Wankel (forgódugattyús) motor

Röviden:

Wankel - bolygódugattyús motor, melyet elsősorban a Mazda és au NSU használt. A Wankel motor előnye, hogy kis löktérfogatból még feltöltés nélkül is igen komoly teljesítményt képes előállítani, hátránya viszont, hogy mindezt magas üzemanyag-, és olajfogyasztással párosul.

A forgódugattyús motor teljesen eltérő módon működik, mint a hagyományos belsőégésű motorok.

A jelenlegi forgattyús hajtóművel készült motorkonstrukciók mindegyike a dugattyúk le-fel mozgása segítségével hajtja meg a vízszintesen elhelyezett főtengelyt. Felül az égéstér, alul a főtengely helyezkedik el. A dugattyúk alternáló, valamint a főtengely forgó mozgásából adódó rezgéseket a lendkerék segítségével egyensúlyozzák ki.

A Wankel-motor ezzel szemben két, párhuzamos tengely körül forgó test elvén alapul. A Wankel-motor dugattyúja, amelyet rotornak is neveznek, háromszög alakú. Három oldala, illetve felülete egyenlő hosszúságú és domború vonalú. A forgódugattyú az állórészben kering, amely egy ovális ház, középen enyhén összeszűkítve. A rotor három csúcsa, illetve éle forgás közben a ház falához illeszkedik, miközben a rotor középpontja zárt körvonalat ír le.

A rotor három oldalának és élének minden érintkezési felülete tömítve van a ház belső felületével szemben, hogy megakadályozzák a gázok átáramlását az egyik munkatérből a másikba. Az élek és az oldalak tömítőelemeket tartalmaznak. Rövid, tányérrugók segítségével előfeszített, hengeres csatlakozóblokkok helyezkednek el a csúcstömítések mögött, folyamatos érintkezést biztosítva az oldaltömítésekkel.
 

A Wankel-motor az epitrochoid elven működik, matematikai görbék szerint, amelyek több különböző módon is előállíthatók. Epitrochoidális görbe keletkezik, ha egy kör egy másik, kétszer akkora sugarú kör vonalán, a külső oldalon gördül le. A kisebb, legördülő körben egy pontot felvéve, a kör forgásával egyidejűleg e pont egy görbét ír le. A nagyobb átmérőjű kör sugara ebben az esetben megegyezik a forgódugattyú középpontja és az oldalai valamelyikének távolságával. A kisebb átmérőjű körben (amelyik a külső körpályán gördül) választott pont és a kör középpontjának távolsága adja az excentricitás mértékét. Amennyiben a külső kör a nagyobb átmérőjű körbe kerülve, azon belül gördül le, hipotrochoid ív keletkezik. Ha a kisebb átmérőjű körben a választott pontot a kör vonalán vesszük fel, epi- vagy hipociklois görbét kapunk. A körpályán mozgó kör át is fedheti a belső kört, hasonlóan, mintha egy belső fogazású kerékhez egy kisebb, külső fogazású kerék kapcsolódna, amely a forgódugattyús motorok úgynevezett belsőtengelyes elvéhez hasonlítható.

A dugattyúház belsejének alakja és a rotor forgás közben leírt pályája matematikailag nem egymással megegyező görbék. Ez utóbbi egy kissé kijjebb helyezkedik el, így a csúcstömítések jobban követhetik a ház belső felületének trochoidális ívét. Ezen állandó távolsági eltérés mértéke a csúcstömítés hegyének legömbölyítési sugarával egyezik meg.

A rotor excentrikusan köröz az állórészen belül oly módon, hogy csúcsainak három pontja folyamatos kapcsolatban áll a ház belső falával minden egyes fordulat alatt. A forgódugattyú középpontjában egy kisebb átmérőjű belső fogaskerék helyezkedik el, amelyet külső fogazása miatt külső fogaskeréknek neveznek, s amely körül egy nagyobb átmérőjű –a dugattyúban rögzített-, belső fogazású fogaskerék forog. Ez az áttétel alapvető fontosságú annak biztosítása érdekében, hogy a dugattyú mozgása közben mindvégig a belső, helyhez kötött csapágyhoz kapcsolódjon, s forgómozgást hozhasson létre az excentrikusan elhelyezett tengelyen.

