění úhly radiálních těsnících lišt mezi rotorem a skříní. Různá rychlost těsnicích lišt po délce rotoru proti skříni, zejména v hranách a rozích i axiálně na čelech, příliš tepelně zatěžuje především jejich malé listové pružiny, přehřáté nadměrně opotřebovává a snižuje životnost. Lišty s mazivem ze směsi benzínu a motorového oleje potom ztrácí těsnost a motor kompresní tlaky. Pro zajištění spolehlivosti se lišty s pružinami musí pravidelně měnit. Motor se navíc v provozu chová jinak než na zkušebně pod trvalým zatížením. Při krátkodobém provozu olej zanese speciální zapalovací svíčky, které vytváří jiskru mezi elektrodou a stěnou skříně. Wankelův motor má prakticky nevysoký dosažitelný kompresní poměr a nevhodně plochý tvar spalovacího prostoru, který zabraňuje jakémukoli víření nebo převalování směsi. S poměrně rozsáhlým povrchem v podobě dlouhého sedla snižuje tepelnou účinnost. Zahřívá trojboký píst, který je třeba chladit. Příliš tepla se musí odvést i chlazením oválné skříně. Vyšší účinnost mechanická z nezastavování pístu a nižší třecí ztráty mnohem menšího počtu pohyblivých částí tepelné ztráty nevyváží. K nadměrné spotřebě oleje se tak přidává i vyšší spotřeba paliva.

Komory nad pístem neustále mění svůj tvar, nejen objem. Když zapalovací svíčka zapálí směs, spalovací komora má tvar podobný velmi plochému písmenu "B" a zúžení ve středu brání rovnoměrnému šíření plamene – mnoho Wankelových motorů proto používá dvou svíček na rotor. Zadní část spalovací komory má tendenci hromadit nespálenou směs a vytvářet velmi bohatou směs, která občas vzplane, což vyvolá nerovnoměrný chod motoru při mírném zatížení nebo řazení (podobné čtyřtaktování dvoudobých motorů) a způsobí poškrábání skříně nepřispívající těsnosti lišt. Lze ji omezit vrstveným plněním bočním sacím kanálem, který přivádí směs pouze do přední části komory, ovšem za cenu nižšího výkonu. Boční výfukový kanál stejně tak mírně prodlužuje expanzi a prospívá částečnému zatížení při nižších otáčkách.

Točivý moment Wankelova motoru je lineární a ve spodních otáčkách příliš nízký. Snadno se vytáčí, bez omezovače až k destrukčním otáčkám. Má vysoký bublavý zvuk, cosi mezi dvoudobým motorem a turbínou.

Ekologické hledisko[editovat | editovat zdroj]

Čistota výfukových plynů se na přelomu 60. a 70. let 20. století začínala teprve sledovat a byla liberální. Nižší spalovací teploty ve Wankelově motoru byly navíc příslibem nižších emisí NOx odstranitelných jinak jen recirkulací výfukových zplodin, a tedy snížením výkonu. O karcinogenitě produktů nedokonalého spalování oleje se ještě mnoho nevědělo. Koncem šedesátých let 20. století se tak Wankel stal vítanou konkurencí pístovým motorům také pro ekology i při jeho vyšší spotřebě. Karcinogenní emise bylo možné udržet pod úrovní požadovanou pozdějšími předpisy oxidačními katalyzátory zvyšujícími spotřebu, což při cenách ropy před palivovou krizí 70. let 20. století tak nevadilo.

Pohon dopravních prostředků[editovat | editovat zdroj]

Skútry[editovat | editovat zdroj]

Vůbec první velkosériově vyráběný Wankel poháněl malinké vodní skútry Ski-Craft zkonstruované pro tah vodních lyžařů. Vyráběly se v letech 1962–1968 s Wankelem NSU o celkovém objemu komor 150 cm³ (porovnatelný zdvihový objem 300 cm³). Velký úspěch zaznamenal Wankelův motor na sněžných skútrech. Zatímco motor s přímočarým vratným pohybem při poruše přestane fungovat, Wankel sníží výkon, ale nepřestane se otáčet. Nenechá tak uživatele v často bezvýchodné situaci v zimě. K pohonu sněžných skútrů sloužily Wankely odborníka na maloobjemové vzduchem chlazené dvoudobé jednoválce Fichtel & Sachs.

