Der Wankelmotor

Allgemeines zum Wankelmotor

Seit mehr als 100 Jahren gibt es Otto- und Diesel-Hubkolbenmotoren, wobei die Kolbenbewegungen am oberen und unteren Endpunkt viel Energie verbrauchen. Felix Wankel wollte weg von dieser Motorenart. Sein Ziel war ein Rotationskolbenmotor.

NSU DKM In seinem eigenen Institut konstruierte Wankel am 13.04.1954 nach zahlreichen Versuchen mit unterschiedlichen Auslegungen den eigentlichen "Wankelmotor". Mit ihm konnte der Förstersohn die NSU-Verantwortlichen überzeugen, endlich Geld in die Entwicklung seines Kreiskolben-Triebwerks zu investieren.

Alle bewegenden Teile eines Drehkolbenmotors drehen sich um einen
festen Punkt. Es dreht sich nicht nur der Drehkolben, Läufer genannt,
sondern auch das Gehäuse. Die Kerzen saßen im Läufer. Das Kraftstoff-
Luft-Gemisch wurde über die Hohlwelle zugeführt. Leider war dieser
komplexe, mit vielen filigranen Dichtteilen aufgebaute Motor nicht
sehr langlebig und schwierig und teuer in Herstellung und Montage. In dieser Form hätte er niemals den Einzug in ein Serienprodukt schaffen können. So bekam Hanns Dieter Paschke den Auftrag, die Idee Wankels in einen günstigeren und einfach in Serie zu bauenden Motor umzuwandeln. Diese keinesfalls triviale Aufgabe gelang Hans Dieter Paschke (nach Ideen von Ernst Höppner), indem er, sehr vereinfacht gesagt, den beim Drehkolbenmotor rotierenden Außenläufer stillsetzte. Der Kreiskolbenmotor war geboren.

Auf der Suche nach Lizenznehmer für den revolutionierenden Motor wurde NSU zuerst mit dem Flugmotorenhersteller Curtiss-Wright einig. Im Laufe der Jahre folgten nahezu alle Großen der Autobranche als Lizenznehmer.

1964 wurde der Einscheiben-Wankel-Spider von NSU vorgestellt. Er wurde in den Jahren 1964 bis 1967 2375 mal gefertigt. Danach kam der NSU Ro 80 mit zwei Scheiben. Fast 37.400 Stück verließen in den Jahren 1967-1977 die NSU-Bänder. Zur gleichen Zeit brachte Mazda, seit 1961 Lizenznehmer, den Cosmo Sport auf den Markt.

Es kam geradezu eine Wankel-Euphorie auf. Mercedes-Benz fuhr mit seinem Flügeltüren-Modell C111 Versuchsreihen. Es war bestückt mit einem Drei- und auch Vierscheiben-Wankelmotor.
Auch Citroën startete mit dem Bi-Rotor-Modell.

 

Wankel DS

 

Etwa 30 Firmen bewarben sich um Lizenzen, aber 22 warfen schon bald wieder das Handtuch. Auch Mercedes, General Motors und Citroën stiegen aus. Nur Mazda produzierte unbeirrt weiter.
Im Laufe der Jahre wurden fast zwei Millionen Autos mit Wankelmotoren verkauft. Nicht die technische Unzulänglichkeit war schließlich schuld am vergessen der Wankel-Idee, sondern der fehlende Mut, diese auch kommerziell durchzusetzen. Eine Umstellung auf die Produktion des neuen Motors hätte große Summen verschlungen.

Nur Mazda gelang es, fast unbemerkt an der Entwicklung des Kreiskolbenmotors weiter zu arbeiten. Heute ist Mazda der einzige Autohersteller, der Serienautomobile mit Wankelmotor baut. Diese Treue könnte sich vielleicht eines Tages noch auszahlen, denn Prof. Franz Pischinger von der TH Aachen hat zusammen mit drei Kollegen bereits 1983 in der Motortechnischen Zeitschrift festgestellt, daß der Wankelmotor "auch zum Antrieb mit Wasserstoff geeignet ist". In einigen Bereichen ist er dem Hubkolbenmotor, den Felix Wankel spöttisch als "Zappelphilipp" bezeichnet hatte, beim Betrieb mit Wasserstoff sogar überlegen.

Prinzip des Kreiskolbenmotors/Wankelmotors

alte Ausführung (2 Zündkerzen pro Scheibe) Die Taktfolge in einem Kreiskolbenmotor (Wankelmotor)

  1. Ansaugen des Kraftstoff-Luft-Gemischs in Kammer A (1.Takt)
  2. Verdichten des Gemischsdurch Verkleinerung der Kammer B (2. Takt)
  3. Zünden des Gemischs mit nach folgender Arbeitsverrichtung und Raumvergrößerung in Kammer B (3.Takt)
  4. Ausstoßen der Abgase aus Kammer C (4.Takt)

 

Prinzip des Kreiskolbenmotors

 

a Kolben, b Innenverzahnung, c Zahnrad, d Gehäuse, e Motorwelle, f Exzenter, g Kolbenmittelpunkt, h Einlaßöffnung, i Auslaßöffnung

 

Antworten auf häufig gestellte Fragen zum Wankelmotor

Was ist der Hauptvorteil des Wankelmotors?

Wankelmotoren haben keine hin- und hergehenden Teile, sondern nur rotierende. Genau genommen sind es beim Drehkolbenmotor nur rotierende Bewegungen, beim Kreiskolbenmotor ist dem eine Planetenbewegung überlagert. Daher absolute Laufruhe, keinerlei Vibrationen und Potential für hohe Drehzahlen. Alle heutigen Wankelmotoren arbeiten nach dem Kreiskolbenprinzip (feststehendes Gehäuse, rotierender Kolben und rotierende Exzenterwelle; beim Drehkolbenmotor rotieren sowohl Gehäuse als auch Kolben um verschiedene Drehpunkte).

