Mlody Technik - Spalinowy silnik rotacyjny Wankla.pdf - Auto technika(1) - Choniczek.pl

jak to dział a

nie nale¿y myliæ z silnikami „rotacyjnymi” z wcze-

snego okresu lotnictwa. By³y to silniki gwiazdowe,

w których cylindry obraca³y siê wokó³ nieruchomego

wa³u korbowego. Ich kariera zakoñczy³a siê wraz z

pierwsz¹ wojn¹ œwiatow¹.

Po NSU, pionierem w opracowywaniu samocho-

dów, w których zastosowano silniki rotacyjne, by³a

Mazda. RX-7, skierowany do sprzeda¿y w 1978 r., by³

prawdopodobnie najpopularniejszym samochodem

z silnikiem rotacyjnym. Przed nim jednak powsta³a se-

ria samochodów osobowych, ciê¿arowych, a nawet au-

SPALINOWY SILNIK ROTACYJNY

WANKLA

Marek Utkin

tobusów, rozpoczêta przez Cosmo Sport model 1967.

Nowy samochód Mazdy, RX-8, ma nowy, nagrodzony

silnik rotacyjny o mocy 250 KM nazwany Renesis.

Ciekawostk¹ jest, i¿ w Polsce pod koniec lat 50.

i na pocz¹tku lat 60. by³y prowadzone prace nad silni-

kiem rotacyjnym (chodzi³y s³uchy o piêciok¹tnym t³o-

ku). Sprawa, jak wszyscy wiedz¹, nie wypali³a i by³y

w ni¹ zamieszane ponoæ i wywiady pañstw obcych.

Dziwnym trafem motyw ten pojawi³ siê w „Awanturze

w Niek³aju” E. Niziurskiego.

Istniej¹ trzy podstawowe rodzaje prawdziwych

silników rotacyjnych:

1) Typu Wankla, oparte o wiruj¹cy t³ok.

2) Modele dzia³aj¹ce na zasadzie no¿ycowej, w których

stosuje siê przegrody i t³oki.

3) Wersje z wiruj¹cym blokiem silnika (tzw. kot i mysz).

Silniki w ogóle, nie tyko rotacyjne, s¹ blisko spo-

krewnione z pompami i sprê¿arkami - jedne napêdzaj¹,

drugie s¹ napêdzane, a wiêc niektóre stosowane w nich

rozwi¹zania znane s¹ z pomp.

TEORIA, BUDOWA,

ZASADA DZIA£ANIA

HISTORIA

SILNIKÓW ROTACYJNYCH

Jest to silnik wewnêtrznego spalania: mieszanka pa-

liwa z powietrzem jest zapalana, a si³a wybuchu na-

pêdza elementy wewn¹trz silnika.

Jest to silnik czterosuwowy, wystêpuj¹ w nim osob-

no: zassanie mieszanki, sprê¿anie, praca, wydech.

Wiêkszoœæ silników rotacyjnych ma trzy zasadnicze

czêœci: 2 rotory, czyli wiruj¹ce t³oki i wa³ mimoœrodo-

wy. Wiruj¹ce t³oki obracaj¹ siê w jednym kierunku.

Nie oscyluj¹ w górê ani w dó³.

S¹ one otoczone komor¹, w której wierzcho³ek t³oka

zatacza krzyw¹ zwan¹ epitroichoid¹.

Projekty silników rotacyjnych opracowa³ w 1588

r. Ramelli, choæ by³y one mocno przedwczesne - trzeba

by³o rewolucji przemys³owej oraz powstania silnika Ot-

to w 1876 r. i narodzin samochodu w 1896, aby stwo-

rzyæ podstawy prawdziwego spalinowego silnika rota-

cyjnego. Przed rokiem 1910 zg³oszono ponad 2000 pa-

tentów na wiruj¹ce t³oki. Inne wczesne projekty by³y

wykonane przez Huygensa w 1673 i Keplera.

