Historia rozwoju silników Wankla

Historia rozwoju silników Wankla

Naturalna forma, ciągły ruch oraz geometryczna perfekcja konstrukcji obrotowych już od XVI wieku zaprzątała umysły wybitnych myślicieli. W książce wydanej w 1588 roku* włoski inżynier Agostino Ramelli opisał pompę wodną z tłokiem obrotowym (w publikacji tej zawarł on również opis „obrotowej maszyny do czytania”, która umożliwiała jednoczesną lekturę wielu książek). Nieco później, bo w 1769 roku szkocki wynalazca James Watt zbudował maszynę parową, która korzystała z obrotowej pompy stworzonej w oparciu o szkic z 1636 roku, wykonany przez Niemca o nazwisku Pappenheim. Zbudowana przez Watta maszyna parowa była znacznym technologicznym krokiem naprzód i istotnie przyczyniła się do zapoczątkowania rewolucji przemysłowej.

* „Le diverse et artificiose machine del Capitano Agostino Ramelli” (Rozmaite i przemyślne machiny kapitana Agostino Ramelli)

Zobacz też: Historia motoryzacji: logo Mazdy

Wizja rotorowego silnika spalinowego w XX w. według Felixa Wankel’a

Przenieśmy się teraz do XX wieku i początków ery motoryzacyjnej. Wizja rotorowego silnika spalinowego zajmowała uwagę wielu ówczesnych inżynierów i wynalazców. Wśród nich znajdował się niemiecki mechanik i konstruktor Felix Wankel, którego uznaje się za twórcę nowoczesnego silnika z tłokiem obrotowym (zwanego również „silnikiem Wankla”). Mimo iż Wankel wcześnie zakończył edukację szkolną, już w 1924 roku zbudował pierwsze modele czterosuwowego silnika, a w latach 30. uzyskał pierwsze patenty na silnik z wirującym tłokiem*. W czasie drugiej wojny światowej Wankel opracowywał uszczelki i zawory obrotowe dla Luftwaffe. Po zakończeniu działań wojennych powrócił do pracy nad silnikami rotorowymi, aby we wczesnych latach 50. nawiązać bliską współpracę z firmą NSU – niemieckim producentem samochodów i motocykli.

* https://depatisnet.dpma.de/

Do 1957 roku Wankel ukończył pracę nad pierwszym prototypem silnika rotorowego, zwanym DKM (Drehkolbenmotor), który wyróżniał się ponadprzeciętną kulturą pracy oraz mógł osiągać prędkości obrotowe dochodzące do 20 tys. obrotów na minutę. Konstrukcja ta była jednak bardzo złożona, bowiem zarówno rotor, jaki i jego obudowa wirowały wokół umieszczonego centralnie wału, a wymiana świec wiązała się z koniecznością rozebrania silnika. Niedługo potem firma NSU wyprodukowała prostszy prototyp o nazwie KKM (Kreiskolbenmotor), gdzie rotor obracał wałem wewnątrz obudowy, a dostęp do świec został zapewniony od zewnątrz. Dowiedziawszy się o silniku KKM, który został stworzony bez jego wiedzy, Wankel miał podobno stwierdzić: Zmienili mojego wyścigowego wierzchowca w muła!* Jednak silnik ten trafił w końcu do seryjnego samochodu, a dokładniej do modelu NSU Spider, którego premiera odbyła się na salonie we Frankfurcie w 1963 roku.

* Marcus Popplow (2011), Felix Wankel: mehr als ein Erfinderleben (str. 85). Sutton Verlag. Pobrane z books.google.de.

W międzyczasie, tj. w 1961 roku, Mazda – jako pierwszy producent samochodów – podpisała z NSU umowę licencyjną na wykorzystanie rotorowej technologii napędowej. W późniejszych latach w jej ślady poszło kilkunastu innych przedstawicieli branży motoryzacyjnej, m.in. Alfa Romeo, American Motors, Ford, General Motors, Mercedes-Benz, Nissan, Porsche, Suzuki oraz Toyota. Jeszcze w tym samym roku Mazda ukończyła prace nad swoim pierwszym prototypem silnika rotorowego, a w 1964 roku na salonie w Tokio zaprezentowała pierwszy koncepcyjny model sportowy wykorzystujący tę technologię.

