Feliks Wankel zbudował silnik, w którym elementy robocze wykonują tylko ruch obrotowy. Wydawało się, że jest niemal idealny, a jednak przegrał rynkową batalię
Wankel Wankel
Początki
Genialny konstruktor przyszedł na świat w niemieckim mieście Lahr 13 sierpnia 1902 r. Początkowo nic nie wskazywało na to, że zajmie się mechaniką, bowiem po szkole podstawowej zdobył wykształcenie handlowe. Interesował się jednak techniką i to jej poświęcił całe swoje życie. W 1924 r. otworzył w Heidelbergu swój pierwszy warsztat. W 1936 r. przeniósł się do Lindau, gdzie zaczął tworzyć konstrukcje dla niemieckiego lotnictwa. Przemysł zbrojeniowy III Rzeszy pracował pełną parą a naziści widzieli w ludziach takich jak Wankel duży potencjał twórczy. Jego dokonaniami zaczęły interesować się wielkie koncerny, takie jak Junkers, BMW czy Daimler. W 1944 r. spod ręki Wankla wyszła pierwsza sprężarka z obrotowym tłokiem.
Dr. Felix Wankel
W tamtym czasie prawdopodobnie powstawał projekt silnika z obrotowym tłokiem w swoim ostatecznym kształcie. W 1954 r. Felix Wankel uzyskał patent na taką konstrukcję, a trzy lata później nowatorska jednostka napędowa po raz pierwszy zaczęła pracować. Pierwszą fimą która poważnie zainteresowała się wynalazkiem i widziała możliwość jego zastosowania w samochodach było niemieckie NSU. To właśnie inżynierowie tej marki pod kierownictwem Waltera Froede pomagali tworzyć silnik Wankla już od 1951 r. Stało się to po negatywnych odpowiedziach na propozycję współpracy ze strony firm Opel i MAN. Potem kadra techniczna NSU z Hansem Dieterem Paschke na czele (faktyczny konstruktor silników które weszły potem do produkcji) doskonaliła projekt, starając się przede wszystkim opracować nieruchomy korpus. Udało się to dzięki zastosowaniu mimośrodowego wału głównego i systemu przekładni zębatych. W nowym układzie spadły obroty generowane przez silnik, co było bardzo korzystne. Wcześniej osiągał on moc maksymalną nawet przy 17 000 obr/min, po wprowadzeniu wału mimośrodowego z reguły było to 5000-7000 obr/min. Oczywiście zdarzały się wersje odbiegające od tego schematu, osiągające moc maksymalną przy 11 000 albo przy 1500 obr/min. Wynikało to z mnogości rozwiązań, bo prawa do silnika Wankla sprzedano wielu firmom na przestrzeni lat 1958-1973. Wiele z nich działało w motoryzacji, produkując samochody i motocykle (Curtiss&Wright, Yanmar Diesel, Toyo Kogyo, Daimler-Benz, Fichtel&Sachs, Klockner-Humboldt-Deutz, MAN, Krupp, Alfa Romeo, Rolls Royce, IFA, Porsche, Nissan, GM, Suzuki, Toyota, Ford, BSA, Yamaha, Kawasaki, AMC).
