De wankelmotor
Geschiedenis
Felix
Wankel werd op 13 augustus 1902 geboren in het Zuid Duitse stadje Lahr. Na het
sneuvelen van zijn vader tijdens de Eerste Wereldoorlog verhuisd hij met zijn
gezin in 1915 naar Heidelberg waar he naar het Gymnasium ging. Hier haalde hij
zijn diploma niet voor door zijn matige wiskunde resultaten. Behalve de
formules interesseerde natuurkunde hem wel. In de tijd dat Felix bij de
wetenschappelijke uitgeverij van Carl Winter werkte haalde hij wel een diploma.
Hij is echter net geïnteresseerd in het werk bij Carl Winter. Liever zit hij in
de boeken om kennis van wetenschap en techniek op te doen. Dit doordat zijn
interesse voornamelijk li gt in
vooruitstrevende technieken. In 1926 wordt hij door financiële problemen ontslagen.
Felix deelt in de jaren dat Adolf Hitler zijn regime in
Duitsland op aan het bouwen is dezelfde gedachten. In 1928 krijgt hij zelfs de
kans om Hitler te ontmoetten.
In de crisisjaren 1928 tot 1929 legde Felix de basis voor de
wankelmotor (draaizuigermotor). Ook experimenteerde hij met zuigerveren en
afdichtingselementen voor de gewone zuigermotor.
In 1932 bouwde hij dan de eerste wankelmotor, die echter
maar kort functioneerde. Wel leverde dit hem een contract op bij BMW om
draaizuigermotoren te ontwikkelen. Echter heeft deze samenwerking slechts 2
jaar geduurd.
Felix kwam hierna met een eigen onderzoeksinstituut: Den
Wankel-Versuchswerkstätten. In 1936 kreeg hij een speciale opdracht van het
Duitse Research Laboratorium voor Luchtvaart (DLV). Deze opdracht zorgde voor
geld en Felix deed hierna nog een aantal vervolgopdrachten voor het Duitse
Rijk.
Na de Tweede Wereldoorlog worden zijn werkplaatsen door de
Franse bezettingstroepen ontmanteld en Felix word korte tijd gevangen gezet. Na
zijn vrijlating krijgt hij een tijdelijk onderzoeksverbod opgelegd. Hierna
richt hij de Technische Entwicklungsstelle (TES) op.
In 1951 start de samenwerking van Felix Wankel met NSU. In
eerste instantie ging het om een lader voor motorfietsen, daarna om nieuwe
aandrijftechniek: de draaizuigermotor. In 1954 laat Felix Wankelpatenten
vastleggen van het nieuwe principe. Onder druk van NSU-constructeur Dr. Walter
Froede vindt de verdere ontwikkeling van de motor plaats. Felix levert de
ideeën maar laat het rekenwerk en tekenwerk doen door een zorgvuldig uitgezocht
team. Er volgden succesvolle jaren en iedereen was onder de indruk van de
nieuwe motortechniek.
Deze nieuwe motor, de Wankelmotor, werd
vernoemd naar zijn uitvinder Felix Wankel. Het eerste automerk dat een met een
wankelmotor uitgeruste auto op de markt kwam was de NSU, de in 1964
geproduceerde Wankelspider.
NSU verbeterde de motor en kwam in 1967
met de NSU RO 80. Deze was uitgerust met een tweeschijfswankelmotor en had 115
pk en presteerde heel goed voor die tijd. Ondanks de nadelen van een hoger
olieverbruik en een hoog brandstofverbruik werd de auto enthousiast ontvangen
en in 1968 uitgeroepen tot ‘Auto van het Jaar’.
