Silniki spalinowe z wirującym tłokiem.

Temat : Silniki spalinowe z wirującym tłokie

Wstęp

Spośród silników spalinowych najbardziej rozpowszechnione są obecnie silniki tłokowe. Zarówno jedne, jak i drugie, poza licznymi zaletami, obarczone są pewnymi wadami.
Zasadniczą wadę silnika tłokowego o postępowo zwrotnym ruchu tłoka stanowią niekorzystne skutki zmienności kierunku i prędkości ruchu tłoka względem cylindra. Przyspieszenia o zmiennych kierunkach i wartościach wywołują duże siły bezwładności, obciążające części mechanizmu korbowego. Powoduje to konieczność wyrównoważania tych sił i momentów od nich pochodzących. Konstrukcję tłokowych silników czterosuwowych komplikuje ponadto dość złożony mechanizm rozrządu.
W poszukiwaniu konstrukcji pozbawionej wymienionych wyżej wad klasycznych silników tłokowych zrodziła się idea zbudowania silnika tłokowego, którego tłok zamiast ruchu postępowo-zwrotnego wykonywałby ruch obrotowy.
Istnieją trzy podstawowe rodzaje prawdziwych silników rotacyjnych:
1) Typu Wankla, oparte o wirujący tłok.
2) Modele działające na zasadzie nożycowej, w których stosuje się przegrody i tłoki.
3) Wersje z wirującym blokiem silnika (tzw. kot i mysz).

Rys historyczny

Projekty silników rotacyjnych opracował już w 1588 roku Ramelli, choć były one mocno przedwczesne - trzeba było rewolucji przemysłowej oraz powstania silnika Otto w roku 1876 i narodzin samochodu w roku 1896, aby stworzyć podstawy prawdziwego spalinowego silnika rotacyjnego.
Przed rokiem 1910 zgłoszono ponad 2000 patentów na wirujące tłoki. Inne wczesne projekty były wykonane przez Huygensa w roku 1673 i Keplera.
James Watt wykonał silnik parowy z wirującym tłokiem (a raczej ruchomą przegrodą w okrągłej komorze) w 1759 roku, podobnie jak Ericsson.
Oprócz tego Elwood Haynes opracował silnik gazowy z zaworem rotacyjnym w roku 1903.
Dopiero jednak Felix Wankel, z niemiecką starannością i dokładnością skatalogował i dopasował 862 pary różnych figur geometrycznych, z których 278 było niepraktycznych. Wankel przebadał 149 najbardziej obiecujących z pozostałych 584. W silnikach Wankla stosuje się przekładnię cykloidalną, stary i niezwykły rodzaj przekładni, używany w zegarach, pompach i sprężarkach śrubowych.
Silnik jego konstrukcji został opatentowany już w roku 1936. Zamiast cylindrów znanych z normalnego silnika, Wankel ma komory spalania z obrotowymi tłokami (stąd nazwa silnik rotacyjny lub z wirującym tłokiem). Wewnątrz tłoka znajduje się wał, który umożliwia przekazanie napędu do skrzyni biegów i dalej na koła. Wankel nie ma zaworów i ma prostą konstrukcję, ale jest paliwożerny, zaś szybko zużywające się uszczelnienia tłoka są jego czułym punktem.
Produkcję silników Wankla na skalę przemysłową pierwsze podjęły firmy samochodowe. W 1971 r. w niemieckiej wytwórni NSU były produkowane dwa typy silników Winkla (KKM-612 do samochodu Ro 80; Ro 82 (rys.1) i KKM-613 do samochodu Citroen M35), a w wytwórni Toyo-Kogyo - trzy typy (813, 820 i 823 do samochodów Mazda). Ponadto firma Daimler-Benz zastosowała silnik Wankla M-950 do napędu doświadczalnego samochodu sportowego C-111 (rys.2).
Podejmowano też próby zastosowania silnika Wankla do napędu motocykli i sań motorowych. Do sań motorowych zastosowano silniki Wankla głównie ze względu na łatwość rozruchu w niskiej temperaturze.