Pierwsze prototypy samochodów z silnikiem Wanka wyjechały na drogi w 1960 r. Najpierw były to NSU Prinz (250 ccm, 28,5 KM), nieco później NSU Sport Prinz z nadwoziem typu coupe (400 ccm, 43,5 KM) Prinz 4 (500 ccm, 60 KM). Próby wypadły pozytywnie i auta po oficjalnej premierze w 1963 r. trafiły do produkcji seryjnej. Pierwszy seryjny silnik Wankla zaczęto jednak produkować rok wcześniej. Pracował w urządzeniach wyciągowych do nart wodnych. Prawdziwą sensacją był pokazany w 1967 r. NSU Ro80 z silnikiem Wankla. Limuzyna klasy średniej miała, oprócz wirujących tłoków, oryginalnie ukształtowaną karoserię o niskim współczynniku oporu powietrza (0,355) i przestronnym wnętrzu, sprzęgło hydrokinetyczne w układzie przeniesienia napędu (wyeliminowano pedał sprzęgła) oraz tarcze hamulcowe na przedniej osi, montowane przy skrzyni biegów. Nowatorska konstrukcja przy mocy silnika 115 KM rozpędzała się do 170 km/h, a od 0 do 100 km/h rozpędzała się w 15 s. Sukces handlowy wisiał w powietrzu, ale nadzieje na dobrą sprzedaż prysły wraz z kryzysem paliwowym połowy lat siedemdziesiątych. Ro80 spalał ok. 14 l na setkę i nie miał szans na przetrwanie w czasach, gdy niskie zużycie paliwa było priorytetem dla nabywców. Nie był to zresztą jedyny problem. Problematyczna była też wysoka toksyczność spalin oraz bardzo nietrwałe uszczelnienia tłoków. Produkcję zakończono w 1977 r. a liczba egzemplarzy przekroczyła nieco 37 000 szt. I tak wygasła przygoda NSU z silnikiem Wankla.
Od 1962 do 1968 r. silniki Wankla zaprojektowane z myślą o samochodach konstruowała amerykańska firma Curtis&Wright, ale wszystko skończyło się w fazie eksperymentalnej. Koncern Daimler-Benz również poprzestał na prototypie, ale jego auto z karoserią wykonaną z tworzywa sztucznego poruszyło cały motoryzacyjny świat. Prace rozpoczęto w 1967 r., a dwa lata później zaprezentowano model C111, sportowy bolid z otwieranymi ku górze drzwiami, napędzany trzykomorowym wanklem o mocy 280 KM. Rok później światło dzienne ujrzał C111-II z czterokomorowym silnikiem rotacyjnym o mocy 350 KM. Z 13 wykonanych egzemplarzy większość trafiła do muzeów. Jeden został kompletnie zniszczony w wypadku na torze Hockenheim, pozostałe zezłomowano. Mercedes-Benz C111 kojarzony jest często z rekordami prędkości na różnych dystansach (światowe rekordy na 5000 km, 10 000 km i 10 000 mil), ale nie były one ustanowione przez wersje z silnikami rotacyjnymi. Rekordy biły dwa egzemplarze z turbodieslami pod maską (pierwszy o mocy 190 KM, drugi 230 KM).
Również w 1967 r. swoją przygodę z wanklem rozpoczął Citroen. Firma Comotor, należąca w całości do Citroena i współpracująca w ramach licencji z NSU pokazała zaczęła wówczas prace nad autem opatrzonym kryptonimem M35, bazującym na modelu Ami 8. Prototyp tego samochodu z silnikiem o mocy 50 KM gotowy był w 1969 r. Do sprzedaży trafiło zaledwie 267 szt M35. Docelowo wankel Citroena miał trafić do modelu GS, który zaprezentowano w 1970 r. Ale prace nad silnikiem opóźniały się i GS z rotacyjnym agregatem pod maską pokazany został dopiero w 1973 r. Nietrudno się domyślić, że i w jego przypadku gwoździem do trumny był kryzys paliwowy połowy lat siedemdziesiątych. Produkcję zakończono w 1975 r. liczbą 874 egzemplarzy.
Citroen M 35
Silnikiem Wankla zainteresowały się także kraje bloku wschodniego. W Związku Radzieckim już w 1961 r. powstała specjalna organizacja, eksperymentująca z różnymi nowymi technologiami. W kręgu jej zainteresowań znalazł się również spalinowy silnik rotacyjny, nad którym pracowano bez umów licencyjnych. W 1974 r. powołano do życia specjalne biuro projektowe, które po czterech latach miało gotową do produkcji konstrukcję. Od 1980 r. zaczęto dostarczać rotacyjne jednostki napędowe do samochodów Łada. Wyprodukowano około 200 egzemplarzy, wyłącznie na potrzeby milicji i służb bezpieczeństwa. Z kolei w Niemieckiej Republice Demokratycznej ?wanklem? zajęła się IFA. Już od 1962 r. na torze Sachsenring testowano licencyjną konstrukcję, która w wersji jednokomorowej miała trafić do Trabanta, a w układzie dwukomorowym do Wartburga. Nowy, prototypowy Trabant 603 miał być rewolucyjny nie tylko ze względu na silnik. Był drugim po Renault 16 (pokazanym dwa lata wcześniej) hatchbackiem. Przypomnijmy, że najsławniejszy w świecie hatchback, czyli Volkswagen Golf, wyjechał na drogi dopiero 7 lat później. Projekty związane z ?wanklem? IFA zarzuciła jednak w 1968 r.