Ondanks de mooie start kende de wankelmotor nog de nodige
problemen. Met name de afdichtingen tussen de hoeken van de rotor en de
trommelwand gaven veel problemen. Vanaf begin jaren zeventig kwamen betere
afdichtingen beschikbaar, zijn de problemen grotendeels opgelost en is de
wankelmotor net zo betrouwbaar als een conventionele motor uit dezelfde
periode. Echter is het verbruik nog relatief hoog. De vele tegenslagen en de
hoge ontwikkelingskosten blijken te veel voor de kleine fabrikant NSU. Om het
publiek te overtuigen van de kwaliteiten van de RO 80 werd een garantie van
vijf jaar op de motor gegeven maar door de afdichtingsproblemen maakten veel
bezitters hier aanspraak op wat NSU in financiële problemen bracht. Nadat
Volkswagen NSU overneemt duurt het niet lang voor de stekker uit het RO
80-project wordt getrokken en het wankel-avontuur voor NSU voorbij is.
De ontwikkeling van de wankelmotor werd door vele automerken
met belangstelling gevolgd. Mercedes Benz is in het begin van de 60er jaren ook
actief met het ontwikkelen van de motor en bouwde enkele prototypes. Ook
Citroën voelde zich aangetrokken tot de wankelmotor en boude in 1970 en 1971
een beperkt aantal prototypes van de M35, een aangepaste Ami 8 met een
éénschijfswankelmotor. Kort daarop komt de GS Birotor met een tweeschijfswankelmotor.
Maar net als Mercedes Benz besluit Citroën de ontwikkeling van de wankelmotor
stop te zetten als de oliecrisis in 1973 het benzineverbruik van auto’s in de
belangstelling zet.
Ook de Russen waren geïnteresseerd in het concept. Eind
jaren 70, begin 80 ontwikkelde Lada enkele prototypes die het Kremlin niet
haalden. Het Oost Duitse IFA doet ook nog enkele pogingen om met een
wankelmotor voor de Trabant en Wartburg te komen en ontwikkeld een aantal
prototypen wat helaas geen vervolg krijgt.
Er is nog één automerk dat al vanaf
1961 actief aan
Ook behaalde Mazda een opmerkelijk resultaat in de racerij.
Namelijk werd in 1992 de 24 uur van Le Mans gewonnen met de Mazda 787-55 met
een vierschijfswankelmotor.
Introductie
wankelmotor
Net als bij de conventionele verbrandingsmotor vinden er bij
de wankelmotor vier slagen plaats. Dit wil zeggen dat er een inlaatslag, een
compressieslag, een arbeidsslag en een uitlaatslag plaatsvindt.
Bij de conventionele verbrandingsmotor gaat bij de
inlaatslag de zuiger omlaag zodat het brandbare mengsel van benzine en lucht de
verbrandingskamer binnen worden gezogen. Tijdens de compressieslag gaat de
zuiger omhoog en wordt het mengsel samengedrukt. Bij de arbeidsslag geven de
bougies een vonk waardoor het mengsel ontbrand en de zuiger met kracht naar
beneden gedrukt wordt. Tot slot komt de uitlaatslag waarbij de uitlaatklep
opent en het mengsel door de zuiger naar buiten wordt gedrukt.
De wankelmotor maakt van hetzelfde principe van een
samengedrukt mengsel uit lucht en brandstof gebruik en zorgt een vonk van de
bougies voor een ontbranding die uitzet, waardoor de zuiger in beweging wordt
gebracht. Daarna worden de uitlaatgassen de verbrandingskamer weer uitgeduwd.
In deze afbeelding zijn de uiterlijke verschillen tussen de
zuigermotor en wankelmotor zichtbaar.
Bij de wankel motor vinden, in tegenstelling tot de
zuigermotor, alle slagen in een aparte ruimte plaats. Door de driehoekige vorm
van de zuiger en de weg die deze aflegt, vindt elke slag op een andere plek
plaats.