Rys.1 NSU Ro 82 [1]



Rys.2 Mercedes C-111 [2]



Rys.3 Norton 750 [3]



W 1971 r. firma Fichtel-Sachs uruchomiła produkcję czterech typów silników Wankla do napędu pił, szlifierek, zespołów prądotwórczych, pomp itp. Pierwsze zastosowanie w lotnictwie znalazł silnik Wankla do napędu motoszybowców. Firma Fichtel-Sachs zastosowała do tego celu silnik KM-48 o mocy Ne = 7,4 kW przy n = 500 obr/min. Ze względu na małą moc stanowił on tylko silnik pomocniczy; start szybowca musi być, bowiem wspomagany.
Największymi osiągnięciami w pracach nad zastosowaniem silników Wankla w lotnictwie może poszczycić się amerykańska firma Curtiss-Wright. Poczynając od 1960 r. wyprodukowała ona wiele bardziej lub mniej udanych prototypów. Ostatnim z opracowanych przez tę firmę silników lotniczych był silnik śmigłowcowy RC2-90Y2 o mocy Ne = 228 kW przy n = 6000 obr/min. Silnik ten miał małe wymiary i małą masę (ok. 129 kg).
Z innych zastosowań silnika Wankla należy wymienić transport wodny (łodzie motorowe).

Przekrój silnika Wankla-NSU

Rys.4 Przekrój silnika Wankla-NSU [4]

1. Pokrywa przednia
2. Cylinder
3. Odpływ cieczy chłodzącej
4. Koło zamachowe
5. Kanały dolotowe
6. Doprowadzenie cieczy chłodzącej
7. Miska olejowa
8. Tłok
9. Przeciwciężar
10. Przerywacz instalacji elektrycznej
Przekrój motocyklowego silnika Wankla

Rys.5 Silnik suzuki RE5 o mocy przekraczającej 46 kW [5]
1. Wlot powietrza do gaźnika
2. Gaźnik
3. Kanały chłodzenia komory spalania
4. Termostatyczny włącznik wentylatora chłodnicy
5. Otwór wlotowy (otwór wydechowy poniżej)
6. Termostat woskowy
7. Pompa oleju
8. Wirnik pompy cieczy chłodzącej
9. Kanał pompy cieczy chłodzącej
10. Aparat zapłonowy
11. Filtr oleju
12. Korek spustowy oleju
13. Napinacz łańcucha
14. Sprzęgło wielotarczowe
15. Podwójny łańcuch łączący wał korbowy ze sprzęgłem
16. Wałek rozrusznika nożnego
17. Mechanizm wolnobieżny rozrusznika
18. Pięciobiegowa skrzynka przekładniowa
19. Olejarka łańcucha
20. Łańcuch napędzający tylne kota
21. Rozrusznik elektryczny
22. Świeca zapłonowa
23. Uszczelnienie krawędzi wirnika
24. Wirnik
25. Alternator trójfazowy
26. Komora spalania

Rys.6 Suzuki RE5 [6]
Zasada działania silnika Wankla

W silniku spalinowym Wankla główny element roboczy- tłok- wykonuje ruch obrotowy, podobnie jak w turbinowym silniku spalinowym wirnik turbiny. Jednak zasady działania tych silników są różne. W turbinowych silnikach spalinowych energia kinetyczna rozprężających się gazów działając na łopatki wprawia w ruch obrotowy wirnik silnika. Zasada działania silnika Wankla jest natomiast taka jak tradycyjnego silnika czterosuwowego. Cykl pracy silnika spalinowego Wankla obejmuje następujące procesy:
• napełnienie komory roboczej świeżym ładunkiem;
• sprężenie ładunku;
• rozprężanie gazów spalinowych powstałych w komorze roboczej w wyniku spalania sprężonego ładunku;
• usuwanie spalin z komory roboczej.
Ponieważ tłok w silniku Wankla nie wykonuje ruchu postępowo-zwrotnego poszczególne fazy cyklu pracy nie nazywają się tu suwami, lecz taktami. W silniku Wankla wymienione wyżej procesy zamykają się w czterech taktach: dolotu, sprężania, rozprężania (pracy) i wylotu.



