Wankelův motor
Wankelův motor je spalovací motor s rotačním pístem založený na principu rozpínání plynů. Byl vyvinut pod vedením Felixe Wankela.
Princip
Od začátku 20. století se objevují pokusy využívat rozpínání plynů mechanizmem, který by zaujímal menší prostor než mechanizmus s ojnicí a klikou a který by bylo možno zcela vyvážit. Tyto stroje jsou založeny na tom, že otáčející se díly jsou uspořádány tak, aby plynulé a cyklické zvětšování a zmenšování prostoru mezi válcem a pístem bylo vyvoláno výhradně částmi, jejichž těžiště se rovnoměrně otáčejí, takže jejich odstředivou sílu je možno zcela kompenzovat. Takovéto stroje jsou zahrnuty pod společný název rotační.
Uspořádání
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.
Původní Wankelův návrh předpokládal rotaci pístu i válce různou rychlostí kolem pevných os otáčení. Tak by byly rotující části symetrické a tedy dobře vyvážené. To s sebou ale neslo problémy s rotujícím válcem. Proto bylo později zvoleno řešení, kde rotuje jen píst a jeho střed koná další rotační pohyb. Vyvážení se pak dosáhne konstrukcí motoru se dvěma písty.
Poměry a průměry kružnic
Spojnice koncových bodů jsou nejlépe tvořeny oblouky. Je zřejmé, že opsaná křivka tvoří vnitřní obrys válce, zatímco obloukové spojnice koncových bodů tvoří vnější obrys pístu. 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 píst dva vrcholy a poměr průměrů kružnic činí 2:1. Při třech úsečkách vycházejících z jednoho středu a pootočených vůči sobě o 120 stupňů má píst tři vrcholy a tři jejich spojnice a poměr průměrů kružnic je 3:2, při čtyřech úsečkách pootočených vůči sobě o 90 stupňů má píst 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 pístu došlo ke změně objemu pracovního prostoru z minima na maximum a při následujícím otočení o 90stupňů opět z maxima na minimum. Při jednom otočení pístu o 360 stupňů pak postupně proběhnou nad každým obloukem pístu samostatně všechny čtyři fáze čtyřdobého cyklu.
Křivosti
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.
Použití
Poté, co byl Wankelův motor uveden na veřejnost, zakoupila licenci a zahájila jeho vývoj řada známých světových firem. Motor skutečně splnil všechna očekávání: byl podstatně menší a lehčí než motory stejného výkonu a zejména ho bylo možno dokonale vyvážit. Později se však ukázaly také jeho nedostatky, jako nadměrná spotřeba oleje a zejména již z principu, vinou sedel, vyplývající nevýhodný spalovací prostor a nemožnost většího kompresního poměru.
U Wankelova motoru s pístem 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 pístu a tato úměra je taková, že v úvahu přicházejících velikostí strojů s dvouvrcholovým pístem neunese hřídel větší tlaky na píst než přibližně 1 MPa. Proto nelze s dvouvrcholovým pístem 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 pístem. Druhým z důvodů je, že toto třívrcholové provedení nevyžaduje ventily.
V šedesátých letech minulého století se stal konkurencí klasickým pístovým motorům. Klidný chod a malé celkové rozměry byly příslibem, které stály za trochu vyšší spotřebu benzínu a oleje při cenách ropy před ropnou krizí sedmdesátých let. Wankelův motor má totiž nekompaktní spalovací prostor s velmi špatným poměrem mezi povrchem a objemem. To má za následek ztrátu tepla a zvýšenou spotřebu.
Ekologické hledisko
Čistota výfukových plynů se na přelomu 60. a 70. let minulého století teprve začínala sledovat a byla ještě značně liberální. Navíc nižší spalovací teploty ve Wankelově motoru byly příslibem nižších emisí NOx, které se jinak daly odstranit jen recirkulací výfukových zplodin a tedy snížením výkonu. O karcinogenitě produktů vzniklých spalováním oleje se tehdy ještě nevědělo, a proto byl Wankelův motor příslibem i pro ekology.
Automobilky
Wankelův motor vyvíjelo pro použití ve svých automobilech mnoho automobilek. NSU a Citroen pro jejich výrobu založily i společný podnik pod názvem Comotor v Luxemburku.
Po růstu cen ropy v roce 1973 a zjištění karcinogenity spalovaného oleje pak firmy, které také vsadily na Wankelův motor (NSU a Citroen) krachovaly.
Ve světě si výrobu Wankelova motoru pro automobily udržela japonská Mazda a ruská Lada. Mazda ho používá ve sportovních automobilech (momentálně Mazda RX8) a Lada ve vozidlech ozbrojených složek Ruska. Ve sportovních automobilech vyšší spotřeba nehraje takovou roli a Rusko nemělo nikdy nedostatek ropy.
Karcinogenní emise je v případě Mazdy možné udržet pod požadovanou úrovní danou předpisy díky oxidačním katalyzátorům a v Rusku nejsou tak přísné emisní předpisy.
Galerie Wankelův motor na Wikimedia Commons