Przez ponad 40 lat konstruktorzy Mazdy doskonalili konstrukcję motorów z wirującymi tłokami, znanych też jako silnik Wankla. Polegli dopiero w starciu z normą Euro 5.
Tradycyjne silniki spalinowe, takie jakie znamy ze współczesnych popularnych samochodów, wydają się na tyle dopracowane, że trudno w nich znaleźć coś do poprawienia. Mają jednak wady, i to wpisane w samą zasadę działania. Taką niedogodnością jest np. obecność klasycznego mechanizmu korbowego, który ma kłopoty ze skutecznym przetworzeniem sił działających na tłok w moment obrotowy odbierany z wału korbowego. Niekorzystna jest także obecność korbowodów wykonujących skomplikowane ruchy. Próby uniknięcia tego typu problemów trwają od samych początków motoryzacji do dzisiaj. Jednym z efektów tych prac jest silnik opracowany przez Feliksa Wankla.
Silnik Wankla – zasada działania
Zamiast tradycyjnych cylindrycznych tłoków Wankel zaprojektował tłoki zbliżone do trójkątów z wybrzuszonymi bokami. Miały one bowiem wykonywać zupełnie inny ruch – nie posuwisto- zwrotny, ale w pewnym przybliżeniu obrotowy. Zamknięto je w obudowie (odpowiedniku cylindra) o kształcie epitrochoidy (przypominającej owal). Tłok nasunięty jest bezpośrednio na mimośrodowy odcinek wału silnika, jego ruch wyznacza jednak dodatkowy mechanizm. Wewnątrz tłoka znajduje się koło zębate o uzębieniu wewnętrznym, współpracujące z kołem o uzębieniu zewnętrznym, zamontowanym nieruchomo w obudowie silnika, współosiowo z wałem. Taki mechanizm powoduje, że tłok wiruje mimośrodowo w obudowie jednostki. Przełożenia są tak dobrane, że na jeden pełny obrót tłoka osi przypadają trzy obroty wału silnika.
Wierzchołki trójkąta dzielą obudowę jednostki napędowej na trzy komory, które wraz z obracaniem się tłoka zmieniają swoje położenie, kształt i objętość. Silnik Wankla, tak jak jednostki konwencjonalne, w swej pracy wykorzystuje energię powstałą w wyniku rozprężenia spalin mieszanki paliwowo-powietrznej. Cykle pracy są takie same – tu także mamy następujące po sobie ssanie, sprężanie, pracę i wydech, tylko odbywa się to w trochę inny sposób.
Motor z wirującym tłokiem nie ma klasycznego mechanizmu rozrządu. Przesuwający się tłok odsłania kanał dolotowy znajdujący się w obudowie silnika. Wprowadzona mieszanka zostaje sprężona w malejącej przestrzeni pomiędzy zaokrąglonym bokiem trójkąta a ścianą obudowy. Umieszczone w odpowiednim miejscu obudowy świece powodują zapłon, a rozprężające się spaliny naciskają na tłok, który dzięki mimośrodowej pozycji na wale wytwarza moment obrotowy. Dalej tłok odsłania kanał wylotowy, który umożliwia oczyszczenie komory ze spalin i wszystko może się zacząć od nowa.
Trzeba zauważyć, że w jednej chwili w sąsiednich komorach zachodzą różne procesy – zapłon i suw pracy przypada tu więc na każdy obrót wału silnika, a nie na co drugi, jak w jednostkach czterosuwowych. Tak wygląda praca silnika z jednym tłokiem, ale oczywiście nic nie stoi na przeszkodzie, by na wale zamontowano ich więcej.
Silnik Wankla – wady i zalety
Największymi zaletami silnika Wankla są jego niewielkie wymiary i masa. Przy takiej samej mocy można z grubsza liczyć na oszczędności rzędu 1/3. To szczególnie kuszące w przypadku aut sportowych, w których mała masa sprzyja poprawie osiągów, a niewielkie gabaryty ułatwiają większą swobodę przy projektowaniu nadwozia. Silnik ma także zdecydowanie mniej części. Silniki Wankla charakteryzują się gładką pracą i łagodnym narastaniem momentu obrotowego. Tłok wiruje trzy razy wolniej od wału, co zdecydowanie ogranicza wibracje i hałas.
Niestety silnik od momentu powstania obarczony jest wieloma wadami. Początkowo sporo problemów stwarzało jego uszczelnienie. I to nie tylko na krawędziach trójkąta, ale także na bokach tłoka. Niewielka była też trwałość tych jednostek cząstki węgla uwięzione między uszczelkami a obudową drążyły rowki, co zmuszało do przyspieszonych napraw głównych.
Z czasem problemy znacznie ograniczono, choć nie wyeliminowano całkowicie. Wszelkie przedmuchy ograniczają sprawność silnika, co podnosi zużycie paliwa. Jednostki, nawet najnowsze, spalają także niewielkie ilości oleju, ale nawet to bardzo niekorzystnie wpływa na skład spalin. W ogóle problemy ekologiczne wpisane są już w założenia tego projektu: przeprowadzenie pełnego i czystego spalania utrudnia rozległa, nieregularna komora, w której proces zachodzi. Większe zużycie paliwa ma bezpośrednie przełożenie na wysoką emisję dwutlenku węgla.