Cztery suwy w jednym obrocie: na rys.(1) następuje właśnie zasysanie mieszanki paliwowo-powietrznej przez kanał dolotowy, w czasie, którego to procesu tłok wykonuje jedną trzecią obrotu. Teraz następuje sprężania (2), kończące się zapłonem mieszanki(3).
Wirujący element silnika Wankla ma kształt trójkąta o krzywoliniowych bokach. Przejmuje on nacisk gazów i dlatego, przez analogię z silniami suwowymi, nazywany jest tłokiem. Tłok tego silnika porusza się w zamkniętej obudowie stanowiącej kadłub silnika nazywanej (również przez analogię) cylindrem. Cylinder ma kształt niskiego walca o podstawie niekołowej prostopadłej do osi. Zarys podstawy cylindra stanowi krzywa zwana trochoidą.

Tłok jest osadzony na mimośrodzie wału silnika. Dzięki temu podczas pracy silnika środek tłoka porusza się po kole o promieniu równym promieniowi mimośrodu. Jednocześnie tłok silnika obraca się dookoła swej osi w tym samym kierunku, co wał, lecz z prędkością kątową trzykrotnie mniejszą. Przełożenie takie zapewnia przekładnia zębata, której jeden element stanowi wewnętrzny wieniec zębaty tłoka, a drugi zewnętrzny wieniec zębaty mimośrodowego wału silnika. Za pomocą tej przekładni tłok napędza wał silnika.
Mimośrodowy ruch tłoka oraz odpowiedni kształt powierzchni bocznej cylindra silnika sprawiają, że krawędzie tłoka dzielą przestrzeń między tłokiem a ściankami cylindra na trzy części (komory robocze), których położenie, kształt i objętość są zmienne w czasie pracy silnika. Podczas jednego pełnego obrotu tłoka objętość każdej komory roboczej osiąga dwa razy wartość największą i dwa razy najmniejszą. Podobnym zmianom w tradycyjnym silniku tłokowym ulega objętość przestrzeni roboczej cylindra. Dzięki temu w każdej komorze roboczej podczas jednego obrotu tłoka jest realizowany pełny czterotaktowy cykl pracy.

Obracający się tłok wypycha spaliny kanałem wydechowym. Najciekawsze w tym silniku jest to, że wszystkie cztery suwy odbywają się jednocześnie w trzech blokach trójkątnego (w przybliżeniu) tłoka, a więc każdy obrót o 360 stopni to trzy suwy pracy. I to jest właśnie tajemnica równości pracy wankli - szczególnie, jeśli w silniku są dwie komory i dwa tłoki.
Z opisanego przebiegu pracy silnika w Wankla wynika, że podczas jednego obrotu tłoka i odpowiadających mu trzech obrotów wału silnika zachodzą trzy takty pracy, kolejno w każdej komorze. Na jeden obrót wału przypada, więc w tym silniku jeden takt pracy, podobnie jak w klasycznym jednocylindrowym silniku dwusuwowym. Jest to bardzo korzystne, gdyż równomierny bieg silnika uzyskuje się bez potrzeby stosowania dużych kół zamachowych, jak to ma miejsce w silniku suwowym.
Drugą zaletą silnika Wankla, wypływającą korzystnie na jego sprawność, jest niemal całkowite oczyszczanie komory roboczej ze spalin. Zawartość resztek spalin w świeżym ładunku jest w tym silniku minimalna. Rozpędzona w przewodzie dolotowym mieszanka wpływa z dużą energią kinetyczną do komory roboczej, co zapewnia wysoką sprawność napełnienia.
Należy jeszcze wspomnieć, że silnik Wankla, podobnie jak większość silników dwusuwowych, mają rozrząd bezzaworowy. Łączą wiec one w sobie zalety klasycznych silników dwu i czterosuwowego.

Główne elementy konstrukcyjne silnika Wankla


Rys.7 Główne elementy konstrukcyjne silnika Wankla [7]

Uszczelnienie komór roboczych

Od samego początku jedną z większych trudności w realizacji silników o tłokach obrotowych sprawiało we wszystkich ich przypadkach skuteczne rozwiązanie problemu uszczelnienia komór roboczych.
Przez skuteczne uszczelnienie należy rozumieć takie uszczelnienie, które zapewni odpowiednio małe przedmuchy gazów, a zarazem będzie dostatecznie trwałe i nie będzie powodować nadmiernych oporów mechanicznych w wyniku występowania dużych nacisków między powierzchniami uszczelnionymi.
Można też zwrócić uwagę, że z dużej trwałości uszczelnienia można częściowo zrezygnować, pod warunkiem, że uszczelnienia te będą tanie i łatwe do wymiany.