Automobily[editovat | editovat zdroj]

První sériový vůz s motorem Wankel byl spyder NSU Spider s motorem objemu komor 497,5 cm³, kterého se v letech 1964–1967 vyrobilo 2 375. V roce 1967 se začalo vyrábět kupé Mazda Cosmo Sport s motorem objemu komor 2 x 491 cm³ (první série z let 1967–1968 vyrobena v počtu 343 kusů, druhá série let 1968–1972 v 833 kusech) a sedan vyšší střední třídy NSU Ro 80 s motorem objemu komor 2 x 497,5 cm³ (porovnatelný zdvihový objem 1990 cm³), vyhlášený Evropským autem roku. I díky sériovému použití automatické spojky a měniče točivého momentu, který byl ale pro nerovnoměrný chod motoru nutný. V letech 1969–1971 vzniklo 267 kupé Citroën M35.

NSU a Citroën založily v Lucemburku na výrobu Wankelů veliký společný podnik Comotor s novými, nestandardními a nákladnými obráběcími technologiemi oválných ploch. Spíše menší NSU finančně vyčerpaly i časté záruční opravy plně nevyvinutých rotačních motorů s nízkou životností. V roce 1969 ji převzal koncern VW. Odolnější těsnící lišty s pružinami z karbidu titanu nebo dvě zapalovací svíčky na jeden rotor zavedla pozdě. Výroba Ro 80 skončila po 37 204 vozech v roce 1977 bez náhrady. Mazda, která začala vyrábět osobní automobily teprve rok před tím, než v roce 1961 dosáhla licenční dohody na Wankelův motor s NSU, je dokázala obrábět běžnými postupy. Její lišty s pružinami ze slinutého grafitu a hliníku netrpěly tak nízkou životností. Sání z boků skříně nepřekrývalo tolik výfuk, čímž se zlepšil výkon, průběh točivého momentu a mírně snížila spotřeba. V roce 1970 už Mazda vyrobila svůj stotisící vůz s Wankelem. Za vrcholu v roce 1973, kdy Wankel poháněl každý druhý prodávaný vůz Mazda, už půl miliontý. Wankely montovala do různých typů, včetně malých nákladních vozů Titan a odvozených minibusů Parkway. Růst cen benzínu vyvolal pokles prodeje všech Mazd na třetinu, načež Wankely montovala jen do sportovních vozů. Citroën, inovátor od svých počátků, zvolil pro velkosériovou produkci Wankelu sedan střední třídy GS BiRotor. S motorem objemu komor 2 x 497,5 cm³ (porovnatelný zdvihový objem 1990 cm³) byl představen v září 1973. Oproti standadním vozům GS byl o 70% dražší a měl nejvyšší spotřebu paliva ze všech osobních Citroënů –⁠ 16 l/100 km. Od října 1973, kdy ropné embargo zvýšilo ceny benzínu o 400 %, šlo o základní nevýhodu. Po neúspěchu GS BiRotor se do mnohem vhodnějších vozů vyšší střední třídy Citroën CX Wankely sériově ani nemontovaly. Nevyužitá továrna na rotační motory jen přispěla k finanční zátěži Citroënu a převzetí Peugeotem roku 1976. Většinu z 847 vyrobených vozů GS BiRotor Citroën odkoupil zpět pro nákladnost záručních oprav. Současně vzdala vývoj Wankelu většina výrobců, neúspěchy vyvolaly celkový útlum zájmu, i o vyvíjené letecké Wankely Curtiss-Wright.[2] V USA byl útlum zájmu násoben uplatněním přísných emisních předpisů pro provoz na silnicích.

