2018-10-26, ostatnia aktualizacja 2018-10-26 09:18

Wankel

Fot. www.frazpc.pl, www.mazda-auto.hu, www.pedal.ir, www.citroenet.org.uk, fourtitude.com, www.motor.es, www.emercedesbenz.com, gallery.asiaforest.org, Suzuki, wikimedia.org

W latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku kompetentne czasopisma, a za nimi wszystkie popularne media, twierdziły zgodnie, iż ten właśnie wynalazek przyniesie całej światowej motoryzacji gruntowną rewolucję.

Jego upowszechnienie oznaczało bowiem ni mniej, ni więcej jak całkowite zaniechanie produkcji spalinowych silników tłokowych, najpierw tych z zapłonem iskrowym, a z czasem też wysokoprężnych. Zastąpić je miała znacznie prostsza i efektywniejsza konstrukcja opracowana trzydzieści lat wcześniej przez niemieckiego mechanika Felixa Heinricha Wankla.

Zły czas i miejsce

Czas dzielący skonstruowanie działającego prototypu od wspomnianych powszechnych zachwytów wydaje się niezrozumiale długi. Wyjaśnić go może jedynie dramatyzm ubiegłowiecznej historii i uwikłanych w nią ludzkich losów.

Wankel urodzony w 1902 roku miał zaledwie 17 lat, gdy stworzył wstępną koncepcję swojego, sławnego później, silnika. Pracował wtedy w technicznym wydawnictwie książkowym w Heidelbergu. Straciwszy tę pracę z powodu wielkiego niemieckiego kryzysu po I wojnie światowej, otworzył mały warsztat mechaniczny, w którym swą pierwotną koncepcję doskonalił praktycznie aż do uzyskania pierwszego patentu w roku 1929. Przy tej okazji stał się wybitnym specjalistą w dziedzinie technicznych uszczelnień, gdyż stanowiły one w jego konstrukcji problem najtrudniejszy.

Schemat działania silnika Wankla: 1 – ssanie, 2 – sprężanie, 3 – zapłon, 4 – wydech, A – otwór wlotowy, B – mieszanina paliwa i powietrza, C – wirujący tłok, D – świece zapłonowe, E – sprężanie mieszanki paliwowej, F – zapłon i spalanie mieszanki, G – wylot gazów spalinowych

Wkrótce potem do władzy w Niemczech doszedł Adolf Hitler i produkcja zbrojeniowa nabrała niespotykanego dotychczas rozmachu. Wankel, jako pacyfista i wielki miłośnik zwierząt, nie zgadzał się wspierać hitlerowskich sił zbrojnych swoimi pomysłami. Gdy dostawał takie stanowcze propozycje, odrzucał je, więc go zamknięto w więzieniu, a wypuszczono dopiero po kilku miesiącach – gdy odpowiednio skruszał. W efekcie jego lekkie, małogabarytowe i cichobieżne silniki rotacyjne, a także same specjalne uszczelki do rozmaitych mechanizmów znalazły liczne zastosowania w Luftwaffe i Krigsmarine, objęte wojskową tajemnicą. Po wojnie znów był więziony przez kilka miesięcy, tym razem przez aliantów. Jego laboratorium zamknięto, a dzieła skonfiskowano. Swe prace mógł więc kontynuować dopiero w latach pięćdziesiątych.

Koncepcja obrotowego tłoka

Silnik Wankla nie ma cylindrów ani poruszających się w nich klasycznych tłoków z korbowodami, a tym samym brakuje w nim też wału korbowego. Pełny cykl jego działania obejmuje jednak fazy: ssania, sprężania, pracy i wydechu dzięki obrotom trójkątnego tłoka, którego wierzchołki przylegają cały czas szczelnie do odpowiednio ukształtowanych ścianek zamkniętej komory. To one sprawiają, iż każda z trzech jednakowych przestrzeni zawartych pomiędzy sąsiednimi wierzchołkami tłoka w trakcie jego obrotu najpierw się zwiększa, powodując zassanie mieszanki paliwo-powietrznej, potem maleje, stopniowo sprężając zassany ładunek aż do momentu iskrowego zapłonu, następnie znów rośnie pod wpływem rozprężających się spalin (suw pracy), by na koniec ponownie się zacieśniać w fazie wydechu.