W silniku typu Wankel występują uszczelnienia dwóch zasadniczych rodzajów:
- gazowe, rozgraniczające od siebie komory silnika i zapobiegające przedostawaniu się spalin lub sprężonego ładunku do komory mieszczącej się wewnątrz tłoka,
- olejowe, zapobiegające przedostawaniu się oleju smarującego przekładnię zębatą, mieszczącą się w komorze wewnętrznej tłoka, do komór roboczych.

Uszczelnienia gazowe dzielą się także na:
- promieniowe, rozgraniczające komory robocze wzdłuż bieżni cylindra,
- czołowe, rozgraniczające komory robocze wzdłuż ich płaskich ścian bocznych.

Feliks Wankel opatentował i wypróbował bardzo wiele różnych wersji uszczelnień oraz różnych materiałów na elementy uszczelniające. Podczas prób okazało się, że dobór materiału uszczelnień jest nie mniej istotny od ich rozwiązania konstrukcyjnego. Nie można było przy tym oceniać materiału uszczelnień w oderwaniu materiału gładzi cylindra. Jeden i ten sam materiał uszczelnienia pracował z jedną gładzią cylindra w sposób zadowalający, podczas gdy z inną wykonaną z innego materiału, zdecydowanie gorzej.
Ostatecznie, po bardzo wielu doświadczeniach, opracowano elementy uszczelniające, prasowane z grafitu i sproszkowanego brązu. Materiał ten jest bardzo zbliżony do materiału używanego na szczotki, stosowane w rozrusznikach samochodowych. Najprawdopodobniej zawiera on także inne dodatki i uzyskiwany jest w wyniku odrębnego procesu technologicznego, gdyż próby zastosowania na uszczelki materiału stosowanego na szczotki, dawałby zdecydowanie negatywne wyniki. Elementy uszczelnień, wykonane z tego materiału, wykazują wielką łatwość docierania się do gładzi cylindra, mały współczynnik tarcia, stosunkowo powolne zużywanie się gładzi, niezależnie niemal od materiału jej powierzchni.
W różnych rozwiązaniach tych silników stosuje się cylindry żeliwne, a także ze stopów lekkich, o bieżni pokrytej warstwą chromu porowatego. Te ostatnie wykonują zużycie, podczas przeciętnych warunków pracy silnika w samo-chodach osobowych rzędu 4 do 5 mikronów na 300 godzin pracy. Wynika stąd, że trwałość bieżni cylindra, dla której można dopuścić zużycie ok. 0,05 mm, wynosi około 300 godzin pracy. Trwałość taką należy uznać za bardzo dobrą, nie tylko dla silników samochodów osobowych, ale również ciężarowych i ciągników.
Zużycie elementów uszczelniających (szczególnie promieniowych) jest znacznie większe. Jednak dzięki sprytnemu rozwiązaniu konstrukcyjnemu element uszczelniający nie traci swych własności i promieniowo współpracuje z bieżnią, nawet mimo stosunkowo dużego zużycia. Elementy uszczelnienia promieniowego najbardziej narażone na zużycie, wykonane są z cienkich listew, umieszczonych w rowkach, znajdujących się w narożach tłoka. Zewnętrzna powierzchnia listwy (wystająca z rowka) zatoczona jest łukiem koła o promieniu równym odległości zarysu od bieżni cylindra od teoretycznej perycykloidy zarysu cylindra. Wynika to stąd, że środek tego łuku musi leżeć na linii perycykloidy, a zewnętrzna powierzchnia elementu uszczelniającego, w każdej chwili jest styczna do rzeczywistego zarysu cylindra, który, jak wiadomo, utworzony jest przez krzywą równoległą do perycykloidy teoretycznej.
W miarę wycierania się materiału listwy, wysuwa się ona z rowka tłoka, wypychana przez umieszczoną w nim sprężynę oraz pod wpływem działania siły odśrodkowej. Wewnętrzny zarys listwy pozostaje przy tym niezmieniony, gdyż ulega on obróbce przez bieżnię cylindra.
Zewnętrzna powierzchnia listwy styka się z gładzią cylindra wzdłuż jednej linii- wspólnej tworzącej. Podczas pracy silnika i przemieszczania się tłoka w cylindrze, linia stylu przesuwa się o pewien kąt w prawo i w lewo od położenia symetrycznego względem osi symetrii listwy. Taki system uszczelniania jest nazwany uszczelnieniem zmiennoliniowym. Liniowe uszczelnienie stanowi istotną wadę silnika typu Wankel, gdyż dużo trudniej uzyskać tu szczelność tego samego rzędu, co w klasycznych silnikach tłokowych, w których występuje kilka pierścieni uszczelniających (a także zgarniających, które również uszczelniają), stykających się z gładzią cylindra nie wzdłuż pojedynczej linii, lecz na pewnej powierzchni, wynikającej z ich wysokości.
Równocześnie jednak fakt przesuwania się linii rozgraniczenia komór po zewnętrznej powierzchni listwy powoduje, że zużycie listwy jest wolniejsze niż w innych silnikach o tłokach obrotowych, w których występują uszczelnienia tzw. stałoliniowe: element uszczelniający styka się z gładzią cylindra zawsze wzdłuż jednej linii.
Rolę uszczelnienia czołowego spełniają listwy, stanowiące odcinki pierścienia kołowego, umieszczone
w odpowiednich rowkach na czołowych powierzchniach tłoka. Niezbędny docisk ich do płaskich ścian pokryw cylindra zapewniają umieszczone pod listwami sprężyny
z falistej blachy. Warunki pracy uszczelnień czołowych są niewspółmiernie łatwiejsze, niż poprzednio rozważanych. Dlatego też rozwiązano ich konstrukcję i dobrano odpowiedni materiał bez szczególnych trudności. Wykonane są one z żeliwa tego samego gatunku, co żeliwo stosowane na pierścienie tłokowe w klasycznych silnikach spalinowych.

