A Wankel-motor nyomaték- és fordulatszám-jellemzői: Teljesítmény, Hatékonyság és Evolúció
A belsőégésű motorok világában a hatékonyság, a nyomaték és a fordulatszám kölcsönhatása rendkívül komplex témakör. Általánosságban elmondható, hogy 40%-os hatékonyság már kifejezetten jónak számít, míg a Formula-1-es motorok akár az 50%-ot is elérhetik. Azonban egyetlen százalékos érték önmagában nem elegendő; fontos, hogy milyen terhelésen és fordulatszámon éri el a motor ezt a hatékonyságot. A hatékonyság, a teljesítményhez hasonlatosan, inkább egy háromdimenziós grafikonban ábrázolható, mely a hatékonyságot a motor terhelésének és fordulatszámának függvényében mutatja. Ennek mértékegysége gramm / kilowattóra, avagy BSFC (Brake Specific Fuel Consumption), ami azt jelenti, hogy egy kilowattóra előállításához hány gramm benzint kell elégetnie a motornak. A motor összességében aránylag kicsi fordulatszámon és nagy terhelésen a leghatékonyabb, ez a trend általánosan is igaz a szívómotorokra.
A hagyományos dugattyús motorok mellett léteznek alternatív erőforrások is, amelyek működési elvükben alapvetően eltérnek, és egyedi nyomaték- és fordulatszám-profilt mutatnak. Ilyen a Wankel-motor, mely a dugattyús motorok le-fel mozgása segítségével meghajtott főtengely helyett két, párhuzamos tengely körül forgó test elvén alapul.
A Wankel-motor működési elve és alapvető jellemzői
A Wankel-motor dugattyúja, amelyet rotornak is neveznek, háromszög alakú, három egyenlő hosszúságú és domború vonalú oldallal, vagy felülettel. 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.
A Wankel-motor az epitrochoid elven működik, matematikai görbék szerint, amelyek több különböző módon is előállíthatók. 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, mint a hagyományos dugattyús motorok.
A Wankel-motor termodinamikai ciklusa
- 1. ütem (Beszívás és Sűrítés kezdete): 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): A rotor továbbfordulva nyitja a kipufogónyílást, és az égéstermékek távoznak a kamrából.
Ez a folyamat mindhárom kamrában 120 fokkal eltolva, egyidejűleg zajlik. A dugattyú minden egyes fordulatára a házban három gyújtás és munkaütem jut. Ez laposabb, az ideálishoz közelítő forgatónyomatéki görbét eredményez a Wankel-motor számára az alternáló dugattyús motorokkal szemben, amelyekben csupán egy munkaütem esik a főtengely két fordulatára. 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. Ez az erőforrás vibrációmentesen járt és szokatlanul nagy, 24 ezer percenkénti fordulatszámig kipörgethető volt kezdeti fejlesztési fázisában.
A nyomaték, teljesítmény és fordulatszám megértése
A nyomaték, a teljesítmény és a forgási sebesség megértése és pontos kiszámítása elengedhetetlen a forgó gépek hatékony és biztonságos üzemeltetéséhez.
- Nyomaték: A nyomaték a forgatóerő mértéke, amelyet általában egy tengelyre vagy kerékre alkalmaznak. Newton-méterben (Nm) fejezik ki, és azt jelenti, hogy mekkora erő okozza a tárgy forgását. A nyomaték elengedhetetlen olyan alkalmazásokban, ahol forgómozgás van jelen, mint például motorok, hajtóművek és fogaskerék rendszerek.
- Forgási sebesség (Fordulatszám): A forgási sebesség, amelyet percenkénti fordulatokban (ford/perc) mérnek, azt jelzi, hogy egy tárgy milyen gyorsan forog. Ez közvetlen mértéke annak, hogy egy tengely, kerék vagy más forgó elem milyen sebességgel forog. A forgási sebesség létfontosságú annak biztosításához, hogy a gépek a tervezett határaikon belül működjenek, elkerülve a mechanikai meghibásodást, a túlzott kopást vagy a hatékonyság csökkenését.
- Teljesítmény: A teljesítmény azt mutatja meg, milyen gyorsan végeznek el munkát vagy adnak át energiát a rendszerben. A forgó gépek kontextusában a teljesítményt gyakran kilowattban (kW) fejezik ki, és a nyomaték és a fordulatszám függvénye. A teljesítmény egy gép képességének kulcsindikátora, hogy mennyi munkát tud elvégezni időegység alatt.
A mérnökök ezen számításokra támaszkodnak, hogy kiválasszák a megfelelő motorokat, hajtóműveket és gépalkatrészeket, amelyek képesek kezelni a várható terheléseket és üzemeltetési feltételeket. A gépek tervezett nyomaték- vagy sebességhatárain kívüli üzemeltetése katasztrofális meghibásodásokhoz vezethet. A nyomaték, a teljesítmény és a forgási sebesség megfelelő összehangolása optimalizálhatja egy gép hatásfokát, csökkentve az energiafogyasztást és az üzemeltetési költségeket.