Ez az elrendezés három munkateret eredményez a rotor három felülete és az állórész házának belső felülete között, amelyek térfogata folyamatosan változik a forgódugattyú keringő mozgása közben. E folyamat közepette a főtengely és a szelepek feleslegessé válnak. Az egyedüli mozgó alkatrészek a forgódugattyúk és a bolygóműves áttétel, azaz a napkerék, amelyhez csatlakoznak. Ez az elrendezés egyben azt is jelenti, hogy a Wankel-motor könnyebb és kisebb kiterjedésű.

A Wankel-motor teljesítményét a forgódugattyú állítja elő, a hozzá kapcsolódó excentrikus tengely pedig továbbítja azt. Ez az excentrikus tengely az alternáló mozgást végző forgattyús hajtóművel rendelkező motorok főtengelyéhez hasonlítható. A belső fogazás és a helyhez kötött fogaskerék fogszámainak áttétele 3:2. A forgódugattyú az excentrikus tengely szögsebességének kétharmad részével forog. A kétrotoros hajtómű lágyabban működik, mint az egyrotoros változat, ami annak köszönhető, hogy a két excentrikus tengelycsapot 180 fokos fáziseltolódással készítik. Egy háromdugattyús konstrukció működésének finomsága egy nyolchengeres, alternáló mozgású forgattyús hajtóművel készült motoréhoz hasonlítható. Több kamra sorba helyezésével a Wankel-motor kisebb motorméretek mellett jóval nagyobb teljesítmény előállítására képes, s a gyártása is egyszerűbb.

Míg a hagyományos négyütemű motor esetében négy ütem szükséges a főtengely kétszeri megforgatásához, a Wankel-motorban a dugattyú minden egyes 360 fokos fordulatára négy ütem jut. Kiegyenlítetlen erők alig keletkeznek, mivel a forgódugattyú tömegközéppontja a saját forgásközéppontja körüli körpályán mozog, így dinamikailag kiegyenlített.


Négyütemű működési elv

A Wankel-motor termodinamikai működési elve a négyütemű alternáló mozgást végző forgattyús hajtóművel rendelkező motor elvén alapul. Mivel a rotor három éle folyamatos érintkezésben áll a ház belső falának felületével, kamrák képződnek. Ahogy a rotor forog, három oldala három kamrát képez a ház falával (A,B,C), forgás közben változó térfogattal. A dugattyú egyetlen fordulata alatt az alternáló dugattyús motorok teljes négyütemű ciklusa – beszívással, sűrítéssel, munkaütemmel és kipufogással - lezajlik. A szívó- és kipufogó-csatornák nyílásait maga a forgó dugattyú nyitja, illetve zárja. A rotor a ház belsejében kering és a belső, helyhez kötött fogaskerék körül forog, sarló alakú kamrákat formálva, a forgás közben folyamatosan változó térfogattal. Ez a működési elv azt jelenti, hogy a három kamrában a négy ütem valamelyike párhuzamosan megy végbe, így a rotor egy teljes fordulatával a motor az alternáló dugattyús, négyütemű erőforrások három teljes ciklusa zajlik le.

1. ütem (Sűrítés)
Az élek egyike érinti, majd elhagyja a szívónyílást, s elkezdődik a nyitása. Az üzemanyag-levegő keverék beáramlik az élt követő kamrába, s a forgódugattyú forgása révén a kamra térfogata folyamatosan növekszik.

2. ütem (Sűrítés)
Ahogy a rotor továbbfordul, a következő él zárja a kamrát. A kamra térfogata csökkenni kezd és összesűríti az üzemanyag-levegő keveréket.

3. ütem (Munkaütem)
A gyertyák az összesűrített üzemanyag-levegő keveréket meggyújtják. A munkaütem közben a keverék expandál és továbbfordítja a rotort, amely a középpontjában hajtja az excentrikus tengelyt.

4. ütem (Kipufogás)
Az eredeti (az első ütemben vett) dugattyúcsúcs eléri és érinti a kipufogónyílást, majd megkezdi annak nyitását.