Schemat części składowych uszczelnienia


Rys.8 Schemat części składowych uszczelnienia [8].

Schemat smarowania tłoka

Rys.9 Schemat smarowania tłoka [9]

Schemat chłodzenia tłoka od wewnątrz

Rys.10 Schemat chłodzenia tłoka od wewnątrz [10]

Silnik Wankla z zapłonem samoczynnym:

Od wielu lat są prowadzone prace nad zbudowaniem silnika Wankla z zapłonem samoczynnym. Prace te zeszły jednak początkowo w niewłaściwym kierunku. Zakładano, bowiem konstrukcję silnika w układzie pojedynczym, a więc takim, jak w dotychczasowych silnikach z zapłonem iskrowym. W tym przypadku w celu uzyskania dostatecznego stopnia sprężania należy zastosować takie parametry geometryczne silnika, przy których:
• długość komory spalania oraz powierzchnia jej ścian w odniesieniu do pojemności skokowej są większe niż w silniku zapłonem iskrowym.
• czopy główne wału mimośrodowego mają małą średnicę.
Warunki te uniemożliwiają uzyskanie wysokiego stopnia sprężania w układach pojedynczych. Wymienione trudności nie spowodowały jednak przerwania prowadzonych prac. Właściwą drogą okazało się zachowanie niskiego stopnia sprężania i zastosowanie układu zdwojonego.
W silniku Wankla pracującym w układzie zwojowym zastosowano wstępne sprężanie powietrza w cylindrze pierwszego stopnia. Wstępnie sprężone powietrze przepływa następnie do cylindra drugiego stopnia, gdzie następuje wtrysk paliwa i spalanie mieszanki. Rozprężanie gazów odbywa się najpierw w stopniu drugim, a następnie - w pierwszym.
Dzięki takiemu rozwiązaniu, zastosowaniu przez firmę Rolls-Rojce, uzyskano zwartą komorę spalania o małej powierzchni ścian oraz, co jeszcze ważniejsze, małe obciążenie łożysk i wałów mimośrodowych obu stopni. Tłoki obu stopni obracają się z tą samą prędkością kątową, a moc wytwarzana w każdym ze stopni jest proporcjonalna do wymiarów odpowiednich cylindrów.
Opisane przykłady świadczą o tym, że zarówno konstrukcja silnika Wankla, jak i jego zastosowanie mogą być rozwijane w wielu różnych kierunkach. Przyszłość tych silników nie budzi już wątpliwości. Sprawą otwartą jest natomiast zakres, w jakim zastąpią ona klasyczne silniki tłokowe.