Hogyan működik? Wankel-motor (animáció)
A Wankel-motor fejlődése és teljesítmény-jellemzői
A Wankel-motor fejlesztése során számos kihívással szembesültek a mérnökök, különösen a tömítés és a gyújtás terén. Az 1950-es években az NSU és Felix Wankel együttműködésével jelentősen egyszerűsödött a konstrukció. Az első, szériában Wankel-motorral szerelt jármű egy vízisí volt 1962-ben. A közúti alkalmazás során az NSU és később a Mazda kiemelkedő szerepet játszott. Az NSU Sport Prinzbe épített 500 cm3-es motor például 6000-es percenkénti fordulatszámon 50 lóerőt teljesített. Az NSU Ro 80-as motorja 115 lóerőt teljesített, amely két Spider erőforrásból épült össze.
A Mazda Wankel motorjainak evolúciója: nyomaték és fordulatszám adatok
A Mazda kiemelten foglalkozott a Wankel-motor fejlesztésével, tökéletesítve a konstrukciót. Az alábbi táblázat összefoglalja néhány jelentős Mazda Wankel motor nyomaték- és teljesítmény-adatait:
| Motor | Teljesítmény (LE / fordulatszám) | Nyomaték (Nm / fordulatszám) | Jellemzők |
|---|---|---|---|
| NSU Prinz (kísérleti) | 30 LE / 5000 ford./perc | N/A | 250 cm3, első próbálkozások |
| NSU Sport Prinz (kísérleti) | 50 LE / 6000 ford./perc | N/A | 500 cm3 |
| NSU Ro 80 | 115 LE | N/A | Duplatárcsás, 1 literes kamratérfogat |
| Mercedes C111 (4-rotoros) | 350 LE / 7000 ford./perc | N/A | 4 x 600 cm3, kísérleti sportkocsi |
| Mazda 12A Turbo | N/A | N/A | Részlegesen közvetlen befecskendezés, Hitachi turbó, széles üzemi tartomány (alapjárattól 7000 ford./perc-ig) |
| Mazda 13B 6PI DEI (első gen. RX-7 GSL-SE) | 146 LE / 6500 ford./perc | 187 Nm / 3500 ford./perc | 6PI rendszer, injektoros |
| Mazda 13B 6PI DEI-II (második gen. RX-7 GTU) | 160 LE / 7000 ford./perc | 140 Nm / 4500 ford./perc | Változó hosszúságú szívócsövek, két injektor/kamra |
| Mazda 13B DEI Turbo (második gen. RX-7) | 182 LE / 6500 ford./perc | 265 Nm / 3500 ford./perc | Nyomaték 1500-7000 ford./perc között sosem esett 210 Nm alá |
| Mazda 13B Turbo (második gen. RX-7, későbbi) | 200 LE | 265 Nm | Független iker-teres turbó, emelt kompresszió (9,0:1), csökkent olajfogyasztás |
| Mazda 13B-REW (harmadik gen. RX-7) | 255 LE / 6500 ford./perc | 294 Nm / 5000 ford./perc | Szekvenciális iker-turbó |
| Mazda 13B-REW (Cosmo GT) | 230 LE | 294 Nm / 3500 ford./perc | Más motorhangolás, alacsonyabb fordulaton elérhető csúcsnyomaték |
| Mazda Renesis (RX-8) | 240-250 LE / 8500 ford./perc | 220 Nm / 7500 ford./perc | Szívómotor, oldalsó kipufogó- és szívónyílások, Euro IV. norma, 50%-kal kevesebb olaj- és 40%-kal kevesebb üzemanyag-fogyasztás elődjéhez képest |
A Mazda mérnökei felismerték, hogy a turbós Wankel teljesítménye és ebből következően a hőterhelése is jelentősen nagyobb. Az 12A Turbo injektorai elektromosan vezéreltek voltak, és a rendszer nagyszerűen kielégítette a Wankel motor alapjárattól 7000-res fordulatszámig igen széles határok között változó üzemanyag mennyiségi igényét.
A Renesis motor: az új generáció
A Renesis név az RE rövidítésből (rotary engine; a forgódugattyús működésmódra utal) és a Genesis-könyv (Teremtés Könyve) fogalmából született. A Renesis a több oldalsó szelepes vagy MSP-E Wankel-motor továbbfejlesztése. A vízhűtéses aggregát - amely két forgódugattyúval és két, egyenként 645 köbcentiméteres égéstérrel rendelkezik - 176 és 184 kilowatt (240 és 250 lóerő) közötti teljesítményt ad le 8500-as percenkénti fordulatszámnál. A motor legnagyobb, 220 newtonméteres forgatónyomatékát 7500-as percenkénti fordulatszámnál éri el, a Renesis-t a legerősebb turbófeltöltő nélküli forgódugattyús erőforrássá avatva.
