Silnik Wankla to spalinowa jednostka rotacyjna, w której klasyczne tłoki zastępuje trójkątny rotor obracający się w komorze o kształcie epitrochoidy. Każda z trzech jego ścianek tworzy osobną komorę roboczą, a podczas obrotu kolejno zachodzą w niej ssanie, sprężanie, praca i wydech. Dzięki temu silnik jest mały, lekki i pracuje płynnie, ale wymaga szczególnej dbałości o uszczelnienia, temperaturę oraz smarowanie.
Czym jest silnik Wankla?
Silnik Wankla nie korzysta z klasycznego układu korbowo-tłokowego. Zamiast tłoków wykonujących ruch posuwisto-zwrotny ma rotor, który porusza się obrotowo i jednocześnie zmienia swoje położenie względem obudowy. Energia spalania mieszanki paliwowo-powietrznej trafia więc bezpośrednio do ruchu obrotowego, a nie najpierw do ruchu tłoka, korbowodu i wału korbowego.
Za geometrię konstrukcji odpowiadają dwa elementy. Rotor ma kształt trójkąta Reuleaux, czyli figury o wypukłych bokach, a komora robocza jest epitrochoidą. Jej przekrój przypomina wydłużoną ósemkę. Wzajemne dopasowanie tych kształtów powoduje powstanie trzech szczelnych przestrzeni, których objętość zmienia się podczas obrotu rotora.
Budowa silnika Wankla
Rotor, epitrochoida i wał mimośrodowy
Rotor ma trzy wierzchołki oraz trzy wypukłe boki. Nie obraca się jednak jak zwykłe koło wokół własnej, nieruchomej osi. Jest osadzony na wale mimośrodowym, którego oś jest przesunięta względem osi rotora. Wewnętrzne uzębienie rotora współpracuje z nieruchomym kołem zębatym zamocowanym w obudowie. To zazębienie prowadzi rotor po wyznaczonej trajektorii i zamienia jego ruch na obrót wału.
Wał mimośrodowy pełni funkcję zbliżoną do wału korbowego w silniku tłokowym. Odbiera siłę powstającą podczas rozprężania gazów i przekazuje moment obrotowy do sprzęgła, skrzyni biegów albo generatora. W obudowie nie ma klasycznego rozrządu z zaworami. Ich rolę przejmują porty dolotowe i wylotowe umieszczone w obudowie bocznej lub na jej obwodzie.
Czym są apex seals?
Na każdym wierzchołku rotora znajdują się wąskie listwy nazywane apex seals, czyli uszczelniaczami wierzchołkowymi. Przesuwają się one po powierzchni epitrochoidalnej i oddzielają od siebie trzy komory robocze. Współpracują z nimi uszczelnienia boczne i narożne.
Od ich stanu zależy utrzymanie ciśnienia sprężania. Zużyte lub uszkodzone uszczelniacze powodują trudniejszy rozruch, szczególnie na ciepło, spadek mocy i nierówną pracę. Do komory trafia też niewielka ilość oleju, który smaruje powierzchnie współpracujące z apex seals. To konstrukcyjna przyczyna zużywania oleju, a niekoniecznie oznaka awarii.
Jak przebiega cykl pracy?
Silnik Wankla realizuje cykl czterosuwowy, ale nie przez ruch tłoka między górnym i dolnym martwym położeniem. Poszczególne fazy zachodzą w przestrzeniach utworzonych między bokami rotora a ścianką epitrochoidalnej komory. Gdy jedna komora wykonuje pracę, pozostałe znajdują się w innych fazach cyklu.
- ssanie – zwiększająca się komora odsłania port dolotowy i zasysa powietrze z paliwem albo powietrze połączone z bezpośrednim wtryskiem paliwa.
- sprężanie – dalszy ruch rotora zmniejsza objętość komory i podnosi ciśnienie mieszanki.
- praca – zapłon powoduje spalanie i rozprężanie gazów, które naciskają na bok rotora, wytwarzając moment na wale mimośrodowym.
- wydech – komora przesuwa się w stronę portu wylotowego i wypycha spaliny poza obudowę.
W uproszczeniu jeden obrót wału mimośrodowego oznacza jeden suw pracy w każdej komorze danego rotora. Sam rotor wykonuje przy tym obrót z inną prędkością niż wał, ponieważ jego ruch jest kontrolowany przez przekładnię zębatą. Dzięki trzem komorom procesy zachodzą jednocześnie, co zapewnia ciągły dopływ momentu.