Výrobu vozů s Wankely zachovala Mazda a přidala se Lada. V roce 1978 Mazda dodala miliontý vůz s Wankelem, po ropné krizi především v sériových sportovních nebo čistě závodních vozech. Při debutu roku 1979 vyhrála dvourotorová Mazda RX-7 třídu upravených vozů GT 24 hodin Daytony v USA. Nepřerušeně v letech 1980–1987 vyhrála třírotorová Mazda RX-7 americký šampionát jezdců GT. Největším úspěchem bylo překvapivé vítězství čtyřrotorové Mazdy 787B se třemi svíčkami na rotor a obvodovými sacími a výfukovými kanály pro maximalizaci výkonu ve vytrvalostním závodě 24 hodin Le Mans roku 1991. Lada vyráběla Wankel od návštěvy svých techniků v továrně Mazda. Používala ho také v rychlých vozech, ale ozbrojených složek na bázi typů VAZ 2105 a VAZ 2107, do nichž montovala jednorotorové Wankely VAZ-311 a dvourotorové VAZ-411, VAZ-4132 a VAZ-413X. Za dob Sovětského svazu s omezeným parkem osobních vozidel byla zástavba Wankelu do běžných vozů efektivním řešením dosažení nezbytně vyšší maximální rychlosti. Jak vyšším výkonem, tak nižší hmotností motoru snižující celkovou hmotnost a zlepšující dynamické parametry vozu. S koncem Sovětského svazu Lada montovala Wankel i do civilních vozů. Vyšší spotřeba u sportovních automobilů tolik nevadí a Rusko nikdy nemělo nedostatek ropy.

Ani Mazdě se nepodařilo zvýšit životnost Wankelů na žádoucí úroveň. U posledních s těsnícími lištami z litiny, jejíž složení je podnikovým tajemstvím, se odhaduje na 60 000 km. U řidičů šetřících sportovní motor maximálně na 120 000 km. Pak je nutná výměna motoru nebo generální oprava, která vyjde na 75 % ceny nového motoru.[3] Poslední sériový Wankel Mazda obětovává životnost nutnosti snížit spotřebu paliva a emise.[4] Životnost posledních Wankelů Lada se má pohybovat okolo 100 000 km.[5] Mazda přestala vyrábět poslední model s Wankelem RX-8 koncem června 2012. Má dva předkatalyzátory a koncový katalyzátor, jejichž výměna je složitá a nákladná. Celkově Mazda vyrobila přibližně dva miliony Wankelových motorů. Vývojově pracuje i na verzích s alternativními palivy, např. vodíkem nebo čtyřmi svíčkami na rotor. Dle vyjádření z konce roku 2014 už do budoucna nepočítala s výrobou typu s tímto motorem.[6] Pokrok v moderních technologiích jako 3D tisk tavením kovových prášků laserovým paprskem a spékání ve vrstvě na vrstvu přinesl po dvou letech radikální změnu plánu.[7] Ve vývoji Mazda pokračuje a na jaře 2016 přihlásila inovovaný Wankel do patentového řízení.[8] V nové generaci jeho problémy eliminovala a má běžet spolehlivě a relativně efektivně ve vývojovém středisku. Zda se vůbec vyplatí výroba jím poháněného vozu při špatné pověsti Wankelu v době zakazování spalovacích motorů je ovšem věc podstatnější. Mazda připravuje použití Wankelu pracujícího za neměnných otáček jako prodlužovače dojezdu elektromobilů.[9] Hlavně pro severoamerický trh s mnohem většími vzdálenostmi, kde je průměrná vzdálenost denního dojíždění větší. Při takovém použití je čistý elektromobil nedostatečný.[10]

Motocykly[editovat | editovat zdroj]

Vyvážený běh, nižší hmotnost i rozměry Wankelu se hodí také motocyklům. Mnoho výrobců zkoušelo jejich použití, problémy Wankelů ale vývoj většinou ukončily. Sériově se vyrobilo a prodalo velmi málo takových motocyklů. První s označením W 2000 vyrobila v letech 1974–1977 německá továrna Hercules v počtu 1784. Poháněl ho vzduchem chlazený Wankel továrny Fichtel & Sachs s objemem komory 200 cm³ (porovnatelný zdvihový objem 400 cm³).[11] Měl klidný běh, byl ale drahý, nepříliš výkonný, žíznivý a generoval příliš tepla u nohou jezdce. Suzuki v letech 1975–76 vyráběl motocykl RE-5 s Wankelem z NSU Spider. Byl drahý, mechanicky složitý a těžký, vzniklo jich asi 6300. Holandské motocykly Van Veen OCR 1000 z let 1978–1981 poháněly přebytečné Wankely Comotor z NSU Ro 80 a Citroënu GS Birotor. Měly velkou hmotnost, špatné jízdní vlastnosti a vysokou cenu. Vzniklo jich jen 38. Poslední motocykly s Wankelem vyráběl sériově po dlouhém vývoji Norton, který získal výrobní zařízení Hercules W 2000. V letech 1984-89 vzniklo cca 350 motocyklů Norton Interpol 2 sloužících britským policiím a 100 civilních Classic. V roce 1990 a 1991 ještě 140 motocyklů Norton F1 upomínající na vítězství závodního Norton RCW588 s Wankelem v britském šampionátu motocyklů Formule 1 roku 1989. A 66 kusů F1 Sports s menším kapotováním pro lepší plnění motoru motocyklu za platnosti přísnějších emisních norem, než prastarý výrobce zkrachoval.