Zalety Silnika Wankla:
• Jest to jedyny silnik czterosuwowy (właściwiej - czterotaktowy) o rozrządzie bezzaworowym.
• Konstrukcja silnika zapewnia możliwość pełnego wyrównoważenia dynamicznego za pomocą przeciwciężarów związanych z wałem mimośrodowym, ponieważ środek masy tłoka pokrywa się z osią mimośrodu.
• Silniki Wankla mają możliwość uzyskiwania dużej mocy jednostkowej.
• Istnieje możliwość unifikacji części silników Wankla o różnej liczbie cylindrów.
• Prostota budowy tych silników stanowi gwarancję ich niezawodności oraz trwałości.
• Benzynowy silnik Wankla można zasilać paliwem o niższej liczbie oktanowej niż w przypadku silnika klasycznego o takim samym stopniu sprężania. Obecnie firma mazda wprowadza zasilanie poliwem gazowym.

Wady Silnika Wankla:
• Niemożność uzyskania dowolnego stopnia sprężania,
• Trudności związane z uzyskaniem trwałego uszczelnienia tłoka w komorze tłokowej (cylindrze),
• Większe jednostkowe zużycie paliwa w porównaniu z tradycyjnymi silnikami suwowymi.

Cechy charakterystyczne i perspektywy rozwoju silników Wankla.
Wankle starszej generacji z trudem uzyskiwały przebiegi rzędu kilkudziesięciu tysięcy kilometrów (dla porównania odpowiednio serwisowany silnik benzynowy, nawet ten starszej generacji, może wytrzymać około miliona kilometrów).
W urzędach patentowych wielu krajów można znaleźć liczne patenty dotyczące silników tego typu. Wszystkie te opracowywania wykazały poważne braki konstrukcyjne lub technologiczne i z tego powodu nie nadawały się do realizacji. Zaledwie nieliczne z nich doczekały się wykonania prototypu, jednak negatywne wyniki prób udaremniły dalszą ich produkcję.
Obecnie silnik ten przeżywa swój renesans a to za sprawą firm japońskich, które od zakupienia licencji do dnia dzisiejszego wprowadziły wiele zmian konstrukcyjnych eliminujących jego wady i podnoszących zalety.
Najmocniejszego "Wankla" bez turbodoładowania wyprodukowała Mazda. Silnik nazywa się "Renesis" i ma moc 250 KM przy pojemności 1,3 litra.
Mazda rx8. Obecnie produkowany samochód napędzany silnikiem renesis (zmodyfikowany silnik Wankla z przeniesionym wlotem i wylotem na ścianke tylną). odniósł wielki sukces otrzymując tytuł Międzynarodowego Silnika Roku 2003. Ta prestiżowa nagroda przyznawana jest od 1999 r. przez 50 dziennikarzy prasy motoryzacyjnej z 22 krajów, m. in. z USA, Niemiec, RPA, Francji, Argentyny, Kanady i Australii. RENESIS o mocy 240 KM spełnia normy emisji Euro 4, które będą obowiązywać w Unii Europejskiej od 2005 r. Zużycie paliwa w Mazdzie RX-8 jest porównywalne do klasycznych samochodów o podobnych mocach.

Typ: 192KM 5biegowa 231KM 6biegowa
192KM/141kW
przy 7000 231KM/177kW
przy 8200
220Nm przy 5000 211Nm przy 5500
Przyśp 7,2s do 100km/h 6,4s do 100km/h
Prędk. 139M/H 146M/H

Mazda RX-8

Rys.11 Mazda RX-8 [11]
Projekt silnika X

Projekt silnika Jerzego Woźniaka powstał w 1991 roku, konstruktorowi chodziło o prostotę budowy, czterotaktowy cykl pracy i wyeliminowanie układu korbowego. Dodatkowo należało również uniknąć wad, jakie posiada silnik Wankla w końcu 9 wrzesień 1992 roku Jerzy Woźniak opatentował swój projekt pod tajemniczą nazwą silnik X.