Zobacz też: Mini Moke

Usterki pierwszych silników Wankla

NSU było tak zdeterminowane, żeby jako pierwsze wprowadzić na rynek pojazd z silnikiem rotorowym, że już w 1964 roku uruchomiło produkcję i sprzedaż dwuosobowego modelu Spider, co zdaniem wielu było zbyt pochopnym krokiem*, bowiem jednotłokowa jednostka o pojemności 498 cm³ nie została zbyt dobrze dopracowana. W odróżnieniu od NSU, Mazda kontynuowała prace rozwojowo-badawcze, obejmujące testy wytrzymałościowe dwurotorowego silnika. W tym celu 60 prototypowych egzemplarzy modelu Cosmo 110S pokonało tysiące kilometrów. Dopiero po odpowiednim dopracowaniu technologii napędowej model ten został wypuszczony na rynek w maju 1967 roku. Konstrukcję samochodu przystosowano do wymogów nowej technologii, a dwumiejscowe sportowe coupé zostało wyposażone w dwurotorowy silnik o pojemności 982 cm³ i mocy 81 kW (110 KM).

* Zobacz http://ps.welt.de/2014/07/19/die-aussenseiter-5-citroen-m35: „Mazda wykonała o wiele lepszą robotę w modelu Cosmo, co postawiło NSU w bardzo trudnym położeniu. Bardziej zaawansowany technologicznie model NSU Ro80 również zadebiutował zbyt szybko i bez odpowiednich testów. W rezultacie wysokie koszty opracowania technologii rotorowej i napraw gwarancyjnych przyczyniły się do coraz gorszej sytuacji finansowej NSU.”

Silnik ten wyposażono w nowoopracowane pirografitowe listwy uszczelnienia promieniowego, w celu rozwiązania największego problemu, z jakim zmagały się jednostki rotorowe, tzn. uszkodzeń powstających na wewnętrznych ścianach obudowy silnika w wyniku kontaktu z krawędziami trójkątnych wirników. Uszkodzenia te powodowały nieszczelności między komorami spalania, skutkujące najpierw spadkiem sprężania i mocy, a następnie całkowitą awarią silnika. Nowe uszczelniacze zostały poddane serii testów wytrzymałościowych (1000 godzin nieustannej pracy silnika), po których wykazano ich niewielkie zużycie oraz nie odnotowano wspomnianych wyżej uszkodzeń, nawet przy przebiegu przekraczającym 100 tysięcy kilometrów.

NSU również zmagało się z problemem wadliwego uszczelnienia oraz szeregiem innych usterek. W rezultacie, drugi model NSU z napędem rotorowym, tzn. wyposażony w dwutłokowy silnik Wankla sedan Ro8, który zadebiutował na rynku w 1967 roku, szybko zdobył złą reputację jako model wyjątkowo awaryjny. Inżynierowie z NSU ostatecznie rozwiązali problem z silnikiem, ale firma miała już wówczas poważne problemy finansowe i w 1969 roku została przejęta przez Volkswagena i połączona z Audi. Mimo iż Ro80 produkowany był do 1977 roku, nowy właściciel zdecydowanie ograniczył prace nad technologią Wankla.

Pod koniec lat 60. Mazda udostępniła napęd rotorowy w innych swoich modelach, które w 1969 zaczęła również eksportować. Modele R100 oraz RX-2 pojawiły się w Europie w 1970 roku, a rok później dołączył do nich RX-3. W 1973 roku do sprzedaży na Starym Kontynencie weszła większa Mazda RX-4, wyposażona w mocniejszy silnik oznaczony kodem 13B, czyli dwurotorową jednostkę o pojemności 1,3 litra, która generowała 100 kW mocy (135 KM). Aby sprostać wymogom bardziej rygorystycznych norm narzuconych przez Agencję Ochrony Środowiska w USA w 1973 roku, firma opracowała specjalny system dopalania cząsteczek węglowodorów w układzie wydechowym.