Letectví[editovat | editovat zdroj]

Upravené Wankely Mazda pohání lehká letadla. Wankely Rotapower pohání létající automobil Moller Skycar M400. Wankely Fichtel & Sachs slouží jako pomocné pohony některých větroňů. Z Wankelů byly vyvinuty i motory pohánějící moderní drony.

Další použití[editovat | editovat zdroj]

Miliony Wankelů Fichtel & Sachs sloužily velmi spolehlivě při rovnoměrných otáčkách v řadě malých aplikací jako pohon čerpadel na vodu, sekaček na trávu nebo řetězových motorových pil.

U velkých aplikací se Wankelovy motory používaly tam, kde nevadila vyšší spotřeba a nižší životnost, jako pohon závodních motorových člunů. Nebo kde nevadily stabilní otáčky a nižší výkon zvyšující životnost, jako pohon kompresorů plynovodů, které poskytovaly levné palivo.[12]

Další využití Wankelova principu[editovat | editovat zdroj]

Dnes můžeme na aplikaci Wankelova principu narazit v mnoha vozech, kde ale není využíván jako motor spalovací, ale slouží v kompaktní velikosti pro rychlou přeměnu chemicky vyvinutého objemu plynů po detekci nárazu na rotační pohyb využitý k napnutí bezpečnostního pásu pro snížení následků nehody. Wankel je využíván i jako kompresor v klimatizačních zařízeních.

Geometrie Wankelova motoru[editovat | editovat zdroj]

V principu je Wankelovo uspořádání rotačního stroje založeno na tom, že úsečky, vycházející ze středu kružnice a s ní pevně spojené, při odvalování této kružnice po menší, v ní ležící kružnici, opisují svými vnějšími koncovými body shodnou křivku, zvanou epitrochoida, přičemž spojnice těchto koncových bodů úseček se plynule a cyklicky přibližují a vzdalují vůči opsané křivce a tak spolu s obloukem opsané křivky, ležícím mezi koncovými body úseček, vymezují plochu s měnící se velikostí.

Poměry a průměry kružnic[editovat | editovat zdroj]

Spojnice koncových bodů jsou nejlépe tvořeny oblouky. Je zřejmé, že opsaná křivka tvoří vnitřní obrys válce, zatímco obloukové spojnice koncových bodů tvoří vnější obrys rotoru. Větší, vnější kružnice je pak tvořena roztečnou kružnici kola s vnitřním ozubením a menší, vnitřní kružnice je tvořena roztečnou kružnici kola s vnějším ozubením. Jsou-li úsečky dvě a uspořádány na jedné přímce, pak má rotor dva vrcholy a poměr průměrů kružnic činí 2:1. Při třech úsečkách vycházejících z jednoho středu a pootočených vůči sobě o 120 stupňů má rotor tři vrcholy a tři jejich spojnice a poměr průměrů kružnic je 3:2, při čtyřech úsečkách pootočených vůči sobě o 90 stupňů má rotor čtyři vrcholy a čtyři spojnice a poměr průměrů kružnic je 4:3 atd. V průběhu vývoje se motor Wankel ustálil na provedení se třemi vrcholy s poměrem průměrů 3:2. Toto uspořádání umožňuje, aby vždy během 90 stupňů otočení rotoru došlo ke změně objemu pracovního prostoru z minima na maximum a při následujícím otočení o 90 stupňů opět z maxima na minimum. Při jednom otočení rotoru o 360 stupňů pak postupně proběhnou nad každým obloukem rotoru samostatně všechny čtyři fáze čtyřdobého cyklu.