Warum hat sich der Wankelmotor nicht auf breiter Front durchgesetzt?

Der spezifische Kraftstoffverbrauch ist prinzipbedingt in allen heute bekannten Ausführungen höher als beim Hubkolbenmotor. Durch den ungünstigen sichelförmigen Verbrennungsraum ist das Verhältnis der Oberfläche zum Volumen des Brennraumes groß, während ein kleines Verhältnis die bessere Energieausbeute ergibt. Populär ausgedrückt: An den Wänden und in den Ecken des Wankel-Brennraumes können sich Kraftstoffteilchen verstecken, die nicht an der Verbrennung teilnehmen und daher ungenutzt durch den Auspuff hinausgehen. Vergleiche dazu den kompakten Brennraum des Hubkolbenmotors, der nahezu halbkugelförmig gestaltet werden kann.

Kann man den Wankelmotor als Dieselmotor laufen lassen?

Man kann einen Wankelmotor als Diesel laufen lassen, dabei müssen aber einige Auslegungsparameter anders als beim Benzin-Motor gewählt werden. Außerdem treten neue diesel-spezifische Probleme auf, die aber prinzipiell überwindbar sind.
Das Hauptmanko eines Wankeldiesels war der Umstand, dass er bisher nicht auf dem gleichen Grundmotor wie die Benzinausführung basieren konnte. Bei Benzin-Wankelmotoren hat sich eine geometrische Auslegung mit einem K-Faktor¹ von ca. 7 als ideal erwiesen. Mit diesem K-Faktor kann man nur eine maximale Verdichtung von 1:18 erreichen. Dabei hat der Läufer keine Mulde mehr, diese ist aber notwendig um beide Brennräume miteinander zu verbinden. Also ging man den Weg einer geringeren Exzentrizität, dadurch kann man einen größeren K-Faktor erreichen. Wenn der K-Faktor 11,5 beträgt, kann die maximale Verdichtung 1:30 betragen. Also kann man eine Mulde vorsehen, um beide Brennräume miteinander zu verbinden. Das Hauptproblem eines größeren K-Faktors ist die Durchbiegung der Exenterwelle, da die Hauptlagerzapfen dünner werden.
Bei Rolls Royce und Yanmar Diesel machte man Versuche mit Verbundmotoren. Nun konnte man den bei dem üblich K-Faktor von ca. 7 bleiben.
Das nächste Problem war die Wahl des richtigen Einbauortes der Einspritzdüse. In der Nähe des Totpunktes wird ein größeres Luftvolumen verlagert, es kommt zu einer starken Quetschströmung. Wenn man den Einspritzort verkehrt wählt erreicht der Dieseltreibstoff nicht die Luft. Zum einen rußt der Motor dann und springt auch schlecht an. Die bessere Wahl ist die teilweise Auslagerung des Brennraums. Entweder als Wirbel- oder Vorkammer. Bei einer Wirbel- oder Vorkammer braucht man eine Glühkerze, weil man bei weitem nicht die Verdichtungsenddrücke (und damit Temperaturen) wie die eines Direkteinspritzers erreicht.
Es sind Glühkerzen-Wankeldiesel von Pats und fremdgezündete Wankel-Diesel von UAV, Freedom Motors und RPI bekannt. Es wird weiterentwickelt.

¹   der K-Faktor ist definiert als K = R/e, wobei R der erzeugende Radius und e die Exzentrizität ist. Kleinere K-Werte ergeben kompaktere Motoren.

Textbeitrag: Kurt Heintz

Näheres zur Geometrie des Wankelmotors und den kennzeichnenden Parametern siehe unter www.der-wankelmotor.de, Stichworte ABC und Technik-Lexikon

Warum eignet der Wankelmotor sich so gut für den Wasserstoffbetrieb?

Das Hauptproblem bei Wasserstoff sind spontane Entzündungen an heißen Motorenteilen. Bei Hubkolbenmotoren sind dies die Auslaßventile. Beim Wankelmotor sind Einlaß- und Auslaßtrakt räumlich getrennt und bei entsprechender Auslegung der Ein- und Auslässe in keiner Phase des Arbeitsspiels miteinander verbunden. Daher können die gefürchteten spontanen H2-Verbrennungen, die schon viele Hubkolben-Versuchsmotoren haben explodieren lassen, beim Wankel nicht stattfinden.

Wo hat der Wankelmotor heute seine Chancen?

Überall dort, wo geringes Gewicht, geringer Platzbedarf oder Vibrationsfreiheit wichtiger sind als ein geringfügig höherer Verbrauch. Also Ultraleicht-Flugzeuge, Go-Karts und ähnliche Nischen-Anwendungen.

 

Literatur zum Wankelmotor

 

Dieter Korp

Der Wankelmotor, Protokoll einer Erfindung

Motorbuch Verlag, 1975
ISBN 3-87943-381-X
222 Seiten

vergriffen, antiquarisch € 70-100

 

Dieter Korp

NSU Ro80, Die Geschichte des Wankelmotors

Motorbuch Verlag, 1993
ISBN 3-613-01455-6
264 Seiten

vergriffen, antiquarisch € 50-80

 NSU Ro 80 - Die Geschichte des Wankelmotors

 

Andreas Knie

Wankel-Mut in der Autoindustrie

Aufstieg und Ende einer Antriebsalternative
edition sigma, 1994
ISBN 3-89404-145-5
292 Seiten (hunderte Literaturhinweise!)
ca. € 30,-