Trabant 603
AVEL 3 Zestaw do czyszczenia tapicerki
Karcher Ssawka do prania tapicerki
Omino Bianco Środek do czyszczenia tapicerki ze szczotką
W silnik rotacyjny bardzo mocno wierzyli Amerykanie. Prawa do wynalazku Felixa Wankla kupiło między innymi General Motors, ale największą aktywność wykazał w tym względzie koncern American Motors Corporation (AMC), pozyskawszy prawa od GM w 1974 r. Właśnie wtedy, gdy General Motors zrezygnował z dalszych prac nad wanklem, nie radząc sobie ani ze zbyt wysokim zużyciem paliwa, ani z toksycznością spalin. Projekt samochodu AMC o bardzo oryginalnym nadwoziu (dzisiaj uznawanym za jedno z najbrzydszych w historii) otrzymał nazwę Pacer, ale zanim wszedł do produkcji seryjnej wiele się zmieniło. Kryzys paliwowy zmusił firmę do zmiany planów, Pacer trafił na rynek z konwencjonalnym silnikiem tłokowym pod maską. Z prac nad wanklem zrezygnował również Ford, choć ich wynikiem było nawet kilka amerykańskich patentów. Kierownictwo firmy stwierdziło po swoich doświadczeniach, że nie widzi jednak przyszłości dla tej konstrukcji.
Wiara Amerykanów okazała się słaba. Jedyną firmą, która nie zwątpiła w silnik Wankla przez wiele dziesięcioleci była japońska Mazda. Może dlatego, że to właśnie ta marka jako pierwsza wprowadziła do produkcji seryjnej w 1963 r. samochód z dwukomorowym silnikiem rotacyjnym. Był to model Cosmo Sport 110 S, który początkowo miał moc 110 KM, a pod koniec produkcji 128 KM. W okresie od 1963 do 1972 r., włącznie z egzemplarzami przedprodukcyjnymi, na drogi wyjechało blisko 1600 sztuk modelu Cosmo. Jak na samochód typowo sportowy całkiem sporo. Ale prawdziwy sukces odniósł kolejny, ?rotacyjny? model Mazdy ? R100 (1968-1973), wytwarzany od 1968 do 1973 r. zarówno w wersji rodzinnej (Familia Rotary) jak i w sportowej (R100 Coupe). Moc 100 KM i dobre osiągi pozwoliły przyciągnąć do tego auta blisko 100 000 klientów. W 1969 r. debiutował sportowy R130, a od 1970 r. rozpoczęła swój rynkowy pochód seria RX.
Jej pierwszym przedstawicielem było dwudrzwiowe coupe RX-2 Capella, o mocy 120 KM i z automatyczną skrzynią biegów w opcji. To pionier eksportu wankli spod znaku Mazdy do Europy. W 1971 r. weszła na rynek RX-3, z dwoma rodzajami rodzajami nadwozia (sedan 4d i coupe). Rok później ofertę uzupełniono o kombi z automatyczną skrzynią biegów. W RX-3 montowano dwa rodzaje silników ? jeden o mocy 105 KM, drugi 120-konny. W 1972 r. na drogi wyjechała czterodrzwiowa limuzyna RX-4. Rok później dołączyły do niej kombi oraz sportowa wersja GT. W RX-5 z 1975 r. Mazda wróciła do typowo sportowych nadwozi, już nigdy nie decydując się na inne formy karoserii. Najmocniejszy wankel tego modelu generował 135 KM. Produkcję zakończono w 1981 r.