Křivosti[editovat | editovat zdroj]

Z kinematického principu Wankelova stroje vyplývá, že opsaná křivka má v každém bodě jinou hodnotu křivosti, plynule přecházející nejdříve uvnitř křivky od maxima křivosti do limity s nulovou křivostí a v tomto bodě pak skokem do limity s nulovou křivostí na vnější straně křivky. Na této vnější straně křivky se zase plynule zvětšuje do druhého maxima křivosti a pak opět klesá k limitě v dalším bodě, kde se stejně skokem vrací dovnitř křivky. Tím křivka vytváří nejméně jedno sedlo směřující dovnitř opsané křivky. Stroj s poměrem kružnic 2 : 1 má jedno sedlo, stroj s poměrem kružnic 3 : 2 má čtyři sedla atd. Oblouky spojující koncové body úseček musí být proto vedeny tak, aby v žádné poloze úseček neprotínaly opsanou křivku v místě sedla a proto i při poloze, kdy obloukové spojnice jsou opsané křivce nejblíže, zůstávají po obou stranách sedla prázdné plochy.

U Wankelova motoru s rotorem se dvěma vrcholy lze za určitých okolností dosáhnout toho, že střed křivosti zůstává uvnitř křivky a netvoří se tak popsané sedlo, takže je možno vytvořit dobrý spalovací prostor i žádoucí kompresní poměr. Avšak z principu pohybu je u Wanklových strojů průměr hřídele, procházejícího kolem s vnějším ozubením, přímo úměrný vzdálenosti mezi vrcholy rotoru a tato úměra je taková, že v úvahu přicházejících velikostí strojů s dvouvrcholovým rotorem neunese hřídel větší tlaky na rotor, než přibližně 1 MPa. Proto nelze s dvouvrcholovým rotorem vytvořit potřebný spalovací motor nebo kompresor. Toto je jedním z důvodů, proč se tvůrci Wankelova motoru, po prvních pokusech, soustředili jen na provedení s třívrcholovým rotorem. Druhým z důvodů je, že toto třívrcholové provedení nevyžaduje ventily.

Odkazy[editovat | editovat zdroj]

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. SPALOVACÍ MOTOR S KROUŽIVÝM PÍSTEM - školní plakát [online]. [cit. 2022-11-02]. Dostupné online. 
  2. Americký Wankel. časopis Automobil [online]. Ministerstvo všeobecného strojírenství, leden 1968 [cit. 2020-06-17]. Dostupné online. 
  3. VELECKÝ, Martin. Těchto 20 motorů obejděte v bazaru širokým obloukem [online]. autorevue.cz, 1. 9. 2014. Dostupné online. 
  4. Motor Mazdy RX-8 v porovnání s RX-7 neobstojí. Jak to?. auto.cz [online]. [cit. 2022-09-20]. Dostupné online. 
  5. LIPAVSKÝ, Václav. Ing. [online]. Bratislava: Pravda.sk, 29.04.2010. Dostupné online. 
  6. http://www.autoforum.cz/predstaveni/zadna-nova-mazda-rx-s-wankelem-uz-nebude-oznamil-sef-znacky/ [online]. 
  7. mazda-rx-9-skutecne-miri-do-tokia-dostane-pry-wankel-budoucnosti [online]. [cit. 2015-10-20]. Dostupné online. 
  8. www.yahoo.com [online]. www.yahoo.com [cit. 2016-04-06]. Dostupné online. 
  9. Mazda bude dobíjet elektromobil Wankelem. Prototyp jezdí hladce. iDNES.cz [online]. 2019-09-09 [cit. 2020-06-17]. Dostupné online. 
  10. ŽÁK, Dalibor. Sportovní Mazda s motorem Wankel? Problémem není technologie, ale byznys [online]. 2017-10-17 [cit. 2021-11-03]. Dostupné online. 
  11. RUCKA. Motor Journal 2017/03. Motor Journal [online]. 2017-03-03 [cit. 2022-11-19]. Dostupné online. 
  12. Wankelův rotační motor: Nepoháněl pouze Mazdy. Kde všude se objevil?. auto.cz [online]. [cit. 2021-11-06]. Dostupné online. 

Související články[editovat | editovat zdroj]

Externí odkazy[editovat | editovat zdroj]