Zobacz też: Historia motoryzacji: Mercedes - legenda niemieckiej motoryzacji

Droga do lepszej wydajności silników Wankla

Gwałtowny wzrost cen paliw w przededniu kryzysu naftowego z 1973 roku – kiedy to w ciągu sześciu miesięcy cena baryłki ropy podrożała czterokrotnie – zmusił producentów samochodów do pracy nad bardziej ekonomicznymi i wydajnymi modelami. Mimo iż silniki rotorowe wyróżniały się niewielką masą i gabarytami oraz wysoką kulturą pracy, nie zapewniały należytej oszczędności paliwowej. Mazda szybko zdała sobie sprawę, że w zaistniałych okolicznościach od wydajności paliwowej zależeć będzie ich przetrwanie na rynku i postawiła sobie za cel ograniczenie zużycia paliwa o 40%.

Przedsięwzięcie to, w Maździe określane mianem „Projektu Feniks”, doprowadziło do powstania sportowego modelu RX-7, który na rynku zadebiutował w 1978 roku i zyskał status najpopularniejszego samochodu z silnikiem rotorowym w historii. Do 2002 roku Mazda sprzedała ponad 811 tys. sztuk, a w owym okresie RX-7 korzystał z licznych innowacyjnych rozwiązań technologicznych, takich jak pierwszy rotorowy katalizator czy system zasilania zubożoną mieszanką. W późniejszym okresie model wyposażany był również w turbosprężarkę typu Twin Scroll. A ponieważ silniki rotorowe, ze względu na swoją konstrukcję i dynamiczną charakterystykę przepływu spalin, znakomicie współpracują z turbosprężarkami, Mazda kontynuowała prace rozwojowo-badawcze w tym zakresie, udoskonalając kolejne systemy.

Zobacz też: Historia motoryzacji: trzy litery - BMW

Po modelu RX-7, kolejnym etapem historii napędu rotorowego było ograniczenie poziomu emisji przy jednoczesnym zwiększeniu wydajności paliwowej i redukcji zapotrzebowania na paliwo. W 2003 roku zadebiutował niewysilony, dwurotorowy silnik RENESIS (oznaczony kodem 13B-MSP), który napędzał nową Mazdę RX-8 i wyróżniał się portami wylotowymi umieszczonymi nie peryferycznie, jak w silniku 13B, ale po bokach obudowy rotora. Takie rozwiązanie pomogło zwiększyć efektywny stopień sprężania i osiągi. W silniku tym zastosowano również nowe listwy uszczelnienia promieniowego, co pozwoliło zredukować tarcie wewnętrzne, oraz zainstalowano przeprojektowane uszczelki boczne. Niezwykle lekki (zaledwie 122 kg) silnik generował rekordową moc 141 kW (192 KM)* na każdy litr pojemności, czyli pod tym względem był najmocniejszą jednostką bez turbodoładowania produkowaną seryjnie. RENESIS został wybrany Silnikiem Roku 2003 oraz trafił na listę 10 najlepszych jednostek napędowych w latach 2004-2005, przygotowywaną przez magazyn Ward’s AutoWorld. Natomiast znakomicie wyważona Mazda RX-8 prowadziła się wyjątkowo pewnie i przewidywalnie.