James Watt wykona³ silnik parowy z wiruj¹cym

t³okiem (a raczej ruchom¹ przegrod¹ w okr¹g³ej komo-

rze) w 1759 r., podobnie jak Ericsson. Amerykanin John

Cooley wynalaz³ coœ w rodzaju negatywu silnika Wan-

kla w 1903, a Umpleby do niego zastosowa³ wewnêtrz-

ne spalanie w 1908 r., lecz nie osi¹gn¹³ nigdy sukcesu.

Oprócz tego Elwood Haynes opracowa³ silnik gazowy

z zaworem rotacyjnym w 1903 r.

Dopiero jednak Felix Wankel, z niemieck¹ staran-

noœci¹ i dok³adnoœci¹ skatalogowa³ i dopasowa³ 862

pary ró¿nych figur geometrycznych, z których 278 by³o

niepraktycznych. Wankel przebada³ 149 najbardziej

obiecuj¹cych z pozosta³ych 584. W silnikach Wankla

stosuje siê przek³adniê cykloidaln¹, stary i niezwyk³y

rodzaj przek³adni, u¿ywany w zegarach, pompach

i sprê¿arkach œrubowych.

Po II wojnie dr Wankel wznowi³ swoje prace ba-

dawcze w 1951 r., zainteresowawszy silnikami z wiru-

j¹cym t³okiem NSU. Pierwszym seryjnie produkowanym

samochodem z silnikiem Wankla by³ NSU Wankel-Spi-

der (jednorotorowy, pojemnoœæ 497 cm 3 , 50 KM), które-

go wytwarzanie rozpoczêto w 1963 r. i produkowano

do 1967. Nastêpnym modelem by³ NSU Ro80.

Silnik rotacyjny Wankla jest silnikiem pracuj¹-

cym wed³ug czterech faz cyklu Otto, czyli czterosu-

wowym. W przeciwieñstwie do typowego silnika t³o-

kowego, mieszanka paliwowo-powietrzna jest przet³a-

czana z miejsca na miejsce, w zwi¹zku z tym cztery fa-

zy cyklu (suwy, choæ tu nic siê nie suwa, tylko krêci) od-

bywaj¹ siê w ró¿nych miejscach silnika. To jest zalet¹

w przypadku zastosowania wodoru jako paliwa. Odpo-

wiednie fragmenty cyklu odbywaj¹ siê jednoczeœnie na

trzech œciankach wiruj¹cego t³oka (tj. na jednej wystê-

puje np. ssanie, na drugiej zap³on, a na trzeciej wydech).

Rotacyjny silnik spalinowy, wynaleziony przez

Feliksa Wankla i udoskonalony przy udziale Waltera

Froede z NSU, ró¿ni siê od silnika t³okowego czterema

zasadniczymi elementami:

Rotor (wiruj¹cy t³ok) zastêpuje t³ok w silniku pracu-

j¹cym ruchem posuwisto-zwrotnym.

Wa³ mimoœrodowy zastêpuje wa³ korbowy silnika

i korbowody silnika t³okowego.

Komora silnika zastêpuje cylinder konwencjonalne-

go silnika t³okowego.

S palinowego silnika rotacyjnego z wiruj¹cym t³okiem

FELIX WANKEL krìtka biografia

Wielu wynalazcìw interesowało się pro-

blemem silnika rotacyjnego, lecz nikt nie

drążył tego zagadnienia tak długo i nie-

strudzenie, jak Felix Wankel, ktìry, przy

wspìłpracy z NSU, dokładnie przebadał

wszystkie aspekty techniczne dotyczące

szczelności, umieszczenia świec zapło-

nowych, okien wlotowych i wydecho-

wych, chłodzenia, smarowania, spalania,

materiałìw i tolerancji wymiarowych.

nień dla Lilienthala, BMW, DVL, Junkersa i Daimlera-Benza. Opraco-

wał wtedy liczne prototypy silnikìw z wirującym tłokiem oraz pompy

i sprężarki rotacyjne. W 1945 r. znalazł się we francuskiej strefie oku-

pacyjnej, a jego warsztaty i wyniki badań zostały prawdopodobnie

zniszczone (lub wywiezione), a on sam, po raz kolejny, był więziony

do 1946 r.