Wankel a silnik tłokowy
Największa różnica wynika z rodzaju ruchu mas. W silniku tłokowym tłoki, korbowody i części wału wielokrotnie zmieniają kierunek ruchu. W Wanklu rotor nie wykonuje gwałtownych nawrotów, dlatego jednostka może pracować bardzo płynnie i generuje mniej drgań pochodzących od mas posuwisto-zwrotnych.
| Cecha | Silnik Wankla | Silnik tłokowy czterosuwowy |
|---|---|---|
| Sposób pracy | Rotor obraca się w komorze epitrochoidalnej | Tłoki poruszają się posuwisto-zwrotnie w cylindrach |
| Praca wału | Jedna faza pracy przypada na jeden obrót wału mimośrodowego w danej komorze | Jeden suw pracy przypada zwykle na dwa obroty wału korbowego |
| Masa i gabaryty | Niewielkie przy porównywalnej mocy | Zwykle większe, zwłaszcza przy większej liczbie cylindrów |
| Kultura pracy | Bardzo płynna, bez typowych zmian kierunku ruchu tłoków | Zależna od liczby cylindrów, kolejności zapłonu i wyważenia |
| Zużycie oleju | Olej jest celowo doprowadzany do strefy uszczelnień | W sprawnym silniku olej nie powinien trafiać do komory spalania w sposób zamierzony |
| Emisje | Trudniejsze dopalanie mieszanki i kontrola węglowodorów | Łatwiejsze dopasowanie komory i układu oczyszczania spalin |
Nie należy też bezpośrednio mnożyć nominalnej pojemności Wankla przez dwa lub trzy, aby uzyskać „odpowiednik” silnika tłokowego. Różna częstotliwość suwów pracy, geometria komory i charakter spalania sprawiają, że takie przeliczniki są dużym uproszczeniem. Moc, moment obrotowy i zużycie paliwa najlepiej porównywać na podstawie rzeczywistych parametrów jednostek.
Zalety i wady w praktyce
Prosta mechanika nie oznacza łatwej eksploatacji. Silnik ma mniej dużych elementów ruchomych niż jednostka tłokowa, ale pracuje w warunkach, w których szczególnego znaczenia nabierają szczelność oraz odprowadzanie ciepła.
Najważniejsze zalety tej konstrukcji to:
- Kompaktowe wymiary – mała obudowa ułatwia montaż i pozwala ograniczyć masę zespołu napędowego.
- Niska masa – rotor i obudowa zastępują wiele elementów klasycznego układu korbowo-tłokowego.
- Płynna praca – brak tłoków wykonujących ruch nawrotny ogranicza charakterystyczne drgania.
- Duża moc z niewielkiej objętości – częste fazy pracy sprzyjają wysokiej gęstości mocy i pracy na wysokich obrotach.
Ograniczenia wynikają głównie z geometrii i sposobu smarowania:
- Uszczelniacze apex seals muszą zachować szczelność mimo kontaktu z gorącą, szybko poruszającą się powierzchnią.
- Celowe doprowadzanie oleju do komory zwiększa jego zużycie i wpływa na emisję spalin.
- Wydłużona komora utrudnia równomierne spalanie mieszanki i kontrolę emisji węglowodorów.
- Przegrzewanie, niesprawny zapłon oraz częsta jazda na niedogrzanym silniku mogą przyspieszać utratę kompresji.
Dlatego przed zakupem używanego samochodu z takim napędem, na przykład Mazdy RX-8 z silnikiem Renesis, warto sprawdzić kompresję specjalnym miernikiem, stan cewek i świec oraz historię układu chłodzenia. Krótkie przejazdy nie sprzyjają tej konstrukcji, ponieważ niedogrzany silnik może zostać zalany paliwem, a ponowny rozruch staje się wtedy trudniejszy.
Współcześnie silnik Wankla może być bardziej racjonalny jako range extender, czyli generator energii dla układu hybrydowego. Pracując przez dłuższy czas w ustalonym zakresie obciążenia, nie musi tak często zmieniać prędkości i temperatury. Taki sposób wykorzystania pojawił się między innymi w układzie Mazdy MX-30 R-EV. Rotory są też interesujące w dronach i pomocniczych źródłach zasilania, gdzie liczą się mała masa oraz niski poziom wibracji.
Istotą działania Wankla nie jest „trójkątny tłok” poruszający się przypadkowo w obudowie, lecz precyzyjnie współpracująca geometria rotora, epitrochoidy i wału mimośrodowego. To ona pozwala realizować pełny cykl czterosuwowy w sposób ciągły. Ta sama geometria daje płynność i kompaktowość, ale utrudnia uszczelnienie, smarowanie i kontrolę temperatury.