* Mocniejsza wersja przeznaczona na rynek USA i Kanady generowała 184 kW (250 KM) mocy

Równocześnie z debiutem rynkowym modelu RX-8, Mazda zademonstrowała koncepcyjną dwupaliwową wersję RX-8 z silnikiem rotorowym, który mógł być zasilany również wodorem (H₂). Silniki rotorowe dobrze współpracują z tym paliwem, ponieważ w ich układzie dolotowym panuje niższa temperatura, co zapewnia bardziej jednorodną mieszankę paliwowo-powietrzną aniżeli w konwencjonalnych jednostkach spalinowych. Ponadto zapobiega to spalaniu detonacyjnemu. Przy zerowym poziomie emisji CO₂ oraz minimalnej ilości wydalanego tlenku azotu (NO_x), paliwo wodorowe rozwiązywało również problemy emisyjne silnika rotorowego. Przygotowanie bazowego silnika modelu RX-8 do pracy na paliwie wodorowym wymagało wprowadzenia kilku zmian konstrukcyjnych. Na obudowie rotora pojawiły się specjalne wtryskiwacze przystosowane do pracy z H₂, a w kolektorze dolotowym zainstalowano dodatkowe wtryskiwacze, które umożliwiały przygotowanie wstępnej mieszanki i bezpośredni wtrysk paliwa.

Zobacz też: Historia motoryzacji: szokujący Citroen

Czysty napęd rotorowy

W 2005 roku Mazda wykorzystała dwupaliwowy układ napędowy z modelu RX-8 w koncepcyjnej wersji minivana Mazda5/Premacy. Rotorowy silnik Mazdy Premacy Hydrogen RE Hybrid zasila generator, który napędza motor elektryczny, zapewniający napęd kół. Ponadto samochód może się również poruszać (na ograniczonym dystansie) jedynie lub częściowo z wykorzystaniem energii elektrycznej zgromadzonej w akumulatorze oraz posiada system odzysku energii kinetycznej hamowania, która wykorzystywana jest do doładowywania baterii. W wodorowym trybie jazdy konfiguracja zapewnia 40-procentowy wzrost mocy w stosunku do modelu RX-8 oraz umożliwia pokonanie dwa razy większego dystansu (ok. 200 kilometrów) zanim system automatycznie przełącza się na zasilanie benzynowe. Mazda zaczęła udostępniać wodorowe wersje modeli RX-8 i Premacy w leasingu odpowiednio w 2006 i 2009 roku.

W 2013 roku zainstalowano bardziej pojemne akumulatory oraz układ ładowania typu plug-in w hybrydowej Maździe Premacy Hydrogen RE Range Extender EV, napędzanej jedynie paliwem wodorowym bez udziału benzyny. Tym samym zasięg pojazdu w niskoemisyjnym trybie jazdy zwiększył się do 150 kilometrów. W kolejnym roku rotorowy układ zwiększający zasięg pojawił się również w modelu Demio EV, czyli w małej, elektrycznej Maździe2. Silnik z pojedynczym tłokiem rotorowym o pojemności 330 cm³ generuje tu moc 19 kW (26 KM) i zasilany jest z 9-litrowego zbiornika paliwa, który ukryto pod podłogą bagażnika. Silnik aktywuje się po rozładowaniu akumulatorów, tym samym zwiększając zasięg podstawowej wersji Demio EV do około 400 kilometrów. System ten w pełni korzysta z zalet silnika rotorowego – kompaktowych wymiarów, niskiej masy własnej, wysokiej kultury pracy oraz niezwykłej wydajności paliwowej przy stałej prędkości obrotowej 2000 obr./min. Ponadto rotorowe jednostki napędowe łatwo przystosować do pracy na innym paliwie, dzięki czemu taki układ napędowy jest niezwykle elastycznym rozwiązaniem, które umożliwia dostosowanie go do lokalnych (lub przyszłych) preferencji i trendów paliwowych.

Zobacz też: Legendarni kierowcy: Rauno Aaltonen

Fascynacja napędem rotorowym trwa nadal, w przeddzień 50 rocznicy pojawienia się modelu Cosmo 110S, która przypada na rok 2017. I nic nie wskazuje na to, aby sytuacja ta miała ulec zmianie, bowiem technologia ta zajmuje w sercach inżynierów Mazdy wyjątkowe miejsce.

Źródło: Mazda