A Renesis konstrukciós jellemzői alapvetően különböznek az eddigi Wankel-motorokétól. A kipufogónyílások, amelyek a hagyományos Wankel-motorokon rendszerint a ház belső felületén helyezkednek el, az oldalsó ház falára kerültek. E megoldás segítségével elkerülhető a kipufogó és a szívócsatornák összenyitása, és jelentősen növekszik a motor hatásfoka. A szívónyílások így jóval korábban nyithatók, mint a megszokott Wankel-motorokon, s 30 százalékkal nagyobbra készíthetők. A kipufogónyílások mérete majdnem kétszerese a jelenlegi Wankel-motorokénak, ami jóval alacsonyabb kipufogóoldali ellenállást eredményez. Ennek eredményeképpen később nyithatók, ami hosszabb munkaütemet és a termikus hatásfok javulását, illetve a teljesítmény növekedését eredményezi.
Az elektronikus szabályzású olajszivattyú és megfelelő fúvókák alkalmazása révén a Renesis a jelenlegi Wankel-motorok kenőolaj-szükségletének csupán mintegy a felét használja fel. A Renesis változó, hatnyílásos szívórendszerrel működik, három szívónyílással a két forgódugattyú mindegyikénél. Az üzemanyag minden munkaütem során szinte teljes mértékben elég, amely magasabb égési hatásfokban és alacsonyabb károsanyag-emisszióban nyilvánul meg. A Renesis Wankel-motor 30 százalékkal könnyebb, mint az RX-7 13B-REW biturbós erőforrása, és kisebb méretű is. Minden segédberendezésével együtt, a Renesis nagyjából akkora, mint egy négyhengeres, soros motor. Ez az elrendezés ideális 50:50 arányú tömegeloszlást tesz lehetővé az első és a hátsó tengely között, ami nagymértékben javítja az irányíthatóságot.
Hatékonysági kihívások és modern alkalmazások
A Wankel-motor története során a hatékonyság mindig is neuralgikus pont volt. Még a régebbi Wankel-motorok 24%-os hatékonyságot mutattak, ami a hagyományos motorokhoz képest alacsonyabb volt. Egyszerűen piacképtelen volt a benzinnel nem éppen takarékosan bánó konstrukció. Ráadásul a környezetvédelem előírások is akkoriban kezdtek el szigorodni, és a Wankel ebben a kérdésben sem volt élenjáró.
Útmutató az ablaktörlő motor karbantartásához
A modern technológia azonban új lehetőségeket nyitott meg. A Mazda MX-30 alapvetően városi használatra kitalált elektromos autó, amelynek kis akkumulátora jól lefedi az ingázást, a Wankel-es rásegítéssel pedig messzebbre is el lehet jutni. Ha a használat döntő többségében elektromos, akkor többet nyerhetünk a Wankel alacsony tömegén, mint amennyit veszítünk a benzines fogyasztáson. Továbbá, mivel ennek a motornak csak egy fordulatszámon és terhelésen kell üzemelnie, sokkal egyszerűbb arra optimalizálni a szívósort, gyújtást és kipufogót. Még az is lehet, hogy egész tűrhető hatékonyságot sikerült elérni a Mazda mérnökeinek, amikor hatótávnövelőként alkalmazzák, hiszen ilyenkor egy optimális tartományban üzemelhet folyamatosan.
Kenés és alacsony fordulati terhelés
A belsőégésű motor egyik legfontosabb gépeleme a kenőolaj. Fontos, hogy a kenés megfelelő legyen, hiszen a kenéstechnikailag nem túl jelentős változásokat szépen kompenzálják a kenőolajok fizikai tulajdonságaiban beállt változások, a jobb viszkozitás-index, a nagyobb nyírás stabilitás, a kisebb habzási hajlam.
Noha a nagy fordulat a legtöbb kenési hely számára előnyös, van egy olyan motorjellemző, amire talán nem fordítottak elég figyelmet a tribológusok, és hamar a piros mezőbe terelhetjük a képzeletbeli terhelést mutató műszerünket. Ez pedig az alacsony fordulati terhelés. Kis fordulaton, nagy terheléssel üzemelő motor - például ötödikben 40-nel erőltetve - siklócsapágyaiban a hidrodinamikus kenés nem tud tökéletesen felépülni. Vegyes súrlódás alakul ki, és a csap bele-bele csiszol a csapágycsészébe. Ezt a kenéstechnikusok csap-süllyedésnek hívják.
Sokat futott olajjal nem szabad kis fordulaton terhelni a motort, helyette szépen forgatni kell, középtartományban járatni. Fokozottan igaz ez, ha a motorban van már legalább 150-200 ezer kilométer - ilyenkor még az olajcsere-periódust is érdemes rövidíteni legalább 20, vagy akár 30 százalékkal.