Gebrochene Versprechen des Wankelmotors

In der Geschichte der Verbrennungsmotoren gab es viele Entwicklungen, aber nur wenige Umdrehungen. Die Rede von radikal unterschiedlichen Designs führt immer zu einem einzigen Namen – Wankel. Den Wankel-Wankelmotor, der vor allem von Mazda in Automobilen eingesetzt wird, gibt es seit den späten 1950er Jahren. Der Wankelkreisel ist ein Beispiel für ein Design, das auf dem Papier Sinn macht. Allerdings führen praktische Probleme dazu, dass es in der realen Welt schlechter abschneidet.

Felix Wankels Motor entstand im Traum. Darin ist der 17-jährige Felix mit seinem Auto zu einem Konzert unterwegs. Als er ankam, prahlte er vor seinen Freunden damit, dass sein Auto einen neuen Motortyp hatte – halb Turbine, halb Hubkolben. „Es ist meine Erfindung!“ er erzählte es seinen Freunden. Als Wankel aufwachte, widmete er sich dem Bau seines Motors. Obwohl er nie einen offiziellen Abschluss (oder einen Führerschein) erhielt, war Wankel ein begabter Ingenieur.

Die wechselvolle Geschichte des jungen Wankel umfasst die Mitgliedschaft in mehreren antisemitischen Gruppen in den 1920er Jahren. Er war auch an der Gründung der NSDAP beteiligt. Seine widersprüchlichen Ansichten über die Richtung der Partei führten zu seiner Verhaftung im Jahr 1933. Wankel wurde schließlich durch die Aktion Hitlers selbst freigelassen und trat 1940 der SS bei. Am Ende des Krieges verbrachte Wankel wegen seiner Kriegsbeteiligung mehrere Monate in einem französischen Gefängnis.

Die Arbeiten am Motor wurden 1951 mit Unterstützung der NSU Motorenwerke AG wieder aufgenommen. Der erste funktionsfähige Prototyp wurde 1957 hergestellt. Dieser Motor mit der Bezeichnung DKM 54 verfügte über einen Rotor und ein Gehäuse, die sich auf getrennten Achsen drehten. Der Motor erreichte hohe Drehzahlen von bis zu 17.000 U/min. Allerdings war die Wartung ein Problem. Allein für den Austausch der Zündkerzen musste der gesamte Motor zerlegt werden.

Wankel wusste nicht, dass Hanns Dieter Paschke hinzugezogen wurde, um eine vereinfachte Version zu bauen. Sein Prototyp hieß KKM 57P. Dieses viel einfachere Design nutzte ein stationäres Gehäuse. Es gefiel allen außer Wankel, der bemerkte: „Du hast mein Rennpferd in eine Ackerstute verwandelt.“ Das KKM-Design wurde schnell übernommen und lizenziert. Dieser Motor ist die Basis des modernen „Wankel“-Wankelmotors.

Kolbenmotoren, hauptsächlich Otto- und Dieselmotoren, sind derzeit die Könige unter den Verbrennungsmotoren. Kolbenbetriebene Motoren wandeln die hin- und hergehende Energie (die Auf- und Abbewegung der Kolben) in Rotationsenergie um. Wankel ist angesichts all dessen ein Missverständnis. Ein vereinfachter Wankelmotor besteht nur aus zwei beweglichen Teilen: dem Rotor und der Exzenterwelle.

Der Rotor hat die Form eines Dreiecks, aber die Seiten sind nach außen gebogen. Viele Rotoren verwenden auch schalenförmige Flächen, um das Brennkammervolumen zu vergrößern. Der Rotor dreht sich in einem etwa ovalen, epitrochoidenförmigen Gehäuse. Der Rotor dreht sich nicht einfach nur, er kreist auf einer Exzenterwelle, die der Kurbelwelle eines Kolbenmotors ähnelt. Ein am Motorgehäuse montiertes festes Zahnrad kämmt mit einem Zahnkranz am Rotor. Das Getriebe sorgt dafür, dass sich der Rotor bei jeder Umdrehung der Exzenterwelle um eine ⅓ Umdrehung dreht.

Die Spitzen (oder Scheitelpunkte) des Rotors bilden drei Kammern im Gehäuse. Diese Kammern bewegen sich mit der Drehung des Rotors. Kraftstoff und Luft werden durch die Ansaugöffnung angesaugt, gegen die schmale Seite des Gehäuses komprimiert und von den Zündkerzen gezündet. Die expandierenden Gase drücken den Rotor durch den Krafthub, bis die Spitze die Auslassöffnung passiert, wodurch die verbrauchten Gase entweichen können.

Die Animation zeigt den Vorgang für ein Gesicht. Das Geniale am Wankelmotor ist, dass der Prozess für alle drei Flächen parallel abläuft. Tatsächlich hat der Motor den Verbrennungsprozess per Pipeline gesteuert. Man könnte mit Recht sagen, dass ein Wankelmotor mit einem Rotor einem Dreizylinder-Kolbenmotor entspricht.

