Wankelov motor

Wankelov motor je vrsta motora sa unutrašnjim sagorijevanjem koji koristi rotacioni dizajn kako bi pretvorio pritisak u rotaciono kretanje, umjesto korištenja recipročnih klipova. Njegov četverotaktni ciklus dešava se u protoru između unutrašnjosti ovalnog kućišta epitrahoidnog oblika i rotora, koji je, po obliku, sličan Reuleauxovom trouglu. Ovaj dizajn omogućava i daje veliku obrtnu snagu iz kompaktne veličine. Još od njegovog prvog predstavljanja, ovaj motor se često naziva rotacioni motor, iako se ovo ime, također, koristi kod nekih drugih, potpuno drugačijih dizajna.

Wankelov motor u Deutsches Museumu u Minhenu, Njemačka

Mazda RX-8, sportski automobil kojeg pokreće Wankelov motor

Ovaj motor izumio je njemački inženjer Felix Wankel. Njegov razvoj počeo je u ranim 1950tim u NSU Motorenwerke AG-u (NSU), prije nego je završio radni prototip 1957. godine. NSU na, potom, licencirala koncept za ostale kompanije širom svijeta, koje su nastavile usavršavati dizajn.

Zbog svog komapktnog dizajna, Wankelovi rotacioni motori ugrađivani su i razne vrste vozila i mašina, kao što su automobili, uključujući i trkaća auta, kao i zrakoplove, kartinge, motorne pile, i tako dalje. U auto-industriji, Wiankelov motor najviše koristiti japanska kompanija Mazda.

Historija

Prvi DKM Wankelov motor DKM 54 (Drehkolbenmotor), u Deutsches Museumu u Bonn, Njemačka

1951. godine, njemački inženjer Felix Wankel počeo je raditi na razvoju motora u kompaniji NSU Motorenwerke AG, upravo gdje je zamislio koncept rotacionog motora 1954. godine (DKM 54, Drehkolbenmotor). Takozvani KKM 57 (Wankelov rotacioni motor, Kreiskolbenmotor) konstruisao je NSU-ov inženjer Hanns Dieter Paschke 1957. godine, bez znanja Felixa Wankela, koji je pri tome izjavio "pretvorili ste mog trkaćeg konja u kobilu za oranje".^[1] Prvi radni prototipnu DKM 54 proradio je 1. februara 1957. godine u NSU-ovom odjelu za istraživanje i razvoj Versuchsabteilung TX.^[2]

Značajan trud uložen je u dizajniranje rotacionih motora tokom 1950tih i 1960tih godina. Ovi motori bili su od posebnog interesa jer su radili glatko i tiho, te su bili jako pouzdani. Sve ovo bilo je rezultat njihovog jednostavnog dizajna.

U Sjedinjenim Američkim Državama, 1959. godine, pod licencom NSU-a, Curtiss-Wright uveli su neka mala poboljšanja u osnovni dizajn motora. U Britaniji, tokom 1960tih, Rolls Royce Motor Car Division u Creweu, Cheshire, uveo je dvostepenu dizel verziju Wankelovog motora.^[3]

Također u Britaniji, Norton Motorcycles razvio je Wankelov rotacioni motor za motocikle, koji je ugrađivan u njihove motocikle Commander i F1; Suzuki je, također, proizveo motocikl sa Wankelovim motorom, RE-5. 1971. i 1972. godine, kompanija Arctic Cat proizvela je motorne sanke u koje je ugrađen Wankelov rotacioni motor zapremine 303 cc, kojeg je proizvela kompanija Sachs iz Njemačke. Kompanija Deere & Company dizajnirala je verziju ovog motora, koji je bio sposoban koristiti razne vrste goriva. Ovaj dizajn je predložen kao izvor snage za borbena vozila i ostalu opremu Korpusa marinske pješadije SAD-a za vrijeme kasnih 1980tih.^[4]

Dizajn

Inženjerstvo

Materijali

Za razliku od klipnih motora, gdje se cilindar hladi nadolazećim punjenjem smjesom, nakon što biva zagrijan zbog sagorijevanja, kućišta Wankelovog rotora konstantno se griju na jednoj strani, dok se na drugoj hlade, što dovodi do visokoih lokalnih temperatura i nejednakog toplotnog širenja. Dok ovo postavlja visoke zahtjeve od materijala koji se koristi, jednostavnost Wankelovog dizajna omogućava lakše korisštenje alternativnih materijala, kao što su egzotične legure i keramike. Sa vodenim hlaženjem u radijalnom ili aksijalnom smijeru strujanja, gdje vrela voda, nastala hlađenjem zagrijanog luka, zagrijava hladni luk, toplotno širenje ostaje u granicama tolerancije.^[5]

Zaptivanje (Brtvljenje)

Jedan od glavnih tehničkih izazova kod Wankelovog motora je osiguranje učinkovitog brtvljenja između rotora i unutrašnje površine kućišta. Zaptivanje se izvodi pomoću brtvi poznatih kao apex brtve smještenih na vrhovima rotora, koje moraju izdržati ekstremne uvjete rada poput visokih pritisaka, temperatura, rotacijskog gibanja i stalnog trenja. Najčešće se izrađuju od visokootpornih materijala kao što su ugljenični kompoziti, keramika ili specijalne čelične legure. Oštećenje ili istrošenost ovih brtvi dovodi do curenja plinova, gubitka kompresije, povećanja potrošnje goriva i pogoršanja emisija ispušnih plinova. Kontinuirani razvoj novih materijala i naprednih metoda hlađenja značajno je unaprijedio trajnost brtvi u novijim generacijama Wankelovih motora.