In de zuigermotor moeten de slagen in een cilinder steeds op
elkaar wachten doordat elke slag in dezelfde kamer plaatsvindt. Door de
driehoekige vorm van de zuiger in de wankelmotor worden steeds drie aparte
ruimtes gecreëerd. Hierdoor kunnen alle vier de slagen tegelijkertijd
plaatsvinden waardoor deze techniek bij een beperkt slagvolume voor relatief
hoge vermogens zorgt. De zuigermotor levert één arbeidsslag per vier slagen die
voor kracht zorgt, bij de wankelmotor vinden constant arbeidsslagen per zuiger
plaats
In nevenstaande afbeelding is te zien
dat de zuiger aan de binnenkant getand is, net als de krukas die er mee
verbonden is. Afhankelijk van de verhouding tussen het aantal tanden draait de
krukas enkele keren rond per rotatie van de zuiger.
Opbouw wankelmotor
De wankelmotor van tegenwoordig bestaan uit minstens 2
rotors. Elke rotor bevindt zich in het rotor 
Tegen de
scheidingsplaat zit aan beide kanten het rotorhuis. Net als bij de
scheidingsplaat zitten in de
Door het midden van de motor loopt een excentrische as.
Deze as is verbonden met de rotor en wordt aangedreven
doordat de rotor verplaatst wordt door de ontbranding van het brandstofmengsel.
De rotor is
uitgevoerd in een driehoekige vorm. Op elke hoek van de rotor zit een apex
seal. Dit is een strip die voor de afdichting tussen de rotor en het rotor huis
zorgt. Doordat deze veel in aanraking komen met warmte en wrijving gaan deze
vaak kapot.
In de vlakke kanten
van de rotor zitten de verbrandingsruimten. Deze zijn nodig om een ruimte te
behouden tussen de rotor en het rotorhuis. Er is immers een ruimte nodig waar
het brandstofmengsel doorheen kan tijdens het draaien van de rotor en het
opbouwen van de druk.
In het midden van de rotor zit een vertanding die verbonden
word met een vast tandwiel. Hierdoor word de krukas gedwongen rond te draaien
door de excentrische vorm. Afhankelijk
van de verhouding tussen het aantal tanden van de rotor en de krukas draait de
krukas enkele keren rond per rotatie van de zuiger zelf.
Tegen het rotorhuis
komen de buitenste huisplaten. Deze sluiten de motor af waardoor er een
gesloten ruimte in het huis ontstaat. In deze platen zitten, net als in het
huis en de scheidingsplaat, koelkanalen en de gaten voor de bouten om het
geheel te verbinden. Aan de buitenste huisplaten wordt een vaste vertanding
bevestigd die verbonden word met de tanden van de rotor. Doordat deze vertanding
aan het huis stil staat wordt de krukas gedwongen rond te draaien.
Werking wankelmotor
Bij de wankelmotor worden drie kamers gecreëerd tussen de
wand van het rotorhuis en de driehoekige vorm van de rotor. In elke kamer vindt
een van de viertaktprocessen plaats. Zoals we weten heeft de zuigermotor één
cyclus per twee omwentelingen van de krukas. Door de driehoekige vorm van de
rotor heeft de wankelmotor drie cyclussen per rotatie van de excentrische as.
Op het moment dat de rotor begint met draaien wordt er een vacuüm
gecreëerd. Naarmate de rotor verder draait gaat het inlaatkanaal open en wordt
het brandstofmengsel het huis in gezogen.
De rotor draait verder en het inlaatkanaal wordt afgesloten.
Dit is het begin van de compressie in de volgende kamer van het rotorhuis. Op het
moment dat de ruimte tussen de rotor en het rotorhuis het kleinst is, is de
compressie het grootst. De vlakke kant van de rotor staat nu parallel op de
wand van het rotorhuis. Op dit moment ontsteken de bougies het
brandstofmengsel. Hierdoor ontstaat de kracht die de rotor verder drukt en de
ruimte weer groter wordt. Op het moment dat het uitlaatkanaal vrij komt worden
de uitlaatgassen door de rotor de motor uitgeperst.