Felix Heinrich Wankel (1902–1988)

W geometrycznym środku trójkątnego tłoka znajduje się tuleja z prostym uzębieniem wewnętrznym. Współpracuje ono z kołem uzębionym zewnętrznie, osadzonym na obrotowym wale, który już tradycyjnie przekazuje moment obrotowy do koła zamachowego i sprzęgła. Osie obrotu tłoka i wału, rzecz jasna, nie pokrywają się, a koła zębate obu tych elementów tworzą przekładnię, dzięki której prędkość obrotowa wirnika ulega zwielokrotnieniu.

Zalety zamiast wad?

Teoretycznie przewagi silnika Wankla nad tradycyjnym tłokowym są liczne i bardzo istotne. Przy identycznej mocy konstrukcja rotacyjna ma bowiem mniejsze rozmiary i masę. Jest też znacznie prostsza dzięki mniejszej liczbie elementów (brak w niej np. skomplikowanego rozrządu i ciężkiego mechanizmu korbowego). Podczas pracy ulega tylko lekkim wibracjom i mniej hałasuje. Może osiągać znacznie wyższe prędkości obrotowe na sprzęgle głównym przy niższych obrotach wirnika.

Bezsporne zalety silnika rotacyjnego: niewielkie wymiary, mała liczba części i niski ciężar. U góry – silnik Wankla, u dołu – klasyczny silnik czterocylindrowy o porównywalnej mocy

Zalety te wynikają z faktu, iż na jeden obrót trójkątnego wirnika przypadają aż trzy fazy rozprężania, czyli pracy. Zatem pod względem regularności obrotów silnik jednowirnikowy (mogą być także wielowirnikowe) jest porównywalny z trzycylindrowym silnikiem dwusuwowym lub sześciocylindrowym czterosuwowym.

W praktyce okazało się jednak, iż wysokiej sprawności mechanicznej towarzyszy w konstrukcji Wankla mniejsza sprawność termodynamiczna, co powodowane jest niższymi ciśnieniami sprężania i wyższymi stratami ciepła w mniej korzystnie ukształtowanych komorach spalania. Także jednostkowe zużycie paliwa było w konstrukcji rotacyjnej wyraźnie wyższe.

Wystąpiły też problemy materiałowe i technologiczne przy produkcji monolitycznych wirników narażonych podczas pracy na silne naprężenia termiczne, przy braku ich efektywnego chłodzenia. Kłopotliwa była również obróbka nieregularnie ukształtowanych gładzi w komorach, a do zapewnienia międzykomorowej szczelności nie wystarczyły błyskotliwe pomysły i specjalistyczne doświadczenie wynalazcy.

Wadą na pozór bagatelną, lecz najtrudniejszą do wyeliminowania stały się biurokratyczne trudności w naliczaniu stawek podatkowych i ubezpieczeniowym dla pojazdów bez „pojemności skokowej”.

Skromne zastosowania

Pierwszym samochodem wyposażonym seryjnie w silnik Wankla był model NSU Spider, debiutujący w roku 1963 we Frankfurcie. Cieszył się wielką popularnością w dziennikarskich relacjach i znacznie mniejszym powodzeniem na rynku. W 1967 roku pojawił się podobnie napędzany sportowy samochód Mazda Cosmo Sport z pierwszym silnikiem dwukomorowym, a rok później – najchętniej kupowany w tej kategorii pojazdów model NSU Ro 80. Później trafiło na motoryzacyjne salony jeszcze kilka „wanklowskich” motocykli, parę kolejnych rotacyjnych Mazd i zapanowała kilkudziesięcioletnia cisza.

Dziś marka NSU już nie istnieje, Felix Wankel zmarł w 1988 roku, ale w 2011 roku dobrze prosperująca Mazda ogłosiła, że pracuje nad kolejną wersją silnika Wankla, oznaczoną symbolem 16x.

Hubert Kwarta

Pierwszy samochód z silnikiem Wankla – NSU Spider z 1963 roku (u góry) i jeden z kilku produkowanych seryjnie modeli Mazdy: RX-8 z lat 2003–2012 (poniżej)

W 1969 roku Mercedes-Benz zaprezentował model C 111/I z trzykomorowym silnikiem Wankla

Futurystyczna koncepcja Mazdy RX-500 z 1970 roku wyposażona w innowacyjny supersilnik Wankla. Pojazd wystawiony na Tokyo Motor Show zbudowano w jednym tylko egzemplarzu