Czym jest i jak działa silnik Wankla? Jakie są zalety, a jakie wady takiej konstrukcji?

Zasada działania

W konstrukcji silnik Wankla zamiast tradycyjnego układu korbowo-tłokowego mamy wirujący tłok (rotor), który porusza się ruchem złożonym z ruchu obrotowego i jednoczesnego ruchu płaskiego. W przekroju jego kształt jest trójkątem Reuleaux, czyli, w uproszczeniu, trójkątem z wypukłymi bokami. Wirujący tłok umieszczony jest w owalnej obudowie, z którą tworzy poszczególne powierzchnie robocze.

Kształt obudowy jest ściśle powiązany z ruchem tłoka, który jest wyznaczony przez przekładnię zębatą, znajdującą się w jego wnętrzu. Rotor od środka posiada nacięte uzębienie, które współpracuje z kołem zębatym osadzonym na stałe w korpusie. Takie zamocowanie ogranicza płaszczyznę ruchu do dwóch zachodzących na siebie okręgów, tworzących owalny kształt przekroju obudowy.

Przewagą takiej konstrukcji nad podejściem tradycyjnym jest to, że ma ona więcej powierzchni roboczych. W tradycyjnym silniku jeden tłok tworzy z cylindrem dokładnie jedną powierzchnię roboczą, a w silniku Wankla obrotowy tłok tworzy z obudową trzy powierzchnie robocze. Stąd, w powszechnym rozumieniu, bierze się mnożenie niewielkiej pojemności skokowej silnika Wankla przez trzy.

Takie wyliczenie nie jest jednak do końca poprawne. Silnik takiego typu pracuje przy dość zbliżonej do tradycyjnego podejścia czterosuwowej charakterystyce pracy. Różnicą jest to, że jednostka napędowa projektu Wankla wykonuje jeden pełen cykl pracy na jeden obrót wału, a tradycyjny silnik tłokowy jeden na dwa obroty. Dlatego zdecydowanie bardziej sprawiedliwym, przy porównaniach jednostek napędowych, jest wyliczenie polegające na mnożeniu pojemności silnika Wankla przez dwa. Można wtedy, w przybliżeniu, porównać emisję spalin, zużycie paliwa czy objętościowy wskaźnik mocy.

Podczas obrotu tłoka tworzy on ze ścianami korpusu cztery komory spalania (pomimo trzech powierzchni roboczych), z których każda ma w danym momencie inną funkcję (jest w innym suwie pracy). Są to komory (kolejno) ssania, sprężania, pracy i wydechowa. Ich nazwy są zbieżne z poszczególnymi suwami pracy, które wykonują.

Ruch obrotowy powodowany spalaniem paliwa przekazywany jest na wał wyjściowy, który obraca się trzykrotnie szybciej niż rotor. Mamy więc trzy pełne cykle czterosuwowe na jeden obrót rotoru i w konsekwencji wspomniany jeden cykl czterosuwowy na jeden obrót wału wyjściowego.

Całość jest, wbrew pozorom, genialna w swojej prostocie. W silniku Wankla nie ma bowiem wielu elementów niezbędnych do pracy tradycyjnego silnika spalinowego. Brak tutaj rozrządu, którego konstrukcje we współczesnych autach potrafią być bardzo skomplikowane i nastręczają użytkownikom wielu kosztownych problemów eksploatacyjnych. Podobnie jest z zaworami, których także w takiej konstrukcji nie znajdziemy. Nie są dzięki temu generowane dodatkowe opory, co pozwala kształtować płaską charakterystykę momentu obrotowego.

Ze względu na więcej niż jeden suw pracy na jeden obrót, silnik tego typu charakteryzuje się znacznie lepszym wyrównoważeniem. Nie jest ono idealne, ze względu na mimośrodowe zamocowanie rotoru (jego ruch posuwisty, realizowany obok głównego – obrotowego). Jednak na tyle dobre, że nie stosuje się dodatkowych wałków wyrównoważających, co dodatkowo upraszcza konstrukcję silnika przy zachowaniu wysokiej kultury pracy i przy okazji niskiego poziomu hałasu.

Silnika Wankla ma predyspozycje do tego, by montować go w autach sportowych. Jego niewielka masa i wymiary pozwalają na zbudowanie korzystniejszej charakterystyki jezdnej całego samochodu. Przód auta nie jest tak mocno obciążony jak przy tradycyjnym silniku dużej pojemności, a ze względu na większą ilość miejsca można zdecydować się na bardziej rozbudowane przednie zawieszenie. Jednostka napędowa takiego projektu ma także wysoką sprawność i szybko wchodzi na obroty. Pozwala zatem na lepsze przyspieszenie i szybszą reakcję na wciśnięcie pedału gazu.