Zoals te zien is op de afbeelding hierboven vinden er
meerder processen tegelijk plaats in de motor. Op het moment dat in de 1e
kamer de inlaatslag bezig is vind in de 2e kamer de ontsteking
plaats en in de 3e kamer de uitlaatslag. Als de rotor verder gaat
met de compressieslag is in de 2e kamer de uitlaatslag bezig en in
de 3e kamer begint weer een inlaatslag. Hierop volgt in de 1e
kamer de ontsteking, maar op dit moment bevind de 2e kamer zich in
de uitlaatslag. De 3e kamer is aan het eind van de inlaatslag en
begint met de compressie van het brandstofmengsel. Tot slot vindt de
uitlaatslag plaats en de 2e kamer is bezig met de inlaatslag en
begint aan de compressie. In de 3e kamer gaat nu het
brandstofmengsel ontstoken worden.
Doordat de wankelmotor met een dubbele rotor uitgevoerd is
vindt er eigenlijk altijd een ontbranding plaats waardoor de wankelmotor met
een kleine inhoud relatief veel vermogen levert.
Voor- en nadelen
Een voordeel van de wankelmotor is dat door de opbouw de
buitenmaten een stuk kleiner zijn ten opzichte van de zuigermotor. Hierdoor zijn
de ontwerpmogelijkheden van het voertuig duidelijk groter. Ook heeft de
wankelmotor een vrij vlakke koppelkromme. Natuurlijk heeft de wankelmotor door
de rotatie minder last van trillingen dan de zuigermotor met de op en neer
gaande beweging.
Tot slot is de techniek een stuk minder complex doordat de
motor vrij weinig bewegende delen bevat.
Natuurlijk zijn er ook nadelen aan de
wankelmotor. De hoeken van de driehoekige rotor zijn steeds verantwoordelijk
voor de afdichting van de verschillende kamers. Deze hoeken zijn dan ook aan
slijtage onderhevig. Door slechte afdichting zou er bijvoorbeeld onverbrand
mengsel de uitlaat uit worden geduwd wat natuurlijk slecht voor het milieu is. Een
groter nadeel is het relatief hoge brandstofverbruik. De motor van de Mazda RX-8
zou ongeveer net zo veel brandstof verbruiken als een flinke V8 motor. Doordat
de apex seals op de hoeken van de rotor gesmeerd moeten worden om slijtage te
verminderen wordt olie de verbrandingskamer in gespoten. Dit is natuurlijk
minder gunstig voor zowel uitstoot als het olieverbruik.
Diesel rotatiemotor
Rolls-Royce heeft een
poging gewaagd om diesel- en wankeltechniek met elkaar te combineren. Het idee
was om een compacte motor voor tanks te bouwen die genoeg kracht leverden om
tonnen aan plaatstaal en munitie te verplaatsen.
Er waren wat grote
obstakels tijdens het creëren van deze motor. Voor dieselmotoren is namelijk
een hoge compressie vereist, zodat de lucht heet genoeg en de druk hoog genoeg
wordt om na de inspuiting van diesel zelf te ontbranden. De oplossing die
Rolls-Royce hiervoor gebruikte was een compressor in de vorm van een extra
rotor.
Op de afbeelding
hierboven is te zien dat de twee schijven onder elkaar geplaatst zijn. De
bovenste schijf genereert de output. De onderste schijf is bedoeld om de lucht
die via de inlaatpoort de motor binnen wordt gezogen de comprimeren. Deze lucht
wordt via een smal kanaal naar de bovenste schijf geperst waar de ontbranding
plaats zal vinden. Zoals te zien is, is de bovenste schijf een stuk kleiner
waardoor de lucht nog eens extra gecomprimeerd wordt. Hierna wordt de diesel
ingespoten en het mengsel ontbrand. De kracht die hierbij vrijkomt wordt
doorgegeven aan de krukas.
Deze motor is bij een
prototype gebleven doordat financiën roet in het eten gooide is het project
worden gestaakt nog voor deze motor goed en wel in de praktijk was getest.