Wspìłpraca z NSU

Podczas okupacji alianckiej Felix Wankel w tajemnicy pisał swoją

książkę o budowie silnikìw rotacyjnych. W 1951 r. podjął badania

na nowo, zainteresował swym projektem NSU i rozpoczął wspìłpra-

cę z Walterem Froede, szefem programu motocykli wyścigowych.

Pierwszy rzeczywiście działający silnik był typu DKM, i ruszył w lutym

1957. Do maja był w stanie pracować przez dwie godziny, wytwarza-

jąc 21 KM. Pierwszy silnik KKM ruszył w czerwcu 1958.

Felix Wankel w uznaniu za swoją działalność został odznaczony wie-

loma tytułami i medalami, m.in. otrzymał honorowy doktorat Uniwer-

sytetu Technicznego w Monachium oraz najwyższe niemieckie od-

znaczenie cywilne, Wielki Krzyż Zasługi w Służbie Republiki, i in.

Jednak jak wielu wybitnych twìrcìw, był człowiekiem kontrastìw -

pod koniec życia przeprowadził się na szwajcarską stronę Jeziora

Bodeńskiego, m.in. po to, aby zachować neutralność w razie ewen-

tualnej wojny. Zajmował się czynnie działaniami na rzecz dobra zwie-

rząt - m.in. w 1972 r. ustanowił Nagrodę Felixa Wankla za Ochronę

Zwierząt w Badaniach, przyznawaną za rozwiązania mające na celu

ograniczenie, zastępowanie i - na ile to możliwe - zaprzestanie eks-

perymentìw z udziałem żywych zwierząt.

Pomimo wielkiego wkładu w technikę, a w motoryzację w szczegìl-

ności, do końca życia (z przyczyn ideowych) nie posiadał prawa jaz-

dy (niewątpliwie udział zwierząt rozjechanych przez samochody z sil-

nikami Wankla w stosunku do ogìlnej liczby jest niewielki).

Ulice nazwane imieniem Feliksa Wankla znajdują się w: Aalen, Da-

chau, Euskirchen, Heilbronn, Neckarsulm, Oldenburgu, Ostfildern,

Rottenburgu, Schweinfurcie, Sennfeld, Stuhr (Brema) i w Zaberfeld,

oraz istnieje Felix-Wankel-Ring w Lenting.

Początki

Felix Wankel urodził się 13 sierpnia 1902 r. w Lahr w Szwarcwaldzie,

w Szwabii (Otto, Daimler i Benz rìwnież pochodzili ze Szwabii - czyż-

by jakieś lokalne geny?). Wankel zakończył szkołę wyższą w wieku

lat 19., jednocześnie pracując i ucząc się. Drukował, magazynował

i sprzedawał książki naukowe w Heidelbergu, rìwnolegle pracując

nad rozwiązaniami technicznymi. W okresie niemieckiej depresji utra-

cił pracę i w 1924 r. otworzył warsztat mechaniczny. Od tego czasu

rozważał pomysł silnika rotacyjnego. W 1927 r. wykonał rysunki

schematu maszyny z wirującym tłokiem bez niejednostajnie poru-

szających się elementìw. Pierwszy patent uzyskał w 1929 r. (DRP

507 584). Od tego czasu zgłaszał rozmaite patenty przez 60 lat.

W 1933 zgłosił wniosek patentowy na silnik z wirującym tłokiem,

a otrzymał go w 1936.