Zalety to niestety tylko część rzeczywistości. Druga strona medalu jest znacznie trudniejsza dla odbiorców aut wyposażonych w taką jednostkę napędową. Podstawowym problemem jest uszczelnienie poszczególnych komór spalania. Przy tradycyjnym silniku jest to dość proste – okrągłe pierścienie tłokowe są dociskane przez ich rozprężanie podczas pracy. W silniku Wankla uszczelnienia mogą wystąpić jedynie na obrzeżach komór spalania i takie rozwiązanie jest zazwyczaj dość skomplikowane, wieloelementowe. Jednym z istotniejszych rozwiązań są listewki uszczelniające, zbudowane z wytrzymałych spieków ceramicznych.

Jednak nawet takie rozwiązanie często okazuje się nieskuteczne w codziennej eksploatacji. Uszczelnienia potrafią się wycierać, co powoduje przedmuchy i spadek kompresji. Silnik z obniżoną kompresją ma mniejszą moc i szereg problemów, związanych choćby z problemami z rozruchem. Niska trwałość, niewielka wiedza mechaników o takich konstrukcjach i znaczny koszt poprawnej naprawy powoduje, że używane auta z silnikiem Wankla znacznie tracą na wartości. Spotykane są nawet przypadki adaptacji do nich tradycyjnych jednostek napędowych, co po osiągnięciu resursu jednostki Wankla jest znacznie tańsze niż próba przywrócenia specyfikacji fabrycznej. Istnieją nawet zakłady wyspecjalizowane w takich przeróbkach.

Kolejny problem techniczny to chłodzenie. Silnik Wankla może oddawać ciepło rotora jedynie poprzez dwie niewielkie powierzchnie. A trzy główne, tworzące powierzchnie robocze, są cały czas intensywnie ogrzewane.

W obecnych, tradycyjnych silnikach spalinowych duże znaczenie ma optymalizacja kształtu komór spalania. W tym zakresie trwa prawdziwy wyścig zbrojeń, bo nawet niewielka modyfikacja może korzystnie wpłynąć na osiągi czy obniżyć zużycie paliwa. Tymczasem w silniku Wankla zakres możliwości zmian kształtu komór spalania jest dość ograniczony. Dodatkowo ma on dość niekorzystny kształt szczeliny, który negatywnie wpływa na emisję spalin.

Stosunkowo duża powierzchnia ścianek komory spalania powoduje znaczne straty termiczne. Jednym ze sposobów na częściową eliminację tego niekorzystnego zjawiska jest stosowanie dwóch świec w każdej komorze spalania, co przeciwdziała zwiększonemu zużyciu paliwa. To stosunkowo poważny problem, bo w autach sportowych nawet w katalogach widniały wartości średniego spalania na poziomie kilkunastu litrów na każde sto kilometrów. Przykładowo, Mazda podaje wartość średniego miejskiego zużycia paliwa modelu RX-8 na poziomie 15,8 litra na każde sto kilometrów.

To jedna z przyczyn, dlaczego zastosowanie silnika Wankla jest dość ograniczone i dotyczy głównie aut sportowych i wyścigowych. Najbardziej znane auta z taką jednostką napędową to Mazdy – modele RX-8, starsza RX-7 i wyścigowa 787B. To jednak już niestety raczej historia, bo dalekowschodni producent podjął decyzję o niekontynuowaniu rozwoju tej serii silnikowej i od 2012 roku (od czasu zaprzestania produkcji modelu RX-8) nie ma modelu z takim silnikiem w ofercie. Szkoda, bo jeszcze w 2003 roku silnik 13B-MSP RENESIS z Mazdy RX-8 zdobył prestiżową nagrodę silnika roku.

Co jakiś czas pojawiają się spekulacje o nowej konstrukcji silnika Wankla Mazdy użytym w aucie produkcyjnym. Wydaje się, że na obecnym etapie rozwoju technicznego najważniejsze problemy techniczne są możliwe do rozwiązania. Prawdopodobnie inżynierowie potrafią skonstruować silnik Wankla o trwałości porównywalnej z analogicznymi jednostkami tradycyjnymi. Być może nawet udałoby się ograniczyć zwiększoną emisję spalin, która obecnie jest istotnym parametrem każdej konstrukcji. Pozostaje jednak pytanie, ile to będzie kosztowało i czy potencjalne korzyści z zastosowania takiej konstrukcji są większe niż wydatki na opracowanie nowych technologii i zwiększone koszty produkcji. Tym bardziej, że rozwój tradycyjnych silników znacznie przyspieszył i dawna przewaga technologiczna silnika Wankla może nie być już tak wyraźna, jak kiedyś.

Temat co jakiś czas powraca i być może kiedyś zobaczymy jeszcze jakieś auto sportowe z tak niekonwencjonalną, ale ciekawą konstrukcją silnika.

Artykuł powstał we współpracy z firmą Total