Potrošnja goriva i emisije

Wankelovi motori obično pokazuju veću specifičnu potrošnju goriva u usporedbi s konvencionalnim klipnim motorima zbog manje učinkovitog izgaranja smjese i većeg omjera površine komore prema volumenu, što dovodi do povećanog gubitka topline. Ovaj dizajn često rezultira nepotpunim sagorijevanjem ugljikovodika, uzrokujući povećane emisije ugljikovodika (HC) i ugljičnog monoksida (CO). Kako bi se smanjile emisije i poboljšala učinkovitost, uvedene su tehnologije kao što su direktno ubrizgavanje goriva, optimizacija oblika komore za sagorijevanje, upotreba turbopunjača i specijaliziranih katalizatora. Mazda je, primjerice, implementirala RENESIS tehnologiju, značajno smanjujući potrošnju goriva i emisije u modelima poput RX-8.

Prednosti

Wankelov motor pruža nekoliko specifičnih tehničkih prednosti:

• Kompaktnost i manja masa: Manji broj pokretnih dijelova omogućuje kompaktniji dizajn, što smanjuje težinu i omogućava bolju raspodjelu mase u vozilu.
• Glatki rad: Rotacijski princip rada eliminira recipročno kretanje klipova, čime se gotovo potpuno uklanjaju vibracije, osiguravajući glatkoću rada na visokim okretajima.
• Visok broj okretaja: Wankel motori zbog manje inercije i kontinualnog procesa sagorijevanja mogu lako postići vrlo visoke okretaje (i preko 9000 o/min), što ih čini iznimno pogodnim za sportska vozila i motosport.
• Jednostavnija konstrukcija: Manje komponenti smanjuje mogućnost mehaničkih kvarova, pojednostavljuje održavanje te omogućava upotrebu različitih goriva uključujući benzin, plin ili vodik.

Mane

Međutim, Wankel motori imaju i nekoliko značajnih nedostataka:

• Problemi s trajnošću brtvi: Zbog visokih temperatura i konstantnog trenja, apex brtve zahtijevaju često održavanje ili zamjenu, što povećava operativne troškove.
• Viša potrošnja goriva: Manja termodinamička učinkovitost motora rezultira većom potrošnjom goriva u usporedbi s modernim klipnim motorima slične snage.
• Povećane emisije: Teže ispunjavanje ekoloških normi zbog nepotpunog sagorijevanja, osobito ugljikovodika, ugljičnog monoksida i dušikovih oksida (NOx).
• Ograničen okretni moment na nižim okretajima: Wankel motori proizvode manji okretni moment na niskim okretajima, što zahtijeva korištenje prijenosnika s kratkim stupnjevima ili dodatnu primjenu turbopunjača.

Primjene

Zbog svojih specifičnih karakteristika, Wankel motori korišteni su u raznim područjima:

• Automobilska industrija: Mazda je najpoznatiji proizvođač vozila s Wankel motorima, a najistaknutiji modeli uključuju Mazdu RX-7 i RX-8. Ostale kompanije poput NSU, Citroëna (Citroën GS Birotor), General Motorsa, te Mercedesa-Benz eksperimentirale su s ovim motorom.
• Avijacija: Rotacijski motori korišteni su u malim sportskim zrakoplovima i bespilotnim letjelicama zahvaljujući izvrsnom omjeru snage i mase.
• Motocikli: Norton Motorcycles proizveo je poznate modele motocikala kao što su Norton Commander i Norton F1, a Suzuki model RE-5.
• Motorne sanjke: Arctic Cat ugradio je Sachsov Wankelov motor u svoje motorne sanjke 1970-ih godina.
• Industrijske aplikacije: Korišten je u specijaliziranim strojevima, generatorima, motornim pilama i pumpama zbog kompaktnosti, male mase i visokog broja okretaja.
• Vojne primjene: Razmatran je za primjenu u borbenim vozilima i bespilotnim letjelicama zbog sposobnosti korištenja različitih vrsta goriva i jednostavnosti održavanja.
• Eksperimentalne tehnologije: Kao motor na vodik (npr. Mazda RX-8 Hydrogen RE), Wankel motori korišteni su u istraživanju alternativnih goriva i pogona budućnosti.

Također pogledajte

• Mazdin Wankelov motor
• Besklipni rotacioni motor
• Jonova motor
• RKM motor
• Mazda RX-8 Hydrogen RE