Rys.12 Model silnika X [12]
Budowa i zasada działania silnika X
Silnik X składa się z kołowego cylindra zamkniętego z obu stron płaskimi pokrywami, wewnątrz którego osiowo wiruje tłok złożony z dwóch ruchomych względem siebie elementów. Podczas pracy jednostki tworzą się cztery komory robocze o zmiennej objętości. Przeniesienie momentu obrotowego oraz synchronizacja ruchu ramion tłoka odbywa się za pośrednictwem zmyślnych eliptycznych trybów, które autor dopracował wykorzystując specjalnie wykonany do tego celu program komputerowy. Cztery jednakowe tryby współpracują są ze sobą w taki sposób, że odległość między ich osiami jest stała. Cała przekładnia składa się z dwóch zazębionych par obróconych wstępnie o 90 st. Podczas obrotu (ruch jednostajny) jednego elementu o 90 st. ruch drugiego jest opóźniony (lub przyspieszony, zmiana, co 90 st.). Tak, więc jeśli jedna para powoduje opóźnienie dwóch naprzeciwległych ramion tłoka – druga powoduje przyspieszenie obrotu dwóch pozostałych ramion. Prędkość kątowa wału zdawczego jest sumą prędkości kątowych ramion tłoka i odwrotnie - przekładnia "rozbija" ruch jednostajny obrotowy na ruchy zmienne ramion tłoka.
Na zewnętrznych powierzchniach przegród tłoka wynalazca zaprojektował listwy uszczelniające umieszczone w rowkach i podparte sprężyście. Wymiana ładunku odbywa się, podobnie jak w silniku Wankla, poprzez okna umieszczone w pobocznicy cylindra odpowiednio przymykane i otwierane przez wirujący tłok. Co ciekawe, podczas jednego pełnego obrotu wału silnika, w każdej z czterech komór roboczych wykonywany jest czterotaktowy cykl pracy, a więc ssanie, sprężanie, praca i wydech.
Wysoka częstotliwość cykli pracy (4/obrót) pozwala na całkowite wyeliminowanie koła zamachowego lub stosowanie kół bardzo lekkich. Ponadto przy takiej gęstości cykli pracy, silnik już przy stosunkowo niskich obrotach osiąga bardzo wysoki moment obrotowy, co oznacza dla pojazdów wysoką dynamikę jazdy. W silnikach tłokowych suwowych z mechanizmem korbowym w pojedynczym cylindrze cykl pracy przypada raz na cztery suwy, czyli raz na dwa pełne obroty wału korbowego. U Wankla natomiast na każdy obrót wału przypada jeden cykl pracy.

