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Der Wankelmotor ist ein ventilloser Verbrennungsviertakt-Ottomotor mit Schlitzsteuerung, der von dem deutschen Ingenieur Felix Wankel (* 1902, 1988) bei der Firma NSU in Neckarsulm entwickelt wurde.
Viertaktprinzip
Die Arbeitsweise des Wankelmotors erfolgt im Viertakt-Ottomotor-Prinzip, wobei - im Gegensatz zum Hubkolbenmotor, der Wankelmotor anstelle der Hubkolben dreiecksförmige Kolben/Scheiben hat, die in einem ovalen, in der Mitte leicht eingeschnürten Gehäuse (Kurvenform einer Epitrochoide) rotieren - der jeweilige Arbeitsraum wird entlang der Gehäusewand verschoben.
Beim Umlauf des Kolbens bilden dessen drei Kanten mit der Gehäusewand drei Kammern (A, B, C) mit variablem Volumen, in denen jeweils während einer Kolbendrehung ein vollständiger Viertakt-Ottoprozess mit Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen abläuft. Es spielen sich somit in den drei Kammern immer drei von vier Arbeitstakten gleichzeitig ab und nach jeder vollen Kolbendrehung hat der Motor dreimal den kompletten Viertakt-Ottoprozess durchlaufen.
Der Kolben ist dreieckförmig, wobei seine drei gleich langen Seiten nach außen gewölbt (konvex) sind. In die drei Eckkanten sowie die Seitenflächen des Kolbens sind Dichtelemente eingelassen. Bei der Drehung liegen die drei Ecken ständig an der Gehäusewand an, wodurch der Mittelpunkt des Kolbens während der Rotation einen geschlossenen Kreis beschreibt. Diese Kreisbahn wird durch eine zentrisch im Motor angebrachte Welle bewirkt, die im Bereich des Kolbens als Exzenter ausgebildet ist. Weiterhin befindet sich im Kolben ein Hohlrad mit Innenverzahnung, das sich auf einem am seitlichen Motorgehäuse befestigten Zahnrad abwälzt. Diese Verzahnung dient lediglich zur Bewegungssteuerung des Kolbens, der sich mit seiner Innenverzahnung auf dem fest stehenden Zahnrad »abstützt« und dabei gleichzeitig eine Drehbewegung auf die Exzenterwelle ausübt. Die Exzenterwelle ist daher vergleichbar mit der Kurbelwelle des Ottomotors. Kolbenhohlrad und fest stehendes Ritzel (Zahnrad) haben ein Zähnezahlenverhältnis von 3 : 2, d. h., der Kolben dreht sich mit zwei Dritteln der Winkelgeschwindigkeit der Exzenterwelle.
Arbeitsweise des Wankelmotors
Die einzigen bewegten Teile des Wankelmotors sind der Kolben sowie die Exzenterwelle. Die Einlass- und Auslassöffnungen (Schlitze) werden vom Kolben selbst geöffnet und geschlossen. Die sichelförmigen Kammern ändern infolge der überlagerten Kreis- und Drehbewegung des Kolbens ihren Rauminhalt.
1. Takt (Ansaugen)
Kammer A vergrößert sich von Stellung a) bis d), sodass durch die Einlassöffnung frisches Kraftstoff-Luft-Gemisch einströmt.
2. Takt (Verdichten)
Bei der Drehung des Kolbens wird Kammer A allmählich zu Kammer B. Der Rauminhalt von Kammer B verkleinert sich von Stellung a) bis in Stellung c), wodurch das Kraftstoff-Luft-Gemisch in ihr komprimiert wird.
3. Takt (Arbeiten)
Das verdichtete Gemisch in Kammer B wird gezündet. Bei weiterer Drehung des Kolbens in Stellung d) vergrößert sich Kammer B und wird zu Kammer C. Durch die Verbrennung dehnt sich das Kraftstoff-Luft-Gemisch aus und dreht den Kolben, der wiederum die Exzenterwelle antreibt.
4. Takt (Ausstoßen)
Kammer C wird durch die Kolbendrehung zu Kammer A, deren linker Teil das verbrannte Kraftstoff-Luft-Gemisch beinhaltet, das in Stellung d) und a) durch die frei gewordene Auslassöffnung ausgestoßen wird. Bei jeder vollen Umdrehung des Kolbens erfolgen somit drei Zündungen. Damit ist der Drehmomentverlauf eines Wankelmotors wesentlich gleichförmiger als bei einem Einzylinder-Ottomotor, bei dem lediglich eine Zündung pro zwei Kurbelwellenumdrehungen stattfindet.
Legende:
Z-Zündkerze
A-Kammer A
B-Kammer B
C-Kammer C
I-Innenverzahnung des Kolbens
R-feststehendes Ritzel
L-Lauffläche des Exzenters
E-Exzentermittelpunkt
Allgemeines
Bei einem Zweischeiben-Wankelmotor ergibt sich durch die um 180° versetzten Exzenter eine bessere Laufruhe als bei der zuvor beschriebenen Ausführung mit nur einem Kolben.
Ein Dreischeiben-Wankelmotor ist in der Laufruhe vergleichbar mit einem Achtzylinder-Hubkolbenmotor.
Durch dieses Aneinanderreihen mehrerer Motorzellen lassen sich mit geringem Bauaufwand bei kleinen Motorabmessungen große Leistungen verwirklichen.
Wichtige Entwicklungschritte waren 1963 der weltweit erste PKW mit Wankelmotor (NSU »Spider«), 1967 der NSU »Ro 80« und 1969 die Daimler-Benz-Studie »C 111« mit zunächst einem Dreischeibenmotor und 1970 mit vier Kolben (260 kW/350 PS). Obwohl in den 1970er-Jahren auch zahlreiche Motorradhersteller Wankelstudien vorstellten, wurde die Entwicklung und insbesondere die Massenfertigung von Kreiskolbenmotoren in den Folgejahren weitgehend eingestellt.
Vor- und Nachteile des Wankelmotors
Neben der hohen Laufruhe durch den gleichmäßigen Drehmomentverlauf liegt ein weiterer Vorteil in der geringen Teileanzahl und im geringen Raumbedarf. Von Nachteil sind die schwere Realisierung eines Dieselmotors, der hohe Fertigungsaufwand sowie Kraftstoff- und Ölverbrauch. Zudem ist die Emission gesundheitsschädigender Kohlenwasserstoffe höher als z. B. beim Ottomotor.
Felix Wankel
Wankel, Felix deutscher Ingnieur, (* 13.08.1902, 09.10.88)
1930 Gründung eines eigenen Unternehmens nach Arbeiten in verschiedenen Motorenwerken. 1957 erster Probelauf des von Wankel entwickelten Drehkolbenmotors. 1959 Vorstellung des ersten Kreiskolbenmotors und 1971 Einführung des Wankelmotors durch Mazda in den USA.
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