Wyjątkowo mocne wejście zanotował model RX-7 w 1978 r., bowiem po raz pierwszy Mazda zdecydowała się na turbodoładowanie silnika rotacyjnego. Początkowo moce silników oferowanych w RX-7 sięgały 95 i 105 KM. Potem jednak pojawiła się druga generacja modelu (1985 r.), a po niej trzecia (1992 r.). Montowany od 1983 r. elektroniczny wtrysk paliwa dawał nowe możliwości. Trzecie wydanie RX-7 miało pod maską aż 239 KM. Prawdziwym hitem rynkowym okazała się ostatnia jak na razie z serii Mazda RX-8, którą pokazano po raz pierwszy w 2001 r., a której produkcja rozpoczęła się w 2003 r. W ciągu dziewięciu lat produkcji sprzedano blisko 200 000 egzemplarzy z silnikami o mocy 192, 231 i 250 KM. Warto dodać, że w RX-8 zamontowano silnik Renesis (premiera w RX-Evolv w 1999 r.) o zupełnie nowej konstrukcji. Po raz pierwszy zastosowano boczne kanały ssące i wydechowe, co bardzo korzystnie wpłynęło na trwałość najbardziej newralgicznych elementów, czyli uszczelnień rotorów.
Mazda traktuje temat silnika rotacyjnego bardzo szeroko. Jeszcze w latach siedemdziesiątych montowała takie jednostki nie tylko do aut osobowych, ale również do półciężarówki Repu i mikrobusu Parkway. Pokazała też wiele prototypów aut z silnikiem Wankla, o bardzo różnym charakterze, od pojazdów typowo miejskich, przez sportowe ?cabrio? aż po luksusowe jednobryłowce o wyrafinowanych kształtach (HRX-2, MX-03, RX-01, Senku, Nagare). Ma w swoich dokonaniach wersje zasilane wodorem oraz hybrydy. Żaden ze studyjnych projektów jak na razie nie trafił jednak do seryjnej produkcji. Na koncie Mazdy są również ważne sukcesy sportowe, odniesione dzięki silnikowi Wankla. W 1991 r. firma odniosła zwycięstwo w legendarnym, 24-godzinnym wyścigu Le Mans. Volker Weidler, Johnny Herbert i Bertrand Gachot prowadzący 700-konny bolid 787B z czterokomorowym wanklem bez turbodoładowania (trzy świece zapłonowe w każdej komorze), przejechali 4922,810 km ze średnią prędkością 205,333 km/h. W 2008 r. zmodyfikowana RX-8 zapewniła Maździe wygraną w swojej klasie podczas nie mniej słynnego, 24-godzinnego wyścigu na torze Daytona.
Mazda RX-8 24h Dytona
Mazda HRX-2
Mazda MX 03
Mazda RX-01
Mazda Senku
Mazda Nagare
Historia silników Wankla w samochodach skończyła się w 2012 r., wraz z zaprzestaniem produkcji Mazdy RX-8. Samochód przegrał z normami czystości spalin i stał się historią, tak jak wszyscy jego poprzednicy. Japońska firma, która doświadczenia z konstrukcją rotacyjną zbierała ponad pół wieku, nie składa jednak broni. Pracuje nad nową generacją swojego ?wankla?, opatrzonego kryptonimem 16x. Premierę zapowiedziano na 2015 r. Fani ?wankli? trzymają za słowo
Od strony technicznej wankel jest bardzo prostą maszyną. Porównanie z tradycyjnym silnikiem jest miażdżące. W wanklu nie ma napędu rozrządu, wałków rozrządu, popychaczy, dźwigienek zaworowych, zaworów, korbowodów). Głównym elementem roboczym jest rotor, wykonujący ruch obrotowy w obudowie. Bieżnia, po której porusza się rotor ma kształt epitrochoidy. Cykl pracy silnika Wankla zamyka się w czterech taktach (cyklach). Pierwszy z nich to napełnienie komory roboczej świeżym ładunkiem mieszanki paliwowo-powietrznej, drugi to sprężanie ładunku, trzeci to rozprężanie gazów spalinowych (praca) a czwarty