Jak wielu Niemcìw klasy średniej, zrujnowanych inflacją lat 20.,

Wankel wstąpił do NSDAP. Jednak, jak niemal każdy wynalazca, po-

stąpił przeciwnie niż większość społeczeństwa i wystąpił z partii

w 1932 r., a w 1933 r. naziści doszli do władzy... W dodatku Wankel

ujawnił korupcję gauleitera Wagnera, co doprowadziło go do osa-

dzenia w więzieniu (Wankla, nie gauleitera!). Został uwolniony, do-

piero gdy na jego rzecz interweniował pewien przemysłowiec i na-

ukowiec. Ok. 1936 Wankel, zamieszkały w okolicach Jeziora Bodeń-

skiego, pracował nad zaworami rotacyjnymi i technologią uszczel-

Okna kana³ów ss¹cych i wydechowych w obudowie

eliminuj¹ zawory, wa³ki rozrz¹du, krzywki, popycha-

cze i paski rozrz¹du.

Silnik rotacyjny ma zauwa¿alne zalety w stosun-

ku do konwencjonalnego silnika t³okowego.

cie i napêdza wa³ mimoœrodowy. Ten rodzaj jest ³a-

twiejszy w produkcji, ch³odzeniu i konserwacji ni¿

DKM. Kana³y ss¹ce i wydechowe s¹ lepiej ukszta³to-

wane. Wspó³czesne silniki rotacyjne s¹ typu KKM.

Wiruj¹cy t³ok porusza siê wewn¹trz komory silnika

po epitrochoidzie

Komora silnika ma wewn¹trz kszta³t epitrocho-

idy (a jeszcze dok³adniej, peritrochoidy).Wykreœla tê

krzyw¹ punkt le¿¹cy na promieniu okrêgu tocz¹cego

siê po stronie zewnêtrznej drugiego okrêgu. Okr¹g nie-

ruchomy ma po³owê œrednicy okrêgu obiegaj¹cego.

CZÊŒCI

Silnik rotacyjny jest wyposa¿ony w system za-

p³onowy i system paliwowy, podobne jak w konwen-

cjonalnych silnikach t³okowych. Jeœli nie widzieliœcie

nigdy silnika rotacyjnego w œrodku, przygotujcie siê

na niespodziankê, poniewa¿ nie znajdziecie zbyt wielu

znanych elementów.

S¹ dwa g³ówne rodzaje silnika rotacyjnego: KKM i DKM.

DKM (Drehkolbenmaschine, maszyna z kr¹¿¹cym t³o-

kiem), czyli silnik o pojedynczym obiegu (SIM). Taki

by³ pierwszy silnik rotacyjny, mia³ wewnêtrzn¹ obro-

tow¹ komorê obracaj¹c¹ siê wokó³ osi oraz rotor wy-

konuj¹cy ruch cykloidalny. Ta konstrukcja wymaga³a

kompletnego zdemontowania silnika w celu wymia-

ny œwiec (trzech), co by³o podstawowym powodem,

dla którego z niej zrezygnowano. Jednak DKM chodzi

równiej ni¿ KKM i jest w stanie osi¹gaæ wysokie ob-

roty, powy¿ej 25 000. Wystêpuj¹ w nim ni¿sze obci¹-

¿enia na ³o¿yskach.

KKM (Kreiskolbenmotor, motor z wiruj¹cym t³okiem),

czyli silnik o obiegu planetarnym (PLM), wyró¿niaj¹-

cy siê nieruchom¹ komor¹. Rotor porusza siê po orbi-

Rotor

Rotor ma trzy wypuk³e œcianki, a ka¿da z nich

ma w sobie zag³êbienie, zwiêkszaj¹ce pojemnoœæ sko-

kow¹ silnika, gdy¿ ka¿da z nich dzia³a jak t³ok i umo¿li-

wia dostanie siê wiêkszej iloœci mieszanki paliwowej.