Właśnie tego typu problemy leżą u podstaw decyzji o wygaszeniu produkcji modelu RX-8 napędzanego dwuwirnikowym silnikiem Renesis. Pewnie udałoby się tak poprawić tę jednostkę, by spełniała normę Euro 5, ale do tego czasu obowiązywać będą pewnie już ostrzejsze regulacje… Trochę szkoda tak pomysłowej konstrukcji.
Historia silnika Wankla
Felix Wankel to niemiecki konstruktor urodzony w roku 1902. Podobno pomysł na silnik z obrotowymi tłokami przyszedł mu do głowy we śnie, gdy miał 17 lat. Jego realizację rozpoczął w roku 1924 we własnym niewielkim laboratorium.
W czasie wojny otrzymał wsparcie władz, które dostrzegły potencjał tkwiący w projekcie. Po wojnie rozpoczął współpracę z producentem (wówczas) motocykli, firmą NSU. W 1957 roku opracował prototyp pierwszego silnika z wirującym tłokiem, nazwanego DKM. Ale dopiero drugi silnik, KKM, jest pierwowzorem obecnie znanych jednostek.
U schyłku lat 50. i w dekadzie lat 60. silnik Wankla budził spore zainteresowanie. Cicha i spokojna praca i spora niezawodność wynikająca z prostoty konstrukcji budziła nadzieje na przyszłość. Projektem interesowały się firmy z USA, brytyjski Rolls-Royce opracował wersję z zapłonem samoczynnym, a Norton odmianę motocyklową. Pierwszym seryjnym samochodem, który został wyposażony w silnik tego typu, był NSU Spider z roku 1964. Późniejszy NSU Ro80 (Ro od rotary, czyli obrotowy oczywiście) zdobył nawet tytuł Samochodu Roku 1968. Motorem tego typu interesowało się jeszcze wiele firm (warto wspomnieć np. Citroëna z modelami M35 czy GS Birotor), ale na poważnie na długie lata z projektem związała się tylko Mazda.
Projektowanie własnego silnika Wankla rozpoczęto w roku 1961, a od roku 1963 zajmował się tym specjalnie w tym celu utworzony dział rozwojowy. Szefem został 47-letni Kenichi Yamamoto. Największym problemem było ograniczenie tworzenia rys na obudowie silnika przez uszczelniania na rogach trójkątnego tłoka. Nazwano je śladami pazurów diabła. Ustalono, że powodują je wibracje uszczelek. Po wielu próbach problem wyeliminowano.
Mazda postanowiła, że będzie rozwijać silnik z dwoma wirnikami jako zapewniający odpowiednio łagodną pracę. Pierwszy prototyp, L8A, zamontowano w protoplaście Mazdy Cosmo Sport. W roku 1964 opracowano prototyp silnika L10A, który stał się podstawą pierwszego seryjnej jednostki Wankla Mazdy. W roku 1967 rozpoczęła się sprzedaż modelu Cosmo Sport, który był pierwszym samochodem na świecie napędzanym dwuwirnikowym silnikiem Wankla. Rozwijał moc 110 KM.
Oczywiście nie zaprzestano prac rozwojowych. W 1982, wraz z premierą Cosmo RE Turbo, pojawiły się jednostki z turbodoładowaniem. Jak się okazuje, takie rozwiązanie świetnie pasuje do silnika Wankla, w którym spaliny mają dużo energii napędzającej turbinę. W 1983 zastosowano układ podwójnego wtrysku paliwa do każdej komory.
A w 1990 rozpoczęto produkcję silnika z trzema cylindrami, który pod względem kultury pracy mógł się równać z jednostkami V12. W tym samym czasie opracowano także układ podwójnego turbodoładowania. Taki silnik, z dwoma tłokami, napędzał Mazdę RX-7 i rozwijał moc maksymalną 280 KM.
Silnik Mazdy RX-8, nazwany Renesis, doładowania już nie miał, ale i tak rozwijał sporą moc 250 KM. Firma opracowała także jego wersję zasilaną wodorem, Hydrogen RE. Pamiętać także należy o sukcesach sportowych Mazd napędzanych silnikami Wankla. Największym było bez wątpienia wygranie legendarnego wyścigu 24-godzinnego Le Mans w roku 1991. Dokonał tego model 787 B, napędzany czterotłokowym silnikiem R26B.
Czy silnik Wankla powróci do samochodów? Żadne konkretne deklaracje nie zapadły. Wiadomo jedynie, że ośrodki badawczo-rozwojowe pracują nad rotacyjną jednostką SkyActiv-R, która miałaby mieć o ok. 20% większą pojemność od silnika Mazdy RX-8, lżejsze tłoki i turbodoładowanie. Moc? Mówi się nawet o 400 KM. Założenia konstrukcyjne zostały opatentowane w 2016 r., a kilka miesięcy temu przedstawiciele Mazdy ujawnili, że pracują nad dostosowaniem składu do aktualnych norm emisji spalin. Jeżeli projekt dojdzie do skutku, silnik najprawdopodobniej trafi do sportowego coupe, które będzie inspirowane koncepcyjną Mazdą RX-Vision.
Bartosz Zienkiewicz, fot. Mazda / Materiał pochodzi z archiwum JAPAN TRENDS