to usuwanie spalin. Pod tym względem nie różni się niczym od tradycyjnego, tłokowego silnika czterosuwowego. Wirujący element silnika Wankla ma kształt trójkąta o krzywoliniowych, wypukłych bokach. Przejmuje on naciski gazów i z tego względu może być nazywany tłokiem. Rotor jest osadzony na mimośrodzie wału silnika. Dzięki temu podczas pracy silnika środek rotora porusza się po kole o promieniu równym promieniowi mimośrodu. Jednocześnie rotor silnika obraca się dookoła swej osi w tym samym kierunku co wał, lecz z trzykrotnie mniejszą prędkością kątową. Przełożenie takie zapewnia przekładnia zębata. Jednym z jej elementów jest wewnętrzny wieniec zębaty rotora a drugim zewnętrzny wieniec zębaty mimośrodowego wału silnika. Dzięki tej przekładni rotor napędza wał silnika. Mimośrodowy ruch rotora oraz odpowiedni kształt powierzchni roboczej korpusu sprawiają, że krawędzie rotora dzielą przestrzeń między tłokiem a ściankami cylindra na trzy części, zwane komorami roboczymi. Ich położenie, kształt oraz objętość są zmienne w czasie pracy silnika. Podczas jednego pełnego obrotu tłoka objętość każdej komory dwa razy osiąga wartość najmniejszą i dwa razy największą. Podobnym zmianom ulega w tradycyjnym silniku tłokowym ulega objętość przestrzeni roboczej cylindra. Dzięki temu w każdej komorze roboczej podczas jednego obrotu rotora realizowany jest pełny, czterotaktowy cykl roboczy, a faza ?pracy? następuje trzykrotnie, po kolei w każdej komorze. Ponieważ na jeden obrót rotora przypadają trzy obroty wału łatwo obliczyć, że jeden suw pracy przypada tutaj na jeden obrót wału, podobnie jak w klasycznym silniku dwusuwowym. Jest to bardzo korzystne, bowiem równomierny bieg silnika można uzyskać bez potrzeby stosowania dużych kół zamachowych. Jedną z zalet wankla , wpływającą korzystnie na jego sprawność jest niemal całkowite oczyszczanie komory roboczej ze spalin. Zawartość spalin w świeżym ładunku jest w tym silniku minimalna. Rozpędzona w przewodzie dolotowym mieszanka wpływa z dużą energią kinetyczną do komory roboczej, co zapewnia wysoką sprawność napełniania. Kształt komór spalania (wąskie i długie) nie sprzyja jednak sprawnemu spalaniu mieszanki, z czego wynikają problemy natury ekologicznej (wysoka emisja szkodliwych substancji). Stąd próby konstruowania silników Wankla z podwójnym zapłonem (dwie świece zapłonowe), a nawet potrójnym zapłonem (trzy świece zapłonowe). Mazda projektując rotacyjny silnik Renesis pokazany w 2003 r. podeszła jednak do tematu zupełnie inaczej i całkowicie zmieniła koncepcję zasilania wankla. Przewody dolotowe przesunięto o kąt 90 stopni i poprowadzono je prostopadle do bieżni. Efekt jest taki, że w połączeniu z zaawansowanym sterowaniem elektronicznym uzyskano bardzo dobre efekty w zakresie dynamiki i poprawy czystości spalin, co pozwoliło produkować Maździe samochód z wanklem aż do 2012 r. Na 2015 r. japońska firma zapowiada powrót z nową generacją silnika Wankla.
Dr. Felix Wankel
Citroen M 35
Trabant 603
Mazda Cosmo Sport 110 S
Mazda RX-7 1978 - 1985
Mazda RX-7 1978 - 1985
Mazda RX-7 1985 - 1992
Mazda RX-7 Cabrio 1985 - 1992
Mazda RX-7 1992 - 2002
Mazda RX-7 1992 - 2002
Mazda RX-8 24h Dytona
Mazda HRX-2
Mazda MX 03
Mazda RX-01
Mazda Senku
Mazda Nagare