Na obu koñcach ka¿dej ze œcianek znajduje siê

metalowa listwa, uszczelniaj¹ca punkt styku rotora

z komor¹ spalania, podobnie jak czyni¹ to pierœcienie

w silnikach t³okowych. Na ka¿dej z powierzchni bocz-

nych rotora znajduj¹ siê pierœcienie, uszczelniaj¹ce bo-

ki komory spalania.

Wewn¹trz rotora, po jednej stronie, znajduje siê

równie¿ wewnêtrzne ko³o zêbate, z zêbami skierowa-

nymi do œrodka. Zazêbiaj¹ siê one z przek³adni¹ zamo-

jak to dział a

Rotor pe³ni funkcjê tak¹,

jak w silniku t³okowym :

a) wa³ korbowy

b) ko³o zamachowe

c) t³ok

JAK TO Z£O¯YÆ...

Następną warstwą, jeśli patrzeć od zewnątrz, są warstwy za-

wierające rotory. One rìwnież są pokryte gładkim metalem

i znajdują się w nich okna kanałìw wylotowych.

Część środkowa pakietu zawiera dwa okna kanałìw ssących,

jeden dla każdego rotora. Rozdziela rìwnież oba rotory, w

związku z czym jej zewnętrzne powierzchnie muszą być bar-

dzo gładkie.

Pośrodku każdego rotora znajduje się rìwnież duże wewnętrz-

ne koło zębate, ktìre toczy się wokìł mniejszego koła zębate-

go, zamocowanego do bloku silnika. Jest to to, co determinu-

je orbitę rotora. Rotor obraca się rìwnież na dużej, walcowej

krzywce na wale korbowym.

Silnik rotacyjny jest pakietem złożonym z warstw. Silnik dwu-

rotorowy ma pięć głìwnych warstw, ktìre utrzymuje w całości

komplet długich śrub.

Chłodziwo przepływa kanałami przechodzącymi przez wszyst-

kie części. Dwie warstwy zamykające tę kanapkę z obu koń-

cìw zawierają uszczelki i łożyska wału napędowego. One rìw-

nież łączą się szczelnie z dwiema dalszymi warstwami, w ktì-

rych są umieszczone rotory. Powierzchnia wewnętrzna części

czołowych ma dużą gładkość, co ułatwia działanie bocznych

pierścieni uszczelniających w rotorach. Okna kanału ssącego

są umieszczone w każdej z części skrajnych silnika dwuroto-

rowego.

CZTERY SUWY

cowan¹ do obudowy. To po³¹cze-

nie kó³ zêbatych wymusza tor ru-

chu i kierunek, w jakim rotor ob-

raca siê w komorze.

Ssanie

Faza ssania w cyklu pracy rozpoczyna

się, gdy wierzchołek rotora mija okno ka-

nału ssącego. W momencie, gdy okno

kanału wlotowego otwiera się na komo-

rę, objętość komory jest bliska minimum.

Gdy rotor obraca się dalej, objętość ko-

mory rośnie, powodując wciągnięcie

mieszanki paliwowo-powietrznej do ko-

mory.

Gdy następny wierzchołek komory mija

okno kanału ssącego, komora się zamy-

ka i rozpoczyna się sprężanie.

Komora silnika

Komora silnika jest mniej

wiêcej owalna w kszta³cie (do-

k³adniej - jest to epitrochoida,

czyli jakby bardzo gruba ósem-

ka). Kszta³t komory spalania jest

opracowany tak, aby trzy wierz-

cho³ki rotora zawsze pozostawa-

³y w kontakcie ze œcianami ko-

mory, tworz¹c trzy szczelne

zbiorniki gazu. Ka¿da czêœæ ko-

mory jest przypisana jednej czê-

œci procesu pracy.

Kana³y ss¹cy i wydecho-

wy s¹ umieszczone w obudowie.