Für den Wankelmotor gab es zahlreiche Lizenznehmer. Nahezu jeder große Hersteller hat Zeit damit verbracht, das Konzept zu erforschen. GM hat einen Prototyp mit zwei Rotoren erstellt. Rolls Royce hat ein zweistufiges Modell mit Nieder- und Hochdruckrotoren entwickelt. Einige Unternehmen haben den Wankel in Produktion genommen. Curtis Wright baute Flugzeugmotoren, Sachs produzierte kleine luftgekühlte Motoren für alles, von Kettensägen bis zu Schneemobilen. Norton schuf mehrere Motorräder nach diesem Design. Allerdings ist Mazda der einzige große Hersteller, der noch an Wankelmotoren für Autos arbeitet. Die RX-Sportwagenserie ist seit Jahrzehnten ein Synonym für Wankel-Wankelmotoren. Das letzte Modell war der RX-8, dessen Produktion 2011 eingestellt wurde. Mazda hat den Wankel jedoch nicht aufgegeben, und Konzeptautos wie der RX-Vision sind ein Beweis für die kontinuierliche Forschung.

Warum fahren wir nicht alle Autos mit Wankelantrieb? Das Problem liegt in den Fallstricken des Designs.

Kraftstoffverbrauch : Die Brennkammer des Wankels ist lang, dünn und bewegt sich mit dem Rotor. Dies führt zu einer langsamen Kraftstoffverbrennung. Motoren versuchen dem entgegenzuwirken, indem sie Doppelzündkerzen (Vorlauf- und Nachlaufzündkerzen) verwenden. Auch mit den beiden Zündkerzen ist die Verbrennung oft unvollständig, was dazu führt, dass roher Kraftstoff aus der Auslassöffnung austritt. Der kleine 1,3-Liter-Zweirotormotor mit 232 PS im Mazda RX-8 von 2011 hat einen schlechteren Kraftstoffverbrauch (16 Städte / 23 Autobahnen) als der 6,2-Liter-V8-Motor mit 455 PS, der in der Corvette Stingray von 2015 (17 Städte / 29 Autobahnen) verwendet wird.

Emissionen : Der unverbrannte Kraftstoff führt zusammen mit dem verbrannten Öl (unten beschrieben) zu schrecklichen Emissionen von Wankelmotoren. Die Emissionsprobleme sind einer von mehreren Gründen, warum der RX-8 aus der Produktion genommen wurde.

Abdichtung : Rotoren verwenden Dichtungen an den Stirnflächen, Dichtungen um den zentralen Anschluss und vor allem Apex-Dichtungen. Die Apex-Dichtung sitzt auf der Gehäusewand und dichtet jede der drei vom Rotor gebildeten Kammern ab. Die Apex-Dichtungen sind bei ihrer Bewegung um das Motorgehäuse extremen thermischen und Druckbelastungen ausgesetzt. Defekte Apex-Dichtungen sind die Hauptursache dafür, dass Wankelmotoren zur Überholung ausfallen. YouTube ist übersät mit Videos, die den Rotationsüberholungsprozess zeigen.

Ähnlich wie Kolbenringe müssen diese Dichtungen geschmiert werden. Aufgrund der Konstruktion des Wankelmotors gibt es jedoch keine Möglichkeit, das Öl, das die Dichtungen schmiert, aus dem Brennraum fernzuhalten. Mazda-Motoren verfügen über eine Einspritzpumpe, die kleine Mengen Öl direkt in das Motorgehäuse sowie in den Lufteinlass drückt. Dieses Öl wird schließlich verbrannt, was im Laufe der Lebensdauer der Motoren zu mehr Kohlenstoff und Emissionen führt.

Überholungsintervall : Wankelmotoren halten im Allgemeinen nicht so lange wie Kolbenmotoren. Wie Regular Car Reviews eloquent erklärt, liegt das Hauptproblem bei den Dichtungen. Das Durchsuchen von Mazda- und Rotary-Foren zeigt, dass Menschen zwischen 50.000 und 100.000 Meilen wiederaufgebaut werden. Allerdings ist dies alles mit Vorsicht zu genießen. Der RX-7 und der RX-8 sind schließlich Sportwagen. Während manche Menschen vorsichtig mit ihnen umgehen, fahren viele Menschen diese Autos hart. Auch Aftermarket-Leistungsteile wie Turbolader wirken sich negativ auf die Motorzuverlässigkeit aus.

Die Wankel-Rotary-Geschichte ist nicht ganz düster. Wankelmotoren bieten einige Vorteile. Wie oben erwähnt, erzeugen Wankelmotoren mehr Leistung (wenn auch bei geringerem Drehmoment) als gleichwertige Kolbenmotoren. Sie sind auch kurzfristig zuverlässiger. Da weniger bewegliche Teile vorhanden sind, gibt es einfach weniger Bruchschäden. Wankelmotoren neigen auch dazu, problemlos auszufallen. Bei defekten Apex-Dichtungen verlieren Rotationsmotoren an Leistung, bringen Sie aber trotzdem nach Hause. Kolbenmotoren neigen dazu, katastrophal auszufallen, Löcher in den Motorblock zu blasen und Öl und Teile überall herumzuspritzen. Wankelmotoren machen sich auf der Rennstrecke gut, das heißt, wenn sie erlaubt sind. Viele Rennklassen (insbesondere F1) haben Wankelmotoren verboten. Der bemerkenswerteste unter den zugelassenen Fahrzeugen ist der Mazda 787B, der 1991 das 24-Stunden-Rennen von Le Mans gewann.

Wie sieht die Zukunft des Wankel-Rotationsmotors aus? Höchstwahrscheinlich mehr vom Gleichen. Mazda wird den Motor weiterhin unterstützen und er wird weiterhin in einigen Nischenbereichen eingesetzt. Um alle Probleme zu beheben, die den Wankelmotor bisher zu einer Fußnote in der Geschichte der Verbrennungsmotoren gemacht haben, wären jedoch erhebliche Fortschritte bei den Materialien und der Konstruktion erforderlich.