Konstrukcyjnie lepszy od Wankla

Projekt silnika X ma pewne cechy wspólne z konstrukcją Felixa Wankla. Oba modele posiadają wirujące tłoki i różnią się do klasycznych czterosuwowych silników tłokowych tym, że zamiast tradycyjnych zaworów posiadają okna wlotowe i wylotowe umieszczone w odpowiednio usytuowanym miejscu cylindra. Brak układu korbowego oraz układu rozrządu przy dodatkowej możliwości zastosowania łożysk tocznych to elementy znacznie wpływające na wysoką sprawność silników.
Jednostka Wankla stanowi mniej popularną, aczkolwiek istniejącą na rynku alternatywę dla spalinowych silników suwowych. Tematem programów badawczo-produkcyjnych tegoż silnika zajęło się swego czasu wiele koncernów. Zaawansowane prace podjęli też naukowcy z NASA. Amerykański projekt przewidywał przystosowanie silników dla potrzeb lekkiego lotnictwa, czołgów, amfibii, poduszkowców i śmigłowców armii. Trudno jednak znaleźć informację na ile program został zrealizowany w praktyce, ze względu na poufność programów wojskowych.
Jednostka Wankla mimo swych niepodważalnych atutów posiada też wady, które znacznie przyhamowały jej popularność i spowodowały, że wiele placówek zrezygnowało z rozpoczętych kosztownych prac badawczo-wdrożeniowych. Większość tych niedoskonałości konstrukcyjnych udało się ominąć Jerzemu Woźniakowi w projekcie silnika X, który równocześnie posiada zalety Wankla. Cechą szczególną „X”-a jest wyeliminowanie bezpośredniego kontaktu tłoka ze ściankami cylindra. Takie rozwiązanie powoduje zmniejszenie strat tarcia. - W silnikach suwowych, np. w Wanklu, tłok jest prowadzony przez boczne ściany cylindra, a co za tym idzie powstają opory tarcia pomiędzy tymi elementami. W silniku X tłok w ogóle nie styka się ze ściankami cylindra, zatem takie opory nie mają miejsca. Sprawność cieplna jest wyższa od sprawności cieplnej silnika Wankla (bardzo niekorzystny kształt komory spalania) i porównywalna ze sprawnością silników suwowych.
Kolejną niedogodnością Wankla jest zmienny kąt współpracy listwy uszczelniającej z cylindrem. Daje to bardzo małą powierzchnię styku pomiędzy listwą i gładzią cylindra oraz powoduje powstawanie zmiennej, co do wartości i kierunku składowej siły tarcia w wyniku, czego następuje nierównomierne zużycie gładzi cylindra. Takie rozwiązanie utrudnia też możliwość separacji komór roboczych. W silniku X problem ten został wyeliminowany. Dodatkową pozytywną sprawą w polskiej konstrukcji jest fakt, że wszystkie elementy wirujące są względem siebie symetryczne, dzięki czemu nie ma konieczności stosowania przeciwciężarów równoważących.
Jerzy Woźniak przewiduje, że sprawność ogólna jego silnika będzie wyższa od jednostek suwowych o 5-10 proc. Został pozytywnie oceniony przez fachowców z Politechniki Wrocławskiej, posiada również polski patent. Na razie istnieje tylko jego plastikowy model służący do prezentacji zasad działania. W zeszłym roku pojawiła się pierwsza prywatna firma z Polski zainteresowana budową prototypu, lecz do jego wykonania jednak nie doszło. Przeprowadzenie badań i prac wdrożeniowych obiecującej konstrukcji to kilka lat pracy. Czy uda mu się znaleźć chętnych na zrealizowanie takiego przedsięwzięcia w kraju?

Biografia Feliksa Wankla

Niemiecki mechanik i konstruktor (1902-88).
Szkołę wyższą zakończył w wieku lat 19, jednocześnie pracując i ucząc się. Drukował, magazynował i sprzedawał książki naukowe w Heidelbergu, równolegle pracując nad rozwiązaniami technicznymi. W okresie niemieckiej depresji utracił pracę i w 1924 roku otworzył warsztat mechaniczny. Od tego czasu rozważał pomysł silnika rotacyjnego, zgłaszając rozmaite patenty przez 60 lat. W roku 1927 wykonał rysunki schematu "maszyny z wirującym tłokiem bez niejednostajnie poruszających się elementów". Pierwszy patent otrzymał w roku 1929 (DRP 507 584).
W 1933 roku zgłosił wniosek patentowy na silnik z wirującym tłokiem, a otrzymał go w roku 1936.
Pierwszy, rzeczywiście działający silnik ruszył w lutym 1957 roku. Do maja był w stanie pracować bez przerwy przez dwie godziny, wytwarzając 21 KM. Właściwie dopiero od roku 1960 można mówić o efektywnie działającym silniku jego konstrukcji.
Jako ciekawostkę warto odnotować fakt, że pomimo wielkiego wkładu w technikę, a w motoryzację w szczególności, wynalazca do końca życia (z przyczyn ideowych) nie posiadał prawa jazdy.











Literatura :

[1] - http://www.mobile.de/cgi-bin/da.pl?bereich=all&top=2&id=11111111225623150&
[2] - http://www.worldcarfans.com/classics.cfm/classicID/5040823.001/country/gcf/mercedes/
mercedes-benz-c-111-power,-elegance-and-speed
[3] - http://www.bikepics.com/norton/750commando/
[4] - własne materiały
[5] - http://silniki.atspace.org/wankla.html
[6] - http://www.suzukicycles.org/RE5/RE5-Rotary.shtml
[7] - http://www.zssio.pl/dyplomy/2001/silniki/wankel.html
[8] - własne materiały
[9] - własne materiały
[10] - własne materiały
[11] – http://www.brzozuch.internetdsl.pl/jacomoto/wankel.htm
[12] – www.hover.tpi.pl

1. Piotr Ginalski : „Energia Gigawat’’ Data publikacji: 06.10.2003
2. http://www.der-wankelmotor.de/
3. http://www.mazdaspeed.pl/