W tych kana³ach nie ma zawo-

rów (trochê podobnie, jak w sil-

niku dwusuwowym). Okno kana-

³u wydechowego ³¹czy siê bez-

poœrednio z systemem wydecho-

wym, a ss¹cego - z gaŸnikiem.

Sprężanie

Gdy rotor kontynuuje swìj ruch w komo-

rze silnika, objętość komory zmniejsza

się i mieszanka paliwowo-powietrzna się

spręża. W tym czasie ścianka rotora

przemieszcza się przed świecami zapło-

nowymi, a objętość komory jest ponow-

nie najbliższa minimum. Wtedy następu-

je zapłon.

Spalanie

Większość silnikìw rotacyjnych ma dwie

świece zapłonowe. Komora spalania jest

długa, a więc czoło płomienia rozprze-

strzeniałoby się zbyt wolno, gdyby była

tam tylko jedna świeca. Gdy świece za-

płonowe zapalają mieszankę paliwowo-

powietrzną (sekwencyjnie, odpalają jed-

na zaraz po drugiej), ciśnienie szybko

rośnie, zmuszając rotor do ruchu.

Ciśnienie spalonej mieszanki zmusza ro-

tor do ruchu w kierunku, ktìry spowodu-

je wzrost objętości komory. Gazy spali-

nowe rozprężają się dalej, poruszając ro-

tor i wytwarzając energię, zanim wierz-

chołek rotora nie minie okna kanału wy-

dechowego.

Wa³ napêdowy

Wa³ napêdowy ma wymo-

delowane krzywki o przekroju

walcowym, umieszczone mimo-

œrodowo, czyli przesuniête wzglê-

dem osi pod³u¿nej wa³u. Ka¿dy

rotor jest na³o¿ony na jedn¹ z

nich. Dzia³aj¹ one podobnie, jak

wa³ korbowy w silniku t³okowym.

W trakcie, gdy rotor pod¹¿a sw¹

drog¹ w komorze silnika i toczy

siê po nieruchomym kole zêba-

tym, popycha krzywki. Poniewa¿

s¹ one zamontowane mimoœrodo-

wo wzglêdem wa³u napêdowego,

si³a wywierana przez rotor na

krzywki wytwarza moment obro-

towy wa³u, przez co jest on wpra-

wiony w ruch obrotowy.

Silniki rotacyjne s¹ stoso-

wane w wielu samochodach (m.

in. w £adzie Samarze!), a tak¿e

do napêdu samolotów, motocykli

(w tym rosyjskiego Dniepra), mo-

tolotni, motorówek, skuterów

œnie¿nych, kosiarek i pi³ spalino-

wych.

Wydech

Gdy tylko wierzchołek rotora minie okno

kanału wydechowego, sprężone gazy

spalinowe mogą swobodnie wydostać

się na zewnątrz. Gdy rotor się obraca,

komora kurczy się, wytłaczając resztę

gazìw spalinowych przez okno kanału

wydechowego. W tym czasie objętość

komory zbliża się do minimum, wierz-

chołek rotora mija okno kanału ssącego

i cały cykl rozpoczyna się od nowa.

W silniku rotacyjnym przyjemne jest to,

że wszystkie trzy ścianki rotora zawsze

pracują nad jedną z faz cyklu. Podczas

jednego pełnego obrotu rotora nastę-

pują trzy cykle spalania. Lecz wał na-

pędowy obraca się (dzięki przekładni

zębatej i krzywkom) trzy razy na jeden

cykl spalania, co sprawia, że na każdy

obrìt wału napędowego przypada je-

den zapłon.

Przezroczysty model silni-

ka rotacyjnego Mazdy pod na-

zw¹ „Visible Rotary Engine”

w skali 1:5 produkuje firma Mini-

craft, zaœ OS/Graupner wytwa-

rza dzia³aj¹cy silnik Wankla o po-

jemnoœci 5 cm 3 do napêdu mode-

li samolotów.

Mlody Technik - Spalinowy silnik rotacyjny Wankla.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: