Der Wankelmotor - Konstruktion + Wirkungsweise (R. Ansdale - German)

IlHmilKEmmn Wiil(ung ise Konstnrrl«tion und R. F. ANSDALE DER WANKELMOTOR Konstruktion und Wirkungsweise Ubertragung ins Deutsch€, Umarbeitung und Ergänzungen: Helmut Keller MOTORBUCH VERLAG STUTTGART Einbandkonzeption: Siegfried Horn. Fotos und Zeichnungen: Bis auf Curtiss-Wright 4, Daimler-Benz 3, Ficttel & Sachs 5, Hercules 1, MAC 1, NSU 5, Toyo Kogyo 2, Yanmar 2 alle Fotos und Zeichnungen vom Autor. Copyright O 1968 by R. F. Ansdale. Die englische Originalausgabe ist erschienen bei lliffe Books Limited, London, unter dem Titel THE WANKEL RC ENGINE - Design and Performance. Aullage 1971. Copyright @ 1971 by Motorbucfr Verlag, T Stuttgart 1, Postrac*r 1370. Eine Abteilung des Buch- und Verlagshauses Paul Pietsch GmbH. & Co. KG. Sämtlicte Rechte der Verbreitung in deutscher Sprache - in jeglicher Form und Technik - sind vorbehalten. Gesamtherstellung: Druck- und Verlagsanstalt Welsermühl, Wels. Printed in Austria. 1. lnhaltsve rzeichnis Bezeichnungen der Einzelteile zum KKM 1. Einführung in den Nsu/Wankelmotor, seine Konstruktion und seine Eigensclraften 16 . . . . . . . . 3. DieGestaltungderEpitrodtoide . . . . . . . . 3.1 AbleitungderTrochoiden. . . . . . . . . . . . 3.2 WiemandieKonturdesRotorserhält . . . . . . 2. DieGrundlagendesKreiskolbenmotors. 3.3 . . . . Andere Konstruktionen, ihre Vorteile und ihre Grenzen 4. DerersteNsu/Wankel-Einfadr-Drehkolbenmotor . . . . . 20 . 36 36 44 50 . 55 . . . 5. Der Kreiskolbenmotor 61 6. Grundsätzliche Beziehungen zwisdren den Rotationskolbenmaschinen 72 72 75 6.1 Grundsätzliche Beziehungen 6.2 Berechnung des Hubraumes nach G. B. Seward 6.3 Berechnung des Verdichtungsverhältnisses . . . 6.4 Hubraum beim Wankelmotor und bei Hubkolbenmotoren 6.5 VerhältnisOberflächezuVolumen . . . .. . . 7. DasDic{ttsystem. . . . . . . . . . 7.1 OtOichtungen . . . . . . 7.2 Gasdichtungen . . . . . . 7.3 Die seitlichen Dichtteile' 7.4 Die Dichtleisten (Scheitelleisten) . . . . . . 81 . 82 92 99 100 105 . . . 112 113 Vor- und Nacfiteile von Seiten- und Umfangseinl aß; Gasgeschwindigkeiten und volumetrisdrer 8. Die Gassteuerutrg, . . . . . . . . . . . . . . . . . . S'dtmigrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . KühlungdesMotors . . . o. . . . . . . . . . . Wirkungsgrad 9, 10. 10.1 Einführung 10.2 Luftkühlung..... o ...... .. 10.3 Flüssigkeitskühlung . . . . . . . . . . . . . . . 121 . 134 . . 141 141 145 148 11. Zündung . . . . . . . . . . . . . o. . . . . . . . . 12. Leistungsverhalten 157 . . . . . . . . . . . . . . . . 13.4 Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.5 Kraftstoffvgrbrauch . . . . . . . . . . . . . . 13.6 Kraftstoffeinspritzung . . . . o . . . . . . . . . 14. MathematischeAnalysedesKreiskolbenmotors. . . . . . 14.1 ErzeugungvonTrochoiden............ 14.2 ErzeugungvonEpitrochoiden. . . . . . . . 14.3 DerSchwenkwinkel s .. .. .. 14.4 DieHüllkurveneinerTrochoide. . . . . . 14.5 DieFlächedesüblichenKolbens........ 14.6 Die durch die Epitrochoide und die Kolbenspitze begrenzteFlächg . . . . . . . . . . . . . . . 14.7 GeschwindigkeitenundBeschleunigungen..... 14.8 Drehmoment . . . . . . . . . . . o . . . 14.9 Anpassung des Kreisbogens an die Kolbenflanke . 13. Leistungscharaktgristik . . . . . . . . . . 13.1 ForderungenandenKraftstoff . . . . . . 13.2 Motorgeräusch und Schwingungsverhalten 13.3 Abgasentgiftung . . . . . . . . . . . . Sac{tregister 173 174 176 176 178 179 182 186 200 ......... 15.DieVorteiledesKreiskolbgnmotors........... Literaturnadrweis 163 166 . Bezeic{rnungendermathematischenGröBen 16. Ausgeführte Wankelmotoren und Anwendungsgebiete dafür 16.1 Curtiss-Wright 16.2 Daimler-B enz 16.3 Fichtel & Sachs 161 161 . . 14.10 Berechnung des Oberfläche/Volumen-Verhältnisses 161 187 190 197 198 . 16.4 NSU 16.5 Toyo Kogyo 16.6 Yanmar Diesel 151 202 203 . 206 206 207 214 216 220 222 223 224 tt. Vorwort zur englischen Ausgabe Zwar ist der Autor allein verantwortlicfr für die in dem vorliegenden Buche ausgedrückten Meinungen, Feststellungen und Folgerungen, aber es liegt auf der Hand, daß er auf die höchst schätzenswerte Hilfe sowohl von Einzelpersonen als auch von Firmen, die sich mit der Entwicklung von Wankelmotoren befassen, nicht hätte verzichten können. Besonderer Dank gebührt dem Erfinder Dr.-lng. E. h. Felix Wankel und Dr. G. S. von Heydekampf, dem Chef der NSU-Motorenwerke, dafür, daß sie das eingehende Studium dieser Maschine, das bis zu den allerersten Anfängen zurückreicht, erleichtert haben. Nicht weniger Dank verdienen Dr.-lng. Walter Froede, Dipl.-lng. H. D. Paschke und deren Mitarbeiter für ihre fachkundigen und mit vielGeduld gegebenen Erklärungen technischer Besonderheiten und Eigentümlichkeiten dieser Motorenart. Nicht alle Lizenznehmer waren gleichermaßen darauf vorbereitet, mit Informationen aller Art Beistand zu leisten, aber die Firmen Fichtel & Sachs AG, die Curtiss-Wright Corporation, Toyo Kogyo Co. und Yanmar Diesel müssen als besonders hilfreich hervorgehoben werden. Herr K. Yamamoto, der die Kreiskolben-Motoren-Entwicklung bei Toyo Kogyo in Hiroshima leitet, steuerte aufschlußreiche Einzelheiten und Bilder bei über die unter seiner Leitung vorangehenden Arbeiten. Die Herren J. E. Lonsdale und B. P. Ryle arbeiteten sich geduldig durch das Manuskript und machten wertvolle Vorschläge zur Verbes' serung des Textes. Herr Gerald G. Summerville gab wichtige Hinweise in bezug auf mathematische Fragen. Besondere Anerkennung muß den nachfolgend genannten Firmen und Organisationen gezollt werden, nicht nur für die Erlaubnis, aus ihren Veröffentlichungen zu zitieren, sondern auch für ihre Ratschläge und Unterstützung: der Forscfrungsabteilung der B. S. A.-Gruppe für die Erlaubnis, verschiedene Berechnungen zu benutzen, die für eine bestimmte Konstruktionsstudie angestellt worden waren ; 7 und ganz besonders Herrn D. J. Lockley M. Sc. für seinen Beitrag zu dem mathematischen Anhang dieses Buches; der Pontiac Motor Division von General Motors für die Überlassung der ausgezeichneten Bilddarstellung ihres Sechszylinder-TempestMotors mit obenliegender Nockenwelle; der British Petroleum Company Ltd.; der lnstitution of Mechanical Engineers für die Erlaubnis, von verschiedenen Veröffentlichungen Gebrauch zu machen; der Champion Spark PIug Co. und der Robert Bosch GmbH für ihren Rat bei der Ausarbeitung des Kapitels [iber Zündanlagen und Zündkerzen. Zur deutschen Ausgabe Das Buch "The Wankel RC Engine - Design and Performance« erschien 1968 in England. ln der Zwischenzeit sind natürlic*r weitere Fortschritte in der Entwicklung des Rotationskolbenmotors gemacht worden, und so wurde das Buch nicht nur schlicht übersetzt, sondern es wurde um mancherlei Erkenntnisse bereichert. Das Kapitel "Abgasentgiftung" wurde dem Stand von 1970 entsprechend neu geschrieben, und das Kapitel ,Ausgeführte Wankelmotoren und Anwendungsgebiete dafür" wurde ebenfalls neu geschrieben und mit zahlreichen Bildern versehen, welche die Firmen Curtiss-Wright, Daimler-Benz, Fichtel & Sachs, NSU, Toyo Kogyo und Yanmar Diesel dankenswerterweise zur Verfügung stellten. Besonderer Dank für wertvolle Ratschläge und Hinweise gebührt Herrn Dr.-lng. E. h. F. Wankel und Herrn lng. D. Eiermann von der Technischen Entwicklungsstelle Lindau, der sehr wertvolle Hilfe beim Lesen des Manuskriptes leistete, sowie Herrn Dir. Dipl.-lng. Bensinger (Daimler-Benz) und Herrn Dipl.-!ng.P.von Manteuffel (NSU). Auch der Rotary Engine GmbH, Chur, sei Dank für das Zustandekommen der deutschen Ausgabe dieses Buches abgestattet. Helmut Keller 8 Bezeichnungen der Einzelteile zum Kreiskolbenmotor Bereits 1964 wurde der Versuch gemacht, einheitliche Bezeichnungen für die Einzelteile des Wankel-Kreiskolbenmotors festzulegen. Sie haben sich inzwischen nur zum Teil eingeführt. lm täglichen Sprachgebrauctr haben z. B. die anschaulicheren Begrilfe "Scheitelleiste« (anstatt Radialleiste oder Dichtleiste) und "Bogenleiste" (anstelle von Dichtstreifen) mehr Eingang gefunden. Anstelle des Wortes Kolben wird auch "Läufer" oder "Rotor" benutzt. Das ursprüngliche genormte Wort "Mantellaufbahn" hat gar keinen Beifall gefunden, man sagt und scüreibt "Trochoide" und meint damit "Epi-Trochoide". Auf den folgenden Seiten, die zugleich einen Uberblick über den konstruktiven Aufbau der Maschine geben, sind alle Teile mit den seinerzeit genormten Bezeichnungen versehen. I Ge.somt-Motor Montel §chwgngred Zwischentei I Moto Achso bstond Exzenten Wellenloqen Exzenterwelle eh Kolbenlogqr. Moton Motor- Endseit Abtriebseite Gesenqewich Abtriebseite Logenflonsc.h.: Lggerf Ionsch Endseite Seitenteil- Ritzel Hohlnqd Seitenteil Abtniebseite Kolben Endseite rbeitskomrnen (pro Kolben 3AK) Numerierungen von Endseite Eintäufermotor Zwei töufermotor Mqntel Monteld ichtun Montellouf bohn Ei nloss-Steuenöffnu Ei Lqnqe Achse qtter Bogen) Kolter Boqen Zündkonql nlosskonol Auslosskonol (Uberschneidungs- seite) Ausloss- Steue öffnung (Zündseite t Heissen Boqen Lqn Achse(Wqrrn er Bogen) Die Steltungen des Kolbens sind bei kteinstem Ar beits kqmmer - Volumen : Zünd- OT und Uberschneidunos-OT bei größtem Votumen: Ansquo-UT. und Exoqnsions-UT( Dehnpngs -UT ) Läufer bzw. Kolben Kolbenf lonl<e Leistennut Nutf lon ke Ecke Stirnflöche Kolbenkont Kolbennqbe m. Kolbenlogen und Hohlnod Nochversetzt Muldenende Stinnwond+ Kolbenfenster Muldeno Bolzenbghnung Kolbenmulde ng Vonvensetzt Flonkenwond §prel Kolben bneite - Radial - Dichtung_ I FL- Leistenende (., +t .9' Dicht - Leiste 3 Leistenku Flonke, Vonf lonke Leistenfü sse Leistenlöngs E o- o Löhgsq plgL E g :, L (9 Mehnteili Leiste Venbu ndleisten I I Leistenfeden Mehrfochleisten Sfir nflcich en - Dic htung. =Außendichtung_ ( DichtJ Bolzen Axiotleiste Rodiqtteiste Dichtgrenze lnnere Flqnke Axiotd i cht teiste .( Bogenteiste ) Axiq td icht [ei ste n fed er Gleitf löche Außere Ftonke Gnu ndflq'che Schnitt A- B Leistenende Axiqtdichtteiste Dicke vorderes Leistenende hinterp I Länge Stoss-Sp1g!Ax htd cht te sterrfed i i er J,n nen-Dichtu ng_ ötringdichtung Mehrfqchqxiotring Dichtulg_ Axiotringdichtung ( mehntei lig Axiqlfeden Rodiolfr ''.-rrr-,r.. Rodiotringd ichtung lS§ ) 1. Einführung in den Nsu/Wankelmotor, seine Konstruktion und seine Eigenschaften Der moderne Automobilmotor erfreut sich der ca. neunzig Jahre währenden ununterbrochenen Entwicklung, die bis zum Jahre 1878 zurückgeht, als der deutsctre lngenieur Nikolaus August Otto seinen ersten Viertaktmotor ausstellte, den er 1876 erfunden hatte, gerade zwei Jahre zuvor. Die Grundidee stammt von dem Franzosen Alphonse Beau de Rochas, der sie 1862 gefunden hatte, zu einer Zeit, als die meisten anderen, die sich mit der Entwicklung von Motoren mit innerer Verbrennung befaßten, noch am Lenoir-Prinzip hingen, dem - im Gegensatz zum Otto-Prinzip - die Kompressionsphase fehlte. Das Kriterium des Otto-Motors besteht darin, daß die Verbrennung des verdichteten Kraftstoff-Luft-Gemisches durch zeitlich gesteuerte Fremdzündung eingeleitet wird. Nur von dieser Art von Rotationskolbenmaschinen (RK-Mascfiine) wird in diesem Buche gesprochen, obwohl - rein grundsätzlich - Rotationskolbenmaschinen auch nach dem Dieselverfahren laufen könnten. Weiterhin ist die Tatsache von Bedeutung, daß der RK"-Motor nach dem Viertaktprinzip arbeitet, die einzelnen Phasen "Ansaugen, Verdichten, Expandieren und Ausstoßen« verlaufen getrennt und für jede der drei Kammern zeitlich nacheinander. In der Praxis überlappen sich die einzelnen Phasen ein wenig, genau wie beim Hubkolbenmotor (HKM). Dies wird in der Konstruktion von vornherein berücksichtigt. Es ist äußerst interessant festzustellen, daB das Streben nach einem Rotationsmotor schon einige Jahrhunderte zurückreicht, womit auch die Erfindung des Motors mit hin und her gehender Bewegung sozusagen vordatiert wird. Der Hubkolbenmotor mit seinen Eigenheiten und Berechnungsmöglichkeiten lag den Zeitgenossen von James Watt eben weit näher als Drehkolbenpumpen oder -motoren. Nichtsdestoweniger wäre es falsch, anzunehmen, daß die Hubkolben- ' RK: Rotationskolben 16 idee mit Kolben, Kolbenstange (damals nocfi geführte Stange, Gelenk und Pleuel) und Kurbelwelle schlagartig Beifall gefunden hätte. Man glaubte zu dieser Zeit, daß ein erheblicher Teil der Motorleistung unrettbar verloren war, wenn die großen Massen, zu denen ja auch der damals moderne "Balancier" gehörte, immer wieder verzögert und beschleunigt werden mußten. Das "Gesetz von der Erhaltung der Energie" war noch nicht bekannt, noch wurde der Wert des Schwungrades richtig eingeschätzt; kurz, das Kolben-Pleuel-Kurbel-Prinzip setzte sich nicfrt über Nacht durch. lmmerhin wurden beträchtliche Anstrengungen gleichzeitig aufgewendet zur Entwicklung von direkt wirkenden Kreis- oder Drehkolbenmotoren, welche keinerlei Mittel brauchten, um die hin und her gehende in eine drehende Bewegung zu verwandeln. Sogar James Watt und sein Mitarbeiter Murdock suchten "Rotary"-Lösungen. Die alten Windmühlen und Wasserräder waren vermutlich die ersten direkt drehenden Motoren. Sie verwandelten die unbezweifelbar lineare Bewegung von Wind und Wasser in drehende Bewegung und natürlich in Kraft und Leistung. Eine venrirrende Vielfalt möglicher Konstruktionen wurde en,ogen, machte aber gleichzeitig auch ihre Erfinder unsicher, die nämlich glaubten, daß die Probleme und die Unzulänglidrkeiten, denen sie sich bei der Entwicklung ihrer Drehkolbenmaschinen gegenübersahen, von Fehlern ihrer Konzeption herrührten. So suchten sie völlig neue und abweichende Lösungen, anstatt die Schwierigkeiten, die sich gezeigt hatten, auszuräumen. Es scheint, als ob der schöpferische Geist damals das methodiscte Arbeiten, die »Disziplin«, geradezu ausgeschaltet hätte, von der man heute weiß, daB sie für eine erfolgreiche Entwicklungsarbeit unerläßlictr ist. Es gab noch nicht genug Wissen um die technischen Grundlagen, auch der Erfahrungsschatz war mit dem heutigen nicht vergleichbar, und so standen eben die Mittel, die wir heute einsetzen können, nicht zur Verfügung. Man hatte zwischen den grundsätzlichen Konstruktionsprinzipien von Drehkolbenmotoren keine Unterschiede gemacht - einschließlich der bemerkenswerten ldee von Prof. F. Reuleaux (1) (1876), die in seinem Buch enthalten ist. Es würde sicherlicfr den Rahmen dieser Einführung sprengen, wollte man das Feld der Drehkolbenmotoren in seiner ganzen Ausdehnung 17 zeigen, wenngleich nur auf diese Weise ein wirklich vollständiger Uberblick zu bekommen wäre. Wären die wahren Tatsachen schon zu einem früheren Zeitpunkt entsprechend gewürdigt worden, so hätte der Drehkolbenmotor vielleicht schon eher zum Erfolg kommen können. Das aber geschah erst, nachdem Felix Wankel die Geduld und die Energie aufbrachte, sich durch die riesige Anzahl von Konstruktionen und Erfindungen hindurchzuarbeiten, so daß eine klare und vernünftige Zusammenstellung zustande kam (2). Dadurch, daß er den einzelnen Möglichkeiten ihre charakteristischen Eigenschaften zuordnete, schuf Wanke! ein wirklich umfassendes Kompendium auf diesem so sciwierigen Gebiet, das in Iobenswerter Kürze einen Zugang zu den Problemen der Drehkolbenmaschinen bietet. Nach Barker (3) waren bis 1910 etwa 2000 Patente auf Drehkolbenmaschinen angemeldet. Die Einteilung nach Wankel umfaßt vier Gruppen: Sammelbegriff (Oberbegriff) : Rotationskolbenmaschinen 1. Drehkolbenmaschinen 2. Kreiskolbenmasch inen (RKM) (DKM) (KKM) 3. Drehkolbenartige Umlaufkolbenmaschinen (DU) 4. Kreiskolbenartige Umlaufkolbenmaschinen (KU) Wie in den vier Ubersichtskarten seines Buches gezeigt, unterscheidet Wankel zwischen der Anordnung der Acfisen und ihrem Verhalten zueinander, der Bewegung der einzelnen Teile (wodurch sich das Kammervolumen verändert) und der Art des "Eingriffs", durch welche das veränderliche Kammervolumen gebildet wird. Die Tafeln zeigen nicht weniger als 864 grundsätzlich verschiedene Kombinationen, jede einzelne davon als schematische Skizze in einem Rechteck dargestellt. Die weitere Untersuchung zeigt 278 Kombinationen als unausführbar oder unpraktisch. 149 sind schon völlig analysiert und klassifiziert, während 437 grundsätzliche Konstruktionsmöglictrkeiten neu erfunden oder ausgewertet werden. Weiterhin kann jede Grundmöglichkeit auf die verschiedenste Weise abgewandelt werden, so daß die Übersicfrtsblätter viele Einzeldarstellungen enthalten und somit ein wertvolles Nachschlagewerk sind. 18 Dlese Klassifizierung ähnelt dem periodischen System der chemischen Elemente und erleichtert gleich diesem die Vorherbestimmung charakteristischer Eigenschaften noch unbekannter Kombinationen bzw. Ele- mente. So ist Wankels "Einteilung der Rotationskolbenmaschinen" ein nützliches Werkzeug in der Hand des Motorenkonstrukteurs, das auch manciem Erfinder Geld und Mühe hätte sparen können. Die Einteilung macht allerdings keine qualitativen Unterschiede etwa in bezug auf die wünschenswerte gleichmäßige Winkelgeschwindigkeit aller drehenden Teile oder in bezug auf den thermischen Ablauf des Kreisprozesses. Sie befaßt sich mit Rotationskolbenmaschinen ganz allgemein, einschließlich Pumpen, Kompressoren und Motoren. Um die bloße ldee einer "Rotationskolbenmaschine" in einen Rotationskolbenmotor zu verwandeln, müssen folgende Erfordernisse untersucht werden: 1. Die Größe der Schlitze und alle Gesichtspunkte der Steuerzeiten müssen einen wirkungsvollen Ablauf des Arbeitszyklusses sicher- stellen. 2. Es muß möglich sein, ein wirksames Dichtsystem vorzusehen. 3. Eine zweckentsprechende Kühlung muß möglich sein. darf nicht größer, schwerer oder teurer sein als ein Hubkolbenmotor gleicher Leistung. 5. Leistung und Kraftstoffverbrauch sollten an die positiven Werte der besten Hubkolbenmotoren wenigstens heranreichen oder sie in einer der beiden Eigenschaften übertreffen. 4. Der Motor 19 2. Die Grundlagen des Kreiskolbenmotors Bevor auf die Eigenheiten des Drehkolbenmotors eingegangen wird, sei noch einmal an die Tatsache erinnert, daß jede Wärmekraftmaschine ein Mechanismus ist, der die im Kraftstoff enthaltene potentielle Wärmeenergie in meßbare meclranische Arbeit umwandelt. Weiterhin sei wiederholt, daß nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik Energie weder geschaffen noch vernichtet werden kann. lnfolgedessen ist nicht zu bezweifeln, daß die eingespeiste Energie - in Form von kcal/kp des Brennstoffes - genau dem entsprechen muß, was vom Motor verwandelt wird in 1. mechanische Arbeit, 2. Wärme, die mit den Auspuffgasen abgeführt wird, 3. Wärme, die an das Kühlwasser und an die Umgebung abgeführt wird. !m ldealfall müßte die gesamte zugeführte Wärmeenergie in mechanische Arbeit umgewandelt werden. Das ist aber allein schon deshalb unmöglich, weil auch Leistung zur Uberwindung derReibung gebraucht wird. Weiterhin wird Wärme verbraucfrt durch Strahlung und von den unentbehrlicfren Hilfsmaschinen, wie ölpumpe, Lichtmaschine, Kühlventilator, Wasserpumpe. Sie müssen angetrieben werden und verbrauchen daher Energie. lnfolgedessen muB man unterscfieiden zwischen dem "thermischen Wirkungsgrad" (dem Verhältnis der in Form von PS gelieferten Wärme zu der in Form von Brennstoff hineingesteckten Wärme) q_ Qr-Qz und dem Gesamtwirkungsgrad T s", 632' Ne B.FI BH: Brennst. kp/h u. Heizwert kcal/kp das ist das Verhältnis der stündlichen Arbeit zum stündlichen kcalVerbrauch in Form von Brennstoff. 20 MiBt man durch lndizieren, d. h. Messen des Gasdruckes im Zylinder, die an den Kolben abgegebene Leistung und setzt sie in Beziehung zut an der Welle gemessenen Leistung, so erhält man den mechanischen Wirkungsgrad, der bei Wankelmotoren wegen der relativ geringen Reibungsverluste im allgemeinen günstiger ist als bei HKM. (Bild 1 gibt einen Eindruck davon, daß wenig Flächen aufeinander gleiten.) Tmech : Ni-Nn N1 - indizierte Leistung Ns : Reibleistung N, Die normalerweise benutzten Werte sind: 1 PS 1 PSh : 75 mkp/s - 0,7355 kW : 632,88 kcal Während Verbrennungsturbinen ihre Kraft aus der kinetischen Energie der Gasmassen beziehen, die diese an die Turbinenschaufeln abgeben, kommt die Leistung der Maschinen mit veränderlichem Hubraum, also Hubkolben- und Rotationskolbenmotoren, durch die Wirkung des Gasdruckes zustande. Es versteht sich daher von selbst, daB gewisse Grundsatzformeln gleichermaßen für Hubkolbenmotoren wie für RKM gelten, sofern diese Motoren veränderliche Arbeitsräume haben, wie das ja für den thermodynamischen Kreisprozeß notwendig ist. Eine andere grundsätzliche Beziehung besteht (vergleiche Bild 68) zwischen dem thermischen Wirkungsgrad und dem Verdichtungsgrad bei Hubkolbenmotoren ebenso wie bei Drehkolbenmaschinen, und zwar gilt die Beziehung ttrhe,:, - (+)'-' (z : Beiwert für die Zustandsänderung von Gasen, liegt zwischen 1,2 und 1,4) Der Wirkungsgrad steigt in dem Maße, wie der Verdichtungsgrad wäctrst, wobei der Gewinn bei den niedrigen Verdichtungsverhältnis' sen bis ungefähr 10 :1 steigt, darüber hinaus wird die Kurve flacher. Das höchste praktisch anwendbare Kompressionsverhältnis hängt von der Oktanzahl des Kraftstoffes und der Temperatur ab, bei welcher Selbstzündung eintritt. Die NSU/Wankel-Drehkolbenmaschine hat hiet offenbar insofern einen Vorteil, als die Abwesenheit des AuslaBventils den "hot spot" vermeidet, welcher meist recht sciwierig zu be- herrschen ist. Außerdem bedeutet natürlicfr die Tatsacfie, daß es keine Ventile gibt, aucfi, daß Ventile und Kolben niemals miteinander in Be21 rührung kommen und sich gegenseitig zerstören können, falls der Motor einmal durchgeht. Wenn wir annehmen, daß konventionelle Baustoffe verwendet werden, also z. B. verschiedene Arten von Grauguß, Aluminiumlegierungen und Stahl, darf nicht vergessen werden, die verschiedenen Wärmeausdehnungszahlen gebührend in Rechnung zu setzen. Unterstellen wir, daß ein Graugußläufer von 75 mm axialer Länge in einem entsprechenden Aluminiumgehäuse Iaufen muß mit einem Laufspiel von 0,05 bis 0,07 mm, dann würde sich das tatsächliche Spiel bei einer Arbeitstemperatur von ca. 1800 auf ungefähr 0,08 bis 0,1 mm vergrößern. Bei luftgekühlten Motoren ist der Kolben im allgemeinen etwa 1000 C heißer als das Gehäuse, so daß praktisctr keine Vergrößerung des Spiels eintritt. Bei einer modernen Konstruktion bemüht man sich sicherzustellen, daß alle Teile die weitesten Toleranzen bekommen, die noch möglich sind, ohne weder an der Qualität noch an der Funktion des Ganzen irgend etwas zu opfern. Je enger die Toleranzen sind, desto höher werden die Herstellkosten und um so größer die Anzahl der Teile, welche als AusschuB ausgeschieden werden müssen. Es ist also kaum vernünftig, auf Toleranzen von + t0 p zu bestehen, wenn die Maße sich unter den Arbeitsbedingungen um 25 p ändern. Der NSU/Wankel-Kreiskolbenmotor hat einen sogenannten Mantet und zwei Seitenteile. Die zentrische Lage der Bohrungen und der Exzenterwelle wi rd also notwend igenreise innerhalb gewisser Werte schwanken. Setzt man das unvermeidliche Spiel zwischen der Welle und ihren Lagern in Rechnung, so wird es notwendig sein, die Abmessungen und die Toleranzen etwas reichlicher zu wählen. Es ist der Zweck eines Dichtsystems, jeden Gasverlust zu vermeiden trotz gewisser durch die Enrvärmung bedingter Maßänderungen, Wellendurchbiegungen und Fertigungstoleranzen. Besondere Vorsicfrt ist angezeigt, wenn unorthodoxe Baustoffe Verwendung finden sollen, wie gewisse Typen keramischer Materialien. Sollte es möglich sein, Kolben und Gehäuse aus einem Material zu produzieren, welches seine Maße innerhalb des unvermeidlichen Temperaturbereiches kaum ändert, mag es sogar zweckmäßig sein, zu untersuchen, ob ein Dichtsystem überhaupt noch erforderlich ist *. Es ist also festzustellen, daß das Erreichen eines günstigen Kompressionsverhältnisses und damit die Anpassung eines ' Der tlbersetzer bezweifelt diese Möglichkeit ebenso wie die Braucfrbarkeit nictrt- metal lischer Werkstoffe. 22 genügenden Dichtsystems wesentliche Erfordernisse bei der Konstruktion einer Kreiskolbenmaschine sind. Außerdem wurde angedeutet, daß gewisse Teile solcher Motoren auch aus nichtmetallischem Material gemacht werden könnten, z. B. aus keramischen Stoffen, welche es erlauben, die Spiele zu verkleinern oder Dichtungen ganz zu vermeiden, womit natürlic*r die Reibungsverluste des Motors beträchtlich verringert werden könnten. Zwar werden die Höchstdrehzahlen der Hubkolbenmotoren beständig gesteigert und es wird ihnen mehr und mehr Leistung abgeschmeichelt, aber es ist klar, daß diese Ergebnisse nur durch sehr umfangreiche und kostspielige Versuche erreicht werden können. Trotz der dadurch steigenden Kosten konnten die durch die hin und her gehenden Massen und die durch den Ventilmechanismus gezogenen Grenzen durch Wahl höheruertiger Werkstotfe gesprengt werden. Zum Beispiel schrieb M. R. McKellar von General Motors (Pontiac Motor Division) in seinem SAE-Paper Nr. 660126 vom Januar 1966: »Ein Vergleich der Ventilbetätigung mit obenliegender Nokkenwelle der Modelle 1965 (mit Stößelstangen) und 1966 ergibt beträchtliche Vorteile für den letzteren. Masse und Gewicht der bewegten, von der Nockenwelle betätigten Teile sind um 45 0Ä und die Massenträgheitsmomente um 27 0/oniedriger« (Bild 2). Diese Tatsachen werden durch die folgenden Zahlen, die sich auf diese zwei Motoren beziehen, unterstrichen Motor Standard 4fachVergaser : Jah r Verdicht.Verhältnis Hubraum I 1 965 1966 8,6:1 9,0:1 3,5 3,8 165-4700 1966 10,5 : 1 3,8 207-5200 31 ,7-3800 PS bei U/min 140-4200 Drehmoment kpm 29,8-2600 An dieser Stelle sei wiederum erwähnt, daß Kreiskolbenmaschinen nicht den Beschränkungen unterworfen sind, welche durch hin und her gehende Massen oder wechselnde Winkelgeschwindigkeit gegeben wären. Eine Betrachtung anderer mittelachsiger Maschinen (Tafel 9, Zeile lX, Spalte 17 bis 20 im vorgenannten Buch von Wankel), gemeinhin als "Katz-und-Maus-Motor" bezeichnet, zeigt die Kauertz- und MaierMotoren (siehe auch Bild 3 und Bild 4), welche besondere Mechanismen erfordern, um den Drehkolben jeweils veränderlictre Winkel23 c- Tellränltt A-B 24 Bird 1 Obgleich die Umkehr des Drehkolbenmotors in einen Kreiskolbenmotor eine beträchtliche Vereinfachung mit sictt brachte, sieht diese Zeichnung noch recht kompliziert aus im Vergleich zu den modernsten KKM (vgl. Bild 24 a u. 24 b). 25 Bild 2 Obenliegende Nockenwelle und Ventil-Antrieb des 1966 PontiacTempest-Sechszylindermotors. Die Nockenwelle wird von einem Zahnriemen angetrieben, der aus Neoprene mit eingebetteten Glasfasern besteht, welche die Zugspannung aufnehmen sollen. Bild 3 Der "Katz-und-Maus«-Motor von Kauertz. Der Raum zwischen den Rotoren wird durclr ein Getriebe verändert, das aus zwei Zahnrädern und einem Hebelwerk besteht. 26 Bild 4 Der Maier-Motor. Die gewicfrtigen Rotorteile werden mit veränderlicher Winkelgesdrwindigkeit von einem komplizierten Getriebe angetrieben, damit das Volumen der Kammern verändert wird. geschwindigkeiten zu geben, die der drehenden Kolbenbewegung aufgezwungen werden müssen. Es ist klar, daß die variablen Winkelgeschwindigkeiten und die damit verbundenen Massenträgheitskräfte außerordentliche Anforderungen an die Zahnräder, Kurbelwellen und Gleitflächen stellen. Deshalb sind hohe Drehzahlen von vornherein unmöglich. Ventile und Ventilbetätigungen normaler Hubkolbenmotoren sind demgegenüber ein weit kleineres Ubel. Aus diesen Gründen sind solcfre Motoren vorzuziehen, bei welchen die veränderlichen Hubräume ohne Zuflucht zu so komplizierten Mechanismen erzeugt werden. Wenn Massenkräfte, wie sie bei ungleichförmiger Bewegung eben entstehen, vermieden werden, treten auch hohe Beanspruchungen nicht auf, welche die Lebensdauer sonst erheblich herabsetzen würden. ln der Tat beweisen die Konstruktionen von Renault, von American Motors, der japanischen Firma lsuzu und der NSU/Wankel GmbH, daß 27 das Nichtvorhandensein von sicü ungleichförmig bewegenden Teilen zu praktischen und wünschenswerten Konstruktionen führt. Die höheren Drehzahlen und die höheren Leistungen von Kreiskolbenmaschinen können nur erreicht werden, wenn alle drehenden Teile gleictrförmige Winkelgeschwindigkeiten haben. Es ist bekannt, daß die Ansaug- und Auspuffsysteme großen EinfluB auf die Leistung eines Motors ausüben. Obwohl diese Einflüsse sehr komplex sind und sich manchmal auch zuwiderlaufen, müssen sie doch beachtet und in Rechnung gestelltwerden. Die Motorleistung hängt ab von der ununterbrochenen Lieferung von gut zerstäubtem und vergastem Kraftstoff und der richtig dosierten Luftmenge. Die theoretisch korrekte Mischung (das sogenannte "stöchiometrische« Verhältnis), wie sie für eine vollständige Verbrennung erforderlich ist, kann nicht immer sichergestellt werden und ist auch nicht unter allen vorkommenden Bedingungen wünschenswert. Es ist Sache des Vergasers und der Drosselklappe, die richtige Brennstoffmenge beizubringen und zu vergasen und außerdem noch die richtige Luftmenge abzu messen. D ie Zü ndwi ! g keit des Kraftstoff-Luft-Gem isches wi rd ve rbessert, wen n Wärme zugeführt und dadurch für eine gute Vergasung gesorgt wird. Dies ist Sache des Ansaugsystems oder des Verbrennungsraumes oder von beiden. Bei luftgekühlten KKM wird der Kolben durch das Ii I Hödrstgesüwlnd I g 0,328 mm pro Grad Bitd 5 Man sieht, daß der Ventilantrieb mit obenliegender Nocken- welle weniger Teile enthält und bedeutend weniger hin und her gehende Massen hat. 28 kelt: einströmende Frischgas gekühlt, wobei sich das Gas stark aufheizt (vgl. Kapitel "Kühlung"). Der dadurch bedingten Verschlechterung des Füllungsgrades steht also hier die besonders gute Vergasung gegenüber. ,i E § § w2s I 0,40 § § € u 0,Us 0010 0,005 § § 0 § -w5 -0,010 -t@8C44-n0n$ffi90 Gmd Nd<enwel len-winlal 1N Bild 6 Vergleidt der Ventilbeschleunigung bei obenliegender Nockenwelle im Vergleicfr zu Stößelstangen-Antrieb. Für eine angemessene Luftvorwärmung muß bei KKM wie bei HKM gesorgt werden, schon um die Vergaservereisung zu vermeiden. ln mancher Hinsicht bestehen wesentliche Unterschiede zwischen dem Hubkolbenmotor und dem Kreiskolbenmotor. Während bei KKM der Ansaugschlitz praktisch dauernd geöffnet ist, denn die schmale Kolbenspitze unterbricht den Gasfluß kaum, erfordert die Auslegung des Ventilsystems beim HKM ganz besondere Aufmerksamkeit. Bild 5 zeigt zwei Betätigungssysteme, von denen das im Bild rechts dargestellte höhere Drehzahlen zuläßt. Entsprecfiend den höheren Ventilbescfrleunigungen (Bi ld 6) ergeben sich größere öff nun gsquerschnitte und damit mehr Leistung. In diesem Zusammenhang ist es interessant, die nachfolgende Tabelle anzusehen, in welcher die Daten zweier Pontiac-Motoren zusammengestellt sind: 29 VierfachVergaser Einfach-Vergaser oHV Totaler Offnungswinkel (o Kurbelwinkel) Höchste Venti l-Erhebu ng (Einlaß und Auslaß) Sch eite geschwi nd i g keit I Ventilbeschleunigung Ventilüberlappung (Kurbelwinkel) Einlaßöffnung (vor o. T.) Einlaßende (nach o.T.) Auslaßöffnung (vor o. T.) Auslaßende (nach o.T.) 1965 2520 8,46 mm 0,239 mm/o 0,01 4 mmlo2 oHC 1966 oHC 1966 22go 10,16 mm 0,327 mm/o 0,0297 mm/o2 2240 11 ,125 mm 7 mm/o 0,0236 mmlo2 0,31 380 14"^ 260 1go 7o 150 54"^ 41"^ 500 520 41". 52"- 200 70 110 Da die Leistung des Kreiskolbenmotors ebenfalls vom Ansaugen einer genügenden Gasmenge und von deren Qualität abhängt, ist es klar, daß auch hier Wert auf die Aufbereitung und die Zuführung dieses Gemisches gelegt werden muß. Die Schlitzöffnungskurven sind anders als die Ventilerhebungskurven und die sich daraus ergebenden Querschnitte (Bild 7 a bis e). Es können sogar viel schnellere Offn ungs- und Sch I ießu ngszeiten erreicht werden du rch entsprechende Ausbildung der Schlitze (Bild 7). Sind keine Ventile und keine Ventilbetätigung vorhanden, so braucht auclr kein Augenmerk auf die Vermeidung unerwünscht hoher Drehzahlen gelegt zu werden. Sorgfalt verdient die Verwirbelung des Gasgemisches, die beim Hubkolbenmotor durch die Ventile sozusagen automatisch zustande kommt. Bild 7 b zeigt das Offnungs- und Schließungsdiagramm des NSUSpider-Motors. Man sieht auch die steilen öffnungs- und Schließungskurven, die theoretiscfi erreicfrbar sind, wenn der Schlitz eine genau rechtwinklige Form hat in genau axialer Richtung des Mantels. Der Vergleich geht von der Annahme aus, daß Gasgeschwindigkeit und Motordrehzahl denselben Schlitzquerschnitt verlangen wie beim Motor KK 502. Die meisten sich ergebenden Schlitz-Offnungs- und -Schließungskurven sind akzeptabel, wenn der Schlitz ein langes, schmales Rechteck ist, bei dem Offnung und Schließung zur rechten Zeit erfolgen. Jede Menge Variationen zwischen den beiden Extremen sind möglich, also z. B. plötzliches Öffnen und allmähliches Schließen, wie es eben die Leistung der Maschine erfordern mag. Es hat sich durch die Erfahrung ergeben, daß sich eine angemessene Leistung mit runden oder leicht ovalen Konturen einstellt. 30 Die ganz steilen öffnungs- und Schließungskurven sind von rein akademischer Bedeutung, und zwar so lange, wie Scheiteldichtungsleisten erforderlictr sind. Überdies mögen diese Kurven auch noch davon beeinflußt werden, wie sie sich mit der Oberfläche der Troc*toide schneiden. Es wird nötig sein, auf diesen Punkt in dem entsprecfienden Kapitel dieses Buches näher einzugehen. Es ist klar, daß auch beim Wankel-KKM die Konturen der Schlitze und ihre Lage die Leistungscharakteristik der Maschine beeinflussen. Die Ventilzeiten konventioneller Motoren werden im Verhältnls zur Kurbelwellenstellung angegeben, d.h. in Grad Kurbelwinkel vor oder nach dem oberen bzw. unteren Totpunkt, also in Abhängigkeit vom jeweiligen Hubraum. Ein direkter Vergleich der Ventilzeiten des Hubkolbenmotors mit den Schlitzzeiten des Wankelmotors ist dadurch erschwert, daß sich dessen Expansionsphase über 27Oo Kurbelweg erstreckt, während der Expansionshub des Hubkolbenmotors nach 180o abgewickelt ist, von den überlappten Steuezeiten einmal abgesehen. Daher entsprechen 30o Überlappung beim Wankelmotor 20o Überlappung beim Viertakt-H ubkolben motor mit Tel lerventi len. Die weitere Betrachtung führt nun zu dem Studium der Schlitzeröffnung im Verhältnis zum jeweils gegebenen Volumenanteil einerseits und der Ventileröffnung zum verbleibenden Volumen andrerseits und zu der klaren Erkenntnis, daB die Gasgeschwindigkeiten bei Auspuff und Einlaß sich stark unterscheiden wegen der Unterschiede im Einfluß der Schlitze bzw. der Ventile. Die Bilder 7 c und d zeigen, daß die Steuerzeiten des Toyo KogyoZweifachmotors (Volumen einer Kammer 492 ccm) die gleichen sind wie beim KKM 502 von NSU. Diese Maschine war in verschiedenen Ausfüh rungen entworfen worden : 1. Mit einem Dreifachvergaser und kombiniertem Seiten- und Um- fangseinlaß, definiert als Primär- und Sekundärschlitze, die relativ zueinander mit üblichen Drosselklappen gesteuert wurden. 2. Mit einem Dreifachvergaser mit Primär- und Sekundäreinlaßschlitzen, alle in der Seitenwand sitzend und ohne zusätzliche Klappensteuerung. 3. Dasselbe wie 2., aber mit einem Zweitachvergaser. 4. Die neueste Ausführung dieser Maschine hat einen speziell entwi cke lten Vie rfachvergase r. 31 unterer Totpunkt AusPuff.n oberer TotPunkt KompressloR Mit freundlicher l.S Genehmigung von Goventry Climax 1,5 l, V8, 4 Ventile/Cyl @cn 65 §E U'= E§ 7o .625crf ,Ventile von Motoren ötfnen innerhalb o7of dieser Grenzen Einlaßventile von 20 Motoren schließen innerhalb dieser Grenzen Uberlappung von 20 Motoren innerhalb dieser Grenzen 7b ilsu rrM 50e - 497cml Zellablauf und Offnung des hypothetischen t Sctr I ltzes I I Wellenumdrehung 7e CURTISS.WRIGHT RC2-60-US 2 x 996 cms Bitd 32 7 . jgs.tt.III:I von Finlaßstrlltz.en (S : Seitenelnlaß, P : UmfangseinlaB) Bild 7 a Vergleidr der Ventilzeiten und -eröff- Bild 7 b nungen zwischen dem Pontiac-TempestMotor mit obenliegender Nockenwelle (626 cms pro Zylindefl und mit dem Coventry-Climax-Rennmotor 1,5 l, V 8, (187 cm3 pro Zylinder). (Mit freundlicher Genehmigung von Coventry Glimax und Pontiac Motor Division). Das Bild zeigt, welche Anstreng ungen unternommen werden, uffi die Gasströmung zu und aus dem Zylinder zu verbessern, mit dem Ztel, möglichst viel Leistung zu erhalten. Das Zweifach-Ansaugsystem des NSU KKM 502. Das Primärsaugrohr ist im Leerlauf und bei niedriger Last allein in Aktion, dann schaltet sich durch Offnung einer besonderen Drosselklappe das viel größere Sekundärsaugrohr zu. Das Diagramm zeigt die Lage der Einlaßschlitze und die Überlappung bei d ieser H och leistu n gsmasch ine. Bild 7 c Toyo Kogyo kombinierte Seiten- und Umfangseinlaß, uffi so bei Teillast und bei Vollast eine optimale Leistung bei günstigem Verbraucft zu bekommen. Bild 7 d Dieselben Ziele verfolgt dieses Konzept, wobei Primär- und SekundäreintaBschlitze in der Seitenscheibe liegen. Diese Lösung scheint für normale Personenwagen besser als für Sportwagen geeignet zu sein. Bild 7 e Curtiss Wright hat ebenfalls Umfangs- und Seiteneinlaß untersucht. Es scheint, daß zur Zeit Seiteneinlaß vorgezogen wird für Motoren, die für einen großen Leistungs- und Drehzahlbereich bestimmt sind, während reiner Umfangseinlaß mehr fÜr Flugzeugmotoren und ähnlich e Zwecke in Frage kommt. Die Entwicklung von Systemen mit Direkt-Einspritzung könnte die Lage zugunsten des Umfangseinlasses ändern. 33 Der Unterschied zwischen nomineller und tatsäcfrlictrer Schlitzöffnungsüberlappung ist in Kapitel 8 näher behandelt. Natürlich sollten Kreiskolbenmotoren nicht komplizierter und auch nicht teurer herzustellen sein als Hubkolbenmotoren gleicher Leistung und für gleiche Anwendungsgebiete. Die einzige Abweichung von diesem Grundsatz wäre nur vertretbar, wenn der Wirkungsgrad ganz beträchtlich besser, oder Leistung und Lebensdauer so wären, daß höhere Kosten gerechtfertigt erscheinen. Zusammengefaßt: es sei wiederholt, daß die wesentlicfien Eigenschaften eines erfol g reichen Kreiskolben motors fol gende sind : 1. Ein vernünftiger thermodynamischer Kreisp rozef), welcher die Erreichung des höchstmöglichen thermischen Wirkungsgrades erleichte rt. 2. 3. 4. 5. 6. Die Konstruktion muß die Anpassung eines wirkungsvollen Dichtsystems erlauben, welches jede Undichtigkeit zwischen den Arbeitskammern selbst, aber auch zwischen den Kammern und der Umgebung unmöglich macht. Alle drehenden Teile sollen sich mit gleichförmiger Winkelgeschwindigkeit bewegen und alle hin und her gehenden Massen sollen vermieden werden. Die Schlitzquerschnitte und die Steuerwinkel müssen der Erzielung des erwarteten Leistungsbereichs entsprechen. Einfachheit und Herstellkosten müssen bei einem Vergleich mit konventionellen Motoren zugunsten der Kreiskolbenmaschine abschneiden, gleiche Anwendungsgebiete und gleiche Produktionszahlen vorausgesetzt. Die selbstverständliche Forderung dabei ist, daß die Größe des Motors und das Gewicht des benötigten Materials so sind, daß ihre Kosten zusammen mit den unentbehrlichen Produktionsvoraussetzungen den Kreiskolbenmotor nicht teurer machen, besonders bei Automobilmotoren. Für eine gegebene Größe und ein gegebenes Gewicht des Motors sollte die Leistungsausbeute wenigstens die gleiche sein wie für einen entsprechenden Hubkolbenmotor. Welchen Weg man auch geht, es ist kein Zweifel, daß jeweils ein Uberfluß an Möglichkeiten in Betracht gezogen werden muß, wenn man einen Kreiskolbenmotor konstruieren will. Manche dieser Punkte sind die gleichen, die auch bei Hubkolbenmotoren eine Rolle spielen, 34 andere sind nur der einen oder der anderen Maschinenart eigentümlich. Das NSUAA/ankel-Konzept (KKM) hat den Vorzug, der erste Kreiskolbenmotor zu sein, der alle genannten Forderungen erfüllt und dabei nicht nur jeden Vergleich mit einem konventionellen Motor aushält, sondern diesen in bezug auf Leistung pro Gewichtseinheit und Lebensdauer noch übertrifft. 35 3. Die Gestaltung der Epitrochoide Felix Wankel war sich schon lange über die Eigenschaften im klaren, die ein Kreiskolbenmotor haben muß, als er 1954 fand, daß ein gleichseitiges Dreieck, in bestimmter Weise in einem entsprechenden Gehäuse gedreht, drei Kammern mit veränderlichem Volumen erzeugt. Diese Art der Volumenveränderung genügte den Erfordernissen eines Viertakt-Otto-Motors und die Abdichtung konnte durch das heute allgemein bekannte Wankelsche Dichtungssystem bewerkstelligt werden. Der geometrische Ort der Scüeiteldichtleisten in den Spitzen dieses gleicfiseitigen Dreiecks ist ein Oval mit einer leichten Einschnürung an der kurzen Achse und wird in der Folge »Epitrochoide« genannt. Es ist ohne weiteres möglich, Epitrochoiden oder Hypotrochoiden zu konstruieren und heaustellen, die iede gewünschte Anzahl von Bögen haben und jeweils den ihnen eigentümlichen Rotor erfordern, wie in Bild 8 und in noch größerer Zahl in Wankels Buch »Einteilung der Rotationskolbenmaschinen" dargestellt (2). Die Bezeichnung des NSUAAlankelmotors ist entsprechend dieser Klassifikation KKM Si2 :3 entsprechend "Kreiskolbenmotor mit innerem Schlupfeingriff, mit zweibogiger Trochoide und dreibogigem Läufer und mit Dichtteilen bzw. die Trochoide erzeugenden Punkten am inneren Glied". Bild 7 läßt klar erkennen, daß ausreichende Scfrlitzquerschnitte und öffnungszeiten angeordnet werden können, womit die Voraussetzungen für eine arbeitsfähige Kreiskolbenmasctine erfüllbar sind. 3.1 Ableltung der Trodplden Der Definition nach ist eineTrochoide oderRadkurve der geometrische Ort eines Punktes, der auf dem Radius eines Kreises sitzt, welcher schlupffrei auf der Außenbahn eines Grundkreises abrollt. Um die bekannte zweibogige Trochoide des Wankel-Kreiskolbenmotors zu eF halten, muß der Radius des Grundkreises zweimal so groß sein wie 36 Der innere Rotor ist eine Hypotrochoide. Dicfrtetemente im äußeren Teil AuBerer Teil: Hypotrochoide. Dicfrtelemente im inneren Telt lnnerer Rotor: Epitrociroide. Dictrtelemente im äuBeren Teil Außerer Teil: Epitrochoide. Dichtelemente im inneren Teil Bild I Die Vielfalt der möglichen Ausführungen ist mit diesen sechzehn Skizzen, bei denen teils Hypotrochoiden, teils Epitrochoiden ven\rendet werden, keinesfalls erschöpft. Die ganz oben stehendenZahlenverhältnisse geben die Relativdrehzahlen der äußeren und inneren Rotoren an, auch wenn ein Teil feststeht und seine Drehzahl auf die Welle übertragen wird. 37 der Radius des abrollenden Kreises, so daß der abrollende Kreis zwei Umläufe macht, wenn er den Grundkreis einmal umrundet, wie in Bild g. Bild 9 Ezeugung einer Epitrochoide durch Abrollen eines Kreises auf dem Grundkreis. Die Epitrochoide ist der geometrische Ort des Punktes P auf dem Radius des abrollenden Kreises. ln der Grundformel der Trochoide ist der Grundkreisradius to:2r (r : Radius des abrollenden Kreises und e : Abstand des die Trochoide erzeugenden Punktes vom Mittelpunkt des abrollenden Kreises). Es ist am einfachsten zu schreiben ro * r : 3 r : R. Daraus folgt, daß die lange Achse der Trochoide 2 (R * e) und die kurze Achse 2 (R - e) ist. Bevor wir weitergehen, sei der sogenannte K-Faktor erwähnt: K : R/e. Dieser K-Faktor kann allerdings leicht mißverstanden werden, weil es in den lngenieurwissenschaften mehrere K-Faktoren gibt. Eine Trochoide, wie sie in Bild I dargestellt ist, zu zeichnen, ist nicht einfach. Mechanische Hilfsmittelwären wünschenswert. Es kommt hinzu,daß eine Verwandtschaftzwischen diesen Kreisen und dem Wankelmotor für den Uneingeweihten nicht ohne weiteres zu erkennen ist; ein Nachteil, der schnell durch die folgende Konstruktionsmethode zu beheben ist (vgl. Bild 10): 38 --e-----r\r ?5 I I I / / 0 I I Ar+x I /,-/i I I t I \ \ \ \ / / / I I __,_ cl Bild 10 Eine Epitrochoide kann auch dargestetlt werden als der geometrisctre Ort der Spitzen eines gleichseitigen Dreiecks, das (für "den« Wankelmotor) mit einem Drittel der Exzenterwellendrehzahl rotiert, d. h. bei 15o Wellendrehung bewegt sich das Dreieck um 50. l. Man zeichne einen Kreis mit dem Radius e. Il. Man teile diesen Kreis in gleiche Teile (2. B. 24, wie gezeichnet, Teilung 15o) und numeriere die 2 mal 12 Punkte zu beiden Seiten der y-Achse. Itl. Man ziehe von jedem der zweimal 12 Punkte aus eine genügend lange Linie jeweils im Winkel von 50 zur benachbarten, beginnend mit den Punkten 1 und 1 und im Winkel von 50 zur y-Achse. lV. Man zeichne, am besten auf Pauspapier, ein gleichseitiges Dreieck mit einer Seitenlänge von 2 R sin 600 (:1,7321 R). Die Winkelhalbierenden des Dreiecks, die Strecken O'A, O' B und O' C entsprechen dem Radius R. 39 V. Man bringe nun diese Skizze zur Deckung mit der Zeichnung nach I bis !ll, wie in Bild 10 gezeigt, d. h. so, daB O'C mit der nach lll gezeichneten von Punkt 1 ausgehenden Linie - zur Dekkung kommt. Wenn das Dreieck so herumbewegt wird, daß die Linie O' C nacheinander über die von den numerierten Punkten ausgehenden Linien zu liegen kommt, beschreiben die Spitzen A, B und C ihren geometrischen Ort in Form einer Trochoide, der gleichen Kurve, die aucfr nach der ersten Methode erhalten wurde. Es ist festzustellen, daB die erzeugte Kurve eine Trochoide ist. »e« be- zeichnet deutlich sichtbar die Außermittigkeit des Exzenters auf der Welle des NSUÄAlankelmotors, welche mit der dreifachen Geschwindigkeit des Kolbens rotiert. Der Kolben, genauer gesagt seine Spitzen, sind - natürlicfr - immer in Berührung mit der Trochoidenlaufbahn. Die vertikalen und die horizontalen Ordinaten für jeden Punkt der Epitrochoide sind: Zahn räder fü r Sctrlupfeingritf auf dieser Seite Bild 40 11 Zahnräder fär Kämmeingriff auf dieser Seite Dieser relativ einfache Mec{'ranismus (hergestellt bei der Technischen Entwicklungsstelle Lindau) erlaubt, Epitrocftoiden verschiedener Abmessungen herzustellen und zu untersuchen, wo die Schlitze am besten liegen sollen. Y.-Rsino Ye-Rsina-ecoso (3.3) Dabei ist o der Winkel zwischen der x-Achse und R; somit ist X, Xp - Rcoso Rcosa + esino (3.4) wobei X die horizontale und Y die vertikale Ordinate ist und Y, und Ye die entspreehenden Ordinaten der Punkte c und p (p auf der Trochoide) sind. Ferner isttr: o)r.t (3.5) Natürlictr sind all diese Methoden, eine Trochoide zu zeichnen, viel zu aufwendig für ein Konstruktionsbüro, das sich mit dem Entwurf eines Wankelmotors befassen will. Da enlreist sich als wertvolles Hilfsmittel ein mechanisches Gerät (Bild 11), das nic*rt nur den Zeichen- prozeB erheblich beschleunigt, sondern aucfi die Findung der günstigsten Lage von Ein- und Auslaßöffnungen sehr erleichtert. Es ist besonders nützlich, wenn es so konstruiert ist, daR man »e« entweder verändern oder auch auf einen festen Wert einstellen kann, um die zweckmäßigste Größe für "R" zu finden. ln diesem Fall erhält man sogar das Größenverhältnis (ele,l2, wobei e der gesuchte Wert und €o : 10 mm ist. Die Dichtleisten (die Dichtungen in den Spitzen des Kolbens) vollführen eine ganz kleine radiale Bewegung in ihren Nuten, wenn man eine exakte Epitrochoide hat, weil deren innere Fläche um die Kuppen der Dichtleisten sozusagen herumläuft. Wenn man einmal eine genaue Trocttoide hat, ist es keine Schwierigkeit mehr, eine Aquidistante zu bekommen, indem man viele kurze Kreisbogen mit dem Radius a sctrlägt. Die Tangente an all diese Bögen ist dann die gesuchte Aquidistante, die man für die vorliegende Konstruktion braucfrt. Wenn mehr als nur eine genaue Zeichnung verlangt wird und eine Zeichenvorrichtung (Bild 11) vorhanden ist, ist es einfacher, die Länge des erzeugenden Radius R1 uln den Wert »a« zu verlängern (wie in Bild 12). Die erhaltene Genauigkeit genügt vollständig für die notwendigen zeichnerischen Ermittlungen und Berech' nungen. Wenn die Trochoide (oder genauer: Epitrocftoide) innerhalb enger Toleranzen hergestellt werden soll, müssen die Ordina41 Wrkllc*re Trodoide (Aqu i d istante) gerechnete Bild 12 Die rec-htwinkligen Koordinaten eines Punktes P auf der wirklichen Epitrodloide, die eine Parallele zur errechneten Epitrochoide ist, sind x - ecos Za * Rcosa * acos (a * p) y - e sin Zu * R sin a * a sin (c * 9) cosgZ : l(ze)'+ R+Zecos(Z-1la R2 + 2zeRcos (z-1) alllz Anzahl der Läuferecken bzw. Dichtteile oder Kammern Für "den« Wankelmotor ist Z - 3 und g ist der tatsächliche Schwenkwinkel für jede Stellung des Punktes P auf der Trochoide. Also ist x - ecosSa * Rcosa * acos (u * p) y - esin 3a * Rsin a * asin (a * s) cos I g ist ein R+3ecos2a [9e'+R2+6eRcosZull/z Maximum, wenn cos 2 a : -3 (3.3 a) (3.4 a) . e R I: der effektive Schwenkwinkel an jedem Punkt P 'vgl. Gleiciungen 3.3 und 3.4 ten genau errechnet werden. Auf die vereinfachte Zeichenmethode kann man sich dann nicht mehr verlassen. 42 v-g RC2-60-U5 Bild 13 Vergleich der Raumansprüche einer Wankelmaschine RC 2-60-U 5 und eines gleichstarken üblichen amerikanischen Achtzylindermotors (zuerst veröffentlicht von Curtiss-Wright in SAE-Paper 650 723). 5.2 Wle man dle Kontur des läulers erhält Entsprectend dem Vorangegangenen können wir jetzt die Trochoiden"bohrung«, wie sie für den Wankelmotor erforderlich ist, zeichnen und herstellen. Bild 19 läßt erkennen, daß die Seiten des gleichseitigen Dreiecks (des "Kolbens") konvex sein sollten, ohne daß sie aber die Trochoidenoberfläche an irgendeinem Punkt, in welcher Stellung auch immer, tatsäcfrlicfr berühren. Diese Forderung beruht auf zwei bedeutsamen Betrachtungen, die wichtig sind für Kompressoren und für Verbrennungsmotoren, nämlicfr: 1. Das kleinste Volumen zwischen Troctroide und Kolbenboden sollte 2. so klein wie möglich sein. Dieses Minimalvolumen muß die Erreicfrung des gewünschten Verdichtungsgrades erlauben, weil dieser einen entscheidenden Einfluß auf den thermischen Wirkungsgrad hat. (Thermischer Wirkungsgrad grad) : 1 , wobei I_ Verdichtungs- Das höchste theoretisch mögliche Verdichtungsverhältnis ist zu bekommen, wenn die Kolbenkontur ähnlich wie die Trochoide erzeugt wird, mit der Einschränkung, daB an die Stelle der Markierung ieder Kolbenspitze in den aufeinanderfolgenden Positionen jetzt die Trochoidenkontur zu treten hat, und zwar aut jeder Seite der kurzen Achse. Die gemeinsame Tangente an all diese Kurven ist dann die Kolbenkontur. Sich unter dem Temperatureinfluß ändernde Toleranzen, Ausdehnung bei Erwärmung und Fertigungsungenauigkeiten, erfordern, daß die tatsächlichen Umrisse etwas kleiner gewählt werden, wobei auch an die Art des Materials für Kolben und Mantelzu denken ist. Man fand es zweckmäßig, in jedem Kolbenboden eine kleine Vertiefung anzubringen, so daß sich ein kompakter Verbrennungsraum ergibt mit fühlbar geringerer Kompression, denn das höchste erreichbare Kompressionsverhältn is -":vr"-*vrio V.io wird dabeiverringert. Unter diesen Umständen erscheint es zweifelhaft, ob die zur Berecfi- M qt @: tllliilH rffffiffi '$§ä rcrn , -J&d hd $r llliir wtd tüWg l: ffi= eay9 o t r,\ H r$ -,",. eytl I t to 3t +c 8 : :; O i;;:l O O a O O OO Ii ß ä B E ts BB Bilder 14 und 15: Vergleich aller Motorteile: V 8 HKM A Zweischeiben-KKM V iä§ nFFq. ü # üi o € ff''# Jl :. ru ,% ''"''j"'iiÄ keiakolfunmadw 250 un, Bild 16: Bauteile zu einem Einscheibenversuchsmotor (DKM), 250 ccm, 36 PS bei 6000 U/min. ,t Bild 17: Der ursprüngliche Nsu-Drehkolbenmotor, Kammervolumen 125 ccm, Bild 18: Mantel und Kolben eines luftgekühlten Wankelmotors (F & S). 29,5 PS. Bild 66: Olzumeßpumpe an einem KKM für stationäre Zwecke (F & S). Bild 79: Abgas-Reaktor zum Ro 80. / / / Darstellung der vergröBerten Kol bensp itze, die die Maßverhältnisse zeigt zwischen Radius a, Winket g und Kglbenkontur Teil der Trochoide (notwendig, um die Flanke des Kolbens zu entwerfen) qg'= Bild 19 Die Konturen der Kolbenflanke c.[2. a.ff= lsf werden wie folgt konstruiert: 1. Zeidlne einen Kreis mit dem Radius e und teile ihn in zwei gleiche Hälften (siehe Bild). 2. Zeichne Strahlen im Abstand von 50 auf jeder Hälfte links und rechts der Linie o-n. 3. Zeichne einen Teil der Epitroctroide zu beiden Seiten der kurzen Achse, wie dargestellt. 4. Lege eine Zeichnung des gleichseitigen Grund-Dreiecks des Kolbens so an die Linien x, bis xr, daß der Mittelpunkt des Dreiecks immer auf dem Kreis mit dem Radius e liegt und seine Spitze der Trochoide folgt. Die Kolbenkontur (d. h. die Kontur der halben Flanke) ist die gemeinsame Tangente an alle gezeic{rneten Positionen. 5. Beim höcfisten Verdichtungsverhältnis berühren die Konturen des Kolbens fast die Oberfläche der Trocfroide, wie in der oberen Skizze rechts angedeutet. 49 nung der Ordinaten und des Raumes zwischen den Kolbenböden und dem Trochoidenprofil erforderliche Mühe zu Recht aufgewendel wurde, vor allem, nachdem es völlig genügt, sich auf die Genauigkeit der Kopierschleifmascfrine, welche die Trochoide schleift, zu verlassen, während die Kammervolumina leicht durch Planimetrieren ermittelt werden können. Dennoch sollte man bei der Berechnung so exakt wie möglich vorgehen, weil später noch genug Abweichungen vom Sollwert auftreten können. Wenn eine maßstabgerechte Zeichnung zur Verfügung steht, ergeben die Planimeterablesungen direkt genaue Werte, nur wenn die normale Exzentrizität von 10 mm benutzt wird, müssen die Ablesungen mit dem Faktor (ele,)2 multipliziert werden. Um das tatsächliche Volumen zu erhalten ist es nötig, die Kante, die in Drehrichtung zeigt, mit der Kolbenbreite zu multiplizieren und das Volumen der Mulde im Kolben abzuziehen. Dieser Punkt wird in größerer Ausführlichkeit im Kapitel 7 erläutert, wo das Verdichtungsverhältnis und das Hubraumverhalten des Wankel-Kreiskolbenmotors behandelt werden. Genau genommen ist das Kolbenprofil eine Linie parallel zur inneren Haut der Trochoide. Der Abstand der beiden Kurven ist in der Tat das MaB abzüglich des erforderlichen Laufspiels. Ein theoretischer Zugang zu diesem Komplex ist in der mathematischen Analyse ab Seite 176 dieses Buches enthalten. Weitere lnformationen finden Sie im VDIBericht Nr.54 (1960) von Prof. Othmar Baier (4). 3.3 Andere Konstruktlonen,lhre Vortelle und lhre Grenzen Wenn es aucfr angemessen wäre, die guten und weniger guten Seiten der zahlreichen möglichen Drehkolben- oder Kreiskolbenmaschinen zu erläutern, so würden doch die zum Ausdruck gebrachten Meinungen und Folgerungen nur von hypothetischem Wert sein, weil bislang für andere Lösungen als den NSU/Wankelmotor nur relativ wenig Entwicklungs- und Forschungsaufwand getrieben worden ist. Man muß nur wissen, daß bei allen solchen Entwicklungen, die oft nur mit halbem Herzen erfolgen, von der Relativbewegung zwischen Kolben und Gehäuse Gebrauch gemacht wird, um die unentbehrliche Volumensänderung zu erzeugen. Beispiele sind der "Drehkolbenmotor" von NSU/Wankel (der gegenwärtige "Wankelmotor" Si2 :3) und die ldeen von Renault in Frankreich und bei American Motors Corp. in 50 t9 s/olol^l upctroruv/llneuaH uo^ iln/uuu3 0z pllE Detroit. Außerdem werden verschiedene Konstruktionen untersucfrt, welche die Probleme lösen sollen, die sich im Vielstoff- und Dieselbetrieb beim Kreiskolbenmotor ergeben. Einige dieser Konstruktionen wurden tatsächlich schon vorausgesagt, zu einer Zeit, als die ersten Nachrichten über die NSUAAIankel-PIäne erschienen (Bild 8). Die ldee von RenaulVAmerican Motors, Bild 20, beruht auf der American Cooley-Dampfmaschine von 1903 oder vielleicht auch auf der daraus abgeleiteten Drehkolbenmaschine, der Konstruktion von Umpleby von 1909, die jetzt im Museum zu Keighley, Yorkshire, ruht. lm Gegensalz zum Wankelschen Konzept, bei welchem die Gassteuerung durch die Bewegung des Kolbens geschieht, macht der Entwurf von Renault und American Motors Gebraudr von Drehschiebern bzw. Tellerventilen zum Einlaß des Frischgases und zum Auslaß des verbrannten Gases. Außerdem schiebt der Kolben die Gase nicht an der Mantelinnenfläche entlang. Die einzelnen Phasen »Ansaugen, Verdichten, Expansion und Auslaß" finden in fünf getrennten Kammern statt, die einen zurücktretenden Boden haben in Gestalt des Rotors. Dabei sitzen die Dichtelemente im stehenden Teil des Gehäuses, und der Kolben hat die Form einer Trochoide. Ein lückenloses Dichtsystem ist auch hier erforderlich, d. h. jede nur denkbare Undichtigkeit muß vermieden werden (siehe Kapitel 7). Selbst wenn eine annehmbare Lösung für das Dichtungsproblem gefunden sein würde, setzt der komplizierte Ventilmechanismus, wie er von herkömmlichen Hubkolbenmotoren her bekannt ist, dieser Konstruktion Grenzen. Theoretisctr müßte die Renault-Konstruktion sehr hohe Verdichtungsgrade erreichen. ln der Praxis wird das höchste Verdichtungsverhältnis jedoch begrenzt durch die unvermeidlichen öffnungsperioden der Scfrlitze oder Ventile. Es scheint daher, daß bei diesem Motor nur die Kombination "Kolben/Pleuel" einfach durch einen Rotor und ein unvollkommenes, komplizierteres Dichtungssystem ersetzt worden ist. Es sind keinerlei Gründe dafür zu erkennen, daß diese Art von Drehkolbenmotor jemals in einen ernsten Wettbewerb mit dem Hubkolbenmotor eintreten könnte. Die Version mit Tellerventilen mag aus etwas weniger Teilen bestehen, aber ihre Proportionen, die denen von Flugzeugsternmotoren ähneln, schaffen Einbauprobleme, besonders bei der Verwendung in Automobilen. Wenn einmal genaue lnformationen über die Leistung dieses Motorentyps bekannt werden, mag es angezeigt sein, dieses Urteil zu revidieren. Felix Wankel hat in seinem Laboratorium eine raffinierte Prüfvorrich52 tung geschaffen, die mit Hilfe eines zweibogigen Rotors, wie in den Cooley- und Umpleby-Motoren, erlaubt, das Verhalten der Dichtungen lebensnah unter tatsächl ichen Arbeitsbed in gun gen zu studieren. Als die ersten Nachrichten über den NSU/Wankel-Drehkolben- bzw. -Kreiskolbenmotor erschienen, wurde auch von einem möglichen künftigen lnteresse an einem 3 :4-Konzept (Bild 8) gesprochen, bei welchem ein vierkantiger Rotor, in dem auch die Dichtteile sitzen, nach Art eines Planetenrades in einer dreibogigen Trochoide rotiert. Diese Anordnung bringt einen zusätzlichen Arbeitstakt, der entweder als Erweiterung der Auspuffphase oder alternativ zur wesentlichen Erhöhung der Verdichtung ausgenutzt werden kann. Die Vor- und Nachteile haben jeweils ihre Verteidiger gefunden. So erscheinen zum Beispiel die erreichbaren Verdichtungsverhältnisse verlockend, weil der Dieselbetrieb damit möglich werden könnte, vorausgesetzt, daß der Arbeitstakt lang genug ist, um einerseits eine genügende Ausnutzung des Gasdruckes zu erlauben und andrerseits übermäßige Erwärmung der Auspuffanlage und zu starke Auspuffgeräusche zu vermeiden. Zu der Zeit, als dieses Buch gesc-lrrieben wird, scheint es, daß alles in allem der beste Kompromiß mit Hilfe eines Drehkolbenkompressors - von der Exzenterwelle der 2:3-Maschine direkt angetrieben - zu erreichen ist, weil ein genügend langer Auspufftakt mit dementsprechend niedrigen Auspufftemperaturen und erträglichem Geräuschpegel zur Verfügung steht. Freilich sind mit diesen Gedanken die Möglichkeiten noch keineswegs erschöpft. Man könnte z. B. den Kreiskolbenmotor auch mit Differentialgebläse oder mit einem Lader kombinieren, der von einer Auspuffturbine angetrieben wird. Man kann hier getrost feststellen, daß die Kreiskolbenmaschine bei weitem anpassungsfähiger ist in bezug auf Anordnung von Zubehöraggregaten und Kombinationen als der konventionelle Hubkolbenmotor. Betrachtet man höhere Verhältnisse von Kolbenecken zu Trochoidenbögen, so erkennt man, daB die Gesamtabmessungen der Maschine mit Pumpe, Bläser oder Kompressor - sich um so mehr vergrößern, je mehr Kanten der Kolben und je mehr Bögen die Trochoide hat. Auch muß sich die Drehzahl der Exzenterwelle erhöhen und es ist keinesfalls einfach, sich angesichts der Vorteile aller Alternativen für eine zu entscheiden, zumal die vier Takte "Ansaugen, Verdichten, Expandieren und Ausputfen" in angemessener Weise ablaufen müssen und ohne daß in irgendeiner Beziehung etwas geopfert wird. So zeigt zum Beispiel die untere Zeile des Bildes 8, welclre Probleme ent53 stehen, wenn die radialen Dichtleisten von einem Bogen zum folgenden Bogen gleiten. Gegenwärtig jedenfalls scheint per Saldo »der Wankelmotor« (die Si 2 :3-Maschine) der beste und praktischste All-round-Kompromiß zu sein. 54 4. Der erste Su/Wankel-EinscheibenDrehkolbenmotor N Der 1. Februar 1957 war der denkwürdige Tag, an welchem der allererste NSUAA/ankel-Drehkolbenmotor, Bild 1, 17 und Bild 21, seine ersten stotternden Umdrehungen machte und schon bald meßbare Leistung entfaltete, wenn auch vorerst nur während kurzer Laufzeit. Labyrinth-Diclrtu ngen sollen den Austritt von Auspuffgasen verhindern Abtrieber welle Die Auspuffgase welden vom Verbrennungsraum in dlesen Ringraum geleitet, an dem das Auspuffrohr siEt. Bild 21 Längssdrnitt des ersten Nsu/Wankel-Drehkolbenmotors (DKM). Man beadrte das Getriebe, das notwendig ist, um zwischen dem Kolben und dem die Kraft abgebenden Gehäuse die richtige Relativdrehzahl sicherzustellen. (Räder C und D.) Das Drehmoment wird über die Räder A und B geleitet, E ist eine von drei Zündkerzen, die jeweils in der Kolbenflanke sitzen. 55 Damals war es nocfr schwierig zu entscheiden, ob dies ein epochemachendes Ereignis sein würde, aber diejenigen, welche dabei waren, fühlten sich durch ihren Anfangserfolg doch schon ermuntert. Seitdem wurde offenbar, daß Drehkolbenmaschinen - und besonders deren Umkehrung, nämliclr Kreiskolbenmaschinen - in der Lage sind, das gegenwärtige Monopol des Hubkolbenmotors zu erschüttern, ja, man kann sagen, die Möglichkeiten künftiger Entwicklungen reichen weit über jene des Benzinhubkolbenmotors hinaus. ln der Tat entwickelte dieser erste Prototyp bei nur bescheidenem Aufwand für die Kühlung und das Dichtsystem mit einem Kammervolumen von 125ccm 28,3 PS bei 17000U/min äußerer und 11330U/min »innerer« Drehzahl, während der spezifische Benzinverbrauch 235 g/PSh und der Mitteldruck 5,48 kg/cm2 betrugen. Es ist zweckmäßig, vor der Betrachtung der Einzelheiten diesel Konstruktion erst einmal den Begriff "Einscheiben-Drehkolben-Maschine« klar zu definieren. Entsprechend Felix Wankels Buctr "Die Einteilung der Rotationskolbenmaschinen" rotieren alle drehenden Teile dieses Motors mit gleichförmiger Winkelgeschwindigkeit um ihre eigenen jeweiligen Schwerpunkte. Daraus folgt, daß diese Maschinen vollständig ausgewuchtet sein können und keine Massen- oder Fliehkräfte zu den aus den Gaskräften und den Gewichten resultierenden Lagerbelastungen hinzukommen. Ferner ist bedeutsam, daß die Dichtleisten (Scheitelleisten) einen genauen Kreis beschreiben und keinerlei Coriolis-Kräfte etwa zur Entstehung von Rattermarken beitragen können. Diese charakteristischen Eigenschaften machen diesen Motor geeignet für höchste Drehzahlen. Der Wankel-DKM besteht ursprünglich aus nur zwei beweglichen Teilen - innerer und äußerer Rotor -, dem Hauptgehäuse und der notwendigen Zahnradübersetzung, welche das genaue Drehzahlverhältnis zwischen den beiden Rotoren sicherstellt. Der Abstand der zwei Mittelpunkte, also der Rotationsachsen, ist die Exzentrizität »e«. Während die Bohrung des äußeren Rotors der nun schon bekannten Trochoide entspricht, ist die Kontur des inneren Rotors die sogenannte innere Hüllkurve der Epitrochoide. Drei Kammern, deren Volumen veränderlich ist, werden gebildet, wenn diese Rotoren sich in der vorbeschriebenen Weise drehen. Das dabei ablaufende Schema der Volumenänderung entspricht den Forderungen des Otto-Zyklus. Auf jeweils zwei Umdrehungen des inneren Rotors macht der äußere, kraftabgebende Teil der Maschine drei Umdrehungen. Die genaue Re56 lativbewegung ist sichergestellt durch das Getriebe, das im rechten Teil der Abbildung 21 dargestellt ist. Beide Rotoren wirken auf die kraftabgebende Welle, aber nur der äußere Rotor ist der die Kraft übertragende Teil, da die Resultierende der auf jede Flanke des inneren Rotors einwirkenden Druckkräfte notwendigerweise durch den Rotormittelpunkt gehen (Bild 22). B,td 22 Der Kolben des DKM. Er kann nur die aus dem Gasdruck resultierenden und durch den Ko I ben m ittel pu n kt (zu g leicfr Ko benschwerpunkt) gehenden Kräfte übertragen. Das Dichtsystem besteht aus der Dicfrtleiste und den seitlichen Dichtplatten. Die Zündkerzen sitzen in der Kolbenmulde. I Der Vergaser sitzt an einem stillstehenden koaxialen Vorsprung der Welle des inneren Rotors, so daß das Gasgemisch durcfr die hohle Welle, den Rotor und entsprechend angeordnete öffnungen in den Seitenscheiben des äußeren Rotors strömt. Dabei wird die Kühlung auch des inneren Rotors sichergestellt, ebenso die der Zündkerzen, welche an jeder Rotorflanke montiert sind. Dabei wird ein wenig vom volumetrisciren Wirkungsgrad geopfert. Es war natürlicfr keine einfache Sache, die Elektroden zu säubern oder eine Kerze zu wechseln, aber es wäre denkbar, daß entsprechende öffnungen im äußeren Rotor und dem ihn umgebenden Gehäuse den Zugang zur Kerze erleicfitern. Die Zuführung des Zündimpulses geschieht durch Schleifkontakte, wie im rechten Teil des Bildes 21 dargestellt. 57 Die Masc*rine wurde damals viel eher zu dem Zweck gebaut, die Brauchbarkeit des Wankelscfien Prinzips zu beweisen als für irgendeine spezielle Anwendung. So sind z. B. sowohl das Hauptgehäuse der Maschine als auch der äußere Rotor zusammengebaute Teile, die den veränderlichen Temperaturen und Drücken des thermodynamischen Prozesses ausgesetzt sind, aber nic*rtsdestoweniger erwartet man von ihnen absolut konzentrischen Lauf, so daB der äußere Rotor auf zwei gewöhnlichen Nadellagern mit höchsten Drehzahlen laufen kann. Zwar war das Dichtsystem organisch in den Motor hineinkonstruiert worden, doch erwies es sich als recht kompliziert (Bild 23 a und 23 b). Die wesentlichen Eigenschaften und Laufbedingungen eines einwandfreien Dichtsystems werden in Kapitel 7 betrachtet. Die Drehkolbenmaschine ist ietzt nur noch von historischem oder hypothetischem Interesse, aber notwendigerweise mußte die Aufmerksamkeit des Lesers auf seine Arbeitsweise gelenkt werden, oder wenigstens auf einige seiner Besonderheiten. Zwei Methoden der zeichneriscüen Darstellung von Trochoiden und Rotorkonturen wurden in Kapitel 3 betrachtet. Es ist deshalb überflüssig, noch einmal zu wiederholen, wie die drei Kammern mit veränderlichem Volumen aus den Wänden der Trochoide und des gleichseitigen Kolbens gebildet werden. Es ist darüber hinaus leicht vorstellbar, wie diese drei Kammern entstehen, wenn der dreieckige innere Rotor und das äußere die Trochoide enthaltende Gehäuse sich in der beschriebenen Weise drehen. Entsprechend der Lage der Ein- und Auslaßschlitze im äußeren Rotor ergibt sich eine Einlaßperiode, eine Kompressionspe. riode, eine Expansionsperiode und eine Auspuffperiode in jeder Kammer, während der innere gleichseitige Rotor relativ zum äußeren Rotor eine Umdrehung um 3600 beschreibt. Das bedeutet, daß jede Kammer pro Umdrehung des äußeren Rotors zweimal ein Volumenmaximum und zweimal ein Volumenminimum durchläuft, wie dies für den Otto-Prozeß erforderlich ist. Der Abstand der beiden Drehachsen ist »e«. Betrachtet man die drei Flanken des inneren Rotors, so wird klar, daß die resultierende Kraft, die durch den Druck auf die jeweilige Kolbenflanke entsteht, immer durch den Rotor-Mittelpunkt geht, also durch die Achse, um welche sich der Rotor dreht. Man erhält also kein Drehmoment. Aber die Kraft P.. mal Kolbenfläche F führt über den Hebelarm »e« (Exzen58 Bild 23a Die Anordnung der komplizierten und daher teuren Dicfitteile an einem der ersten KKM-Motoren. Bild 23b Ein späteres, einfacheres Dichtsystem, das durchaus zufriedenstellend arbeitete, aber nictrt ohne weiteres austauschbar war, (vgl. Bilder 54 a und 54 b, welche die gegenwärtig bevorzugten Dichtu ngsarten zeigen. 59 trizität) an der Exzenterwelle sehr wohl zu einem Drehmoment, das nach dem Begriff N: Md'n 716.2 an der Abtriebsseite als Leistung in PS meßbar und nutzbar wird. Es ist auch klar, daB der einzige Zweck der Räder C und D in Bild 21 darin besteht, das korrekte Drehzahlverhältnis zwischen innerem und äußerem Rotor aufrechtzuerhalten und Reibungskräfte zu überwinden, während die Räder A und B die Übertragung von Drehmoment und Leistung zu besorgen haben. Trotz der erwähnten Schwierigkeiten muß man diesem Konzept von Felix Wankels erstem erfolgreichen Drehkolbenmotor eine faszinierende Einfachheit 60 zu gestehen. 5. Der Kreiskolbenmotor Felix Wankel und sein Chefingenieur Höppner hatten seinerzeit zwischen der Drehkolben- und der Kreiskolbenmaschine zu wählen, ohne daß die Brauchbarkeit der Grundidee durch einen Prototyp und durch ausreichende Erfahrungen als richtig erwiesen worden war. Der Drehkolbenmotor schien dem Erfinder Wankel wegen der notfalls voll fliehkraftentlastbaren Dichtteile als erster Versuchsweg am sichersten, trotz seines sonst größeren Aufwandes, während das Kreiskolbenkonzept wegen der nicht entlastbaren Dichtteile mit ihren wechselnden Massenkräften beträchtliche Dichtungsschwierigkeiten mit sich zu bringen schien. Später, nachdem die Lineardichtteile sich als funktionsfähig erwiesen hatten, zog Dr. Froede (NSU) wegen der einfacheren Ansaug- und Auslaßmöglichkeiten die Kreiskolbenmaschine mit ihrem ruhenden Trochoidengehäuse vor. Der ins Auge fallende Unterschied zwischen Drehkolben- und Kreiskolbenmotor (Bild 1 und Bild 17) ist das feststehende Gehäuse, das die Epitrochoide enthält, welche zusammen mit dem Kolben in bezug auf ihre Maßverhältnisse genau den entsprechenden Teilen des Drehkolbenmotors entspricht. Um den Mantel feststehen und das umgebende Gehäuse wegfallen lassen zu können, war es nötig, auf die Abtriebswelle einen Exzenter zu setzen, um dem Kolben nach Art eines Planetenrades sowohl die Drehung um seinen eigenen Schwerpunkt als auch dessen Drehung im Abstand »s« (Exzentrizität) um die Mittelachse der Abtriebswelle zu ermöglichen. Die genaue Relativbewegung zwischen Kolben und Exzenterwelle (1 :3) wird durcfi ein Zahnrad getriebe sichergestel It. Die Gewichte des Rotors und des Exzenters erfordern entsprechende Gegengewichte außerhalb der beiden Hauptlager, um die aucfi bei diesem Motor mögliche absolute Auswuchtung (1000Ä) vornehmen zu können. Die Exzenterwelle erleidet sowohl Biege- wie Torsionsbelastungen, die bei höheren Drehzahlen und Vollast kritische Werte annehmen können. Obwohl diese Welle steifer ist als die Kurbelwelle eines Hubkolbenmotors gleicher Leistung, sind die Lastspitzen 61 B:nd 24 a Die Vereinfachung durch die Verwandlung des DKM in einen KKM ist an dieser Schnittzeichnung gut zu erkennen. Es handelt sidr um eine luft-/gasgekühlte Maschine mit 215ccm Kammervolumen und 12 PS bei 5000 U/min. sehr hoch. Vielleicht das allerernsteste Problem war - wenigstens bis etwa 1964 - das Verhalten der Dichtleiste. (Die "Scheitelleisten«, die in den drei Spitzen des Kolbens sitzen.) Wie später in Kapitel 7 näher ausgeführt werden wird, werden die Scheitelleisten vom Kolben an der Oberfläche der Trochoide entlanggeführt und sind dabei Fliehkräften von wechselnder Größe und Coriolis-Kräften ausgesetzt, welche in Verbindung mit anderen unerwünschten Erscheinungen die Bildung sogenannter Rattermarken an gewissen Stellen des Trochoidenbogens hervorrufen könnten. Diese Rattermarken wurden 62 gänzlich beseitigt durch die Paarung geeigneter Materialien für die Leisten und für die Beschichtung der Trochoidenoberfläche. Trotz allem, die kinematische Umkehrung, die durch die Erfahrung Iängst gerechtfertigt wurde, brachte eine höchst schätzenswerte Vereinfachung mit sich. Verglichen mit dem ursprünglichen Drehkolbenmotor hat er weniger Teite, verlangt weniger Einschränkung bei der Bemessung der Steuerschlitze, läßt höhere Kompressionsverhältnisse zu, ermögliclrt bequemen Zugang zur Zündkerze, seine Kühlung ist besser, die Schmierprobleme werden vereinfacht, und vor allem: die Herstellkosten sind niedriger. Bild 24 a, b, c, Konstruktionen aus dem Jahre 1964, zeigen, daß das "Sandwich"-Konzept beibehalten wurde. Es macht jedoch keinerlei Schwierigkeiten bei der Fertigung, auch wenn nicht weniger als fünf Teile - drei davon sind komplizierte Gußstücke - trotz des Verbrennungsdruckes und der unterschiedlichen Temperaturen genau fluchten müssen, eine korrekte Lagerung der Exzenterwelle sicherzustellen. Für einen Einscfieibenmotor sind es fünf Teile, für jede wei63 tere Scheibe kommen zwei Teile hinzu. Mehrere Demontagen und Rückmontagen müssen möglich sein, ohne daB von der Genauigkeit etwas verlorengeht oder daß von Leistung und Lebensdauer etwas geopfert wird. Paßbolzen oder -büchsen mit großem Durchmesser reichen aus. Die Notwendigkeit genauer Fertigung, also der Einhaltung enger Toleranzen, hat die Produktion von Wanketmotoren nie behindeft, zumal in diesem Punkt keinerlei Unterschied zu anderen Motoren besteht. Kolben und Gehäuse des in Bild 24 alb dargestellten Kreiskolbenmotors sind luftgekühlt, wobei dem Kolben die Wärme in hinreichendem Maße entzogen wird durch das einströmende Gas-Luft-Gemisch, welches öl enthält, und zwar im Verhältnis 1 :50, um die Schmierung sicherzustellen. Das zusammengebaute Gehäuse, welches aus dem Mantel und den zwei Seitenteilen besteht, wird durch ein Axialgebläse gekühlt. Es sitzt zusammen mit dem Magnetzünder auf dem Ende der Exzenterwelle. Ein Reversierstarter, dessen Klinken in eine fest auf der Welle montierte Trommel eingreifen, wenn man am Seilgriff zieht, ist an der "Endseite" des Motors (das Gegenstück ist die "Abtriebsseite«) untergebracht. Der Windflügel besitzt ein spezielles Auswuchtgewicht, das zusammen mit dem Auswuchtgewicht des auf der Abtriebsseite sitzenden Schwung rades eine voll kommene Auswuchtung ermög licht. lm Gegensatz zu dieser Maschine (24) hat der in Bnd 24 c gezeigte Motor einen ölgekühlten Kolben und ein wassergekühltes Gehäuse. Die Erfahrung hat gelehrt, daß diese Art der Kühlung erlaubt, höhere Mitteldrücke zu erreichen. Es gibt einen Zusammenhang zwischen der Art der Kühlung, der Lage des Einlaßschlitzes (im Seitenteil oder in der Trochoidenlaufbahn) mit dem mittleren effektiven Druck. Die Tabelle enthält empirisch gefundene Werte: Kühlmittel Gehäuse Kolben Wasser Wasser ö1, Umfangseinlaß Luft Wasser Luft 64 o/o p.* (Höchstwerte) 100 o/o 01, Seiteneinlaß 85 o/o ö1, Umfangseinlaß 90 o/o Luft (Gemisch) Luft (Gemisch) 75 o/o 60 o/o \-...- Bild 24c ----- ------- at' Zweifacfrmotor KKM 512 NSU/Wankel. 110 PS bei 6000U/min. Das Gehäuse ist wassergekühlt, die zwei Kolben sind ölgekühlt. Der öl- kühler sitzt im Ölsumpf. 65 / \ l-4 Ansaugen 5-7 Vordichten Bird 25 Benutzt man das angesaugte Gas-Luft-Gemisch zur Kühlung des Kolbens, den es auf seinem Wege in die Verbrennungskammer in axialer Richtung durchströmt, so muB man sich mit einem schlechteren volumetrischen Wirkungsgrad und einer dementsprechend verringerten Leistung abfinden, wie die obige Tabelle zeigt. ln diesem Punkt ähneln die Laufbedingungen von Kreiskolbenmotoren sehr denjenigen von Zweitakt-Hubkolben motoren. 66 Wie schon enrähnt, arbeitet der Wankel-Kreiskolbenmotor nach dem Otto-Prinzip, d. h. es ist ein "Verbrennungsmotor, bei dem die Verb rennu n g des verd ichteten Kraftstoff-Luft-Gem isches d u rch ze itl ich gesteuerte Fremdzündung eingeleitet wird" (5). Natürlich ist auch ein »Diesel-Wankelmotor« möglich, aber bis ein solcher Motor läuft, muB noch mehr Forschungsarbeit geleistet werden. Der Maschine, die bisher in diesem Bucfr betrachtet wurde, kann man nur schwer das für den Dieselbetrieb nötige Verdichtungsverhältnis verleihen und die -l .Ä //brehricntuns ./ \ .,/l'. l/' Größtes' \ Kammervol. Kleinstes Kammer- volumen Bild 26 Darstellung der Arbeitsphasen in Relation zur Kolbenstellung. Um das Kammervolumen von dem Minimum A-B auf das Maximum A'-B' zu bringen, muß der Kolben um 90o und die Exzenterwelle von Stellung 1 auf Stellung 2, das sind 2700, gedreht werden. Der Gasdruck, der auf jede Kolbenflanke wirkt, kann als eine Einzelkraft dargestellt werden, wie z. B. P, für die Flanke C-4. Die Kraft geht durch den Kolbenmittelpunkt. Der einfaclrste Weg, die resultierende Kraft, die den Kolben dreht, bei jeder Kolbenstellung zu finden, ist, ein Vektordiagramm zu zeichnen, welches die Kräfte P, Pz und P, sowie die Zentrifugalkraft enthält, die auf die Masse des Läufers und den Exzenter wirkt. Die Resultierende stellt dann Größe und Richtung der wirkenden Kraft dar. 67 Welle neigt bei den großen Drücken zu Durchbiegungen. Es werden also andere Wege gegangen werden müssen, etwa Vorverdichtung durct einen Kompressor. Entsprechend Bild 25 kann die Veränderung vom gröBten zum kleinsten Volumen (bzw. umgekehrt) nur dann stattfinden, wenn der Kolben eine Drehung um 90o vollführt hat, d. h. (Bitd 26) während eine Kolbenseite von der Stellung AB in die Stellung A'B' gelangt ist, vergrößert sich das Volumen und der Ansaugvorgang vollzieht sich. Während der nächsten Vierteldrehung (90o) werden Kompression, Expansion und Auspuff bewirkt, wie in Bild 25 dargestellt. Um genau zu sein: in jeder der drei mit Hilfe einer Kolbenseite gebildeten Kammern laufen die vier Takte nacheinander ab, wenn sich der Kolben um 3600 dreht. Die Tatsache hat manchen oberf!ächlich urteilenden Beobachter zu der irrigen Meinung verführt, daß man bei einer Einfach-Wankelmaschine den Hubraum von drei Kammern zugrunde legen müsse. Warum das eine irrige Ansicht ist, wird in Kapitel6 erklärt. Die Ableitung der Trochoide nach der in Bild 10 gezeigten Methode macht klar, daß die Exzenterwelle drei Umdrehungen machen muß, wenn der Kolben nur eine Umdrehung macht und das führt zu der wichtigen Erkenntnis, daß sich jede thermodynamische Phase, also auch der Expansionstakt, über 2700 Exzentenrvinke! erstreckt (nicht nur über 1800, wie beim Hubkolbenmotor). Dieser Umstand läßt sich richtiger beurteilen, wenn man die Lage des Exzentermittelpunktes relativ zum Wellenmittelpunkt (auf der kurzen Acfise) betrachtet, der mit dem Schwerpunkt und dem geometrischen Mittelpunkt des Kolbens zusammenfällt. Wie in Bild 26 dargestellt, kann die Kolbenspitze C nur dann auf der kurzen Achse stehen, wenn der Kolbenmittelpunkt auch auf der kurzen Achse steht. Da der Kolben drei Spitzen hat, stellt sich dieser Zustand dreimal pro Umdrehung ein. (Die Welle dreht sich dreimal so schnell wie der Kolben.) Dieses Drehzahlverhältnis wird erzwungen durch ein Zahnradgetriebe, dessen lnnenrad im Kolben untergebracht ist, während das feststehende Ritzel im Seitenteil sitzt. Der Abstand der beiden Zahnradmittelpunkte entspricfrt genau der Exzentrizität e. Das richtige Übersetzungsverhältnis wird erhalten, wenn das lnnenrad im Kolben 50 0/o mehr Zähne hat als das Ritzel, es besteht also das Zähnezahlverhältnis 3 :2. Unter der Annahme absolut gleichbleibender Drehzahl und des Nicht-vorhanden-Seins jeglicher 68 Reibung, sind die Zähne völlig unbelastet. ln Wirklichkeit wird der Kolben, der ja Massenträgheit besitzt, durch mehr oder weniger Gas beschleunigt und verzögert und es werden die Dicfitleisten durch Federn und durch den Gasdruck an Laufbahn und Gehäusewände angepreßt, wodurcfi Reibung entsteht. Infolgedessen wird die Verzahnung durchaus belastet. Dies wird durch Zahnbrüche bei nicht ausreichender Bemessung bestätigt. Es sollte erwähnt werden, daß bei Mehrscheibenmotoren des Typs "Drehkolbenmaschine" nur ein einziger Zahnradsatz erforderlich ist (Bild 21), während die Kreiskolbenmaschine an jedem Kolben ein Zahnradpaar benötigt. Der erste »umgekehrte" Drehkolbenmotor, also der erste KKM von NSU, trug die Bezeichnung KKM 125. Er verdrängte pro Umdrehungen ein Volumen von 125 ccm und entwickelle 27 PS bei einer Wellendrehzahl von 10000U/min. Das Dichtsystem war das gleiche wie bei dem ursprünglictren Drehkolbenmotor DKM 125. Erst 1959 wurde ein Motor gebaut, genannt KKM 125 H, der das heute bekannte Dichtsystem besaB. Der Kreiskolbenmotor litt anfänglich - verglichen mit dem Drehkolbenmotor - an zwei Nachteilen: Hohe Belastung der Welle auf Biegung und Verdrehung und hohe thermische Belastung der Zündkerze. Der vielleicht vorhandene Nutzen von zwei Zündkerzen ist mittlerueile bis zu einem gewissen Grade erforscht worden und es hat sich dabei manches "Für und Wider" ergeben. Ursprünglich hatte der NSU Ro 80 zwei Kerzen; seit Herbst 1969 hat er nur noch eine, aber gleichzeitig bekam er eine Kondensatorzündanlage. Die Kerze ist eine Spezialgleitfunkenkerze. Die anfängliche starke Belastung der Zündkerze konnte also inzwischen schon beseitigt werden. Man kann mit Recht sagen, daß der Kreiskolbenmotor durch das Nichtvorhandensein hin und her gehender Massen, durch die Abwesenheit jeglicher Ventile und Ventilbetätigungen gegenüber dem Hubkotbenmotor einen erheblichen Mehrwert besitzt. Zusätzlich ergeben sich Vorteile in der Wartung des Motors (Wegfall des Ventileinstellens und -einscfileifens etc.) und in bezug auf hohe Dauerleistung, höhere Drehzahlen und längere Lebensdauer. Freie Massenkräfte gibt es nicht, man ist vom Kammervolumen her keinerlei Beschränkungen unterworfen im Gegensatz zum HKM, wo sich "kultivierte" Vierzylinder nur bis zu einer gewissen Zylinderhöchstg renze schatfen lassen. 69 30 Tangentialkruftdiagramm eines Ei nscheiben-KKM § Ets miltl. Drehmoment 7.25 §zs § Ao Zweischeib€rt'K Kf,l §,, 'lr. mittl. Drehmoment I §ß § A 0 90o 1800 2700 3600 Ta ng e nt i a I k ruf td iog rum m eines Dreischeiben - §,, milll. Drehmoment +/-, 900 lg00 K Kl,l 21,1, m h § l5 tl 0 § §45 :\ Targent ial kraftd iaEomm e ines; tt Viersherben-KKI'l a §.?o § § Bnd 70 27 Diese Tangentialkraftdiagramme wurden aus dem lndikatordiagramm des NSU/KKM 502 (Bild 77) abgeleitet. 2700 Größere und stärkere Motoren können durch größere Abmessungen oder durch Vermehrung der Anzahl von Scheiben oder durch beides geschaffen werden. ln bezug auf den Ungleichförmigkeitsgrad entspricht der Einfach-Wankelmotor etwa einem Drei- bis VierzylinderViertaktmotor, weil der Wankel die doppelte Anzahl von Krafthüben erzeugt, die überdies über 2700 statt nur 180o Wellenwinkel wirken. Eine um so »weichere" Leistungsabgabe oder- richtigerausgedrücktum so geringere Schwankungen der Tangentialkraft werden natürlich erreicht, je mehr Scheiben nebeneinander gesetzt werden (Bild 27). Über vier Scheiben hinauszugehen ist allerdings nicht empfehlenswert, weil dann die Welle konstruktive Schwierigkeiten macht und bei der Montage des Motors Probleme aufkommen. Man sollte nicht vergessen, daß ein Vierfach-Wankelmotor eine so dichte Folge sich überdeckender Krafthübe hervorbringt, daß er bezüglich des Tangentialkraftverlaufes etwa mit einem Zwölfzylinder-Viertakt-HKM vergleichbar ist. Mehr als vier Scheiben sind also ohnehin nicht mehr sinnvoll. (Siehe auch Bild 119.) Größere Kammervolumina verlangen Kraftstoffe mit höherer Oktanzahl, eine Erscheinung, die schon von Hubkolbenmotoren her bekannt ist und die für den KKM ebenfalls gilt. Aber der Wankelmotor ist gegenüber dem Kraftstoff toleranter, gleiches Kammer- bzw. Zylindervol umen und gleiches Kompressionsverhältn is vorausgesetzt. Aber es muß noch viel Forschungsarbeit geleistet werden, bevor diese Tatsache ganz und gar ausgelotet werden kann. Gegenwärtig laufen Wankel motoren mit einem Verd ichtungsverhältnis von 8 bis 9,6 du rchaus zufriedenstellend mit Normalbenzin, und ein kleiner 250-ccm-Einscheibenmotor hat sogar klaglos ein Benzin von nur 50 OZ verarbeitet. Die Effektivleistung eines KKM kann auch durch Aufladung gesteigert werden. Versuche bei Curtiss-Wright haben ergeben, daß eine Druckerhöhung auf 150 mm HG 30 0/o mehr Leistung erbrachte. 71 6. Grundsätzliche Beziehungen zwischen den Rotatio nskol ben m asch i nen 6.1 Grundsätslidre Bezlehungen Die Leistung von Wankelmotoren hängt ebenso von gewissen grundsätzlichen Größenverhältnissen und mechanischen Beziehungen ab wie bei jedem anderen Motortyp. Einige davon mögen noch unklar sein, wie z. B. die thermischen Zusammenhänge, die Ietztlich den Wirkungsgrad bestimmen, das Kompressionsverhältnis und der Schwenkwinkel g. Dieser Winkel stellt sich ein zwischen der Tangente an der Trochoide und dem verlängerten Kolbenradius R, gemessen am Berührungspunkt (Bild 12). Wie schon in diesem Bild gezeigt, verläuft die tatsächliche Bohrung in konstantem Abstand a von der konstruierten Trochoide. Das Maß »a« wurde eingeführt, um einen konstanten Abstand der Epitrochoide von der konstruierten Trochoide zu bekommen, womit einerseits radiale Bewegungen der Scfieitelleisten im Interesse Ianger Lebensdauer und guter Wärmeleitung, andrerseits das Anstreifen der Kolbenecken vermieden werden. Die mathematische Beziehung zwiscfien R, e und 9 ist gegeben durch die Formel sin g : )..e [ ode r, allgemein ausged rückt, (6.1) sin g :z* wobei Z die Zahl der Kolbenecken bzw. die Anzahl der Kammern ist. (!m schon mehrfach zitierten Buch von Wankel "Einteilung der Rotationskolbenmaschinen« sind noch andere Verhältnisse als 2 :3 aufgeführt.) Schwierigkeiten kann es geben, weil 9 einen bestimmenden Einfluß auf das höchste noch mögliche Kompressionsverhältnis hat 72 *u, W rd i,cl1fu nosverffilbtis Ab-lbfufiren,MyHst VolunsrAtdc §tr I :8 to E E § / 150 ..sl, tr ttb t25 Eu=lbrd*Ilfunqsverir txiltnb@fu mddd- lffi 6..-- Wtd.-Verh. für Diensl lt^FßRA,r.rrri Mr rl sel-Verfahrcn,Mul- .a s:§ ' U /,0.0 den-Volumen QsA o.T.F *§ \tE;s=? I tt, & t2 §f t :§ § § s § 0t6 t8 20 2 2t, 26 28 30 32 3t Neigungswinkt ('I Bild 28 Beziehungen zwisdlen dem Neigungswinkel g (: Schwenkwinkel), dem Kammervolumen und dem Verdichtungsgrad. (2 :3 Si-Masdrine und 100 mm Länge der Trodroide in Richtung der langen Achse.) (Bild 28) und ebenso auf das O/V-Verhältnis (Oberfläche zu Volumen), und zwar dann, wenn das kleinste Volumen zwischen Kolbenboden und dem restlichen Teil der Epitrochoide eingeschlossen ist (Bilder 29, 30, 31). Betrachtet man die Kurve der höchstmöglichen Kompressionsverhältnisse e, (die ohne jede Eindrückung am Kolbenboden erreicfrbar sind), so wird klar, daß die kleinsten Verdic*ttungsräume, also die höchsten Verdichtungsgrade, bei kleinem Winkel zu bekommen sind. Leider bedeutet das einen recht langen, flachen und dünnen Kompressionsraum mit zwei langen "Schwänzen«, welche auf den Verbrennungsablauf, mindestens unter bestimmten Bedingungen, nachteilig einwirken könnten. Die allgemeine Beziehung zwischen dem Winkel g und dem "idealen" Kompressionsverhältnis (keine Eindrückung im Kolbenboden) für verschiedene Epitrochoiden und Hypotrochoiden ist in Bild 29 darge73 llll tlSU KKM 502 Splder-ltobr [keine tGlbenmulde) R = l0cm Das ideale Verdlctrtungsverhältnis als f (9) 120 e = l'*cm lllr lo b EEP itrochoide HHy potrocfroide tt = 6'7cm E u aD E 9100 (J E 8 &,.e o)c - :tü Qä Eso (D I äro 6 0) E ri -c 70 t, t (D >60 tt _9 (I, üs0 :z to \ t / E? f I l/ \ \ N }S \,-_ <,->r 30 ?0 E 45 l0 \ 3:4 (l) Il O^r k H 65 \ \ t 4 6 :(tl / / l- < 030 090 , 60 90 180 210 t20 Kolbenwinkel ( ol 569 Exzenterwinket ( ol UT 08 ptlE (Aus dem "Mathematischen AnhäDs«, Bird A 18) a / OT / /-l H 4:5 .-- t0 20 30 40 50 0 60 Neigungswinkel Y Das ideale Verdicfrtungs-Verhältn is Bitd 29 )id:ffi A.+(A.ir-A) Arir, - A" (vgl.Bild34) ist abhängig vom Schwenkwinkel V für verschiedene Epitrochoiden und Hypotrochoiden. €,.lcm ?? 20 ?0 -RL 7F t8 f16 l8 s16 I §r, ü8, b.lcm 22 5,0 5E rc Effi tO JE t§ 56 €§B 86 E4 o 6z 8 rGt Et o :Gt Ez 0 0 30 90 60 t80 90 270 l20Kolbenwinkel( ol 0 Kurbelwinkel(ol 560 Bild 31 (Aus dem "Mathematischen Anhang.., Bild A 17) 74 ./'sroisteö vcitunien E.E ., ,, ltrrt -klelnstes Volumen' ffi 567 Rls stellt. Für die Praxis ist es vielleicht bequemer, die Kurven in Bild 32 zu benutzen, die von lng. Kühner aus dem Wankelschen lnstitut aufgestellt worden sind (6). Die Räume, auf welcfre Bezug genommen wird, sind die Kammervolumina, die sich zwischen Kolbenboden und Trochoide bilden, wie aus der Zeichnung hervorgeht. Um die jeweils zutreffenden Kammerinhalte zu bekommen, braucht man lediglich die abgelesenen Werte mit der Breite B (Axial) des Kolbens oder - genauer - mit der Breite des Mantelgehäuses zu multiplizieren. Der Einfachheit halber ist den Kurven ein fester Wert, nämlich 10 mm, für die Exzentrlzität zugrunde gelegt, so daß andere Exzentrizitäten Ieicht errechnet werden können, indem man die aus der betretfenden Kurve abgelesenen Werte über dem F/e-Verhältnis einfach mit dem Umrechnungsfaktor (eleol2 multipliziert. Dabei ist e die Exzentrizität dervorgeschlagenen Konstruktion und eo : 10 mm. Unter Berücksichtigung des Schwenkwinkels g können die gewünschten Zahlen direkt aus der Kurvendarstellung abgelesen werden. 6.2 Beredrnung des Hubraums nacfi G. B. Seward Man kann die für die Berechnung des Hubraums einer einzelnen Kammer nötigen Formeln ableiten wie folgt: Wie in Bild 9 gezeigt und bei gegebenem Grundkreisradius (entspricht dem zweifachen Radius des abrollenden Kreises), ist die Lage jedes Punktes P im Koordinatensystem definiert als x-Rcos0+ecos3o y-Rsina+esin3a (6.2) wobei R : OC 3mal Radius des kleinen Kreises ist, oder, wenn man diesen Ausdruck durch R dividiert, 1 R* 1 Rv - coso sin a e.i + *cosJ g.a + psm (6.3) 5 ln Ubereinstimmung mit Bild 33 liegen alle drei Spitzen P, Q und S des Kolbens auf der Trochoide. Die Punkte P und Q in Bild 33 stehen auch 75 Frro Fnur Fura Trocheldcnfiilchr, Formeln: €,an [-] P{t Fc G^l ,cra3 20crt do1off Frro= tftic'ty't Fuoa. rilzltn" -Encose. taälrnlti tn7 Fnfs6 n H %-rcm Cn\ w7 Hüllkunenllöche 10 c =Rt+ ethoo Fc F. bci co= lgln' Grt t-, Ya rd I c h I u ngsvs hö I lni s I ctnle{'nem $ o' von Schwenhwinhel 'lcmA 2' Hublfüche einr.r |{ommcr 1cm ä2ocnt' bel 2p1qn Kompressionsf löche cmA20 cm' bcl q.1dn fl Blld 32 AnWendUng' z I sesucttt: P n geseben: etl2cm i *.2 laktoren Iür die Flächen Eo;Fxat;Fuub;E; p; €tnn €tnn könren mlt dem Mq}stab I cmt2'. bezyt tcm9,ctrrn €üro= 2, ma (/"Jz = ffi)' = 114 nutt p ti z i ert werdtt. Atm p=25136o; €';,,cn=10t26i ldeales oder maximales theoretlscfr mögllches Kompressionsverhältnis - ohne Kolbenmulden - rthoor., Schwenkwinkel p und verscfriedene Kammervolumina können aus diesem Diagramm abgelesen werden. Zum Beisplel: Ein KKM soll eine Exzentrizität von .1,2 cm haben und R/e soll 7 sein. Die Umrechnungs- üt*t ws dom lllagamm utlnommotr wardüt, Fr" ='Z3igm?i 6Ott-ßl,acnf , Fn'=sz,et-'rFC.l,lZcm'|, : A": 163,4 X 1,44 - ZJ6 cm2 - A, : 102,36 X l,U - 141,4 cm2 FEob : A" - 36,375 X 1,44 : 52,07 cm2 Fo : A, - 2,097 x1A4 - 3,02 cm2 FTro Fgüu 9:25,350 i u.o. :1g,2A Bedeutung dleser Flächen siehe Bild 34 direkt aus dem Diagramm ablesbar. 2 o lc+$) Bitd 33 P{cl rlel,ylcl in einem klaren Zusammenhang mit den Winkeln abzw.a+ 120o. Somit gilt: (die von den Linien OP und OQ und dem entsprechenden Teil der Epitrochoide eingeschlossene Fläche) - (lnhalt des Dreiecks OPe) (d + l20o) Ir J ZoG2d@-aoPQ wobei @ derWinkel rz d.@: : a arso [ + .*ii"n"n 1200 (x2 {[, +ocsd, * OG und der Abszisse ist y') d (arcr""t): xdy-ydx *, (i)'[ -- (i) "o,z ola o :[,-, (i)' ]+-f y'r.o, (r, *?l 77 und die Fläche des Dreiecks OPQ: * tO x (senkrechte Abstand der Linie PQ von O). PQ ist offensicttlictr y'3 (wenn R als Einheit angenommen ist) und die Gleichung für PQ ist: y -y (a) + .ot (o * ä) [- - * 1o1] : o (6.4) wobei y (o) und x (a) aus Bild 33 entnommen sind. Der senkrechte Abstand von PQ vom Punkt O ist deshalb 'y(a)+x(a)cot['o+ll 3t * "*." (" Dieser Ausdruck läßt sich ä) ereinfachen: '-i*,(r,-ä) (6.s) Der Flächeninhalt des Dreiecks OPQ oPQ : +li- f "o, ('"- 9] (6.6) Der Flächeninhalt zwischen der Flanke PQ und der Epitrochoide : [, *, Hl ä - i aber cos (z "-;l: t/3 cos -"o, (2, + +l (z o *,k9']; Wenn der Ausdruck mit [*, R2 : -+-+ (68) multipliziert wird, ergibt sich Dabei stellt sich ein Minimum ein, wenn o 78 f cos 2(" * ä) * , *]t-W -+R.e wennc:30oist. *, (, " -i) o.tt . +l So vereinfacht sich Gleichung (6.7) auf [, -+.+i : cos , (" * Zl (6.s) -600 und ein Maximum, A-io : (*, + ,.r) 1- (6.10) 4 y't x, Arr.: (*'+ Also ist A*ax - A.io /5v, (6.1 1) 4 -A, + 3 y3 e . R (6.12) und das Kammervolumen ist Vr : 3 fiFi'g - e: 5,196 R'.8 .e worin B die Breite der Kammer ist in axialer Richtung und R' : (6.13) R * a ist. Allgemein ausgedrüc{<t, d. h., wenn man mit Z Kammern rechnet: vr: *ufirio e f Aus Bild 34 geht weiterhin hervor, daB die Fläche A, (zwischen der Seite bc des gleichseitigen Dreiecks und der tatsäcfrlichen Kolbenkontur) völlig vernachlässigt werden kann, wenn es nur darauf ankommt, das Arbeitsvolumen der Kammer zu bestimmen. Wenn jedoch das maximale Kompressionsverhältnis gefunden werden sol!, ist es am einfachsten, die Fläcte Ar zwischen der Kolbenflanke a-b und einer Seite des gleichseitigen Dreiecks a b c mit Hilfe eines Planimeters zu bestimmen. Richard Vogel an der Tecfinischen Hochschule in Stuttgart hat eine Formel entwickelt, bei welcher sich die gesamte Fläche, die von den Kolbenflanken ZAs (von einem Kolben, dessen Konturen von einer Epitrochoide abgeleitet sind) begrenzt wird, auf folgende Gleictrung vereinfacht: zA, :[,,*, * 2ez)-6eRcose- f+ . +zel rf L (6.14) worin Z die Anzahl der Kammern bzw. der Kolbenecken sind, welcfie die Epitrocfroide berühren (vgl. Gleichung 6.1). Z:3 für den allgemein bekannten »Wankelmole;«, so daß die GIeichung heißt: 3 A, : [",*, + 2e,)-6e Rcos p- (T + n e,)r] (0.1s) As ist die Fläche eines Kolbensektors und die Fläche des Dreiecks mit Rr als Länge von zwei Seiten und dem eingeschlossenen Winkel 79 A,*n=(#+r0+-qtr-'F ..* (Gteichung 6.10 ) Vol-;r=4-'r. (o) B Fläche Ap=Flöche des Segrnenls bce A, konn gefurden vrrerden mil Hitfe des Phnimeters oder mil den Gteichungen 6.14- A,,-,=( 6.17 f*r4+ -ff..ry- . eR (Gleicfrung 6.tt) Gößtes lGmmenobmen (Arno, -Ar )B = V** \brdrimgües \,blumen A5x B=(A.r'or-A,,,,,..)B Es lonn berechnet werden ohne 2Z*hKenntnis rcn fo, wie in den Gleichungen 6.10 - 6J2 und 617 (1'/)^ (c) geze§t Bild 34 Diese Diagramme zeigen die wichtigen Fläcfien, die bestimmt werden müssen, wenn das pro Wellenumdrehung verdrängte Volumen und das Kompressionsverhältnis errechnet werden sollen. Hierzu ist beim KKM mehr Mathematik erforderlich als beim konventionellen HKM; die Kontur des Verbrennungsraumes und die Wölbung des Kolbens haben einen großen Einfluß. (Tlx,-n,'* so daß A. u 80 - nd sin As (6.16) F.r' -y'3 2 (6.17) 6.3 Beredrnung des Verdidrtungsverhältnisses Unter der Annahme, daß der Kolbenboden keine Eindrückung besitzt, ist es nunmehr möglich, das höchste theoretische Verdichtungsverhältnis zu berechnen, das bei irgendeiner Kreiskolbenkonzeption möglich ist. Um das tatsächliche Kompressionsverhältnis zu bekommen, muß man die Größe der Vertiefung im Kolbenboden kennen. Das maximale theoretische Verdichtungsverhältnis, das dem Verhältnis der Flächen entspricht, _ As + (A*i,, A*io - A.) - A, (6.19) Wenn die tatsächlichen Volumina gesucfrt werden, muß man alle diesbezüglicfien Flächen mit der Breite der Kammer bzw. des Mantels multiplizieren. Es muß beachtet werden, daß die Gleichungen 6.10 bis 6.17 nur gelten, wenn die »Bohrung" eine Epitrocfroide ist, erredrnet aus Radius »R« und Exzentrizität »e". Es sei daran erinnert, daß die ausgeführte Kurve um den Abstand »a« größer ist als die ursprüngliche Trochoide und deshalb Aquidistante heißt. Beispiel: Gegebene Daten für die NSU-Maschine KKM 502: e _ 14mm R :100 mm 2mm aBr: 67mm : l0r2 cm 9 - 24o 19' . Z.e : i.l,L_0147176 sm9: Ro ro2 cos 9 - 0r9ll52 9 - 0142440 Rl ln Ubereinstimmung mit Gleichung (6.10) (vgl. Bild 9) A-io : (Rr, + 3.r) t-ry -+R1 .€ : (to,zz + 3-r,4r) 37t lß . 10,22 l0r2' lr4 : 3219544 cmz Der Flächeninhalt der Kolbenflanken 3 An wird gefunden mit Hilfe der Gleichungen (6.14) bis (6.16) 81 3 AR - , (Rr2 + 2"')-6eRr cos g-# + (anstelle von R wird R1 eingesetzt) 3 AR : (10,22 10,22 + t2.r,421.0,42440 339,13469 - 78,09903 _ (? . : + 2' 7,42) - 6' 1,4 ' 10,2' 0,97152 \rt :221,61766 - : 39,41827 - : cmz 221,61766 y'l R,. R1 221,61766 ^ : ---'--' - Fläche des Dreiecks- : -: . _ 1ß 10,22 : 73,g7255 _ 45,05192 : 2g,g2063 cmz -221,6_1766 34 A.in - AR : 32,95445 - 28,82063 : 4,13382 cm2 Das kleinste Volumen : 4,13382. 6,7 : 27,56259 cmz _-,/4,20316 A,: ^ _497,76117 -A-: -arrri-3.lgvllvvvg322- Also ist das höchste theoretische Kompressionsverhältnis €theo:& 6.4 :'We:18,95026 Hubraum beim Wankelmotor und bel Hubkolbenmotoren Die Wankelmaschine hat drei Kammern, die alle gleichzeitig am Gaswechsel teilnehmen. Es entsteht nun die Frage, wie KKM und HKM in bezug auf die Errechnung des Hubraums zu vergleichen sind (7). Man muß zuerst einmal die Anzahl der Wellenumdrehungen pro Arbeitsspiel betrachten. Der Hubkolbenmotor braucht zum Ablauf aller vier Takte in einem Zylinder zwei volle Umdrehungen der Kurbelwelle. Dagegen vollführt der Si2 :3-Kreiskolbenmotor (der Wankelmotor) für denselben Viertaktprozeß nur eine Wellenumdrehung. Zum gerechten Vergleich muß daher das Volumen einer Kammer mit dem Faktor 2 multipliziert werden. Zum besseren Verständnis sei noch eine andere Uberlegung angestellt: 82 Beim KKM erstreckt sich jedes Arbeitsspiel über 2700 statt nur 1800 Exzenterwel lenwinkel bzw. Ku rbelwel lenwi nkel. Alle vier Arbeitsspiele sind also erst nach 10800 (drei Exzenterwellenumdrehungen) beendet. Dividiert man 10800 durcfr die Zahl der Kammern, also 3, so kommt man auf 3600. Das Kammervolumen wird demnach zweimal durchgesetzt nach 7200, und dieser Wert entspricht zwei Arbeitstakten, die nur eine Zweizylinder- (nicht nur Einzylinder-)Hubkolbenmaschine ausführen kann. AIso wäre der Hubraum einer KKM-Kammer mit 2 zu multiplizieren, wenn man die Leistungen von HKM und KKM vergleichen will. Ein Beispiel: Der NSU Ro 80 hat einen Zweifach-Wankelmotor mit einem Kammervolumen von 500 ccm (zwei Kammern also 1000 ccm). Da er ein Zweifach-Motor ist, wäre der "Zylinderinhalt« 2 Liter. Die Maschine leistet 115 PS. Zum Vergleich: BMW 2002 Tl:120 PS; BMW 2000: 100 PS. Beide Motoren haben 2 Liter Hubraum. Nach dieser Rechenweise wird die Höhe der Kraftfahrzeugsteuer für Wagen mit Wankelmotor u. a. in den Ländern Schweiz, Osterreich und Italien bestimmt. ln Frankreich nimmt man den Durchschnitt des Hubraums gleichstarker, am Markt vorhandener Viertakt-HKM und kommt damit praktisch zu den gleichen Werten. In Deutschland hat man sich an das Steuerschema angelehnt, das bei Lastkraftwagen angewendet wird, d. h. der Steuerbetrag wird nach dem Fahrzeuggewicht errechnet. Je (angefangene) 200 kg kosten DM 22,- pro Jahr. Auch bei Sportveranstaltungen werden Wagen mit Wankelmotor nacfr dem doppelten Kammervolumen eingestuft. Will man die Leistung (oder daraus den mittleren Druck) des KKM berechnen, so gilt demgemäß die Formel: N.- P.r'2V6'n 900 V6 : Volumen einer P-.'VK'fI Kammer 450 Vr : R" e'B'6 sin 600 - 511.96 'R''e'B (6.19) Man kommt also auf die altbekannte Zweitaktformel. Die Berechnung des konventionellen Hubkolbenmotors geschieht dies lediglich zum Vergleich - mit der Forme! H - - Zylindervolumen 83 Da die Motorleistung auch definiert ist als das bei einer bestimmten Drehzahl an der Welle (gleich, ob Kurbelwelle oder Exzenterwelle) verfügbare Drehmoment, gilt sowohlfür HKM als auch für KKM. N.: Md'n 7L6,2 Bild 35 bis 40 Vergleich der verdrängten Volumina von Viertakt-HKM und RKM im Verhältnis zur Kurbelwellenoder Exzenterwellendrehung. Die scftwarz gezeicl'tneten Teile stehen fest, die mit angedeuteten Umrissen sind drehende Teile (Kolben). 5ü) cmt ln Zyl. Nr. 1 Zweizylinder HKM 4 Takt ,ffi, - (a) verdrängtes Volumen von Zylinder Nr, 1 verdrängtes Volumen von Zylinder Nr.2 5ü) (b) cms ln Kammer.Nn 500 lnZyl. cm! Nr.2 EE ffi 1 500 cm3 in Kammer Nr. 5ffIcms I ln Zyl. Nn ffi ffi ffi ffi ffi 2 Volumen-Verändenrng Kammer Nr. I cms Nr.1 500 ln lGmmer 5@ cm3 Nr.2 ln KamDer crn8 500 cm3 cmr 500 crnr 500 crn8 ffi,.b ö', ö ln Kammer Nr.3 KK$'(sD2:'''':ffi*,d-ffi'6 Volumen Veränderung Kammer Nr. 2 Volumen-Veränderung Kammer Nr.3 600 cm3 ln Zyl. Nr. 2 h 500 Kammer Nr.3 Volumen-Veränderung Kammer Nr.1 Volumen-Veränderung Kammer Nr. 2 Volumen-Veränderung Kammer Nr.0 Bitd 35 Bild 35 a zeigt die Kurven eines Zweizylinder-Viertakters in Reihe, jeder Takt erstreckt sich über 180o Kurbelwinkel. Die reinen Arbeitstakte sind dick ausgezogen. Bild 35 b stellt Kurven eines Einscheiben-KKM dar. Da drei Kammern, also drei veränderliche Hubräume, vorhanden sind, sind dementsprechend auch drei Kurven gezeichnet. Der ins Auge fallende Unter- u schied ist die Tatsache, daß sich jeder Arbeitstakt Über 27O" (nicht nur 180o) Wellenwinkel erstreckt. Die Welle dreht sich dreimal so schnell wie der Kolben, so daß während zwei Wellenumdrehungen acht Takte bzw. zwei vollständige Zyklen ablaufen. Folglich ist ein Einscheiben-KKM in bezug auf die Zahl der Arbeitstakte einem Zweizylinder-Hubkolben-Viertakter völlig gleichwertig. Weit aber, wie scfion ausgeführt, jeder Takt des KKM über 2700 reicht, ist die Gleichmäßigkeit der Drehmomentabgabe bei ihm bedeutend günstiger. In der Praxis äußert sich das darin, daß ein Zweifach-KKM einem üblichen Sechszylinder-HKM - etwa gleiche Drehmassen (GD2) vorausgesetzt - i m Un gleichförmigkeitsg rad gleichzusetzen ist. Bild 35 c enthält die Kurvendarstellung der Hubraumveränderung einer DKM-Ka- 3 : 2 -Masciine, bei welcher der Kolben feststeht, während das Gehäuse in der Art eines Planetenrades um seinen eigenen Schwerpunkt, gleichzeitig aber auch um die Mittelachse der Antriebswelle rotiert. Die Dic*rtteile und die die Kurven erzeugenden Punkte Iiegen im äußeren drehenden und die Kraft übertragenden Teil, während der dem Kolben entsprechende innere Teil die Form der Trochoide hat. Die Maschine hat auch drei Kammern mit veränderlichem Volumen, und während zwei Wellenumläufen finden zwei Zyklen statt. Kehrt man das Schema der in Bild 35 b und 35 c dargestellten Motoren in der Weise um, daß die Rotoren feststehen und sich statt dessen die bisher feststehenden Teile drehen, so erhält man den KKM Ka 3 :2 (Bild 36 b) und den DKM (Si) 2 :3 (Bild 36 c). Unter der Annahme, daß die Maßverhältnisse nicht geändert wurden, entsprechen die Kurven der Volumenänderung dieser zwei Maschinen ohne Zweifel denen der Dreizylinder-Viertakt-HKM aus Bild 36 a. Auf den ersten Blick sieht es aus, als ob Bild 35 b das gleiche wäre wie Bild 36 c und Bitd 35 c das gleiche wie 36 b. ln der Tat haben alle vier Motoren drei Kammern mit veränderlichem Volumen. Dieser Vergleich unterstreicht die Wichtigkeit einer sorgfältigen analytischen Betrachtung der Rotationskolbenmaschinen, denn eine bloße Zählung der Kammern führt leicht zu falschen Schlüssen. Dies wird durch die Darstellung 37 bis 40 bewiesen. Bild 37 und 38 beschreiben RKM, die anscheinend nur zwei Kammern mit veränderlichem Rauminhalt haben, jedoch (wie aus den Kurven zu ersehen) können diese Maschinen ein Aquivalent sowohl für 85 (a) Volumen-Veränderung von Zylinder Nr. 1 Volumen-Veränderung von ZYlinder Nr.2 Volumen-Veränderung von Zylinder Nr.3 KKM (Ka) 3:2 Volumen-Veränderung Kammer Nr. 1 Volumen-Veränderung Kammer Nr.2 Volumen-Veränderung Kammer Nr. 3 n (c) KKM (Si) 2:3 Volumen-Veränderung Kammer Nr. 1 Volumen-Veränderung Kammer Nr. 2 Volumen-Veränderung Kammer Nr.3 Kurbelwinkel 5600ß0 360ot0o r Bird 36 Zweizylinder- wie für Dreizylinder-HKM sein. lmmerhin ist es höchst unwahrscheinlich, daB einer der in Bild 37 oder 38 b und c gezeigten Motoren gebaut wird, wenn nicht irgendwelche zwingenden Gründe vorliegen. Die Betrachtung des Drehmomentverlaufs und des Schwingungsverhaltens legt eine unterschiedliche zeitliche Bemessung der einzelnen Phasen nahe. Sie vollenden aber sechsTakte innerhalb vier Wellenumdrehungen, so daß der SchluB erlaubt ist, daß sie einem Dreizylinder-HKM praktisch gleichwertig sind. Die in Bild 39 und 40 gezeigten RKM sind Drehkolbenmaschinen. Das bedeutet in Übereinstimmung mit Felix Wankels Buch »Einteilung der Rotationskolbenmaschineno, daß die zwei Komponenten, die die Kammern bilden, um ihre eigenen Schwerpunkte rotieren. 86 500 (a, 500 cm3 verdrängtes Volumen von Zylinder Nr.2 500 xrs"ts"z'l: Volumen; lzt 2 ö'ö'@ 12 5(X) cmt In Zyl. Nr.1 in Zyl. Nr. 12 -ö"ö 500 cms 500 cm3 @ 600 cm3 Kammer Nr.1 ö 1 VolumenKammer Nr.2 500 cm3 500 cm3 ln Kammer Nr.1 in Kam Nr.2 (c) cm3 500 crns 1 ln Zyl. Nr.2 tr? l;Zt 500 'ffi'ffinir ffiffiffiffiffiffi cm3 HKM rrerdrängtes Volumen von Zylinder Nr.1 Kammer Nr. 500 cm3 ln Zyl. Nr. Zweialinder arakf- cm3 1 I In Zyl. Nr. KKM (CI 3:2 500 cm3 in Kammer Nr.1 500 cm3 in Kam Nr.2 500 cm3 ln Kammer Nr.1 @@@@@@@@@ Xammer Nr.1 Kammer Nr.2 Bard 37 Die lngenieure Eiermann und Kühner, Mitarbeiter von Wankel, haben Formeln entwickelt, die eine schnelle Berechnung des Hubraums von RKM mit jeder möglichen Anzahl von Arbeitskammern erlauben. Sie lassen klar erkennen, daB - sich nicht schneidende - Trocfroiden und ihre entsprechenden Rotoren (Kolben) veränderliche Arbeitsräume bilden. Dabei ist es ohne Belang, ob diese Maschinen Drehkolben- oder Kreiskolbenmotoren sind. Die jeweiligen Maxima und Minima der Kammern sind gleich, vorausgesetzt, daß die Werte g, e, R und B ebenfalls gleich sind. Die Hubräume sind sogar die gleichen bei Hypotrochoiden- und Epitrochoiden-Maschinen, ohne Rücksicht auf die Art ihres Eingriffs oder auf die Lage ihrer kurvenezeugenden Punkte, gleichgültig, ob es sich um Si oder Sa (innenachsige oder außenachsige) (vgl. »Einteilung der Rotationskolbenmaschinen") Motoren handelt. Eine Rechenmethode, mit welcher man das Maximalvolumen finden kann, wurde bereits entwickelt, aber es mag zweckmäßig sein, zu prüfen, ob man auf verschiedenen Wegen zum gleichen Resultat kommt. 87 500 cmt 500 cma in Zit. Nr.1 - (a) 500 cm3 inZyl. Nr.2 'ffi nfrE ffi Dreizylinder HKM 4 Takt verdrängtes Volumen von Zylinder Nr. 1 in Zyl. Nr.'l 5nil milt ffit ffi verdrängtes Volumen von Zylinder Nr.2 verdrängtes Volumen von Zylinder Nr.3 (b) KKM (Ki) 3:2 Volumen-Veränderung Kammer Nr. 1 Volumen-Veränderung Kammer Nr.2 500 cm3 in Kammer (c) Nr.1 S00 cm3 500 cm3 in Ka.Nr.2 in Ka. Nr. @@ KKM (Sa) 2:3 Volumen-Veränderung Kammer Nr. 1 Volumen-Veränderung Kammer Nr. 2 2400 Kurbelwinkel 3600/00 Bird 38 Bohrung und Hub sind die für den Hubraum des Hubkolbenmotors bestimmenden Größen. Das Maximalvolumen ist Hubraum plus Kompressionsraum, wenn der Kolben im unteren Totpunkt steht. ln Bild 34 ist die seite des gleichseitigen Dreiecks a b c mal Läuferbreite (6.20) Das Kammervolumen ist (Ansaugvolumen : (A.," (Für z - A.io) B 2(n, .ri, f;) a Arbeitsvolumen) ^"tArbeitsweg dieser Ftäche ist 3 eingesetzt, da »der« wankelmotor einen dreieckigen Läufer hat.) 88 : : 500 cm3 500 cm3 in Zyl. Nr.1 ln Zyl. Nr. 2 500 cm3 ln Zyl. Nr.1 500 cm3 lnZyl. Nr.2 Zweizylinder (a) 4Takt-Hl(M {'T--.. Verdrängtes Volumen vdn Zyllnder Na 1 verdrängtes Volumen von Zylinder Nr.2 (b) DKM (lG) 3:2 Volumen-Veränderung, Kammer Nr. 1 hKammerNrlil'ödöböb ,'@'( \\ Volumen-Veränderung Kammer Nr,2 Volumen-Veränderungl Kammer Nr.3 500 cm3 (c) ln Kammer Nr.1 DKM (St) 2:3 Volumen-Verähderung Kammer Nr. 1 Volumen-Veränderung Kammer Nr.2 ."'l - -' too 500 cmÜ In Kammer Nr,2 cm3 Nr.3 ln Kammer -.!:::i S00 cm3 In Kammer Nr.1 @@@@@@@ Volumen-Veränderung lGmmer Nr.3 Kurbelwlnkel Bird 39 Dieser Weg wird wie folgt gefunden (6): Angenommen ein Rotor mit drei Ecken und eine feststehende Trochoide. Die Exzenterwelle muß drei vollständige Umdrehungen machen, damit der Rotor eine einzige Umdrehung macht. Eine Rotorseite bedeckt während einer Umdrehung 2 (3-1) "Arbeitswege« (Differenz zwischen Stellung A.", und Stellung A.fl. Wenn also die Exzentenrvelle während eines Arbeitsspiels sich um den Winkel c gedreht hat, gilt: 3'n 3-l (6.21) Der Arbeitsweg ist die senkrectte Entfernung des Mittelpunkts der Fläche von der Dreiecksseite (welche zwei Läuferecken verbindet), und jeder auf eine Rotorflanke wirkende Druck kann in eine durch den Flächenmittelpunkt im Abstand r von der Exzenterwellenmitte gehende Kraft venrvandelt werden. 89 500 500 cml 500 In Zyl. Nr.0 cm! ln Zyl. Nr.l ffimilüffiffiffiffi - (a) cm! ln Zyl. Nr.2 Drelrylinder 4 Takt HI(M verdrängtee Volumen von Zylinder Nr.1 verdrängtes Volumen von Zylinder Nr.2 verdrängtes Volumen von Zyllnder Nr.3 1 O) 500 c inK.Nr.z Klsr, (ltl) &2 Votumen-Verfuderung lGmmer Nr.1 Volumen-Veränderung l(ammer Nr.2 cms 500 In Kamäer Na (c) KKM (Sa) I 500 crns In K. Nr.2 2o Volumen-Veränderung Kammer Nr.1 Volumen-Veränderung Kammer Nr.2 Kurbehrlnkd Bird 40 [ ": [,o,undr: esinf o Die Grundwerte für dieses Integral sind: 3'n 3-r Der Arbeitsweg d2: s: 3.n "["^+a :o da: o1 3e *"['-cos(=) SO daß V - (A_r* - A.ir) B - R cm3 (6.22) Diese Formel vereinfacht sich zu V - 3y3 e Rr B- 51196 'e R1 B (6.23) für den Si 2 : 3-Motor (bei welchem Z : 3l und sin 60o : 1lz l/3 (Die obige Rechnung wurde von Ingenieur H. Kühner ausgearbeitet und zuerst im MTZ-Heft 3, März 1964, veröffentlicht und als Sonderdruck der Technischen Entwicklungsstelle der Fraunhofer Gesellschaft E. V., Lindau, herausgebracht) (6). Beispiel: Die Daten des NSUAAlankelmotors KKM 502, der im NSU ,Spider" eingebaut war, sind: e R a : 1,4cm : 10,0 cm - 0,2cm R1 :10,2cm g : B- 24,80 6,7 cm Das Volumen (unter Außerachtlassung der Kolbenmulde) V - A.,. : (A. + A-in-A*) B : 3 Y3€' R1' B - (A.or-A.i")B ez n- Rr, +. nr, ä + e Rr -+(aus - 1,96n-to4,o4# *ry : A*io 0.1 1) - F 1,4'to,z'3'ry32 107 11576 cmz - n- Rr, .f V- Gleichung + *, e2 ä- e.R1 32,95445 cmz (107 ,157 6 /3 - 32,95445) 6,7 : .ry (aus Gleichung O.1O) 497,'1'6177 cmB (entsprechend Gleichung 6.23) 3 - 11732 . lr4 . 1012 . 617 - 497 rl6lL7 cmg 3 e ' Rr ' B : - Das Volumen der Mulde im Kolben !äßt sicfr mit für die Praxis völlig hinreichender Genauigkeit bestimmen, indem man sie mit Plastilina ausfüllt, die Außenkontur mit der Kolbenkontur auf eine Höhe bringt und dann die herausgenommene Masse wiegt. Das spezifische Gewicht der Plastilina muß natürlich zuvor ermittelt werden. 91 6.5 Verhältnls Oberllftfie zu Volumen Das Verhältnis Oberfläche des Verbrennungsraums zu Volumen ist oft als eine Beziehung angesehen worden, welche Rückschlüsse erlaubt auf die Wechselwirkung zwischen dem Wärmeabfluß während der Verbrennung und den Abmessungen der Verbrennungskammer. Es ist jedoch durchaus zweifelhaft, ob diese Anschauung richtig ist. Gemeint ist mit dieser Beziehung das Verhältnis zwischen dem kleinsten Volumen, das sich einstellt, wenn der Kolben im oberen Totpunkt steht und der dann noch beteiligten Oberf!äche der Kammer. Es sei ein bestimmtes Zylindervolumen angenommen, ein halbkugeliger Zylinderkopf, der zu einem Zylinder von 76 mm Durchmesser paßt und ein üblicher Kolben. Betrachtet man die Kompressionsverhältnisse er : 10:1 und €g : 5:1, So ist das Verhältnis Oberfläche/ Volumen: für r : 10 :1 : 5:1 für r 136,09379 1,1842 0,8187 und 114,92424 1'842 "''!9-12?-: 258,57965 o,B1 - 144,64 cm-l Btocm-l : 1oo o/o o/o Das bedeutet, daß Motoren mit hohem Kompressionsverhältnis höhere Oberfläche/Volumen-Verhältnisse haben als solche mit niedrigefem €. Es gibt jedoch noch andere Einflüsse, die auf die Bedeutung des Oberf läche/Volumen-Verhältn isses einwi rken : 1. die Baustoffe, aus denen Zylinder und Zylinderkopf bestehen, insbesondere deren Wärmeleitzahlen ; 2. die Wandtemperaturen unter Arbeitsbedingungen; 3. die Werte von 1. und 2. ändern sich in dem Maße, wie ölkohle aufgebaut wird; 4. Form des Kompressionsraumes, Turbulenz des Gases, Zündzeitpunkt. Leider ist es aber nicht möglich, die zahllosen Einflußgrößen so genau zu bestimmen, daß man sie einer EDV-Anlage eingeben und so vergleichbare Werte erhalten könnte. Das Problem ist vielmehr so kom92 plex, daß man direkte Vergleiche zwischen HKM und KKM in bezug auf das Oberfläche/Volumen-Verhältnis gar nicfrt anstellen kann. Die Gasgeschwind g keiten sind völ I g verschieden, die Wärmeverl uste verhalten sich ganz anders, das Gas wird beim KKM mit dem Kolben i i herumbewegt. lmmerhin ist es nicht uninteressant, die wesentlichen Anteile der Trochoidenoberfläche und der Kolbenflanke zu berechnen. Bild 41 Ein etwas ungünstigeres Oberfläche/Vol.-Verhältnis erhält man, wenn man S entsprechend Gleichung 6.25 erredtnet, die aber in den meisten Fällen genügt, denn der Vergleicfr des O/V-Verhältnisses mehrerer Maschinen führt ohnehin a) zweifelhaften Ergeb- nissen. Genaue Resultate bekommt man mit den Gleicfrungen 3.3 a und 3.4 a (Bild 12), welche in rechtwinkligen Koordinaten die Werte für die Punkte auf der Kurve liefern. Die Länge des Trochoidenanteils, die sictr zwischen zwei Kolbenecken befindet, kann (unter Zuhilfenahme des Bildes 41) wie folgt errechnet werden: Länge s als geometrischer Ort von Punkt P x v -ecos3o+R1 Coso _esin3a+R1 sina dx - (-3esin a-R1 sin a)da (6.24) dy -(+3ecos3a+R1 cosa)da (9 r' sinz 3 a + R2 sinz o + 6 e R1 sin c sin 3 a) d az dx2 :- (9r' cosz3a + R2cos2a + 6eR1 cosocos3")daz dy' dx2 + dy' : 9 ez + Rr' + 6 e R1 (sin a sin 3 o + cos o cos 3 d az ") (9e' + Rr'+ 6eRrcos 2o)doz weil sin a sin 3 o * cos o cos 3 o : cos 2 a - I -2 sinz cl sin A sin B + cos A cos B cos (A - B) 93 l/ : J 19 ", + Rr, + 6 e R1 cos 2 r) d c : f y'l9r' +Rr'+6eR1 -I2eRrsinzalda: (6.25) wobei Das Ergebnis ist ein elliptisches Integral zweiter Ordnung. Wenn e und Rr bekannt sind, kann der Ausdruck mit Hilfe von Tabellen ausgerechnet werden. //-§" //§ c Ro: Rt -e+ R1 R1 -2e Bnd 42 Da die Kontur der Kolbenflanke von der gegebenen Aquidistante abgeleitet ist - einer zur errechneten Trochoide parallelen Kurve -, scheint es nicht gerechtfertigt, allzuviel mathematische Anstrengungen aufzuwenden, um die genaue Kontur der Kolbenflanke zu finden, vor 94 allem, wenn aucfr noch die unentbehrlicfie Kolbenmulde in die Berechnung einbezogen werden soll. Das Abmessen der Länge dieser Flanke mit üblichen MeBmitteln ge- nügt durchaus. Man kann sogar einen Kreisbogen ziehen, der mit der Kolbenkontur ungefähr zusammenfällt und die Länge des Bogens errechnen. Nach Bild 42 ist sin@: worin Ro Rr sin f Ro der Radius des entsprechenden Kreisbogens ist und @ die Hälfte des gegenüberliegenden Winkels. Dann ist die Länge des Bogens /. I _x.(z180o) n J und der von der Flanke gebildete Raum (angenähert, und ohne Berücksichtigung der Mulde) : R" Q- =?) 180 n. y (6.26) Die Kontur der Mulde legt es nahe, deren Oberfläche/Volumen-Verhältnis nach folgender Methode zu berechnen: " . ä:::;j* ;äffi# :": #:;' *'. (6 27, Wenn die Oberfläche der Kolbenmulde ermittelt wird, sollte nicht vergessen werden, daß die Fläche der Mulde, auf die Läuferkontur projiziert, immer mit eingeschlossen gewesen ist. Charles Jones, Chefkonstrukteur bei der KKM-Entwicklung von Curtiss-Wright, schrieb in seinem SAE-Paper 886 D im Jahre 1964: "Das Studium der Rotationskolbenmaschine steckt noch in den ersten Anfängen. Nichtsdestoweniger ist klar, daß eine neue Gruppe vergleichbarer Parameter speziell für diese Motorenart entwickelt werden muß. Zum Beispiel erscheint die vereinfachte Betrachtung des Oberfläche/Volumen-Verhältnisses als ein lndex für die Wärmeverluste wegen der verschiedenen Gasgeschwindigkeiten im lnnern des Motors, wegen der ungleichmäßigen Wärmeverteilung in den Metall95 teilen, wegen der unterschiedlichen Dicke des öttitms und wegen der Wärmeabstrahlung. Dieses Oberfläche/Volumen-Verhältnis ist 7.2 für den Motor§p RC-60 (von CW). Zum Vergleich: die üblichen amerikanischen Hubkolbenmotoren liegen etwa zwischen 4.5 und 10. Mit höherem und größerem Bohrung/ Hub-Verhältnis tendieren sie nach den höheren Werten. ln bezug auf Klingeln, Frühzündung und ähnliche Erscheinungen haben die Beobachtungen ergeben, daß die Rotationskolbenmaschinen auf das Verdichtungsverhältnis, die Ausbildung der Brennkammer und die Klopffestigkeit der Kraftstoffe im allgemeinen ganz ähnlich reagieren wie die üblichen Automobilmotoren. lnzwischen sind beträchtliche Erkenntnisse hinzugekommen, aber nur wenig davon ist - wenigstens bisher - der Veröffentlichung zugängIich. lmmerhin, Hochgeschwindigkeitsfilme vom Verbrennungsablauf haben enthüllt, daß die Verbrennung bei RKM in Drehrichtung verläuft. Bild 43 soll diese Neigung illustrieren. Meßpunkte, die den Grad der lonisation zu messen erlauben, haben diese Erkenntnisse bestätigt. { =onoounkt Exzentenrinkel 10o n. OT -€*entervlnht 4Oo n OT Bild 43 Flammenausbreitung bei der üblichen Kolbenmulde. Die Ausbreitung gescftieht in Drehrichtung. Doppelzündung sowie die Anordnung der Kerze im voreilenden oder im nactreilenden Teil der Kammern beeinflussen die Verbrennung ebenfalls. Bild 44 zeigt den scfinelleren Druckanstieg und die 96 schlankere Kurve des Expansionsverlaufs bei Doppelzündung. Bei n : 4000 U/min dauert die Verbrennung mit zwei Zündkerzen etwa 3 msec, mit einer Kerze dagegen 4 msec. Die unterschiedliche Wirkung der Doppelzündung und der Zündung mit nur einer Kerze ist in Ezenterwinkel P) 50 100 rnü of Emelzündmg Exzentenyinkel (o) Bald 4 rnü of Vergleich der Druckänderung über der Zeit eines NSU/Wankel KKM bei n : 5000 U/min mit voll geöffneter Drossel und a) mit einer Zündkerze b) mit zwei Zündkerzen gleichzeitig (jeweils 4 Arbeitsspiele nacheinander). Bild 45 dargestellt. Ahnliche Ergebnisse stellen sich ein bei n : 2000 U/min, wobei die Verbrennungsperiode natürlich etwas länger ist. (Siehe auch Seiten 155/156.) Betrachtet man die unendlicfr vielen Möglichkeiten der Ausbildung der Kolbenmulde und der Lage der Zündkerze oder -kerzen, so ist man sicher, daß die Entwicklungsingenieure noch manche Jahre mit der Klärung dieser Probleme beschäftigt sein werden. Zudem dürften die Einflußmöglichkeiten auf die Verbrennung noch zahlreicher sein als beim Hubkolbenmotor. Der Zweischeiben-Wankelmotor des NSU Ro 80 hatte ursprünglich zwei Zündkerzen pro Scheibe, seit Herbst 1969 dagegen nur eine Kerze pro Scheibe. Der Grund liegt darin, daB bei Ausfall einer der 97 (t t00 9. ö tr -ED I OT tGc E= .__ .*I=r.- -/. __ iß 'in tu o q v» 0 -f -^ ! bc lt I f = >5 rr - Doppelzünclung -"850 ?. op G g. ___r 233 g/PSh = 0'97 CD E 9E äE sä EF 8.& U'5 24 4 Zeit (Millisekunden) Zeit (msec) b) a) ?o 300 (, I E §6 () vY oTr.. o A 5,* 4oo T E CD g \, 3oo t00 0 zoo It' t; ,f-i !\ L}\ I v i Zeit (msec) 0 Zeit (msec) Bild45 Wärmeentwid«lung und spez. Wärmeentwicklung des NSU/VIankel bei 5000 U/min, voll geöffneter Drossel und a) mit zwei Zündkerzen gleichzeitig b) mit einer Zündkerze. KKM beiden Kerzen die Verbrennung anders verläuft, so daB unangenehme Überhitzungserscheinungen auftreten. Es ist jedoch leicht möglich, daB neuere Erkenntnisse später wieder zur Doppelzündung zurückführen. Aber es wäre vermessen, auf diesem so komplexen Gebiet Spekulationen anzustellen. Jedoch ist interessant, in welcher Weise sich das Oberfläche/Volumen-Verhältnis ändert, wenn sich der Kolben dreht. D. J. Lockley, M. Sc., vom B. S. A.-Forschungszentrum hat diese Veränderungen für die NSU-Maschine KKM 502 errechnet (Bild 30), ebenso wie die Beziehungen zwischen den Grundmaßen R und e und dem Oberfläche/Volumen-Verhältnis (Bild 31). Die Kurven machen deutlich, daß Vorsicht walten muß, wenn man das augenblickliche oder das maximale OberflächeiVolumen-Verhältnis kritisch beurteilen will. 98 7. Das Dichtsystem Die Abdichtung von Wankel-Kreiskolbenmaschinen stellt völlig andere Probleme, als man sie von den bekannten Hubkolbenmotoren her kennt. Welcherart diese Probleme aber auch sein mögen, sie sind in vielen Veröffentlic*rungen falsch oder übertrieben dargestellt und mit Versch leiß und Materialeigenschaften du rcheinandergebracht worden. Vergleichende Betrachtungen zwischen HKM und KKM können hier etwas weiterhelfen. So kann zum Beispiel der Verschleiß von Zylinderbohrungen bei HKM dadurch verringert werden, daß man geeignete Hochtemperaturöle verwendet, oder dadurch, daß besser zueinander passende Werkstoffe für den Zylinder und die Kolbenringe ausgewählt werden; man könnte z. B. die Zylinderlaufbahn verchromen. Die Wirksamkeit eines Dichtsystems ist stark abhängig von der Güte der Fertigung der einzelnen Teile und von den vorgeschriebenen Toleranzen. Kolbenringe zum Beispiel sollen ringsum an der Zylinderbohrung anliegen. Man muß unterscheiden zwischen den Gasdichtungsringen und dem ölabstreifring. Wie schon aus der Bezeichnung hervorgeht, sollen die gasdichtenden Ringe jeden Druckverlust durch Undichtheit so gut wie nur irgend möglich verhindern, um die erforderliche Kompression nicht zu beeinträchtigen, und ebenso soll das Hindurchtreten heißer Verbrennungsgase in das Kurbelgehäuse unterbunden werden. Der ölabstreifring soll nur gerade soviel öl an der Zylinderoberfläche belassen, daß es als dichtendes Medium zwischen Ring und einer Seite der Kolbenringnut wirkt und daß der Ring selbst nicht trocken läuft. Bei Kreiskolbenmaschinen benötigt man in jedem Fall ein Gasdichtungssystem; ein öldichtungssystem jedoch nur, wenn der Kolben durch öl gekühlt wird. Bei luftgekühlten KKM, bei welchen das Gehäuse von außen durch Luft und der Kolben durch das eintretende Frischgas gekühlt werden, sind die Verhältnisse ähnlich wie bei luftgekühlten Zweitakthubkolbenmotoren, um so mehr, als hier wie dort dem Kraftstoff ein gewisser Prozentsatz an Öl zugemischt wird. Man hat also eine " Frischölsctrmieruns «. pi6 Kraftstoff/Ol/Luftmischung tritt durch öffnungen im Kolben hindurch, der Kraftstoff wird in Gas über99 geführt und das verbleibende öl schmiert das Gasdichtungssystem und die Lager. Solche Motoren werden von Fichtel & Sachs serienmäßig hergestellt für stationäre Zwecke und für Schneemobile. 7.1 Uldic*rtungen Motoren, die vollständig flüssigkeitsgekühlt sind - NSU Spider KKM 502 oder 512 und der Motor des Ro 80 -, haben ein zweites Dichtt90 0 Bitd 46 Frühere Membrandichtung für das Kühlöl (NSU). l, ! 150 {6 a t- ! o l- T' E too \ 50 z\t # FI x 0 0.t 0a 05 0.4 05 06 Federdurcibiegung (mm) system, welches den unerwünschten Austritt von zuviel Lecköl aus dem Kolbenkühlkreislauf verhindern soll. (Natürlich muß der Kühlwasserkreislauf, der ja auch noch vorhanden ist, völlig dicht sein, wie das bei allen wassergekühlten Maschinen der Fall sein muß.) Ein früher verwendetes System einer Axialdichtung (Bild 46) machte Schwierigkeiten: es war nicht möglich, einen hinreichenden Kontakt zwischen der Dichtung und dem Seitenteil des Gehäuses unter allen vorkommenden Arbeitsbedingungen und bei nocfr annehmbaren Drükken si.cherzustellen. Das Problem war, wie bei allen Axialdichtungen, eine genügend ebene Fläche innen am Seitenteil zu bekommen oder aber eine entsprechend weiche Dichtung, die bei allen Drehzahlen eine innige Berührung mit der Seitenfläche hat, zu finden. Diese Seitenfläche wirft und verzieht sich begreiflicherweise unter dem EinfluB der Temperaturdifferenzen (eine Hälfte warm, die andere kalt) und der auftretenden Drücke. Spätere Dichtungsanordnungen (Bild 47 und Bild 48) verringerten 100 Überdruckventil Ausführung A Bild 47 Ausführung B Ausführung C Versdriedene öldidrtungen. Ausführung B hat sidt besonders bewährt. die Verluste von öl und Reibung bei höheren Drehzahlen und hatten daher einen wohltuenden EinfluB nicht nur auf die Leistung, sondern auch auf die toxischen Anteile des Auspuffgases. Kolbenringanordnungen als Wellendichtungen wurden zuvor schon bei Turbinen und am kraftabgebenden Wellenende von Rennmotoren verwendet. Bild 47 b zeigt ein etwas kompliziertes Konzept. Hier ist ein Überdruckventil vorgesehen, um den Gasdruck im Raum zwischen den Dichtteilen auf etwa 0,35 atü zu begrenzen, so daB ein sicherer Kontakt zwischen allen Dictrtflächen gewährleistet ist. Die näheren Zusammenhänge werden in dem Unterkapitel "Gasdichtungen" näher erläutert. Die Bilder 48 a und b, in denen Olverluste und Reibungsverluste dargestellt sind, mögen als Beispiel und Erläuterung dafür dienen, welche Bedeutung ein optimales Dichtsystem für den Motor (und seinen öl101 400 o,-' 360 320 )(-x -i -.-r§ r{ re - - - Kohle-Dichtungen, a,rial Kolbenringdlchtungen ölabStrelfef.VOfbelastet 280 E 240 ED o §,* E !, c E o 160 120 80 40 0 Bild 48 a u. 48 b Leckölmengen verscüiedener OlOicntungsanordnungen an NSU/ Wankel KKM. Wlas+ 2o 175 1,5 c\ § § 125 \s§ a a. 0ß 0,5 *ir6t:4 q2s 0 2000 30@ l-lotor-Drehz ahl t 000 U I min verbrauch!) in der Praxis hat. Die Kurven wurden erstmals veröffentlicht von Walter Froede (NSU) im Februar 1966 (8). Er betonte bei dieser Gelegenheit, daß die höchste noch vertretbare Drehzahl heute begrenzt ist durch zwei Faktoren: ölverbrauch und Kerzenlebensdauer. Eine hervorragende Lösung beschreibt W.-D. Bensinger (DaimlerBenz) (9). Das aus den Lagern austretende Ol (Bild 49) sammelt sich zwischen Kolbenseitenwand und Seitenscheibe, wird zum Teil vom drehenden Kolben mitgenommen und unterliegt dadurch der Fliehkraft. Die Oldichtung wird also stark belastet. Man hat nun den Kolben mit Kammern versehen (Bild 49), um das öl in Richtung der Bild 49 Sdrema der ölführung im Zellenkolben (Daimler-Benz) Pfeile abzuleiten. Weil der Kolben langsamer dreht als die Exzenterwelle, die Fliehkräfte aber in Richtung des Exzenters gehen, kreist das öl vorlaufend in der Kammer. Macht man die beidseitigen Öffnungen zum Kolbeninnern auf einer Seite kürzet, z.B. links, Bild 50, dann kann das öl nur auf dieser Seite austreten, es wird durch einen Schirm an der Exzenterwelle, der dreimal so schnell dreht wie der Kolben, zur Seitenscheibe abgeleitet. Die öldichtung selbst (Bild 50, rechts) ist einfach und betriebssicher. Zwei Tellerfedern drücken zwei Gleitringe an. Die Olrückführung ist in Bild 51 klar zu erkennen. 103 Bild 50 Zellenkolben mit Doppelgleitring (DB) Bild 51 Zellenkolben, ötrüct<tührung Ein sehr bedeutender Vorteil wird sozusagen nebenbei erreicht; der Kolben wird gerade dort, wo es am nötigsten ist, am besten gekühlt. Bild 52 zeigt dies ganz klar. 300 t Pcl o Schmetzstift o Sclrmelzstif t eschmolzen nicht ousgesctrmolzen TGSTENKOLBEN OHNE öINÜCXI.AUF 280 260 240 220 200 ffi Bild 52 Kolbentemperaturen mit und ohne ölführung (P. Jl : : 9,5 kp/cm2, 5500 U/min) 7.2 Die Gasdidrtung Der Zweck von Kolbenringen beim HKM und Dichtteilen beim KKM besteht darin, das Entweichen von öl bzw. Gas zu verhindern. Eine Disposition dazu ist zweifelsfrei zwischen dem Kolben und den Kammerwänden gegeben, denn die Spiele, die von Haus aus vorgesehen sein müssen, ändern sich aufgrund wechselnder Gasdrücke und wechselnder Temperaturen, wie schon auf Seite 62 ausgeführt. Hier ist folgender Vergleich zwischen Kolbenring und Dichtleiste interessant: Wenn sich ein Kolbenring abnützt, wird er in radialer Richtung dünner. Dadurch vergrößert sich mehr und mehr der Kolbenringstoß, d. h. die Dichtheit läßt nach. Die Dichtleiste (Scheitelleiste) kann bei gröBeren Motoren bis 2,5 mm Höhenverlust erleiden, ohne daß ihre Dichtheit im geringsten beeinträchtigt wird (9). 105 Fehler, die an einem Motor im Zusammenhang mit den Dichtteilen auftreten können, sind: Startschwierigkeiten, Leistungsverlust, schlechter Leerlauf, Geräusche und erhöhter Anteil an giftigen Bestandteilen im Auspuffgas. Bei Hubkolbenmotoren ist es üblich, drei Kolbenringe vorzusehen, von denen zwei im wesentlichen für die Abdichtung sorgen, während der dritte ein ölabstreifring ist. Mehr als drei Ringe werden kaum benützt, aber ein Hersteller von Höchstleistungsmotoren gibt bei manchen seiner Typen iedem Kolben nur einen Ring, um die Reibungsverluste zu verringern. lm Wankel-Kreiskolbenmotor sind die Anforderungen an die Dichtteile anders, als bei Hubkolbenmaschinen, bei welchen die Dichtringe am Ende eines jeden Hubes zu einem ganz kurzen, aber doch völligen Stillstand gelangen. Die Kolbengeschwindigkeit des HKM verändert sich ständig und hat ihren höchsten Wert kurz oberhalb Hubmitte. Bild 53 zeigt ein typisches Kolbengeschwindigkeitsdiagramm zusammen mit einem typischen Verschleißbild der Zylinderbohrung. Der Verschleiß ist im allgemeinen dort am kleinsten, wo die Kolbengeschwindigkeit am höchsten und die Schmierung am besten ist. Das Verschleißbild des Zylinders ist dabei in der Längsachse der Kurbelwelle anders als in der Querrichtung. Deshalb müssen Kolbenringe eine außerordentliche Anschmiegungsfähigkeit besitzen, wenn sie eine an keiner Stelle unterbrochene Berührung mit der Zylinderoberfläche behalten sollen, und zwar über den ganzen Hub und bei allen Drehzahlen. Bild 53 Beziehungen zwischen Kolbengeschwin- digkeit und Verschleiß der Zylinderboh- rung eines bestimmten Hubkolbenmotors. Nur wenn verschmutztes öl die Zyilnder- wand erreicht, ist in der Nähe des unteren Totpunktes ein etwas erhöhter Ver- schleiß festzustellen. Kolben-Gesctrwindigkeit 106 Zylinder,terscfileiß (im 0) Wenn man vom Verscfrleiß und der unentbehrlichen, wichtigen Rolle des Schmieröls einmal absieht, kann man annehmen, daß die Ringe Flächenberührung mit der Zylinderbohrung haben. Dabei ist folgende Überlegung wichtig: Oberhalb des Kolbens herrscht mindestens während drei der vier Takte ein höherer Gasdruck. Er drückt den Ring an die untere FIäche der Nut und drückt ihn von hinten, also von innen, an die Zylinderlaufbahn, solchermaßen die eigene dem Ring innewohnende Federkraft unterstützend. Schließlich muß noch bedacht werden, daB der Undichtigkeitsweg bei iedem Zylinder führen kann: a) um den Kolben herum, b) durch die Ventilsitze. Die Dichtung zwischen Zylinderblock und Zylinderkopf kann als praktisch völlig gasdicht gelten. ln ähnlicher Weise kann man sich den "Undichtigkeitsweg« beim Kreiskolbenmotor, z. B. beim NSU/Wankel KKM 502, wie folgt vorstellen: Auf beiden Seiten des Kolbens Spiel in axialer Richtung, Länge vom öldichtungsring zum Berührungspunkt an der Kolbenspitze plus Länge von zwei Dichtleisten. Bei luftgekühlten Motoren kann ein weiterer, noch längerer Weg hinzukommen, weil das Frischgas quer durch den Kolben gesaugt wird. Offensichtlich bestimmt also die Anordnung der Dichtmittel oder deren Abmessungen nicht den tatsächlichen "Undichtigkeitspfad,,, der, der Definition entsprechend, der Querschnitt ist, durch den Flüssigkeit oder Gas einen unkontrollierten Weg nehmen können. Angenommen, das Ventil eines Flüssigkeitsbehälters sei voll geöffnet und der kritische Querschnitt, der die Menge der in der Zeiteinheit austretenden Flüssigkeit bestimmt, ist der AuslaBstutzen selbst und ist von Größe und Lage des Ventils völlig unabhängig. Wenn das Ventil geschlossen wird, beginnt es die ausfließende Menge in dem Moment zu beeinflussen, in dem sein Querschnitt kleiner wird als der des Ausflußstutzens, von Form und Art der beiden Querschnitte einmal abgesehen. Dieser Vergleich paßt auf jedes Dichtsystem, wie verwickelt es auch sein mag und es paBt auch auf dasjenige des KKM. Keine gültigen Schlüsse können gezogen werden aus der Addition oder aus dem Vergleich der Längen der primären oder sekundären Dictrtflächen von Hubkolbenmotoren einerseits und Einfach-Wankelmaschinen andrerseits. Bild 54 a zeigt das heute allgemein angewendete Dichtsystem. Nur 107 seitliüe Dicfrtfläche Dicfitleiste Gasdrud< Kolben Trodroide Diclrtstreifen märe Didrtflädre atL- Drehridrtung sekgndäre Dichtflädre elnteilige Dldrilelste Drehrlc?rtung \ dreltelllge DidrflEtste Bild 54a Eine der Feinheiten dieser Dichtungsanordnung besteht darin, daß jede Dichtleiste (Scheitelleiste) und die ihr zugehörigen Dicht- bolzen einander benachbart und Teile eines wohldurchdachten Dicht- systems sind. Manche Dichtleisten bestehen aus drei Teilen, um einen etwaigen VerschleiB an den Stirnseiten aufzufangen. 108 an der Stelle, wo die "Dichtstreifen« (die seitlich sitzenden Bogenleisten) an die Dichtbolzen anstoßen, gibt es bei den einzelnen Herstellern von KKM-Motoren gewisse Abweichungen. Bei Fichtel & Sachs z. B. läßt man die Dichtstreifen (Bogenleisten) an der Außenkontur des Dichtbolzens enden, und zwar symmetrisch auf beiden Seiten. Das Spiel zwischen Dichtstreifen und Dichtbolzen ist etwa 0,2 mm (wenn das andere Ende des Streifens am Dichtbolzen anliegt). Jede Kammer ist abgedichtet durch zwei Dichtleisten (Scheitelleisten), vier Dicfrtbolzen und zwei Dictrtstreifen. ln Bild 54 b ist ein System gezeigt, bei welchem jeweils zwei Dicht- Dtcht System des NSU/Wankel-Moüors Dlcht Leiste *.-:,",.,{-4 il#:tfit ooq i Dicht Streifenfeder Dicht-Streifen Bild 54 b Dieses ist ein schon wieder überholtes Dichtsystem. Doppelte Dichtstreifen verbessern die Dichtheit, aber sie sind teuer und ergeben mehr Reibung, sie verschlechtern also den mechanischen Wirkungsgrad. lnzwischen ist man wieder zum einfachen Dichtstreifen zurückgekeh rt. 109 streifen in geringem Abstand voneinander angeordnet sind, womit der Dichtheitsgrad zweifellos etwas erhöht wird. Dem stehen als Nachteile gegenüber die größeren Reibungsverluste (die den durch bessere Dichtheit zu verzeichnenden Leistungsgewinn ziemlich genau wieder auffressen) und die unangenehmere Fertigung und schlieBlich der fühlbar höhere Preis. W.-D. Bensinger, der Leiter der Motorenentwicklung (einschließlich Wankelmotoren) bei Daimler-Benz, hat festgestellt (10), daß ein Dichtsystem der beschriebenen Art die ihm zugewiesene Aufgabe nur dann erfüllen kann, wenn die primären und sekundären Dichträume in einem nirgends unterbrochenen Kontakt sind. Die primären Dichträume sind jene, welche sich zwischen den Einzelteilen des ganzen Dichtsystems und dem feststehenden Gehäuse (Trochoide und Seitenteile) befinden, wobei das Dichtsystem als mit dem Kolben rotierendes Ganzes betrachtet wird. Als sekundäre Dichträume werden die Räume angesehen, die sich infolge der notwendigen Spiele und Toleranzen zwischen den einzelnen Dichtteilen und den Nuten bilden, in denen sie sitzen. Wenn hier lückenlose Dichtheit gefordert wird, so ist das natürlich cum grano salis zu verstehen, denn Toleranzen sind schon aus Fertigungsgründen unerläßlich. Ein Kontakt "Metall auf Metall" ist auch gar nicht wünschenswert, weil leicht Freßerscheinungen auftreten könnten. So muß also für einen Ölfilm gesorgt werden, der nicht nur den Verschleiß ganz erheblictr vermindert, sondern auch dem Gas den Durchtritt verwehrt. Eine unterstützende Rolle spielt dabei der Gasdruck selbst. Alle insgesamt 15 Dichtelemente werden durch Federn an ihre Gegenflächen angedrückt, damit der Motor zunächst einmal gestartet werden kann. Zwischen zwei benachbarten Kammern herrscht - mit Ausnahme eines bedeutungslosen, kurzen Augenblicks - immer eine Druckdifferenz, so daß der höhere Druck in der in Bild 55 dargestellten Weise die Dichtleisten, -streifen und -bolzen von hinten an die primären Dichtflächen andrückt, und zwar um so stärker, je notwendiger (aus eben diesen Gründen) eine gute Abdichtung ist. Daß diese Theorie der Anpressung der Dichtteile durctr den Gasdruck stimmt, ist leicht nachzuweisen: Man montiert alle Dicht" teile ohne Federn, der Motor wird mit den üblichen Anlaßdrehzahlen nicht anspringen. Bringt man ihn aber mit einem Elektromotor auf etwa 3000 U/min, wobei die Kompressionsdrücke hoch genug werden, springt die Masctrine an und läuft bis zu den höchsten Drehzahlen 110 genausogut und mit der gleichen Leistung wie sonst mit den Dichtteilefedern. t'Gasdrud« P,)Pa Bild 55 Darstellung der Wirkungsart des Dichtsystems. Hier im Schnitt zwei Dichtstreifen. sekundär€ Didttflädto prlmäre Dldrtfläche Druckabfall Zusätzlich zu diesen funktionellen Forderungen muß das ganze System aber auch in der Lage sein, Fertigungstoleranzen und die bei Erwärmung unvermeidlichen kleinen Maßänderungen aufzunehmen, ohne daß die Wirksamkeit dabei beeinträchtigt wird. Bild 55 ist ein Schnitt durch den Teil des Kolbens, in dem zwei Dichtstreifen sitzen. Man erkennt, was als primäre und was als sekundäre Dichtflächen bezeichnet wird und man erkennt die Druckverläufe an diesen Fläcfien. Es wird auch verständlich, welch große Bedeutung ein Olfitm an diesen Stellen hat. Das ö1 füllt nicht nur die mikroskopisch kleinen Rauheiten der Oberflächen aus, sondern bildet einen hydrodynamischen ölkeil, der auch bei größeren Drücken die Berührung Metall auf Metallverhindert. Wie schon erwähnt, muß ein Dichtsystem nicht unbedingt genauso aussehen wie die in den Bildern 23 b und 54 a und b gezeigten. Es gibt Abweichungen in bezug auf den Anschluß der Dichtstreifen an die Dichtbolzen und an die wichtigen Dichtleisten. (Scheitelleisten werden ebenfalls verschieden ausgeführt.) Es gibt zweiteilige oder dreiteilige Scheitelleisten, die zwar ein Maximum an Dichtheit ergeben, aber recht teuer sind, und es werden mit bestem Erfolg auch einteilige Leisten verwendet, die bedeutend weniger kosten. Wenn man die für das Dichtsystem eines Wankelmotors wesenilichen Punkte zusammenfaßt, ergibt sich folgende Aufstellung: Aufrechterhaltung des unentbehrlichen Laufspiels unter allen vorkommenden Bedingungen und Temperaturen. 2. Das Dichtsystem jeder Kammer besteht aus Dichtleisten, Dicht1. 111 streifen und Dichtbolzen, die alle so beschaffen sein müssen, daß sie sowohl auf den Primär- ais auch auf den Sekundärdichtflächen einen praktisch lückenlosen Kontakt ergeben. 3. Das System muß in der Lage sein, Fertigungstoleranzen und unterscfiiedliche Wärmeausdehnungen ohne fühlbare Einbuße an Dichtheit zu ertragen. 4. Die Dichtfunktion hängt ab vom Vorhandensein ausreichender ölmengen und von den Gasdrücken, die während des Startens durch die Anpreßfedern ersetzt werden. 5. Das Dicfrtsystem muß den Kontakt an den primären und sekundären Dichtflächen auch dann aufrechterhalten, wenn entgegengerichtete dynamische Kräfte oder Gaskräfte auftreten. 6. Es versteht sicfr, daß die erwähnten Bedingungen nur dann erfüllt werden können, wenn die Dichtelemente entwedqr im festen oder im beweglichen Teil des Motors sitzen, niclrt in beidbn. 7. Es ist unmöglicfr, eine zufriedenstellende Abdichtung zu erreichen zwischen mehr als zwei gröBeren Komponenten. Dichtung ist möglich entweder zwischen einem feststehenden Gehäuse und einem Kolben (wie im Wankel-Kreiskolbenmotor) oder zwiscfien zwei bewegten Teilen, wie im ursprünglichen NSUA/Vankel-Drehkolbenmotor, aber nicht zwischen einem feststehenden Gehäuse und zwei bewegten Teilen, weil sonst die Berührung an einer Primärdichtfläche vom Gehäuse auf ein bewegtes Teil, von diesem auf das näcüste bewegte Teil und von da wieder zurück auf das Gehäuse springen müBte. 7.9 Dle seitlidren Dlchtteile Die seitlichen Dichtteile machten - im Gegensatz zu den Scheitellei- von Anfang an kaum Schwierigkeiten. Es bestand niemals auch nur der Verdacht, daß sie Rattermarken erzeugen könnten und über ihre Haltbarkeit bestanden niemals Zweifel. Als einmal die richtigen Werkstoffe für die Dichtteile und die Oberfläche der Seitenteile gefunden und eine ausreichende Schmierung sichergestellt war, gab es allenfalls manchmal noch Probleme für die Fertigungsingenieure. Es ist klar, daß, die Fläche des Seitenteils völlig eben sein und genau senkrecht zur Wellenachse stehen muß. Wer Wasserpumpendichtun- sten 112 gen (Kohledichtungen) für Hubkolbenmotoren kennt, weiß um diese Probleme. Beim KKM sind die Dinge etwas einfacher: Ein leichter Federdruck ist nur zum Anwerfen des Motors nötig, später übernimmt der Gasdruck das Anpressen der Dichtungen. 2. Dichtstreifen, die in gewissen Grenzen flexibel sind, sind vorteilhaft. Schließlich erleichtert die Tatsache, daß der Kolben nur ein Drittel so schnell dreht wie die Welle, das Anschmiegen der Dichtteile und erhöht ihre Lebensdauer. 1. 7.4 Die Dicfitleisten (Sdreitelleisten) Die sehr komplexen Einflüsse auf das Verhalten der Dichtleisten sind anfänglich nicht in ihrem ganzen Ausmaß erkannt worden, und so ist die Meinung entstanden, der KKM leide grundsätzlich an Dichtungsschwierigkeiten. Man muß sich also etwas gründlicher mit den Einzelheiten beschäftigen. Wie in Kapitel 3 ausgeführt, ist die Epitrochoide am Motor eine Aquidistante, damit unnötige Radialbewegungen der Scheitelleiste vermieden, der Wärmeübergang und die Schmierung verbessert und bessere Lebensdauerwerte erreicht werden. Die offenbar weitverbreitete Meinung, daB die Scheitelleiste gegenüber der Trochoidenlaufbahn nur Linienberührung habe, so daß keine zufriedenstellende Dichtung zustande kommen könne, ist falsch. Eine Linienberührung ist wegen der Elastizität der Baustoffe praktisctr gar nicht zu erreicfien. Linienberührung würde sdlbst bei kleinsten Anpreßdrücken spezifische Belastungen hervorrufen, die theoretisch unendlich groB sind und leicht voraussehbare Wirkungen haben würden. Die Wirklichkeit zeigt, daß das nicht der Fall ist und daB also tatsächlicft von der Ausbildung eines ölkei ls begünsti gte Flächenberührung vorl iegt. Wenn man die extremen Arbeitsbedingungen betrachtet, unter denen das Dichtsystem eines Wankelmotors arbeiten muß und heute einwandfrei arbeitet, ist man eher geneigt, diese Entwicklung zu bewundern. Gegenwärtig kann man sagen, daß das schmale "Dichtband" und die infolgedessen hohen spezifischen Flächendrücke dazu neigen, die Oberflächen sowohl der Leisten als auch der Trochoide so glatt zu macfren, daß für das unbewaffnete Auge irgendwelche Mängel gar I 113 nicht erkennbar sind, während Rattermarken oder vorzeitiger Verscttleiß sehr wohl ohne weiteres festgeste!!t werden könnten. Wenn ein Dictrtsystem neu konstruiert wird, speziell Dicfitleisten, sollten einige wicfrtige Punkte nicht außer acht gelassen werden. Leider ist es nicht möglich, dafür zu garantieren, daß zu jeder Zeit und unter allen vorkommenden Umständen ein tragfähiger ölfilm vorhanden ist. Dieser Umstand zwingt dazu, dafür zu sorgen, daB die für die Dichtleisten einerseits und für die Gegenflächen andererseits gewählten Materialien zusammenpassen. Leider hat sich bislang noch keine Methode finden lassen, mit der solche passenden Materialien ausgesucht werden könnten, etwa nach Härte, Atomgewicht, Kristallstruktur oder anderen ciemischen und physikalischen Eigenschaften. Bisher konnten Erfolge nur durcfi UbelFOun9en und sinnvolles Probieren erarbeitet werden. Zahlreiche Metallspritzverfahren und galvanische Methoden, bestimmte Metallniederschläge auf der Trochoidenoberfläche und den Seitenteilen zu erzeugen, sind untersucfrt worden. Bisher sind vier Kombinationen gefunden worden, welche bei geringstem VerschleiB keinerlei ,Rattermarken" entstehen lassen. Solche Rattermarken entstanden bei den ersten Wankelmotoren auf der Trocfioidenlaufbahn manchmal schon nach einigen hundert Laufstunden. Dabei waren die Dichtleisten aus einem perlitischen Spezialgrauguß und die Trochoidenlaufbahn hatte eine Hartchromschicht in einer Dicke von etwa 0,2-0,3 mm. Diese Erscheinungen waren es, die seinerzeit das Gerücht von den Bild 56 Dichtleistengeschwindigkeit während einer Kolbenumdrehung. Die Grundwerte dieses Motors: R - 84 mm e - 11 mm also 114 R e- 8!:T,o4und g-zgo. 11 »Dichtungsschwierigkeiten beim Wankelmotor« in Gang brachten. !nzwischen gehören diese Dinge längst der Geschichte an. Bei folgenden Kombinationen treten Rattermarken nicht auf: Trochoiden- Dichtleisten Seitenteile Dichtstreifen Hartchrom Spezialkohle Molybdän, aufgespritzt, 0,2mm stark perlitischer Grauguß (wie Kolbenringe) aufgespritzte Hartmetalle Spezialgrauguß aufgesp ritzl, Bronze, Grauguß oder Stahl 10 % Molybdän 90 o/o Stahl Weicheisen Grauguß, galvanisch aufgebrachte Nikkelschicht mit eingebetteten SiliziumCarbid-Kristallen (1 1) perlitischer Grauguß (wie Kolbenringe) AUS IKA von Goetze oberf läche 0,2mm stark nitriert oder induktionsgehärtet perlitischer Grauguß (wie Kolbenringe) perlitischer aufgespritzter Stahl oder über- Grauguß (wie Kolbenringe) eutektische Al-Si-Legierung, wie KS 281 .1 (das ganze Teil) Sicherlich werden noch andere Kombinationen gefunden werden, denn die Forscfrungen werden überall fortgesetzt, vornehmlich mit dem Ziel, noch einfachere, billigere Lösungen zu finden. Die Gleitgescfrwindigkeit, mit der sich die Scheitelleiste während 120o Kolbendrehung über die Oberfläche der Trochoidenlaufbahn bewegt, ist nicht konstant, sondern sp verläuft zwischen einem Maximum und einem Minimum, weil die Exzentrizität e der Drehung des Kolbens um den Exzenter überlagert ist. Die Gleitgeschwindigkeit der Scheitelleiste kann für ieden Winkel mit Hilfe folgender Formel gefunden werden (Bild 56): .,r.:?@ (7.1) 115 Bild 56 zeigt ein Polardiagramm der Dichtleisten-Gleitgeschwindigkeiten. (Zum Vergleich die Kolbengeschwindigkeiten eines Hubkolbenmotors; siehe auch Bild 53.) Die beim Hubkolbenmotor gegebenen Bedingungen sind, gerade in bezug auf den Zylinderverschleiß, eindeutig ungünstiger als beim Wankel-Kreiskolbenmotor in bezug auf den Verschleiß der Trochoidenlaufbahn. Die Bilder a und b lassen einige Kräfte erkennen, die auf die Dichtleisten einwirken. Die bei weitem größte unter ihnen ist die 57 / (b) Reibungskraft ausgeführte Trocftoide ü§/ C. F. = Fliehkraft C. G. = Sdtwerpunkt ."s/ .7 Bild 57 ln Bild a ist der Gasdruck P, 9röBer als P, während in Bild b gezeigt werden soll, was gesdtieht, wenn P, gröBer als P, wird. Die Didtleiste wird jetzt gegen die Reibungskraft an die andere sekundäre Dicfrtllädre angelegt. Gaskraft, wenn sie auch - ebenso wie die Resultierende aus allen Kräften - bei der Drehung ständig wecfiselt. Unter der Annahme, daB der Kolben mit der Dichtleiste sich von der kurzen Trochoidenachse her im Uhrzeigersinn dreht (Bild 57 a, wo P1 gröBer als Pz ist), wandert die Berührungslinie zwischen Dichtleistenkuppe und -laufbahn von der Radialen (vom Kolbenmittelpunkt ausgehende Linie) nach minus 9. Somit ist die aus der Gaskraft herrüh rende Anpreßkraft + 116 asin e) l-PzB (a-asin e^) (7.2) Darin ist go der tatsächliche Winkel am Radius der Dichtleistenkuppe bei der entsprechenden Kolbenstellung und B ist die Breite der Kammer. lm dritten und vierten Viertel wandert die Berührungslinie durch das positive Gebiet des Winkels (* 9) rund um die Dichtleistenkuppe, und die obige Formel heißt dann: nru { 2a-(a+ asin e) }. PrB (a-a sin e^) (7.3) Berecfinet man die Gaskräfte, die die Dichtleiste an die Laufbahn andrücken, und berücksicfrtigt man die Druckschwankungen, so kann man damit ein weiteres Polardiagramm zeichnen. Wenn man noch die Fliehkraft mit elnbezieht, die während eines Umlaufs ebenfalls zwischen einem Maximum und einem Minimum wechselt, und auch noch die AnpreBkraft der Feder berücksichtigt, erhält man ein recht genaues Bild der Arbeitsbedingungen des Motors für einen bestimmten Betriebszustand. Das sehr niedrige Gewicht der Federn kann man einfach dem Leistengewictrt zuschlagen, um die genaue Lage des gemeinsamen Schwerpunkts zu finden. Die Grundformelzur Ermittlung der Fliehkraft c : m'r' 'Jc'z läBt sich Ieicht modifizieren, wenn man den wechselnden Abstand des Schwerpunkts von der Drehachse berücksichtigen will: @t2' m L cma, cmin . .) ,,, .m - (; : (1 -.) (7.4) a)t2. m Eine Kippstellung wie in Bild 57 b kann unter Umständen den Gasfluß unter der Leiste völlig sperren. Der Motor des Ro 80 besitzt deshalb Dicfitleisten mit kammartig eingefrästen oder eingeschliffenen Vertiefungen (Bild 58). Der Gasdruck ist jetzt nicht mehr gehemmt und die Leiste kippt kaum noch und erzeugt demzufolge auch keinerlei Geräusche. Man muß auf die etwas unbestimmten Bedingungen achten, die in dem Augenblick eintreten, wenn P2 größer als P1 wird, wobei die 117 Komponente der Reibungskraft (Bild 57) überspielt werden kann. Unter diesen Einflüssen kann die Dichtleiste sogar an ihre voreilende FIanke angekippt werden. + Bild 58 + + + + + + 0.+ + ++ + + Um den Druck schneller unter der Leiste wirksam werden zu lassen, werden in der voreilenden Flanke einige kammartige Vertiefungen angebracfrt, so daB der Druck auch dann wirksam wird, wenn die voreilende untere Kante der Leiste an der Nutwand anliegt. Wegen der schwankenden Umfangsgeschwindigkeit der Leiste treten auch Trägheitskräfte auf, die sie an die eine oder andere Flanke anzulegen versuchen. Es ist denkbar, daß die Leiste unter all diesen Einflüssen kurzzeitig ihrer Anpreßkraft beraubt ist und so in bestimmte Schwingungen gerät, welche die Bildung der Rattermarken hervorriefen. Doch sind dies nur Vermutungen, denn bisher hat aucfr in den kostspieligsten und raffiniertesten Versuchen nicht geklärt werden können, wie und warum die Rattermarken wirklich entstanden. Diese Frage hat aber erfreulicherweise ihre ursprüngliche Bedeutung inzwischen gänzlich verloren, nachdem es gelungen ist, durch Wahl geeigneter Werkstoffe die Rattermarkenbildung völlig zu unterdrükken. Die Größe der aus der Massenträgheit herrührenden Kraft, die senkrecht zur Radialen wirkt, ist Iu - e at2 'm sin2a fN.r*: + e (Dt'miIN*io:-e c}t? 'm (7.5) Während es ziemlich einfach ist, die rund um die Trochoide auftretenden Temperaturen zu messen (Bild 59), ist es viel schwieriger, herauszufinden, ob die Dichtleisten unter allen vorkommenden Betriebs118 zuständen ausreichend gescfimiert sind. lmmerhin ist festzustellen, daB auf der Trochoidenlaufbahn sich ein durchaus genügend guter Schmierfilm hält über den ganzen Leistungsbereich der Maschine hinweg. Dichtleisten, die gar keine Schmierung brauchen, erscheinen nicfrt von vornherein unmöglich und werden Gegenstand einer speziellen Entwicklung sein. Aluminium-&häu* Gruugu0- mit verclvornter Laufbahn gnhrfuse\ 2src Bild 59 Temperaturverlauf rund um die Trochoide eines KKM, bei dem keinerlei Maßnahmen ergriffen wurden, die Temperaturdifferenz zu verringern. Bei Grauguß sind die Differenzen wegen dessen sdrlechter Wärmeleitfähigkeit weit größer als bei Aluminium (die Temperaturen wurden gemessen 1 mm unter der Oberfläche der Laufbahn). Das heutige Dichtsystem hat sich als durchaus genügend und haltbar erwiesen. Besondere Verdienste um seine Entwicklung hat sich die Firma Goetze in Burscheid erworben. Die wesentlichen Punkte seien noch einmal wiederholt: 1. Ununterbrochener Konta(t sowohl auf den Primär- wie auch auf den Sekundärdichtflächen 2. Anwesenheit von Ol 3. Das System muß Fertigungstoleranzen und Maßänderungen durch hohe Temperaturen verkraften können 119 4. Das System macht vom Dichteffekt des Gasdrucks Gebrauch, ausgenommen während des Anlassens 5. Außerhalb des Systems müssen niedrigere Drücke herrschen, wenn eine Abdichtung bewirkt werden soll. / Es ist kein Zweifel, daß ein weiteres Studium des Dichtsystems und der mit ihm zusammenhängenden Verschleißerscieinungen auch noch weitere Fortschritte im Verhalten des Wankel-Kreiskolbenmotors bringen wird. 120 8. Die Gassteuerung, Vor- und Nachteile von Seiten- und Umfangseinlaß; Gasgeschwindigkeiten und volumetrischer Wirkungsgrad Die Leistung von Verbrennungskraftmaschinen hängt in ausschlaggebendem Umfang davon ab, welche Mengen vom Brennstoff/LuftGemisch in die Zylinder oder Verbrennungskammern hineinkommen. Das Ansaugen des Gemisches, der Füllung oder des Gases, wie es auch immer genannt werden mag, wird ermöglicht durch die Druckverringerung im Zylinder oder in der Kammer, wenn sich der Kolben nach seinem unteren Totpunkt bewegt. Das Ausmaß dieser Druckverringerung hängt ab von dem Grad der Volumenvergrößerung, dem Ventil- bzw. Schlitzquerschnitt, der Länge und dem Querschnitt des Ansaugrohres, dem Vergaserdurchlaß, der Stellung, Größe und Lage der Drosselklappe, dem Luftfilter bzw. Ansauggeräuschdämpfer und nicht zuletzt auch vom Auspuffgegendruck. Die Ventilöffnung und -schließung beeinflußt den Ansaugvorgang bis etwa zu dem Punkt, an welchem der Ventilöffnungsquerschnitt die gleiche Größe hat wie der noch freie Durchgang an der Drosselklappe. Nach diesem Augenblick geht der steuernde EinfluB an die Drosselklappe über, kehrt aber dann zum Ventil zurück, bis dieses ganz schließt. Es ist vielleicht nicht einfach, sich den immerwährenden Wechsel der Kontrollfunktion von der Drosselklappe zum Ventil und wieder zurück vorzustellen. Der Gasfluß wird immer vom kleinsten Querschnitt beeinflußt, gleichgültig, ob dieser gerade am Ventil, an der Drosselklappe oder am Startvergaser gegeben ist. ln der Praxis macht sich dieser Wechselzyklus zwischen Ventil und Drossel normalerweise nicht bemerkbar. Es wird hier auch nur deshalb davon gesprochen, weil dieser Wechsel beim KKM anders verläuft als beim HKM. Eine Schlußfolgerung über die Unterschiede erlauben die Kurvendarste!lungen in Bild 7 b bis e. Man sieht, daß ein Tellerventil nur während eines kurzen Augenblicks vollptändig geöffnet ist, weil das öffnen und Schließen verhältnismäßig lange Zeit in Anspruch nimmt (Bild 7 a), während beim KKM die Einlaß- und AuslaBschlitze über einen großen 121 Teil der Wellenumdrehung geöffnet bleiben. Der ötfnungs- und SctrtieBungsvorgang geht demgegenüber sehr scinell. Bei entsprechender Ausbildung der Schlitzkanten ist Jogar ein fast schlagartiges öffnen möglich. Das Schema des Wechsels der Gasgeschwindigkeiten im Ansaugsystem des KKM ist daher auct nictrt das gleiche wie beim HKM. Neben den soeben erläuterten Unterschieden sind die Schlitze, wenn UmfangseinlaB vorliegt, beim KKM niemals geschlossen. Die Dichtleiste streift über den Einlaßschlitz und schließt ihn dann fast schlagartig ab, hat ihn aber inzwischen schon für die nächste Kammer freigegeben. Die vom Vergaser her andrängende Gassäule wird also beim KKM praktisch nie unterbroc-lren im Gegensalz zum Hubkolben-Zweitaktoder Viertaktmotor, wo entweder der Kolben oder das Einlaßventil den Gasstrom für eine gewisse Zeit absperren. Man kann feststellen, daß die einströmende Gasmenge abhängt vom Schlitzquerschnitt und von der Dauer seines Offenseins, bezogen auf eine Kammer. Eine gegebene Gasmenge kann entweder durch einen kleinen Schlitz, der entsprechend lang geöffnet ist, oder einen großen Schlitz, der nicht so lange otfen ist, eintreten. Aus verständlichen Gründen werden die großen Schlitze bei Zweitaktmotoren allgemein vorgezogen, aber noch größere Breiten werden beim KKM gewählt, weil die Ansaug- und Auslaßphasen möglichst vernünftig innerhalb der Werte üblicher Viertakt-KKM liegen sollten. Obgleich sowohl Auslaß- als auch Einlaßschlitz dieselbe Gasmenge bezogen auf das Gasgewicht - zu bewältigen haben, stellt doch jeder seine eigenen Forderungen. Der Auslaßschlilz z.B. soll das schnelle Entweichen der verbrannten Gase sicherstellen, unterstützt von möglichst geringer Drosselung innerhalb des ganzen AuslaBsystems. Beginn und Ende des Auslaßtaktes sind durch die jeweilige Konstruktion festgelegt. Ausgesprochen frühes öffnen bedeutet lauteres Auspuffgeräuscfr, weil der Druck höher ist; spätes öffnen gibt gedämpftere Geräusche, aber stärkere Rückwirkung auf den EinlaBvorgang. Gleichwohl wird die Uberlappung der Ansaug- und Auslaßvorgänge mit Rücksicht auf den gewünschten Drehzahlbereich gewählt. UmfangseinlaB ergibt große Überlappungswinkel und ermöglicfrt Mitteldrücke bis 11 kp/cm2, Seiteneinlaß dagegen nur bis etwa 8,5 kp/cm2 (8). Seiteneinlaß erlaubt wesentlich kürzere Uberschneidungen auf Kosten 122 später Einlaßöffnung, etwa im oberen Totpunkt oder gar noch später. ln Übereinstimmung mit der umfänglichen Literatur über die Strömung von Gasen und Flüssigkeiten durch Ausflußöffnungen, können trotz zahlenmäßig gleicher Ausströmquerschnitte sehr verschieden große Ausströmungen auftreten, je nachdem, wie die betreffenden ötfnungen in den Behälter integriert sind. So ist z. B. die Ausströmmenge bei einem AuslaBschlitz mit scharfen Kanten in der Trocfroide nur 75 0Ä von derjenigen Menge, welcfre ausströmen würde, wenn die Kanten an der Trochoide entsprechend gerundet wären. Höhere Ausströmungen wären auch erreichbar, wenn die Auspuffanlage einen konvergierenden und divergierenden Querschnitt nach Art eines Venturirohres hätte. Es ist nicht leicht, alle diese Strömungstheorien auf Verbrennungsmotoren anzuwenden - Zweitakt oder KKM -, weil aucfi andere Einflußgrößen in Betracht gezogen werden müssen, die bei manehen Betriebsbedingungen vorherrschen können. ln der Praxis sind scharfkantige, sehr schnell und zum richtigen Zeitpunkt öffnende Schlitze sicherlich vorzuziehen, weil die plötzliche Druckentladung in der Kammer eine Unterdruckwelte erzeugen kann, die das Ansaugen des Frischgases begünstigt. Die meisten untersuchten Wankel-KKM haben scharfe Kanten an der Trochoide, nur einige haben kleine Radien an dieser Stelle. Im allgemeinen ist die Lage ähnlich wie auf dem Gebiet der Zweitaktmotoren, wo solche Feinheiten nur dann PIatz finden, wenn sie mit dem Zweck und dem Anwendungsgebiet auch vereinbar sind. Solche Betrachtungen haben ihren Sinn vor allem dann, wenn höhere Drehzahlen und gröBere Leistungen verlangt werden als gemeinhin üblich. Sei dem wie ihm wolle, Gase oder - bei Kraftstoffeinspritzung - Lutt müssen in die Verbrennungsräume bei jedem Verbrennungsmotor eintreten, aber das Verhältnis von. V* zu V, : rhot ist bei den einzelnen Konstruktionen sehr verschieden. V, _ tatsächlidr v. angesaugtes Gasvolumen ' 100 0/o theoretisch ansaugbares Gasvolumen beide bezogen auf den vorliegenden Luftdruck und die Umgebungstemperatur. Um den EinfluB von Luftdruck und Temperatur auszuschalten, bezieht man die Gasmenge lieber auf das Füllungsgewicht und erhält dann den Füllungsgrad oder Liefergrad. (9.1) 123 I Die dabei erhaltenen Werte (% mit der Luftuhr gemessen) liegen bei luft- und gasgekühlten Wankelmotoren zwischen 0,5 und 0,65, bei ölgekühltem Läufer und wassergekühltem Gehäuse kann bis 1,2 erreicht werden. Die Formel 8.1 läßt sich auf jede Maschine mit veränderlichem Hubraum anwenden, gleichgültig, ob HKM oder KKM. Es wäre aber falsch, eine mathematische Beziehung zu suchen zwischen dem Querschnitt des Ansaugschlitzes und dem volumetrischen Wirkungsgrad. Natürlich ist geringer Druckabfall im Ansaugsystem eine Vorbedingung für einen guten Füllungsgrad und für hohe Drehzahlen. Nicht nur der Schlitzquerschnitt, auch die Zeitpunkte für das öffnen und Sctließen - genau wie die Ventilzeiten bei HKM - haben einen bestimmenden EinfluB vor allem auf den Drehzahlbereich der Masc{rine. Der Füllungsgrad wird auch beeinflußt von der Erwärmung, die das angesaugte Gasgemisch auf seinem Wege vom Vergaser bis zum Ansaugraum erleidet. Bei kleinen Wankelmotoren, deren Kolben durcfi das hindurchströmende Friscfigas gekühlt werden (vgl. Kapitel 10), ist der Füllungsgrad gering, denn das Gas heizt sich von ca. 20o bis auf ca. 120o und mehr auf, die Gasdichte sinkt also beträchtlich. Würde man dieses Opfer nicht bringen, so wären Iuft- und gasgekühlte KKM wegen Überhitzung nicht möglictr, aber auch so sind Literleistungen von 60 bis 70 PS leicht erreichbar. Andere Betrachtungen mögen es geraten erscheinen lassen, die Temperaturen am Gehäuse gleichmäßiger zu verteilen. Man könnte 1. die heiße Seite besonders stark kühlen (das wird praktisch bei allen Motoren schon getan), 2. die kalte Seite durch eine entsprechende Führung der Auspuff- 3. gase aufheizen, 1. und 2. gemeinsam anwenden. Die Bilder 60 und 61 zeigen schematisch die Anordnung der Vorwärmung an Saugrohr und Seitenteilen beim Toyo Kogyo-Zweischeibenmotor, und wie Bild 62 erkennen läßt, ist eine weitgehende Nivellierung der Gehäusetemperaturen offenbar erreicht worden, und zwar ohne dabei Leistung zu opfern. Der Effekt dieser Vorwärmung ist, daß die Gehäusetemperatur bei n : 3000 U/min bei Punkt A um 51,2o C anstieg, während sie am heißesten Punkt E um 12,20 C sank. 124 Art deg Elnlaßsystems Sfach Vergaser und kombinierter Einlaß Sfach Vergaser und Seiteneinlaß öffnungszeiten 3facfr- | Vergaser 2tach Vergaser und Seiteneinlaß , stück l3fach-Vergaser Einlaß U 39o nach OT 39o nact OT öffnet S 1030 voi' 39o nach OT Ein U 33o nach UT 33o nach UT S 42o nactt UT 52o nacü UT aß scfi ießt Auslaß öff net Auslaß schließt 680 vor OT UT 57o nach OT 680 vor UT 57o nach OT Bild 60 Ubersicht über die Ansaugsysteme verscfriedener Toyo Kogyo-Zweisch eiben motoren. Bei n : 6000 U/min wurden am Punkt A A3o C mehr und bei Punkt E 10o C weniger erreicht. ln gleichem Maß verringerten sictr die in Folge der Temperaturdifferenzen unvermeidlicherweise auftretenden Spannungen im Material. Es ist interessant festzustellen, daß der Temperaturanstieg bei Punkt A bei 5000 U/min denjenigen von 6000 U/min übersteigt, woraus auf eine speziell für diesen Motor richtige Temperaturverteilung geschlossen werden kann. Dieser Toyo Kogyo-Motor enthält noch andere neuartige Merkmale außer dem System der Temperaturverteilung. So kann er z. B. mit einem Dreifachvergaser versehen werden, dessen Leerlaufgemisch in einem besonderen Kanal seitlich in die Ansaugkammern geleitet wird, während das für höhere und höchste Leistungen bestimmte Gemisc*r durch eine mit entsprechenden Drosselklappen gesteuerte Ansaug125 Vorwärm- und ..Hot epot"-Svstem Bild 61 Gemiscfivonrärmung an Toyo Kogyo-Zweisdleibenmotoren. leitung den UmfangseinlaBscftlitzen zuströmt (Bild 60). Dies ist die Vergaseranordnung beim Hochleistungsmotor, der 118 Brems-PS leistet und der dennoch bis herab zu den Leerlaufdrehzahlen gleichmäBig und leise läuft. Bild 7 a bis e war mit Vorbedacht so dargestellt worden, daß Ventileröffnungskurven und Schlitzötfnungskurven direkt miteinander verglichen werden können. Das wiclrtigste ist aber nicht der Kurbelbzw. Exzentenrvellenwinkel, sondern öffnungsbeginn und -ende in Relation zu den Volumenänderungen innerhalb der einzelnen Motoren. Drückt man die Überlappungsperioden aus als Prozentanteil an den einzelnen Takten - 1800 a 100 olotür Hubkolbenmotoren und 2700 a 1000Ä für Kreiskolbenmotoren -, so stellt man fest, daß der Überlappungsbereich von 20 geprüften Hubkolbenmotoren bei 55 0Ä liegt, während er beim NSUAAIankel KK 502 auf 74 0/o ansteigt bei höherer Belastung, also wenn der Umfangseinlaß in Tätigkeit ist, aber im Leerlauf und bis zu 30 0Ä Last nur 45,401o beträgt. Der Toyo Kogyo-Motor indessen hat 6,7 0Ä Übertappung, wenn der 126 Mantaltemp*ahlren (Vollar$ lre-I 5020F +Y 'I,OOO U/mln rto---- --+(a0@ U/mln --- 62 'tOO0 U/mln ,(---- --+(5p00 U/min E.-.6.000 U/min 5'o0o U/mln niüt vorgewärmt Bild G +X B Vergleictr der Temperaturverteilung rund um die Troctoide bei verschiedenen Drehzahlen mit aufgewärmtem und nicht aufgewärmtem kalten Bogen (Toyo Kogyo-Zweischeibenmotoren). Die gleichmäßigere Temperatu rverteilu n g mit Vorwärmun g verringert Wärmespannungen i m Gehäuse. Seiteneinlaß allein arbeitet, aber 59,3 0Ä im oberen Lastbereich, wenn der Umfangseinlaß zugeschaltet ist. Jedoch, die Überlappungsbereiche haben beim Wankelmotor keinesfalls die gleiche Bedeutung wie bei den HKM. Diese Anomalie 127 rührt daher, daB der Beginn der öffnung und Schließung der Sctrlitze nominell bei bestimmten Wellenwinkeln geschieht, entweder durch das Vorbeistreifen der Dichtleisten an den Umfangseinlaßschlitzen oder durch Freilegen der seitlichen Einlaßscttlitze, während die tatsächlicfie Überlappung von Beginn und Ende der Kolbenmulde in jeder Kolbenflanke bestimmt wird. Bei Umfangseinlaß wird der Einlaßschlitz schon geöffnet, bevor der Auspuffschlitz geschlossen wird. Zwar bringt das notwendige Spiel zwischen Kolbenflanke und Trocttoide eine gewisse Hemmung des Gasflusses mit sich, aber man kann nicftt von einer Abdichtung sprechen, um so weniger, als die Mulde die Verbindung zwischen den beiden Schlitzen erheblich erleichtert. Dasselbe geschieht auf der heißen Seite in der Nähe der Zündkerze. Dort wird der Verbrennungsraum scheinbar in zwei Teile geteilt, die aber über die Mulde miteinander in Verbindung stehen. Sicherlich wird aber an dieser Stelle im Augenblick der Zündung eine an sich höchst wü nschenswerte Ve rwi rbe u n g stattf i nden. Obwohl in 7 b bis e die Kurven von nur vier KKM dargestellt sind, kann man doch daraus klar sehen, daB Beginn und Ende der Schlitzöffnung ausschließlich vom Konstrukteur bestimmt werden. Am Umfang, also in der Trochoidenoberfläche, angeordnete Schlitze können nicht eher geöffnet und später geschlossen werden, als in den Kurvendarstellungen zu sehen, wenn man nicht das Erreichen der gewünschten Kompression des Gases aufs Spiel setzen will. Entscheidend ist dabei das Maß von Dichtleiste zu Dichtleiste. Trotz dieser Beschränkung ist aber genügend Spielraum vorhanden, um die Schlitzkanten so auszubilden, daß das öffnen und Scfrließen, je nach Wunsch des Konstrukteurs, schlagartig oder allmählich erfolgen. Die öffnungs- und Schließungskurven von seitlich sitzenden Einlaßschlitzen (die Auspuffschlitze sind immer in der Trochoide) sind im wesentlichen sinusförmig. Leider kann der Beginn der öffnungsperiode nicht einfach bis zum oberen Totpunkt oder gar noch darüber hinaus vorgerückt werden, ohne in bezug auf die anderen wichtigen Punkte, die bei der Konstruktion beachtet werden müssen, etwas zu opfern. Die Überlappung kann wohl ein wenig verringert werden, aber der Konstrukteur muB gutes Drehmoment und entspreciende Leistung gerade bei niedrigen Drehzahlen anstreben. Die Kombination von Seiten- und Umfangseinlaß in Verbindung mit Dreifach- und neuerdings Vierfachvergasern bei den Toyo Kogyo-Motoren zielt ganz klar darauf ab, die sich entgegenlaufenden Forderungen nach einem I 128 hohen Drehmoment bei geringem Verbrauch und niedrigen Drehzahlen einerseits und höchste Leistung bei hohen Drehzahlen andrerseits einigermaßen miteinander zu vereinbaren. Die gezeigten Beispiele, einschließlich NSU-KKM 502 mit »primären und sekundären" Einlaßscfrlitzen, erschöpfen jedoch kelnesfalls all die Möglichkeitenund Alternativen, die sich bei weiterem Forschen in dieser Richtung noch ergeben werden. Bei Hubkolbenmotoren können die Ventilzeiten innerhalb außerordentlich weiter Grenzen gewählt werden, so, wie die verlangte Leistungskurve es erfordert. Leider erstreckt sich aber diese Freiheit in der Wahl nicht auf die Ventilbetätigung, einmal wegen der Massenträgheit des Ventilantriebs, zum anderen wegen der begrenzten Kräfte der Ventilfedern, die die Ventile in der erforderlicften kuzen Zeit wieder auf den Sitz drücken müssen. So werden also durcfiaus nicht zu durclrbrechende Grenzen gesetzt, nicht zu vergessen, daß die Federn meist in sehr engem Raum untergebracht werden müssen. Zwangsgesteuerte Ventile könnten vielleicht den Beginn der Schwierigkeiten etwas in das Gebiet noch höherer Drehzahlen verschieben, sie bringen aber dafür andere Probleme mit sich. Für den Wankel-Motor ist der Umfangseinlaß besser geeignet als der Seiteneinlaß, wenn es darum geht, hohe Drehzahlen und hohe Leistungen zu erreichen. Dabei spielt gar nicht allein die Steuerung des Gases eine Rolle, sondern die Richtung, in der es in die Ansaugkammer einströmt. Das Bild 63 zeigt die Leistungskurven eines klei- Bild 63 Vergleicfr zwisdren seitlidrer Einströmung des Gases (S) und Einströmung am Umfang (U). Zwar wird ein Teil des EintaBkanals in das Seitenteil vom Kolben zeitweilig abgedec-kt, aber dem Gas bleibt der Weg durcfr die großen Bohrungen im Exzenter dauernd offen. 129 nen, für stationäre Zwecke bestimmten KKM mit luftgekühltem Gehäuse und gasgekühltem Kolben. Das Frischgas wird vom Kolben gesteuert, es tritt aus dem endseitigen Seitenteil aus, strömt quer durch den Kolben und wird dann durch einen Kanal im abtriebsseitigen Seitenteil um 180o umgelenkt, damit es seitlich in den Verbrennungsraum eintreten kann. Dadurch ergibt sich die Leistungskurve "S-Einlaß". Lenkt man den Gasstrom aber so ins Trochoidengehäuse hinein, daß er radial, also vom Umfang her, in die Ansaugkammer gelangt, wobei das Gas sogar um 2700 umgelenkt wird, so hat man einen Leistungszuwachs um rund 10 olozuvatzaichnen (U-Einlaß). Beim Viertakt-HKM ist die mittlere Gasgescfrwindigkeit, die sich an den geöffneten Ventilen einstellt, maßgebend für die Höchstleistung, aber sie hat auch Einfluß auf die Drehmomentcharakteristik im niederen Drehzahlbereicfr. Beim Coventry-Climax-Formel-l-Rennmotor ergibt sich bei Höchstleistung eine Gasgeschwindigkeit von mehr als 120 m/sec. Offenbar tritt im Verbrennungsraum auch noch bei niedrigen Drehzahlen eine gute Verwirbelung des Gases auf, so daß eine günstigere Verbrennung für einen guten Drehmomentverlauf sorgt. Die Eintrittsgeschwindigkeiten bei üblichen Viertakt-HKM Iiegen selbst bei n : 5000 U/min viel niedriger. Die Konstrukteure gehen verschiedene Wege bei der Bemessung der EinlaBventile, aber wie auch immer, hohe Gasgeschwindigkeiten sorgen für einen guten volumetrischen Wirkungsgrad und damit nicht nur für hohe Maximalleistung, sondern auch für ein gutes p.. irTr unteren Drehzahlbereich. Die mittlere Gasgeschwindigkeit bei Höchstleistung eines Motos ist das Produkt aus mittlerer Kolbengeschwindigkeit und Kolbenfläche, bezogen auf den effektiven Ventilquerschnitt. M ittlere Gasgeschwindig keit vs D d S n : -: - : D2's'n m/sec . , d, 3ooo Zylinderbohrung (mm) Ventildurchmesser (mm) Hub (mm) Drehzahl (min-1) Für den Wankel-KKM wird diese Formel zweckmäßigerweise folgendermaßen abgeändert: M ittlere Gasgescfrwind Vu 130 (-/sec) : ig keit (8.2) Dabei ist berücksichtigt, daß die Einlaßperiode über dreiviertel Wellenumdrehung reicht, also über 2700, und nicht nur über 180". lm Falle des NSU-KKM 502 (NSU-Spider-Motor) ist die mittlere Gasgeschwindigkeit bei n : 6000 U/min :67,44 m/sec Man müßte aber beim KKM noch mit einem zusätzlichen Faktor rechnen, weil über einen Teil der Schlitzöffnungsperiode der effektive Querschnitt der ötfnung durch die Nähe der Kolbenflanke bestimmt wird. AuBerdem ist der Verbrennungsraum sowohl auf der heißen Seite wie auch gegenüber zwischen den zwei Schlitzen geteilt durch die in Ricfrtung der kurzen Achse sich befindende Einschnürung der ,+tSt ::-::-ä: - '-...-...-20P 200 v. oT v. oT v. oT v. oT 0.T. OT -..-..-400 -.-.-6t' - - -goo ai4NPQ Bild 64 S Io oT oT n. or/ n.OTr PN Gasgeschwindigkeiten beim NSU KKM 502 bei n mit symmetrischer Mulde. n. n. - 6000 U/min, Kolben 131 Trochoide. Die beiden Hälften sind aber jeweils durch die Kolbenmulde miteinander verbunden. Form und Größe der Mulde werden letzten Endes durch das gewünschte Kompressionsverhältnis bestimmt. Die Verwirbelung hat zweifellos einen positiven Einfluß auf die Verbrennung, und ganz sicfier lassen die Forschungen auf diesem Gebiet noch einiges erwarten. Bei den bisherigen Versuchen waren die Kolbenmulden - mit wenigen Ausnahmen - symmetrisch. Dr. W. Froede sagte bei seinem James-Clayton-Festvortrag am 8. Februar 1966 (8), daß bei symmetrischen Mulden die Tangentialgasgeschwindigkeiten ungefähr 65 m/sec erreichen könnten, aber etwa 150 m/sec betrügen, wenn die Mulde im voreilenden Teil der Kolbenflanke liegt. I fh(gr ,------r--.iBd -o--.'-.---§f r.--..-0-----{f -...-...-D...-...- 2d OT ,Err...rrr-...-fQ0!r-r..-rnx-..{00 .rr.-.-.600 .rr----800 lfi-N V. OT V. OT V. OT V. OT OT n. OT n: OT n. Of n. OT P Bild 65 Gasgescfrwindigkeit beim NSU KKM 502 bei n : 6000 U/min, aber mit Kolbenmulde im voreilenden Teil der Kolbenflanke. 132 Die Bilder 64 und 65 illustrieren diese Zahlen, deren Bedeutung mehr und mehr erkannt wird. Ultrakurze Momentaufnahmen von der Verbrennungsphase - innerhalb des KKM -, die von Gurtiss-Wright in den USA und Toyo Kogyo in Japan gemacht worden sind, zeigten, daß die Flammenausbreitung von zwei Faktoren abhängt; sie addiert sich nämlich zu der Geschwindigkeit der umlaufenden Ladung und tut dies in Abhängigkeit von der Masse der Ladung. Diese Erscheinungen wurden bewiesen durch entsprechend angeordnete Ionisations-Detektoren. Der Verbrennungsablauf wird auch von der Lage der Einlaßschlitze beeinflußt, man muB also zwisc*ten Seiten- und Umfangseinlaß genau unterscheiden. Auch das Verhalten des Motors im Schub, eine bei Fahrzeugmotoren äußerst wichtige Sache, hängt damit zusammen. Bild 60 ist die schematische Darstellung eines Motors von Toyo Kogyo mit zwei Ansaugleitungen, von denen eine zum Seiteneinlaß führt (Teillast), die andere zum UmfangseinlaB (Vollast). Die genannte japanisctre Firma hat inzwischen Motoren entwickelt, die mit Seiteneinlaß die gleictre Leistung haben wie mit Umfangseinlaß. 133 9. Schmierung Man kann ruhig annehmen, daß die modernen Schmiertechniken und Schmiermittel einen großen Anteil haben am Erfolg des Hubkolbenmotors. Trotzdem weiß man über das Gebiet der eigentlichen Schmierung noch verhältnismäßig wenig. Das wird deutlich, wenn neue Schmierprobleme auftauchen, wie z. B. im Falle des KKM. Jedes Schmier-"Problem" ist ein verwickelter Komplex, den man am besten erst einmal weitgehend aufspaltet in einzelne Begriffe; nämlich: 1. die Arbeitsbedingungen der Masctine 2. Schmierstoffeigenschaften 3. Einflüsse aus Verdampfung und Verbrennung des Schmiermittels 4. physikalische und chemische Veränderungen unter den jeweiligen Betriebsbedingungen Der komplizierte Charakter dieser Dinge wird noch dadurct erhöht, daß die Betriebsbedingungen - gerade bei Motoren - durch mehrere Einflußgrößen laufend verändert werden: 1. wechselnde Drehzahlen 2. Temperaturen (Umgebungstemperaturen können sich in sehr weiten Grenzen ändern, etwa -40o C bis *600 C). Die Betriebstemperaturen hängen stark vom Belastungszustand des Motors ab. 3. Zustand der Oberflächen der arbeitenden Teile, z. B. gehärtet oder nicht, geschliffen, geläppt, neu oder schon gelaufen usw. 4. Auswahl der Werkstoffe, die aufeinander gleiten. Ingenieure und Olchemiker müssen auf diesem Gebiet zusammenarbeiten, insbesondere müssen aschearme öle gefunden werden oder mindestens müssen die Rückstände, wenn sie sich schon nicht ganz vermeiden lassen, weich und pulverig sein, damit die Dichtelemente nicht festbrennen. lm Falle des Wankelmotors muß man unterscheiden zwischen den 134 Anforderungen, die von Exzenterwelle, Gehäuseflächen, Verzahnung und Dichtteilen an das Schmiermittel gestellt werden. Welche Rolle dem ö1 bei der Vervollkommnung der Abdichtung zukommt, wurde schon in Kapitel 7 auseinandergesetzt. Bei flüssigkeitsgekühlten KKM gibt es im allgemeinen keine Schmierungssorgen, denn es steht aus dem Kreislauf für die Kolbenkühlung genügend öl zur Verfügung, so daß Lager, Zahnräder und selbst die Dichtteile keine Not leiden. Hier muß man eher gegen zu große Leckölverluste kämpfen, die den ölverbrauch leicht in unerwünschte Höhen treiben. Weil die Temperaturen bei wasser/ölgekühlten Motoren nicht so hoch werden wie bei lufVgasgekühlten, tritt auch kaum ölkohle auf. lmmerhin, ö1, das aus dem Kreislauf entwichen ist, hat keine Chancen, wieder dahin zurückzukehren, es soll die Trochoide mit einem ölfitm versehen und schließlich so rückstandsarm wie möglich verbrennen oder unverbrannt mit dem Auspuffgas ins Freie gelangen. Auch im folgenden Punkt ist der KKM dem HKM weit übertegen: nur vier Teile sind einem nennenswerten Verschleiß ausgesetzt, nämlich die drei Scheitelleisten und die Oberfläche der Trochoide. Die Dichtfunktion des öls setzt eine angemessene Menge öl und eine passende ölqualität voraus, so daß - entsprechend Kapitel 7 - die primären und die sekundären Dichtflächen ausreichend benetzt sind. Die Temperaturen in der Gegend der Dicfrtfläcten dürfen weder Verdampfung noct Verkokung des öls bewirken, sonst könnten die Dichtleisten durctr ölfohle festbrennen. Das aber würde das Versagen der Dichtfunktionen zur Folge haben. Diese Erscheinung ist dem Festbacken der Kolbenringe beim HKM absolut gleich (»ringsticking"). Hier ist am sichersten Abhilfe zu schaffen durch Wahl eines der vom Motorenhersteller ausdrücklich empfohlenen öle. Es soll gar nicht verschwiegen werden, daß der KKM auf das verwendete öl empfindlicher reagiert, als es HKM gemeinhin tun. Die Laufbedingungen der Dichtleisten sind bereits in Kapitel 7 abgehandelt worden, aber es bleibt noch etwas nachzutragen. Weder HKM noch KKM würden eine Lebensdauerfrage kennen, wenn es möglich wäre, einen tragfähigen und an keiner Stelle unterbrochenen OIfilm unter wirklich allen Umständen und Laufbedingungen aufrecht zu ethalten. Die Tatsache, daß es Verschleiß überhaupt gibt, ist nur damit zu erklären, daß hier und da und hin und wieder metallische Berüh135 rung stattfindet. Auf der ganzen Primärdichtf!äche ist das sehr wahrscheinlich der Fall. Man muß sich vorstellen (im Mikroskop), daB die beiden Oberflächen gebirgige Zacken und Täler haben, die mit öl aufgefüllt sind oder sein sollten. Der Verschleiß beginnt, wenn die höchsten Zacken, die den öltilm durchstechen, abgebrochen werden, während jene, welche nicfrt entfernt werden können, damit fortfahren, mehr oder weniger tiefe Rillen und Nuten in das Gegenstück einzugraben. Es kann auch vorkommen, daß abgebrochene Teilchen sich irgendwo anhäufen und damit zu weiterem VerschleiB beitragen. An jedem länger gelaufenen und demontierten HKM kann man solche Spuren sehen. Zwiscfien dem Dicfrtsystem und den Kammenränden gibt es eine "Schmierung im Grenzbereich", die von den Fachleuten der British Petrol Comp. in einem Buci »lndustrial Lubrication" so beschrieben worden ist: "Dünnfilm oder Grenzschmierung. Die Definition der ,Grenzschmierung< hat schon viele Experten beschäftigt. Sie ist vielleictrt am besten zu beschreiben als die Schmierung von OberIlächen durch so dünne ölfilme, daß der Reibungskoeffizient von der Struktur des öles sowohl als auch von der Art der Oberflächen beeinflußt wird, aber die Viskosität des öles spielt eine relativ geringe Rolle. Diese Definition vermeidet Verwechslung mit Trockenschmierung und Schmierung durch einen einwandfreien ölkeil, läßt aber die Deutung zu, daß Zwischenzustände eintreten. Ein flüssiges Schmiermittel zwischen zwei Lageroberflächen kann einen mikroskopisch dünnen ölfilm bilden, der die Gleitreibung zwiscten den zwei Flächen verringert. Die Spitzen der größten Zacken mögen sich noch berühren, aber das »lneinandergreifen« geschieht nur in sehr beschränktem Ausmaß, so daß der Reibungswiderstand vergleichsweise gerin g bleibt. Verschiedene chemische Zusätze zu den Schmierölen können deren Eigensctaften unter Grenzbedingungen verbessern. Manche dieser rAdditives< gehen mit der Oberfläche der Lager eine chemische Reaktion ein, um einen äußerst dünnen Belag aus einem festen Schmiermittel zu erzeugen, der die beiden Oberflächen trennt, um Freßerscheinungen zu vermeiden. Solche öle sind bekannt als rExtreme Pressure« (EP) Scfi mierö1e." Die inneren Wände des Verbrennungsraums sind dem brennenden 136 Gas ausgesetzt und können beträctttliche Temperaturen annehmen (Bild 59), so daß die Viskosität des öls verringert wird und sogar Verdampfung, Verbrennung und Vercrackung des öls auftreten können. Spezialfilme vom Verbrennungsprozeß in Dieselmaschinen, die schon 1927 von der Fa. Ricardo & Co. aufgenommen worden sind, sowie Fotografien aus anderen Quellen bestärken die Ansicht, daß die Flamme die Wände gar nicht berührt, abgesehen vielleicht von einigen kleinen Stellen. Es ist aber nicht absolut sicher, daß dies wirklich so ist, denn Ricardo & Co. fand später, daß der sichtbaren gelben Flamme im Verbrennungsraum eine blaBblaue FIamme vorausgeht, die allen Versucfien, fotografisch erfaßt zu werden, immer getrotzt hat. Vielleicht werden die bisher gezogenen Schlußfolgerungen und Annahmen eines Tages revidiert werden müssen, aber es steht jedenfalls fest, daß die Wandtemperaturen abhängen vom venvendeten Brennstoff, von der LuftüberscfruBzahl (Vergasereinstellung) und vom Kühlsystem des Motors. ln jedem Fall aber setzen selbst noch erlaubte Temperaturen die Viskosität des öls herab, wodurch die Reibung zwiscfren den gleitenden Teilen erhöht und die dämpfende Wirkung an der Dichtleiste verringert wird. Dadurch könnte der VerschleiB von Trochoidenlaufbahn und Dichtleisten verstärkt werden. Wie schon früher ausgeführt, kann diesen Scfiwierigkeiten durch richtig ausgewählte öle und vor allem durch richtige Paarung der Werkstoffe begegnet werden. Eine Lebensdauer von 2000 bis 4000 Stunden, das sind bei einem Automobilmotor 100000 bis 150000km, wird heute ohne weiteres erreicht. Die Dicfrtfunktion kann also nicht nur durch richtige Konstruktion des Dichtsystems, sondern auch durch zweckentsprechende Schmierung sichergestellt werden, aber es ist ohne allen Zweifel noch viel Raum für weitere Forschungen auf diesem Gebiet. Diese Probleme sind ebenso hartnäckig wie jene, mit denen die Entwickler von Hubkolbenmotoren schon seit 1878 zu kämpfen haben. Es besteht die Absicht und die Aussicht, daß man den VerschleiB beim KKM ganz oder wenigstens zum größten Tei! in die Dichtleisten verlegt, so daß der ganze Service sich auf einen periodischen Ersatz der relativ billigen DichtIeisten beschränken könnte. Füllungsgrade von mehr als 100o/o ("Rammeffe[1") bestätigen, daß die Doppelfunktion des Öles tatsächlich vorhanden ist. Solche Ergebnisse sind nicht nur scilechthin 137 zufriedenstellend, sie zeigen auch beim Vergleich mit HKM ein günstiges Bild. Für den Konstrukteur des Schmiersystems zum Wankelmotor besteht die Aufgabe darin, passende Methoden zu finden, wie man die richtige ölmenge zur richtigen Zeit an die richtige Stelle bringen kann. Eine direkte Einführung oder ,Einspritzurg" an verschiedenen Stellen der Trochoide ist problematisch wegen der Zumessung der jeweils richtigen Dosis. Andere Möglichkeiten wurden geprüft und so haben sich folgende sehr brauchbare und in der Praxis angewandte Methoden herausgebildet. 1. 2. 3. Bei lufVgasgekühlten Motoren, wie sie z. B. von Fichtel & Sachs gebaut werden, mischt man dem Benzin 2o/o öl zu, d. h. im Mischungsverhältnis 1 : 50. Die Mengenregelung ist durch die Drosselklappe in ebenso einfacher wie sicherer Weise gegeben; bei Vollgas bzw. Vollast wird viel ö1, im Leerlauf nur ganz wenig öl geliefert. Dieses von Zweitaktmotoren her altbekannte Verfahren hat einen oft nicht genügend gewürdigten Vorteil: solange nämlich Brennstoff vorhanden ist, fehlt es auch am Schmiermittel nicht. Da man weiß, daß man bei jedem Tankvorgang auch Ol zugeben muß, ist die Gefahr des Vergessens nicht sehr groß. Bei Viertakt-Hubkolbenmotoren braucht man nicht bei jedem Tanken von Benzin auch öl nachzufüllen. Nimmt das Alter des Motors und damit das Kolbenspiel zt), so wird der ölverbrauch immer höher und der Fall kann eintreten, daß wohl noch Brennstoff, aber kein öl mehr vorhanden ist. Hierbei ist wohlgemerkt nur an kleine stationäre Motoren gedacht. Von manchem Motorenkäufer wird aber gewünscht, daß man Benzin und OI getrennt tanken kann. ln diesem Fall erhalten die (an sich für Mischungsschmierung gedachten) Motoren eine kleine ölzumeßpumpe, die die Olmenge nach dem Vergaser in das Saugrohr tropfen Iäßt, wo es vom Gasstrom mitgerissen und verteilt wird. Bei größeren Motoren kann man der Pumpe zusätzlich noch eine Lastabhängigkeit verleihen, uffi den ölverbrauch niedrig zu halten (Bild 66). Bei Motoren mit ölgekühltem Läufer reicht das sogenannte ,Leckö1", das durch die Oldichtung (vgl. Kapitel 7) unvermeidlichenveise entweicht, gerade aus, die Dichtteile selbst und die F!ächen der Seitenteile a) schmieren. Die Trochoidenlaufbahn bliebe trocken, 138 wenn man nicht durch ö1, das über das Saugrohr zugeführt wird, für einen tragfähigen ölfilm sorgen würde. Beim NSU-Spider muß dem Kraftstoff 1 o/o öl beigemiscfrt werden, obwohl der Läufer ölgekühlt ist. Der Gesamtölverbrauch beträgt damit etwa 1 I/1000 km, ein Wert, der verglichen mit dem gleichstarken HKM, durchaus annehmbar ist. 4. Die Automobilmotoren (NSU Ro80, Daimler-Benz C111, Toyo Kogyo 10 A) haben einen Olkreislauf zur Kühlung des Kolbens. Von diesem ölstrom wird ein winziger Teil durch eine drehzahl- und lastabhängige kleine Pumpe abgezweigt und dem Saugrohr (DaimlerBenz) oder dem Schwimmergehäuse des Vergasers (Toyo Kogyo) (12) zugeführt. lm Hinblick auf die Dicfrtstreifen (Bogenleisten) sagte Dr. Froede in seinem James Clayton-Festvortrag am 8. Febr.1966: »Die Menge des Leckgases, das an den seitlichen Dichtstreifen und Dichtbolzen austritt, ist dargestellt über der Drehzahl in Bild 67. Dieses Leckgas spielt eine wichtige Rolle in Verbindung mit der Funktion der Abdichtung des Kühlöls und mit der Schmierung der Dichtstreifen. Es besteht aus unverbranntem Gemisch und ist brennbar. Aus dieser Tatsache kann man schließen, daß es während des Kompressions- 8 7 a.= 40 E g o (f, ^6 o 3 5 530 E U' c, 4 o) ll 8zo J 5 2 \ --\--\\ :\ a- a"' a'a' ' )n tt_ I /uu \\s_ 7= I 0 ,,000 2.000 5.000 4.000 5,000 Motor-Drehzahl 6,000 U/min Bild 67 Leckgasmengen beim NSU KKM 502 einmal mit einem, einmal mit doppelten Dichtstreifen (Bogenleisten). Die spezifische Menge ausgedrückt als fafsächliche Leckgasmenge in olo ist besonders instruktiv. 139 hubes entweicht, und zwar dann, wenn die Fliehkraft an den seitlichen Dichtelementen und die Gaskräfte während eines Augenblicks der Kompressionsphase sich gerade die Waage halten. ln diesem Augenblick verändern die Dichtstreifen ihre Lage: sie lagen an der äußeren Wand der Dichtnut und springen unter dem Einfluß des Gasdrucks bei steigendem Kompressionsdruck jetzt an die innere Wand der Nut und ermöglichen währenddessen einem Teil des Gases, zu entweichen. Der ölanteil dieses Leckgases ist lebenswichtig für die Schmierung der Berührungsfläcfien zwischen Dichtstreifen und lnnenf lächen des Seitenteils." 140 10. Kühlung des Motors 10.1 Einführung Obwohl viele Lehrbücher über Thermodynamik genügend Erklärungen über den thermischen Wirkungsgrad verschiedener Wärmekraftmaschinen enthalten, wird doch der wahre Stand der Dinge im täglichen Gebrauch oft nicht richtig eingeschätzt. Der thermische Wirkungsgrad ?6, definiert als das Verhältnis von zugeführter Wärme minus abgegebene Wärme zu zugeführter Wärme: Z'n:\f beläuft sich bei durchschnittlichen Otto-Motoren auf kaum mehr als 28olo. Eine fühlbare Steigerung dieses Wertes ist nicht ohne weiteres möglicfr. Eine überschlägige Wärmebilanz ist hier dargestellt: Wärme in nutzbare mechanische Energie umgewandelt: 28olo 43olo Mit den Ausputfgasen abgeführte Durch die Kühlung abgeführte ?oolo Durcfr Sctrmiermittel und Strahlung verlorene 9 o/o Zugetührte Wärme: 100 o/o Wärme: Wärme: Wärme: Das spezifische Gewicht von Benzin schwankt zwischen 0,7 und 0,77 und der untere Heizwert liegt bei rund 10 000 kcal/kg. Wenn der thermische Wirkungsgrad verschiedener Motoren gemessen und verglichen werden soll, muß mit Kraftstoff aus dem gleichen Faß gearbeltet werden, oder man muß spezifisches Gewicht und Heizwert jeweils neu bestimmen. Die Unterschiede für diese Abweichungen der Krattstoffeigenscüaften rühren aus der Herkunft des Rohöls und aus den unterschiedlichen Raffinierverfahren her. Es sei noctr angemerkt, daß Heizwert und Oktanzahl nichts miteinander zu tun haben und daB auch nicfrts zu gewinnen ist, wenn für einen bestimmten Motor Kraftstoffe mit höheren Oktanzahlen verwendet werden, als dieser verlangt. Große stationäre und Sctriffs-Dieselmotoren kommen auf thermische Wirkungsgrade von 42olo. 141 o -1 E G, Ero o) c 5 / ,/ ./ o Fzo --- ./ .Y =?s d -a / 5 6 I I Bild 68 Abhängigkeit des thermischen Wirkungsgrades vom Verdichtungsverhältnis, jedoch spielen auch andere Einflüsse eine Rolle, die Kurven sollen nur die Tendenz verdeutl ichen. 9 t0 ll t2 15l{ Ve rd i chtu n g sverhältn is Genauer gesagt, der Ausdruck "thermischer Wirkungssrad« umschreibt eine recht komplexe Beziehung, in welcher die in mechanische Energie umgewandelte Wärme, die Vorgänge bei der Verbrennung (die stark von der Luftzahl I abhängen), die Beschaffenheit des Kraftstoffes (auch im vergasten Zustand), die Wirksamkeit der Zündanlage, der Grad der Verwirbelung des zündfähigen Gemisches sowie dessen Temperatur, das Kompressionsverhältnis und die Kühlverhältnisse des Motors eine Rolle spielen, alles Dinge, die für HKM und KKM gleictrermaßen von Bedeutung sind. Freilich darf man nicht übersehen, daß beim Kreiskolbenmotor die beste Relation zwischen 7tu und e nur innerhalb der Verdichtungsgrade 6 : 1 bis 10 : 1 besteht. Das höchste noch anwendbare Kompressionsverhältnis ist üblicherweise durch die Oktanzahl des Kraftstoffes begrenzt. Selbstzündung oder "Klingeln" kann allerdings auch bei sehr hohen Motortemperaturen auftreten oder bei örtlichen Überhitzungen (»hot spot«), aber die Temperatur von Kolben, Zylindern, Zylinderkopf, Ventilen ist Ietzten Endes von bestimmendem Einfluß. Aber es besteht ein Unterschied zwischen einer nur kurzen, momentan hohen Verbrennungstemperatur und Kolben- oder Zylinderuandtemperatur. Es ist eine der Aufgaben des Kühlsystems, ',hot spots« zu verhüten. Heute laufen Automobilmotoren bei durchschnittlichen Kühlmitteltemperaturen zwischen 70o und 90o C. Höhere Temperaturen scheinen wünschenswert, weil sie den thermischen Wirkungsgrad verbessern und die Auspuffgase sauberer machen. Das darf aber natürlich nicht auf Kosten des volumetrischen Wirkungsgrades gehen, mit dessen Verringerung eine Leistungseinbuße einhergeht, und es dürfen keine ungewollten Zündungen auftreten. Die Temperaturen der Ausputfanlage, also Ausputfkrümmer (Grauguß), Rohrleitungen und Auspufftöpfe, die in un142 mittelbare Berührung mit den heißen Gasen kommen, nehmen natürlictr viel höhere Temperaturen an. Durch Auswahl entsprechend hitzebeständiger Stahllegierungen muß man für eine genügende Lebensdauer sorgen, bei den heute üblichen hohen Literleitungen selbst bei Gebrauchswagen ist das eine nicht immer leichte Aufgabe, weil diese Baustotfe sehr teuer sind. Dies gilt vor allern auch für Fahrzeuge mit KKM, denn deren Auspufftemperaturen sind noch etwas höher als die von HKM. Zu kalt dürfen die Motoren aber auch nicfrt laufen, weil der thermische Wirkungsgrad dann scfilecht ist, ungenügende Vergasung des Kraftstoffes mit den unerwünscfrten Folgen der ölverdünnung und Ausfall der Zündkerzen zu beklagen sind. Beim KKM kann ölverdünnung kaum auftreten, schon gar nictt, wenn er rein mit Mischungsschmierung läuft. Um die Wärme besonders aus dem Mantel (Mittelteil des Gehäuses) gut herausleiten zu können, besteht dieser bei allen bisher bekannten KKM aus einer Leichtmetallegierung, z. B. Silumin. Die Trochoidenlaufbahn ist bei Toyo Kogyo eine Chromschicht, auf der Leisten aus einer Spezialkohle gleiten; bei anderen wird die sogenannte Elnisilschicht (11) verwendet mit Dichtleisten aus lKA, einem hochwertigen perlitischen Grauguß. Auch die Kolben sind allgemein aus Grauguß oder Sphäroguß. Wenn die Verzahnung direkt im Kolbenmaterial untergebracht ist, wird der höheren Festigkeit wegen Sphäroguß vorgezogen. Die Seitenscheiben sind bei luft/gasgekühlten Motoren ebenfalls aus Leichtmetall, bei wassergekühlten vorzugsweise aus Grauguß, weil sich dessen Oberfläche durch lnduktionshärtung resistent gegen Verschleiß machen läßt. Das wirkliche Problem, dem Fahrzeugmotor immer die günstigsten Temperaturen zu sichern, über den ganzen Bereich von Nullast bis Vollast und von Leerlauf bis Höchstdrehzahl wird dadurch nicht erleichtert, daß diese Maschinen meist nur bei Teillast laufen. Man hat in den USA festgestellt, daß die Automobilmotoren im Durchschnitt, bezogen auf die Gesamtlebensdauer, so beansprucht sind: 15 0Ä Leerlaufdrehzahl (ohne Last) 16 oÄ konstante Geschwindigkeit 320/oim Schub (kein Gas, verzögernder oder talfahrender Wagen dreht Motor) 37 0/o Beschleunigung des Fahrzeugs. 143 Unter voller Belastung und mit Höchstdrehzahl Iäuft der Motor also recht selten, dabei spielen der Straßenzustand, die gesetzliche Geschwindigkeitsbegrenzung und das Temperament des Fahrers auch eine Rolle. Da beim KKM nur Normalbenzin ("Regular«, kein Super) erforderliclr ist und der spezifische Kraftstoffverbrauch in g/PSh praktisch gleich hoch ist wie bei HKM, müßten also die Gastemperaturen auch etwa die gleichen sein, zumal »hot spots" wie z. B. Ventile nicht vorhanden sind. Auch gibt es keine Ventilbetätigung, keine Ventilfedern und dergleichen, so daß höhere Dauerdrehzahlbereiche und vielleicht auch höhere Temperaturen künftig nicht untunlich erscheinen. Auch das gesamte Kühlsystem unterscheidet sich nicht grundsätzlich von dem bei HKM, nur haben der heiße Bogen und die Gegend des Auspuffsctrlitzes "Dauerkontakt" mit den heißen Gasen. Durch eine entsprecüende Kühlmittelführung lassen sich aber Nachteile aus dieser Tatsache völlig vermeiden. Einzig die Kühlung des Kolbens erfordert besondere Aufmerksamkeit, sei es bei Gaskühlung, sei es bei ölkühlung. Kühlsysteme mit öl und Wasser bis zu Luft und Frischgas und alle Varianten sind entwickelt worden. Die Tabelle zeigt den Einfluß des gewählten Kühlsystems auf die Leistung der Maschine: Kühlmittel Kolben Motorgehäuse Wasser Wasser Luft Wasser Luft öt ot 0t Frischgas Frischgas Art der Ein Iaßsch litze Umfangseinlaß Seiteneinlaß Umfangseinlaß Seiteneinlaß Seiteneinlaß P.- .*, 100 85 % o/o e0% 75 olo 60 o/o Die Teile eines Einscheiben-Wankelmotors, die eine Kühlung erfordern, sind: 1. 2. 3. 4. Das Trocfroidengehäuse (Mantel) Die beiden Seitenteile Der Kolben Die Dichtelemente, besonders die Dicfrtleisten. Wie aus den Bildern 59 und 62 hervorgeht, ist es der Mantel (Trocfioidengehäuse), der in bezug auf die Bändigung der Temperaturen die größten Anforderungen stellt, und zwar besonders in der Nähe der Zündkerze und am AusputfauslaB. Die retativ hohe Temperatur der 144 Auspuffgase bei Vollast und hohem p". rührt daher, daß das Gemisch bis zum ötfnen des Ausputfschlitzes brennt. Untersucfrungen, ob und was man dafür tun kann, daB die Verbrennung früher aufhört, sind unter günstigen Vorzeicfien - im Gange. Durcfi eine zweckentsprechende Ausbildung des Kühlsystems lassen sich die Auswirkungen auci heute schon unter Kontrolle halten. 10.2 Luftkllhlung Das Problem der Abfuhr großer anfallender Wärmemengen hat die Anwendung der Luftkühlung zunächst auf kleinere Motoren beschränkt. NSU und Fichtel & Sachs und Yanmar Diesel in Japan haben sich mit der Entwicklung luftgekühlter KKM mit Erfolg beschäftigt. Fichtel & Sachs hat bereits (bis Mitte 1971) etwa 35 000 solcher Motoren von 6,5 bis 20 PS gebaut und in aller Welt verkauft. Auch an luftgekühlten Zweifachmotoren wird gearbeitet, obwohl die Bewältigung dieser Aufgabe nicht leicht ist, vor allem dann nicht, wenn zwei Einfachmotoren unter weitgehender Venrendung gleicher Teile hintereinandergeschaltet werden sol len. Curtiss-Wright hat einen luftgekühlten 310 PS KKM mit einem Trokkengewictrt von 130 kp vorgestellt. Um dieses günstige Leistungsgewicht zu erreichen, wurde das übliche Niederdruck-Kühlsystem, das mit großen Luftmengen arbeitet, durch ein Hochdrucksystem ersetzt, das optimal auf die bei dieser Maschine vorliegenden Verhältnisse zugeschnitten ist. Da die Kühlleistung der Luftmenge und dem Druckabfall proportional ist, bleibt die gesamte Kühlleistung auch dann noch vergleichbar, wenn sich das jeweilige Gleichgewicht ändert. Die AnaIyse verschiedener Kühlsystemanordnungen erbrachte grundsätzliche Erkenntnisse, die sowohl von der konstruktiven Seite wie auch vom Standpunkt der Fertigung aus interessant sind. Folgende Punkte wurden von dem Entwicklungsteam von GurtissWright besonders hervorgehoben : 1. Sehr eng angeordnete Kühlrippen, rund um den Mantel spanabhebend bearbeitet. 2. Der Luftstrom wird über dem heißen Bogen besch leu n igt. 3. Uber dem kalten Teil des Gehäuses wird der Luftstrom verzögert durch größere Querschnitte für die Luft. 145 4. Zurücknehmen der Rippen verringert die effektive Kühlfläche (Bitd 6s). 5. Für die Kühlung des Gehäuses nicht benötigte Luft wird abgeleitet zur Kühlung der Umgebung des Auspuffschlitzes. Aus den gleictren Überlegungen wurde der Kühlluftstrom so über die Seitenteile geleitet, daB die Rippen nictrt so dictrt zu sitzen brauchen wie am Mantel, nicht einmal an den heißesten Stellen. Bild 69 Das Luftkühlungssystem von Curtiss-Wright. Die Luft strömt peripher um den heißen Bogen (für :!.q Besörlrgrng oer Kühlluft in ctei treigen Zone Flugzeugmotoren gedacht). Diese Curtiss-Wright-Mascfrine, von der hier gesprochen wird, ist als Flugmotor gedacht, die Kolben sind ölgekühlt. Seine effektive Leistung ist deshalb praktisch die gleicie, wie die des ihm verwandten Automobilmotors. Weniger Wert wurde auf hohes Drehmoment bei niedriger Drehzahl und einen großen Drehmomentbereich gelegt. Auch für diesen Motor konnte der Leistungsaufwand für die Kühlung unter 10 0Ä der Nettoleistung gehalten werden. Der Fichtel & Sachs-Motor KM 48 mit einem Kammervolumen von 160 ccm entwickelt I PS bei 4700 U/min und wiegt 17 kg. Er ist eine vollkommen luftgekühlte Maschine. Das angesaugte Frischgas strömt durch geeignete Durchbrüche im Kolben und in der Exzenterscheibe und dann durch einen in die Seitenscheibe eingegossenen Kanal in den Ansaugraum. Die öffnungsperioden für das Durchströmen des Gases werden vom Kolben bestimmt (Seiteneinlaß). Der Kolben nimmt trotz der Kühlung durcfi das Frisc{rgas Temperaturen an, die dem Kolbenlager (Exzenterlager) gefährlich werden können. Die F & S146 Motoren besitzen deshalb einen Star-Toleranzring, der zwischen Ko!ben (Grauguß) und äußerer (Stahl-)Büchse des Wälzlagers sitzt und eine recht wirkungsvolle Wärmedämmung darstellt. Das Schmieröl wird im Verhältnis 1 :50 (2 %) dem Kraftstoff zugemischt. Wenn das Gas seinen Weg durch den Kolben nimmt, wird es bei hohen Drehzahlen (5000 U/min) um etwa 7Oo C aufgeheizt (Bild 70). Bild 70 Das Gasgemisch fließt quer durch den Kolben, um ihn zu kühlen (Fichtel & Sachs). Es ist verständlicfr, daB der volumetriscfre Wirkungsgrad dabei nicfit hoch sein kann, aber diese Art der Kühlung ist wesentlich einfacher und billiger als Ötfüfrlung (wozu ja aucfr noch ein teurer und schwerer Olkühler gehört) und, da der Motor eine lange Lebensdauer und sehr annehmbare Kraftstoffverbrauchswerte autweist, sehr wohl zu verantworten. NSU sowohl wie Fichtel & Sachs leiten den äußeren Kühlluftstrom, der von einem auf der Exzentenrelle sitzenden Gebläserad produziert wird, in achsialer Richtung durch das Gehäuse, wobei die Kühlrippen im warmen Bogen zahlreicher und Iänger sind als im kalten, um die Temperaturen gleichmäßiger zu halten. Beide Motoren haben im Gegensatz zur Curtiss-Wright-Maschine Niederdruckkühlung. Der Lüfterflügel sitzt dabei auf der Endseite des Motors und saugt kalte Luft an. Für manche Anwendungsgebiete ist es ungünstig, die Kühlluft, die sich ia bis auf 80o C aufwärmen kann, auf die Arbeitsmaschine zu blasen. Für diesen Fall steht ein Sauglüfter zur Verfügung, der warme Kühlluft ansaugt und infolgedessen weniger wirkungsvoll kühlt. Den Unterschied in der Leistung zeigt das Bild 71 (D : Drucklüfter, S: Sauglüfter). Es sei auc*r noch aufmerksam gemacht auf 147 Bild 71 Leistungsunterschied zwischen Druck- und Sauglüfter. die im warmen Bogen, in dem ja auch die höchsten Drücke auftreten, besonders zahlreichen und eng stehenden Befestigungsschrauben, welche die drei Gehäuseteile zusammenhalten (Bild 18). Diese Motoren sind für stationäre Zwecke bestimmt, so daß das relativ hohe Gewicht von geringer Bedeutung ist (13). 10.3 Flilssigkeitskühlung Der Energiebedarf für die Luftkühlung ist heute wesentlicft niedriger als bei früheren Konstruktionen. Ein Hinweis derart, daB luftgekühlte Maschinen einen zu hohen Prozentsatz der Eigenleistung des Motors verschlängen, ist nictrt am Platze. Dies hat sich auch bei dem schon erwähnten Gurtiss-Wri ght-Motor bestätigt. Es ist bekannt, daß glatte Oberflächen weniger Wärme absorbieren als rauhe, so daß Wankel-KKM mit ihrer bearbeiteten Trochoide und dem ebenfalls bearbeiteten Kolben günstige Voraussetzungen bieten. Es bestehen auch keine Schwierigkeiten, entsprechende Oberflächen für die Abstrahlung der Wärme an das jeweilige Kühlmittel auf der Motoraußenseite vorzusehen. Gewisse Schwierigkeiten werden allein dadurch heraufgeführt, daß die Trocfroide eine heiße und eine (fast) kalte Seite hat. Man muß also am warmen Bogen mehr und längere Kühlrippen anordnen als am kalten. Bei Wasserkühlung legt man das Wasserjackett nur reichlich um die warme Seite und Iäßt es an der kalten Seite ganz weg. Die Bilder 59 und 72 machen recht deutlicfr, wie ungleichmäßig das Trocftoidengehäuse enruärmt werden würde, wenn die Kühlung ringsum gleicfr stark wäre. Verschiedene Wege sind bescfrritten worden, um die Wärme in dem gleichen Maßstab abzuführen, wie sie anfällt. NSU hat für den KKM 148 Bnd72 Ansaugen, Verdichten, Expandieren und Ausschieben geschieht jeweils in den entsprechenden Partien der Trochoide, die Aufwärmung ist demzufolge sehr unterschiedlich. Es werden hier keine wirklichen Zahlen angegeben, das Bild zeigt nur die Tendenz an einem Versuctrsmotor bei Vollast und zugehöriger Drehzahl. Bild 73 Der Kühlmittelstrom rund um die Trochoide des KKM 502 ist deutlich zu sehen, ebenso wie die primären (kleinen) und sekundären (großen) EinlaßsclT litze und die tief innen sitzende Zündkerze. 149 Btd74 Längs hin- und herströmendes Kühlmittel beim Toyo Kogyo Zweischeibenmotor, wie er für den Mazda Cosmo-Sportwagen verwendet wird. Curtiss-Wright benutzt ein sehr ähnliches System. 502 eine im wesentlichen periphere Zirkulation des Wassers gewählt (Bild 73), während Curtiss-Wright und Toyo Kogyo einen axialen Fluß des Wasser vorgezogen haben (Bild 74). Hier wird das Wasser dreimal in der einen und dreimal in der anderen Richtung hin und her geschickt. Eine bevorzugte Wärmeabfuhr an einer bestimmten Stelle ist bei beiden Systemen möglich, wenn man dort für eine Anreicherung der Wassermenge sorgt. Die Frage, welche der beiden Lösungen die bessere ist, ist schwer zu entscfreiden, solange es sich um Ein- oder Zweifachmotoren handelt. Für mehr als zwei Kolben ist sehr wahrscheinlich der periphere Umlauf günstiger, wobei jede Scheibe die ihr zugemessene Menge kühlen Wassers aus einer gemeinsamen Speiseleitung erhält. AuBerdem behalten die Gasdichtungen eine gleichmäßige Wärme und können damit ihrer Aufgabe besser genügen, denn jeder Mantel und jedes Seitenteil bekommen Wasser etwa gleicher Temperatur. Eine gewisse Aufmerksamkeit erfordern die Umgebung der Zündkerze, die Gegend des Auspuffschlitzes und eine bei allen Temperaturzuständen dichte Verklammerung von Seitenteilen und Mänteln. 150 11. Zündung Die Zündung ist bei Otto-Motoren ein unentbehrlicües Vorspiel zur Verbrennung. Die Magnetzündung und die Batteriezündung sind in vielen Jahrzehnten ausgereift und bekannt. Seit der Erfindung der Transistoren - und das ist noch keine zwanzig Jahre her - gibt es noch vorteilhaftere Zündsysteme. Hier eine 0bersictrt: 1. Magnetzündung 2. Batteriezündung 3. Hochspannun gs-Kondensator-Zündung I Transistorsvsteme 4. KontaktgesteuerteTransistorzündung 5. Kontaktlos magnetgesteuerte Zündung 6. Piözo-elektrische Zündung J Die beständige Aufwärtsbewegung in bezug auf Leistung, Drehzahl und Lebensdauer unserer Motoren führte zur Entwicklung neuartiger Zündsysteme. Außer den bewährten Magnet- und Batteriezündungen wird die Hochspannungs-Kondensator-Zündung nocfr größere Bedeutung erlangen, als sie jetzt schon hat, wenn ihr Preis gesenkt werden kann. Die Piözozündung krankt noch an mangelnder Zuverlässigkeit und zu kurzer Lebensdauer, hätte aber den unschätzbaren Vorteil, leicht und klein, und vielleicht sogar billig zu sein. Die übrigen genannten Systeme sind teurer als die bisherigen, ohne - mit Ausnahme des unter 5. genannten - große Vorteile zu bringen. Es ist in diesem Zusammenhang erwähnenswert, daß der BRM Sechzehnzylinder-V-Motor, 1,5 I, für Rennwagen, auf eine Drehzahl von 16 000 U/min ausgelegt war und vier Verteiler besaß, die jeder mit einem Viertel der Motordrehzahl liefen. Jeder Verteiler hatte zwei Sätze von Unterbrecherkontakten; einer davon mußte den Primärstrom unterbrechen, der andere mußte ihn wieder schließen. Mit diesem Hilfsmitte! sollten die Unzulänglichkeiten der konventionellen Unterbrecher ohne Einbuße an Zuverlässigkeit überspielt werden. Einige der neuen Systeme können beträcfrtlicfr höhere Drehzahlen vertragen, ohne daß man Zuflucfrt zu solchen eben enivähnten Kunst151 griffen nehmen muB. Das soll kein Tadel sein für die Hersteller von Zündanlagen, die ihre Produkte in bezug auf Lebensdauer und Verläßlichkeit erheblich verbessert haben. Anlagen, die vor dreiBig Jahren für Rennmotoren entwickelt worden sind, werden heute in normale Serienmotoren eingebaut. So steht heute genügend technisches Wissen über Zündanlagen, die für Hochleistungsmotoren geeignet sind, zur Verfügung. Für KKM ist das von besonderem Wert, weil ein Zündfunke für jede Umdrehung und natürlich für jede Scheibe notwendig ist und dieser Funke muß genügend Energie besitzen, denn, verglichen mit einem normalen Motor ist jeder KKM eine Hochleistungsmaschine. Bekanntlich geht der Trend im Kundendienst bei modernen Automobilen dahin, immer weniger Servicearbeiten vorzuschreiben, und das heißt, daß z. B. Gelenke, Getriebe, Radlager usw. eine Schmierung bekommen, die für das ganze Leben des Fahrzeugs genügt. Aber die Hersteller von Zündkerzen und Zündanlagen empfehlen noch immer, die Unterbrecherkontakte alle 5000 km zu prüfen und nachzustellen und die Zündkerzen alle 15 000 km zu ersetzen, wenn Startschwierigkeiten, Fehlzündungen, Leistungsverlust usw. vermieden werden sollen. 15 000 km entsprechen etwa 250 Stunden Laufdauer des Motors. lm heute leider üblichen Stop-and-go-Verkehr müssen die Wartungszeiten eher verkürzt werden, weil die Kerzen nie auf die Selbstreinigungstemperaturen kommen. Obwohl die Funktion der Zündkerze wohl allgemein bekannt ist, sei daran erinnert, daß bei allen Otto-Motoren, die nach dem Carnotschen Kreisprozeß Iaufen - und dazu gehört auch der KKM - die Verbrennung bei gleichem Volumen erfolgen sollte. Der Zündkerze ist dabei die wichtige Aufgabe zugewiesen, die Energiequelle zu bilden, von der aus die Zündung erfolgt. Wenn sich ein brennender Kern gebildet hat, wird er sofort wachsen und die gesamte Ladung durch die ganze Kammer hindurch zum Brennen bringen. Der schlagartig erfolgende Wärmezuwachs muß alle etwa entstehenden Wärmeverluste weit übersteigen. Obwohl der Verbrennungsvorgang auBerordentlich schnell abläuft, wird er von zahlreichen Faktoren beeinflußt, z. B. von der Temperatur und der Energie des Zündfunkens und von dem Zeitpunkt (in Relation zum Beginn des Expansionshubes) zu dem er überspringt. Vielleicht der wichtigste Punkt beim Vergleich üblicher Motoren mit dem Wankelmotor ist die Tatsacfie, daß die Zündkeze beim KKM 152 nicht in gleichem Maße vom einströmenden Frischgas gekühlt wird wie beim HKM. Sie sitzt gewöhnlicfi in der Nähe der kurzen Achse, an einer Stelle, die vom Gas erst in scfion stark komprimiertem und daher erhitztem Zustand erreicht wird und außerdem Wärme von Kolben und Gehäuse hat aufnehmen können. Die brennende Ladung bewegt sich weiter in Richtung Ausputfschlitz, wie in Kapitel 8 erläutert. Während jeder Exzenterwellenumdrehung erfolgt eine Zündung. lnsoweit sind die Verhältnisse gleich wie beim Zweitaktmotor, doch wird bei diesem der Kolben immer wieder durch das einströmende Frischgas gekühlt. Wankelmotoren brauchen Kerzen mit relativ hohem Wärmewert. NSU wählte am KKM 502 RC und am KKM 612 (Ro 80) eine Hochspan- nungs-Kondensator-Zündung von Bosch, die aucfr dann noctr einen starken Funken hervorbringt, wenn sich an der Keze scton Ablagerungen gebildet haben. NSU und einige andere Lizenznehmer brin' gen die Kerzenelektrode in die Nähe der Oberfläche der Trochoide, aber sie ordnen einen Kanal von etwa 3 mm Durchmesser an (Bild 73). Der Zweck dieser Maßnahme ist der, daB beim Uberstreichen der Dichtleiste ein - wenn auch nur ganz kurzer - Druckausgleictt nach Möglichkeit verhütet werden soll, denn in der Expansionskammer herrscht ein höherer Druck. Curtiss-Wright entwickelte eine Kondensatorzündung, deren Spannung viermal höher ist, als beim konventionellen Zündsystem, und bei welchem die Nachteile der Erosion an den Elektroden und der ölrückstandsbildung an der Kerze reduziert werden. Fichtel & Sachs wählte für die KKM das gleiche Zündsystem, das auch für die kleinen Sachs-Zweitaktmotoren venrendet wird. Man fand, daß eine handelsübliche Mopedkerze - Bosch W 150 M 11 S - im KKM bestens geeignet ist, sie hat eine Lebensdauer von 150 bis 250 Stunden. Die Kerze sitzt an einer Stelle der Trochoide, an welcher in den zwei benachbarten Kammern kein Druckunterschied besteht, wenn gerade die Scheitelleiste über die Gewindebohrung der Zündkerze hinweggleitet. So war es nicht nötig, einen besonderen Zündkanal anzuordnen, die Elektroden werden vom Frischgas leicht erreicht, und das ist der Grund dafür, daß die Sachs-Wankelmotoren über hervorragende Kaltstarteigenschaften verfügen bis zu minus 30o C, bei Zuhilfenahme von "Startpilot" oder ähnlichen leichtflüssigen Kohlenwasserstoffen auch bis minus 40o C und darunter. 153 Doppelzündung (Bilder 75 und 76), also zwei Zündkerzen pro Zylinder, die zur gleichen Zeit zünden, wurden bei einigen KKM-Typen angewendet, um gröBere Zuverlässigkeit und einen kleinen Leistungszuwachs zu erreichen. Die gleichzeitige Zündung an zwei Stellen be- q § 9,s tE g,o a,s 9.0 §zs a' 7,0 6',s 6,0 =\ .-... 375 ü 3so §sro a 2fr it Pt '5s §= X---'(Er-EE--x 1000 2000 3000 t 000 Motor- Drehzahl Ulmin 5000 Zündkerze 20 mm nach der kurzen Achse Zündkerze 23 mm vor der kurzen Achse Bild 75 Eine Zündkerze 56 mm vor und die andere 20 mm nach der kurzen Adtse Der EinfluB dgr Lage der Zündkerze und der Doppelzündung auf den Mitteldruck, den spez. Kraftstoffverbrauch und die Leistung. scfileunigt den Ablauf der Verbrennung und steigert daher die Leistung ein wenig. Bei Hubkolbenmotoren richtet sich die Plazierung der Kerze danach, wo die Ventile und die Zylinderkopfschrauben sitzen. Beim KKM hat man weit mehr Möglichkeiten, weil die Kerze oder Kerzen nur in dem Raum zwiscien zwei Kolbenecken untergebracht sein muß bzw. müssen. Die Kurvendarstellung (Bild 75) zeigt recht gut, welch großen Einfluß der Ort der Kerzensitze auf die Leistung und vor allem auf den Verbrauch hat. Bild 76 zeigt die starken Streuungen zwischen einigen nacfieinander erfolgten Arbeitsabläufen und die Unterschiede zwischen einer und zwei Zündkerzen. Auf den Kur154 o g E'! E = =o Doppelzündung Eso E bs : 406 g/PSh f ' 0'E6 o @ E L. :(o =o 6 L =oN CL o Bild -E o CL V Wärmeentfal- tso NSU/Wankel-KKM bei n : 2000 U/min und bei Teillast (P*. : 1,91 kp/ 100 cm2). qt (, Y Y 76 tung, absolut und spezifisch dargestellt, des Es wurden jeweils vier Kurven unter gleichen Laufbedingungen aufgenommen. Man erkennt die starken Streuungen. o ta C'I E = E Elnfacfrzündung = c o o be : 4ti7 g/PSh IrOBI E L. s((t =(D .c, (, .9, := N (D o. o 6 i"it(r.)8 vendarstellungen 44, 45,76 a, b, c, d sind jeweils vier an sich gleiche Arbeitsvorgänge aufgezeichnet. Daß sie sich nicht völlig decken, ist eine Folge unvermeidlicher Streuungen. Es ist zweckmäßig, die Kerzen so zu verteilen, daß im Moment der Zündung die eine etwa in der Mitte zwischen den zwei Scheitelleisten und die andere im hinteren Ende der Kammer sitzt. Bei Motoren mit symmetriscfr ausgebildeter Kolbenmulde ist es günstig, die Kerze vor dem oberen Totpunkt (ausgehend von der Drehrichtung) anzuordnen. Dadurch erhält man einen weicheren Gang der Mascüine, als wenn die Zündkerue hinter dem oberen Totpunkt säße, obwohl die Leistung damit ein wenig angehoben wird. Die sogenannte voreilende Kerze, also Sitz vor dem oberen Totpunkt, ist die am weitesten verbreitete; es wird behauptet, daB sie auch noch solche Gemische entzündet, deren Luftübersctrußzahl ganz am unteren oder oberen Ende liegt. Da es möglich ist, mehr als eine Kerze pro Kammer einzubauen, entsteht die Frage, ob alle Kerzen (es wären auch mehr als zwei denkbarl zu gleicher Zeit zünden sollten, oder ob sie nach einem zweckmäßigen Schema nacheinander zünden sollten. Die japanische Mazda-Maschine 110S hat ein Zwei-Kerzen-System, bei welchem im Abstand von 2o-7o nach OT gezündet wird. (Bei Leerlauf.) Toyo Kogyo hat festgestellt, daß die Menge der toxischen Anteile im Auspuffgas ziemlich stark davon abhängt, ob beide Kerzen zünden oder nur eine. Zündet z. B. nur die voreilende Kerze, verringert sich merkwürdigerweise der Giftanteil. Da aber die nacheilende Kerze die Leistung etwas erhöht, kommt es darauf an, den günstigsten Kompromiß zu finden (12). Multi- oder Doppelzündung bringt insofern noch Probleme mit sich, als die Zeitabstände der Zündfunken sich bei hohen Drehzahlen auf Microsekunden reduzieren. Man kann es so machen, daß die Zweifachzündung bis zu einer bestimmten Drehzahl funktioniert, oberhalb deren nur noch Einzelzündung erfolgt. Die Alternative, für jede Kerze ein getrenntes Zündsystem vorzusehen, ist vom ökonomischen Standpunkt aus nicht sehr attraktiv. Wie schon ausgeführt, werden als Gegenstück zu zwei getrennten Zündanlagen jetzt "phasenverschobene" Doppelzündsysteme speziell für Flugmotoren entwickelt. Sie sollen HKM und KKM verbesserte Eigenschaften verleihen, wie niedriger Kraftstotfverbrauch und weniger giftige Abgasemissionen. 156 12, Leistu ngsverhalten Da der Kolben des KKM drei Flächen hat, welche dem variierenden Gasdruck ausgesetzt sind, kann angenommen werden, daß drei Kräfte durch den Kolbenmittelpunkt gehen, der seinerseits mit dem Mittelpunkt des Exzenters auf der Abtriebswelle zusammenfällt. Bei einem Motor wird diejenige Kraft die größte sein, welche durch die Ausdehnung des brennenden Gases während des Expansionshubes entsteht, solange, bis der Druckabfall beim öffnen des Auspuffschlitzes es dem Kompressionsdruck an der nächsten Kolbenflanke erlaubt, einen bestimmenden Einfluß auszuüben. Die drei Kräfte sind das Produkt der Gasdrücke in den einzelnen Kammern multipliziert mit der effektiven Kolbenoberfläche auf die sie wirken, das sind die von Dichtleiste zu Dichtleiste sich erstreckenden Flächen. Diese Flächen haben eine konstante Größe und so gilt: 2 R'B sin 60: l/3 R'. B, abgeleitet a,us Gleichung (6.20), so daß die P:/5R,BP (12.1) Kraft P das Produkt des spezifischen Druckes p und der Kolbenfläche ist ln Wirklichkeit ändern sich die tatsächlichen Kolbenflächen ein wenig, weil die Kontaktlinien der Dichtleisten entsprechend dem Winkel * 9 ein klein wenig wandern, wenn sich der Kolben dreht. Aber diese Veränderungen sind sehr klein - für manche Stellungen Null - und können deshalb außer Betracht bleiben. Liest man die einzelnen Drücke aus dem lndikatordiagramm ab und ordnet sie in eine Tabelle ein (Bild 77) - in üblicher Darstellung oder in Polarkoordinaten - so ist es möglich, die Kräfte P auszurechnen und aufzuzeichnen, die in jeder Stellung auf den Exzenter wirken. Die tabellariscfr geordneten Rechenwerte sind besonders nützlich, wenn die Zentrifugalkräfte des Kolbens, des Exzenters und auch des Kühlöles mit einbezogen werden sollen. Dabei darf man nicht vergessen, daß die Welle dreimal so schnell dreht wie der Kolben. Es ist deshalb von Vorteil, die Winkel für die Stellung der Welle so zu wählen, 157 lr0 35 Bild 77 Typisdres lndikator-Diagramm vom NSU/WankelKKM 502 bei Vollast und 5000 U/min. ,i § § § § 1@'120'lto Mlenwinkel lffi(o) l&mmn lhmmervolumen (Yo) 0ß 4,7 daß sie immer durch 3 teilbar sind, also z. B. 15o oder 90 usw. um das Drehmomentdiagramm möglichst genau zu bekommen. Das Verhalten des Kühlmittels für den Kolben stellt insofern ein Pro- blem dar, als es nicht nur zirkuliert, sondern auch den Zentrifugalund Zentripetalkräften unterliegt. Dazu kommt noch, daß die Hohlräume des Kolbens nur teilweise mit Kühlöl gefüllt sind. lm Hinblick auf die verhältnismäßig kleinen Massen scheint es aber erlaubt, sie in der Rechnung zu vernacfilässigen. 158 Bevor es möglich ist, die Momente für jede Kolbenstellung zu berecfinen, muß man erst einmal den wirklicfren Radius r" finden, an dem die Kräfte angreifen, wobei unterstellt ist, daß die kurze Achse die Linie ist, von der aus gemessen wird und zu welcher der Exzenter im Winkel 3 c steht. re : : Exzentfizität.sin (Wellenwinkel minus Kolbenwinkel) e sin (3 a - a) (12.2) Wenn man die drei veränderlichen Kräfte als P1, Pe und Ps abgrenzt, die an den sicfi verändernden effektiven Radien oder Hebelarmen angreifen, erhält man: Prrmr-esin Pzrmz - esin Pgrmg:eSin 2"1 und das Drehmoment aus den Gasdrücken auf die Kolbenflächen A : o. [nr sin 2 a+ p2 sin (t-z ")- Wie erwartet, ist dieser Ausdruck periodisch zt) a, so heißt der Ausdruck o" : [n, o" ln ,i., (z o [-nr ri,, . +l* (r + z p2 sin r)* (:-, " -+l- Pzsin 2 a * pB,t" (ä * 2n mit;, p3 sin Pstt (ä , ")] addiert man (? 2n T * ," * T)] : -, ")] Bnd 27 sind die Drehmomentschwankungen aufgezeichnet, für Ein-, Zwei-, Drei- und Vierscheiben-KKM. Da die Wirkungen der Fliehkräfte im Vergleich zu den Gaskräften klein sind, wurden sie unbeachtet gelassen. Damit können die Rechenwerte für einen einzelnen Kolben und eine Wellenumdrehung vervollständigt werden und die eigentliche Drehmomentkurve, vgl. Bild27, kann gezeichnet werden. Wenn der Motor zwei oder mehr Kolben hat, ist es verhältnismäßig einfach, die Tangentialkraftkurven durch mechanisctres Summieren der verschiedenen Drehmomente, die an der Welle angreifen, zu bekommen. Die mittlere Höhe des Diagramms ist das mittlere Dreh159 moment des Motors über eine ganze Phase, also eine ganze Wellenumdrehung, und sein Wert kann in die bekannte Formel N- W eingesetzt werden. (12.3) Es ist aucfi enrähnenswert, daß beim KKM lediglich die Fliehkraft der um die Wellenachse umlaufenden Massen beachtet werden muß, während beim HKM die Trägheit der hin und her gehenden Massen den Tangential-Kraftverlauf di rekt beeinf lussen. 160 13, Leistungscha rakteristik 13.1 Forderungen an den Kraftstotl lm allgemeinen verlangen Motoren mit großen Hubräumen Kraftstoffe mit höherer Oktanzahl. ln diesem Punkt verhalten sich KKM nicht anders als HKM. Aber der Motor RC 2-60-U 5, den Curtiss-Wright speziell für Automobile entwickelte, hat ein Kompressionsverhältnis von 8,9:1 und läuft mit Normalbenzin. Auch andere Kreiskolbenmotoren wie sie von NSU, F & S und anderen geliefert werden, erfordern nur Normalbenzin (ungefähr 90 OZ), obwohl ihre Kompressionsverhältnisse bei8,5 : 1 und darüber liegen. Unabhängige Versuche haben gezeigt, daß KKM nicht anspruchsvoll sind in bezug auf die Oktanzahl der Kraftstoffe. Ein Versuchsmotor von NSU ist sogar mit OZ 50 einwandfrei gelaufen. 13.2 Motorgeräusclr und Sc*rwingungsyerhalten Unabhängig davon, ob ein Ein- oder Zweiscfreibenmotor in einem Wagen eingebaut ist, ist das Laufgeräusctr im Leerlauf und im unteren Drehzahlbereictr völlig verschieden von dem bei höheren Drehzahlen, etwa oberhatb 2000 U/min. Im unteren Drehzahlbereictr ähnelt das Auspuffgeräusch dem eines Zweitaktmotors, während es bei hohen Drehzahlen dem weichen Schnurren eines Vier- oder Sechszylindermotors gleicht. Diese Anderung im Ton zwischen unterem und oberem Drehzahlbereictr ist auch von einer nach oben zunehmenden Weichheit im sonstigen Verhalten des Motors begleitet, besonders ist das bei Einscheibenmotoren spürbar. Diese Erscheinung bedarf einer näheren Erläuterung, denn es handelt sich nidrt um »Rauheit" im üblichen Sinne und aucfr nicht um "Vibrationen« scilecfithin. Nimmt man eine Leerlaufdrehzahl von 900 U/min an, so läuft der Kolben mit fünf Umdrehungen pro Sekunde und die hörbaren Geräusche sind die äußeren Zeichen des Verbrennungsprozesses. Diese Erschei161 nungen verschwinden mehr und mehr in dem Maße, wie die Motordrehzahl zunimmt, und bei Zweischeibenmotoren sind sie praktisch überhaupt nicht mehr wahrnehmbar. Man kann sagen, die Entwicklung von Lärm und Schwingungen verhält sich beim KKM gerade umgekehrt wie beim HKM, der ja im oberen Leistungs- und Drehzahlbereich manchmal unangenehm laut und ungebärdig wird. lm Extremfall kann ein Schaltfehler - wenn der Motor versehentlich auf sehr hohe Drehzahlen geht - teure Schäden am Zylinderkopf, an den Pleueln oder Ventilen zur Folge haben. Diese Gefahren gibt es beim Wankel-KKM nicht. Er reagiert auch schneller auf die Gaspedalstellung und er verträgt überraschend hohe Drehzahlen. So war z. B. ein NSU-Spidenvagen auf einer Versuchsfahrt versehentlich im zweiten Gang gefahren worden, wobei der Motor über 11 OOO U/min erreichte. Diese Art der Uberbeanspruchung bedeutet nicfrt, daB dem Motor dabei irgendein Schaden zugefügt wird. Unter solchen Laufbedingungen fand man eine andere Erscheinung, die in mancher Hinsicht als ein Fortschritt betrachtet werden kann. Dr. lng. W. Froede fand an einem 1100-ccm-Vierzylinder-HKM, daß im Schub bei hohen Drehzahlen und geschlossener Drosselklappe kaum Zündungen auftraten, obwohl alle Zündfunken nachweisbar vor' handen waren. Erst bei etwa 2000 U/min begannen einzelne Zündun' gen, und bei etwa 1500 U/min waren wieder 1000/0 einwandfreie Zündungen vorhanden (Bild 78 a und b). s E o ol c Bitd 78 a Bild 78 b = Eso N o !, Anzahl der Zündungen im Verhältnis zur Motordrehzahl (im Schub). KKM mit Umfangeinlaß GI {c N 0 ?t45 äx tol Motor-Drehzahl U/min 12.000 E CL CL s=(uo o I o I 10,000 s.ü. TYP ' rro 8.000 rbeirlirigende Nockenwe-lte rr. 6.000 a 4,000 2.000 0 / a I -)" )./ \n's.u. .t t 12545 Der KKM hat im Schub bis herab auf 1200 U/min eindeutig weniger CH im Abgas als der Hubkolbenmotor. SpläerrxNsoz Motor-Drehzahl U/min 162 -' 6x103 Beim KKM stieg die Anzahl der Zündungen von 6000 U/min abwärts stetig (im Schub!). Bei 3500 U/min wurden 25olo Zündungen erreicht, d. h. daB pro Kolben bei jeder vierten Exzenterwellenumdrehung eine Zündung erfolgte. Diese intermittierenden Zündungen äußern sich in Form von Kraftimpulsen, die von den Wageninsassen als unangenehme Schwingungen empfunden werden. Beim KKM stellt sich allerdings bei diesem Betriebszustand ein geringerer Anteil an Kohlenwasserstoffen im Auspuffgas ein, als beim HKM (Bild 78 b). Ein Mittel, welches beim HKM wie beim KKM gleichermaßen helfen würde, wäre eine völlige Abschaltung der Kraftstoffzufuhr im Schub, wie dies z. B. beim Brico-Einspritzsystem möglich ist. Die unangenehmen Längsschwingungen kann man völlig eliminieren durch eine hydrodynamische Kupplung oder noch besser durch einen Drehmomentwandler, der noch andere Vorteile zusätzlich bringt (NSU Ro 80). Das ganze Problem ist nicfrt von der Art, daß es der ldee des Wankelmotors Abbruch tun könnte, zumal weitere Untersuchungen stetig im Gange sind. 13.3 Abgasentgiftung Nach dem vorher Gesagten bietet der KKM mindestens im Schubbetrieb und bezüglich des Kohlenwasserstoffgehaltes bessere Voraussetzungen von vornherein als der Vergaser-HKM (Bild 78 a und 78 b), weil der Prozentsatz der Zündungen höher ist. Die Bemühungen bei Wankel-Automobilmotoren, den Anforderungen des sogenannten CaIiforniatests (141 zu genügen, sind vor noch nicht langer Zeit erst begonnen worden, aber sie konnten bereits zu einem vollen Erfolg geführt werden: der NSU Ro 80 erfüllt die Testbedingungen einwandfrei und bezüglicfi des NO,-Gehaltes sogar mit Vorsprung. Zu den bisher im Limit genannten Stoffen CO und C,H, tritt ab 1971 noch ein dritter, nämlich die Stickstoffoxyde NO,. Man hat in den letzten Jahren festgestellt, daß die Kohlenwasserstoffe, meist als G*H" bezeichnet, nicht im eigentlichen Sinne giftig sind. Sie riechen schlecht und bilden Kondensationskerne für den californischsl »§6e9", im übrigen sind sie harmlos. Giftig ist der CO-Anteil, daran besteht kein Zweitel, und ebenfalls giftig sind die Stickoxyde, ein Lungengift, dessen gesundheitsschädliche Eigenschaften erst in den letzten Jahren 163 in ihrer ganzen Bedeutung erkannt worden sind. Deshalb ist NO" jetzt auch in die "Catiforniatest"-Bedingungen mit aufgenommen worden. Beim Ro 80 ergibt sich (Mitte 1970) folgendes Bild: Unent- giftet co CrH, NOr 3,5 100 650 1 Ro 80, Vorschrift entgiftet ,19 ,y 1 1,0 150 650 Vol . o/o ppm ppm Dabei strömen die heißen Auspuffgase vom Motor direkt in den "Re- aktor" (Bitd 79) (Nachverbrenner). In ihn wird gleichzeitig unter leichtem Uberdruck Frischluft eingeblasen, es steht also jetzt genügend Sauerstoff zur Verfügung, um restliches CH zu COs und HsO und restliches CO zu COz zu verbrennen. Dabei erhöht sich die Temperatur der Gase, womit die Bereitscfiaft zur völligen Verbrennung noch gesteigert wird. Daß das Auspuffgas beim Wankelmotor heiBer ist als beim HKM, erweist sich hier als Vorteil, denn bei Reaktoren, die an normalen Hubkolbenmotoren arbeiten sollen, muß die Temperatur sozusagen "künstlich" erhöht werden, indem außer reichlich Luft auch noch etwas frischer Brennstoff eingeblasen wird. Eine kleine fremd angetriebene Luftpumpe ist in jedem Fall nötig. Die ganze Einrichtung lst von den amerikanischen Motoren her, soweit sie nacfi Galifornien geliefert werden, längst bekannt und bewährt. Nur kann sie am KKM einfacher sein. Der Reaktor hat jedoc*r keinerlei Einfluß auf die Stickoxyde. ln diesem Punkt ist der Wankelmotor von vornherein eindeutig im Vorteil, er produziert nämlich nur halb so viel davon, wie ein moderner HKM. Bisher waren am Wankelmotor keinerlei Vorkehrungen nötig, um den NO,-Gehalt innerhalb der erlaubten Grenzen zu halten. Um den Stickoxyd-Anteil zu verringern, muß man nämlicfr recht unangenehme Maßnahmen ergreifen, z. B. einen Teil des Auspuffgases der Verbrennungsl uft bei mischen, um d ie Verb rennungstemperatu r herunterzusetzen. Die heutigen HKM sind mit ihrem hohen Verdichtungsverhältnis und ihren auf optimale Leistung gezüchteten Verbrennungsräumen besonders ungünstig, denn die Spitzen der Verbrennungstemperatur werden dabei sehr hoch, und je höher sie sind, um so mehr NO. wird gebildet. 164 Die beim HKM nötige Altgasbeimischung setzt natürlich auch die Leistung herab. Es ist also keineswegs so, wie schon in manchen Zeitungen zu lesen war, daB der Wankelmotor die »Abgashürde" nie würde über- springen können; das Gegenteil ist der Fall, er ist vergleichsweise leicht zu entgiften, während man beim Hochleistungs-Hubkolbenmotor wahrscheinlich auf ganz neue Konstruktionen mit viel mehr Hubraum und höherem Gewicfrt wird ausweichen müssen. Bild 80 läßt erkennen, wie stark die Entwicklung von CH-Anteilen mit steigendem Zylindervolumen fällt. Der CH-Gehalt ist bei einer Auspuffgastemperatur von 7000 mehr als doppelt so hoch wie bei 9000 C (Bird 81). Bild 80 Gehalt des Abgases an Kohlenwasserstoffen (C*Hr) in tr000 +f E B \+ z.ooo = c, .E G. R. Oliver von Shell auf der Champion-Kon terenz 1 965.) + o § \. + e,I ü Abhängigkeit vom Hubraum des Motors. (Gezeigt von t1 A t,000 + + Z,(PO ,t 000 6000 Hubvolumen (cms) ffi 700 E 600 Esm ä 5 o 400 soo *o 2oo too lt.oo, 0 t.r t.? 900 Bild 81 lnnerhalb enger Grenzen hängt beim KKM der Abgasgehalt an CH von der Gastemperatur ab, während bislang keine Wechselbeziehungen zu Last und Motordrehzahl gefunden werI ffilIoc-', 1.5 t.4 800 700 den konnten. Auspuff-Temperaturen o C So bietet also der Kreiskolbenmotor eindeutig bessere Voraussetzungen für eine Erzielung giftarmer Abgase als heutige Hubkolbenmotoren. 165 13.4 Lelstung Die Bilder 82-85 sind Leistungs- und Verbrauchskurven von vier Wankel-Kreiskolbenmotoren mit Kammervolumina zwischen 160ccm und 2 X 980ccm. Es werden auch die Resultate älterer Untersucfiungen wiedergegeben, die bis auf das Jahr 1963 zurückreichen Vollast bei f1 .= 20@,1,0ü,60@ Ulmin Ztindkerze ilmm hinfs d kurzen AdEe 300 t\ _.fro \ \ 8,, § /A §Ei zto ä § \ e\l I \ \ 220 --3== fi...-.u.--; ,/ e , I a §,, 180 § sm /,00 § 3ü 2U 'nlIN olT QlE 3ol § 201 B ßl ol-Q§ Bild 82 090 l,N 1,10 120 KrufEtoff I lutt -Verhälfnis 130 Gegenüberstellung von Verbrauctr und Gehalt an CO, C^H, über X. und mit einem Einscheibenmotor RC 1-60 erhalten wurden. Von diesen Maschinen wurden nur der NSU-KKM 502 und der Gurtiss-Wright RC 2-60-U 5 speziell als Antriebsquellen für Automobile entworfen. Beide Konstruktionen sind mehrere Jahre alt und inzwischen durch beträctrtliche Fortschritte in der Entwicklung überholt. (Höhere Lei166 öl: Shell Rotella Moton KM rß (F & S) Vergaser: Bing I t.6 7 l.{ 6 1.2 oD5 t.0 = o8 o E a o. SAE 30 Zündkeze: Bosclr W 811411 MisctrungsVerh. 50 : 1. Kraftstotf : NormatUeniln 190 M 1l S Ne Lutüilter: Mqrnffi*ä ^o __r §__-Md *t rt- o\. \, fln6 E \/ € CL CD .Y E co .l-= 0 E E4 €o e .E o 3 0.6 2 0.{ I 0.2 o r0o H l- t, I- cl t- o Bild 83 v, .-bC t 000 a000 5,000 5,000 Drehzahl U/mln hI o iltE 6000 Leistungskurven vom Ficfrtel & Sachs KKM 48. Kammervolumen 160 cm3, Verdidrtungsverhältnis 8,5 :1. slßh N§ § § g ä_ 1000 2000 3000 4m fl00 Drehzahl Ulmin Bild 84 Spezifischer Kraftstoffverbrauch des NSU-KKM 502 (mit Fahrwiderstandsku we). 167 E q § -s aE A § U (oq ,ToW Kogyo Zxt 00 NSU KKM \ - --E: - - Hubkotben motor. 1 2 3 t. 5 6 7 g I Pe kPlcn?) Bild 85 502 CW RCz -60 tO' Vergleidr des speziflscten Kraftstoffverbraudres von vier verschiedenen KKM und einem HKM. stung, verringerter spezifischer Kraftstoffverbrauch, längere Lebensdauer, höhere VerläBlicfrkeit.) Es ist nicht leicht, aus den Kurven des spez. Verbrauches die KKM und HKM auf den ersten Blick zu erkennen. Ebenso muß man bei direkten Vergleicüen vorsichtig sein und deshalb sind in Bild 87 die Drehmomente auf einen sozusagen neutralen Maßstab gebracht worden. Die Drehmomentkurven sind alle ausgedrückt als Prozentsatz des maximalen Drehmoments und so gezeichnet, daB man sehen kann, bei welchem Prozentsatz der Maximaldrehzahl sie jeweils auftreten. So kann man feststellen, daß die hier aufgeführten HKM ihr höchstes Drehmoment bei 55, 62,2 und 75 0Ä ihrer Höctrstdrehzahl entwickeln, während die entsprechenden Werte der KKM bei 50, 61,8; 65,8 und 74o/o der Höchstdrehzahl liegen. Die beidseitig herunterhängenden Aste der Md-Kurven lassen 168 ,u 320 ges teckte 280 21,0 m, r/i 320 28C ril - LAV} gesl tJa 2to {, I T/ E" /t 160 § .Q s t20 / 80 r il n 0 //, T), ,ru / t, lr0 20 t0 60 ü 100 120 u,0 liafbtoftdurchfluß kg lh l-eislung des PC 2-90 CW-Moton mit JPs bei n=6000Ulmin Bild 86 # 80 I 0 T») fr ,,u ,/ // il I (r, 20 /.0 60 g0 100 120 tt 0 l(nftsfotfdurdttlull l<g lh Leisfung des PC 2-90 CW-Motors mit JPs bei n = 5000 Ulmin KKM-Leistungskurven mit JP (Jet Petrol) und/oder Dieseltreibstoffen (Aus "Design u. Gomponents"). Schlüsse zu in bezug auf das Verhalten gegenüber anderen Faktoren, wie Wagengewicht, niedrigste noclr verwertbare Motordrehzahl, Anzahl der notwendigen Getriebegänge usw. So wurde z. B. gefunden, daß es gerade im Stadtverkehr nicht möglich war, die Motordrehzahl eines Sportwagens (800 ccm) unter 4000 U/min absinken zu lassen, wenn der Motor nicht stehenbleiben sollte. Das bedeutet, daß praktisch mehr als 50 0/o des gesamten Drehzahlbereichs überhaupt nicht verwertet werden konnten und daß das Drehmoment, welches unterhalb 50o/o der Höchstdrehzahl zur Verfügung stand, unter normalen Fahrbedingungen nicht mehr zu gebrauchen war. Andererseits zeigte der NSU-Spider unter gleichen Fahrbedingungen, daß selbst unterhalb 30 o/o der Höchstdrehzahl (also bei etwa 2000 U/min) keine unmittelbare Gefahr bestand, daß der Motor stehenbleiben würde (obwohl er schon unterhalb 35 0/o recht unruhig zu werden begann). Jedenfalls aber liefert ein Wankelmotor bei jeder Wellenumdrehung einen Kraftimpuls, und das ist das gleiche, wie bei einem Zweizylinder-Viertakt-HKM, vgl. Bild 35 b. Es ist deshalb überraschend, daß nicht allein die leichte Rauheit verschwindet, wenn die Motordrehzahl steigt, sondern auch der allge169 meine Eindruck der Maschine mehr an eine Turbine erinnert. Auch gibt es kein hörbares Anzeicften, wenn die Drehzahl das vom Hersteller zugestandene Maß überschreitet. Wie dem auch sei, es ist sehr schwierig, das richtige Fingerspitzengefühl für diesen Motor zu wecken, zumal Beschleunigungskurven nicht unbedingt repräsentativ sind, denn sie setzen Geschick und Erfahrung seitens des Fahrers voraus (richtige Wahl der Getriebegänge und richtige Ausnutzung des Drehmomentwandlers z. B. beim Ro 80). So ist vorerst wohl die beste Lösung, jedem Wagen mit Wankelmotor einen Drehzahlmesser mitzugeben. Da wissenschaftlicfre Unterlagen nicftt zur Verfügung stehen, kann man wohl annehmen, daß die meisten Fahrer das rec*rte Verständnis für ihren KKM-Wagen selbst entwickeln. Man erinnert sich der Versuchswagen, die mit Gasturbinen ausgerüstet waren. Es vergeht immer eine gewisse Zeit zwischen dem Durchtreten des Gaspedals und dem Beginn einer nennenswerten Beschleunigung. Für das Fahren in der Stadt war das sehr hinderlich. Es lag einfach daran, daB die drehenden Massen der Turbine erst einmal beschleunigt werden muBten und das ist wohl überhaupt das fundamentale Problem bei Turbinenwagen. Eindrucksvolle Beschleunigungen aus dem Stand sind zwar möglich, aber etwas irreführend, denn man muB erst die Turbine hochdrehen - mit festgebremsten Rädern. Läßt man die Bremse los, ist die Beschleunigung so stark, daß die Reifen qualmen. Dem Vernehmen nacfi haben Chrysler Corp. und G. M. C. einen Weg gefunden, diese Verzögerung zu reduzieren, aber einen Weg, sie gänzlich zu vermeiden, haben sie auch noch nicht entdeckt. Es ist in diesem Zusammenhang interessant, auf das Bild 88 zu verweisen, aus dem man recht deutlich sieht, daß nicht Drehmoment schlechthin, sondern Leistung erforderlich ist, um die Masse des Fahrzeugs zu beschleunigen. Viel interessanter ist die Tatsache, daß der Wankelmotor, und besonders der NSU-KKM 502 und die Zweifachmaschine des Ro 80 ganz beträchtlich besser sind und besonders in Anbetracht ihres Gewichts und ihrer Größe (oder besser "Kleinheil«) hervorragende Beschleunigungen erbringen. Wie schon ausgeführt, ist zur Zeit noch kein wissenschaftliches Material verfügbar, das diesen Eindruck bestätigen könnte. lmmerhin haben erfahrene Tester berichtet, daß es sehr wohl zweckmäßig ist, beim Fahren den Drehzahlmesser im Auge zu behalten, denn man 170 7 xc, 8s C // s7s Bild , 87 , R RCI- 60 Versuchsmotof .für hohe Drehzahlen-r \ I , 1.-.ril 0 b / / RC2-i ;Bo I *D \ xxpl soz t0 20 30 40 s0 60 70 80 90 Wellendrehzahl 100 (o/o max) Vergleidr der Drehmomentkurven eines älteren Versucfts-KKM mit drei KKM, die speziell für den Einbau in Automobile entwickelt wurden. Die Kurve des Toyo Kogyo Mazda Cosmo 0813 Zweifachmotors wurde mit aufgenommen, weil sie zeigt, daß der Wankel-KKM einen besseren Drehmomentverlauf haben kann, als viele HKM (vgl. Bild 88). muß erst lernen, aus dem niedrigen Geräuscfipegel (Auspuff und Getriebe) sozusagen instinktiv auf die Motordrehzahl zu schließen und die rictrtigen Zeitpunkte zum Schalten der Getriebegänge zu tref- fen. Wenn gelegentlich die vom Werk angegebene Höchstdrehzahl einmal überschritten wird, so hat das allem Anschein nach keine üblen Folgen, zumal Rattermarken heute nicht mehr auftreten. Unabhängige Tester in den USA haben einen Ford Mustang mit einem Curtiss-Wright RC 2-60-V 5 (KKM) gefahren und eine Beschleunigung von 10,6sec gemessen von null auf 100km/h und die Beschleunigung von 40 auf 113km/h (70 Meilen) war 12sec und damit 1,5sec kürzer als die offiziellen Werte von Ford, die mit dem Original-HKM erreicht wurden. Mit allem Drum und Dran war der Wagen 57 kg schwerer als das Standardmodell und, verglichen mit der Mustang V 8-Masctrine, entwickelte der KKM etwa 8 0Ä weniger Leistung. Die gemessenen Werte sind also um so beachtlicher. Die Amerikaner sind der Ansicht, der KKM könne für den Preis von 1 $ pro Brems-PS gebaut werden, während der derzeitige V 8-Hubkolbenmotor 2 $ pro Brems-PS kostet. Dieses günstige Preisverhältnis kommt dadurch zustande, daß der kteinere und leichtere KKM 171 % 100 90 ?,, J E §70 Ul S60 § \- §so 20b Bild 88 100% WelleNrehzah I (9/o des Maxim ums ) Vergleich der Drehmomente von drei in Serie laufenden Automobilmotoren und einer Gasturbine. Das hohe Drehmoment der Turbine bei stehender Welle ist von geringem praktisdlen Wert, da der Wirkungsgrad sdrlecht ist und nur wenig Leistung für die Beschleunigung zur Verfügung steht. sehr billig wird, wenn man ihn in den gleichen Stückzahlen produziert, wie einen gleichstarken Motor konventioneller Bauart. lm Hinblick darauf, was über den NSU-KKM 502 schon gesagt worden ist, scheint es überflüssig, nocfr einige Besonderheiten zu erwähnen, vielleicht mit der Ausnahme, daß einige NSU-Spider-Fahrer, die ihre Testprogramme sehr weit ausgedehnt haben, nur Günstiges berichteten über die geringen Serviceanforderungen der Maschine. Sie machten weniger gute Erfahrungen mit dem unregelmäßigen Leerlauf und sie haben von ihren Zündkerzen vielleicht zu Iange Lebensdauer erwartet, aber im großen und ganzen bestand weitgehende 172 Übereinstimmung über die bemerkenswerte Zuverlässigkeit und die bescheidenen Pflegeansprücfie der Motoren. Die heute bei konventionellen Motoren erreichten Normen an Zuverlässigkeit und Lebensdauer werden von den Wankelmotoren in dieser Hinsicht nocft übertroffen werden, wenn erst einmal die Materialfachleute und die Fertigungsspezialisten sich mit den speziellen Problemen des neuen Motors beschäftigen. 13.5 Kraftstoflverbraudr Nach Leistung und Zuverlässigkeit ist unstreitig der Kraftstoffverbrauch von größerem lnteresse, da er den Haupteinfluß auf die Betriebskosten hat. Dazu kommt, daß der spezifische Kraftstoffverbrauch sehr interessante Vergleiche zwischen einzelnen Motorentypen zuläßt. Die Ungereimtheit, den Verbrauclt in g/PSh auszudrücken, erfordert ein Wort der Erklärung: diese Praxis ist ganz vernünftig, weil m,an bestrebt ist, in dem einen Falle die Leistung des Wagens, im anderen den zur Erzeugung eines PS für eine Stunde notwendigen Brennstoffverbrauch und damit die Qualität des Motors zahlenmäBig dazustellen und zu beurteilen. Daß man hier das Gewicht, also Gramm, wählt und nicht das Volumen (Liter), geschieht deshalb, weil 1 kg Kraftstoff ziemlich gleichmäBig 10 000 Kcal hat; der Heizwert pro Liter schwankt hingegen viel stärker, weil das spezifische Gewicht je nach Herkunftsland dds Rohöls etwa zwischen O,72 und 0,78 liegen kann. Hierüber wurde auch schon im Abschnitt 10.1 gesprochen. Bei den Kennlinien des KM 48 von F & S, eines kleinen Motors für stationäre Zwecke (Bild 83), fällt der für so kleine Motoren günstige Kraftstoffverbrauch auf. Bild 84 ist ein Verbrauchskennfeld des KKM 502, aus dem die Verbrauchswerte für das jeweilige p.. und eine bestimmte Drehzahl in g/PSh abgelesen werden kann. Die Kurve ganz oben ist die Volllastkurve, entspricht also der Darstellung PS über n. Wie man sieht, liegt der niedrigste Verbrauch im mittleren Bereicfr, in dem man sich auch vorwiegend bewegt. Der spezifische Verbrauch in g/PSh von vier Wankelmotoren bei einheitlich und konstant 5000 U/min sind in Bild 85 aufgezeichnet und dazu, zum Vergleich, der Verbrauch eines 4-Takt-HKM-Vierzylinders von 1000 ccm Hubraum. Man sieht, daß sich diese Kurven vornehmlich über den niedrigen p,"-Bereich, also bis 173 etwa 8.1 kp/cm2 erstrecken, das ist das am meisten benutzte Gebiet, gerade beim Automobilbetrieb. Alle hier angezogenen Motoren arbeiten mit Vergaser. Der Kraftstoffverbrauch des NSU-KKM 502 ist etwa 100Ä höher als der des Hubkolbenmotors. Aber der spezifische Verbrauch der Versuchsmotoren 2 mal400ccm und 2 mal 1000ccm, die von Lizenznehmern als Automobilmotoren entwickelt wurden, zeigen Verbrauchswerte, die denen des HKM gleich oder sogar besser als diese sind. Es sollte vielleicht besonders betont werden, daß der KKM 507, der speziell für industrielle Zwecke entwickelt wurde, einen günstigeren Verbrauch über das gesamte Last- und Drehzahlgebiet hat. 13.6 Kraltstofleinspritzung Es wäre falsch, in diese Betrachtungen die sehr vielversprechenden Entwicklungen nicfrt einzubeziehen, die von Charles Jones von Curtiss-Wright in einem »paper« veröffentlicht wurden, das bei der ,Metropolitan Section SAE, Farmingdale«, Long lsland, am 3. November 1966 präsentiert wurde (15). Von Curtiss-Wright wurden Schwerölausführungen von Wankelmotoren entwickelt. Der Kraftstoff wird direkt in die Verbrennungskammer eingespritzt durch eine Diesel-HoctdruckEinspritzdüse, die unmittelbar an die Zündkerze angrenzt und synchron mit der Zündung arbeitet. Anders als konventionelle Niederdruck-Einspritzungen ins Saugrohr oder alte Kompressions-Hub-Einspritzungen, wurde dieses System entworfen, um eine sogenannte rStationäre Flammenfront« während der Einspritzung zu erreichen. ln praxi spielen äußere Effekte mit hinein, wie Verdampfung auf der heißen Kolbenfläche, aber die Verbrennung läuft doch im wesentlichen in der beabsichtigten Form ab, so daß man also nicht an hochoktanige und leichtflüchtige Kraftstoffe gebunden ist. Es brennt jede Flüssigkeit, die einen irgendwie realisierbaren Heizwert hat. Erfreulich ist, daß diese Anpassungsfähigkeit mit den gleichen Grundabmessungen (Verhältnis R/e) unserer Vergasermaschinen erreichbar wird, so daß die kompakten Abmessungen und die Eignung für hohe Drehzahlen erhalten bleiben. Die gerade dem KKM eigene Art des Gaswechsels ist gut geeignet für dieses Verbrennungssystem. Motoren dieser Art arbeiten ohne Drosselung der Verbrennungsluft, die Leistung wird lediglich durdr die eingespritzte Brennstolfmenge gere174 gelt, d. h. man kann Umfangseinlaß vorsehen und damit die Voraussetzungen für hohe Drehzahlen genau wie bei der Vergasermaschine behalten. So erfreut sich der Einspritzmotor mit koordinierter Fremdzündung folgender Vorteile: ungedrosselter Teillastlauf mit hohem Luftüberschuß (als Begleiterscheinung geringe Pumpverluste), Herabsetzung von Temperaturspitzen und niedrigere Auspufftemperatur. Eine willkommene Nebenerscfreinung ist eine Verringerung der toxischen Auspuffgasanteile gegenüber normalen Benzinmotoren bis herunter zu Brennstoff/Luftverhältnissen von 0,01 oder 0,02, die bei Teillast, wie sie im Automobilbetrieb häufig vorkommt, noch möglich ist. Es sind noch keine Messungen gemacht worden, aber wenn der hohe Luftüberschuß zu den erwarteten Resultaten führt, müssen sich in Verbindung mit den niedrigen Herstellkosten interessante Aussichten für die Anwendung solcher Motoren im Automobil ergeben. Freilich ist die Frage noch offen, wie man die Leistungsverminderung, die sich speziell bei Vollast gegenüber Vergasermotoren bemerkbar macht, bekämpfen kann. Die Maximalleistung bleibt ungefähr 20 0/o unter derjenigen eines gleichgroßen Vergasermotors mit Umfangseinlaß. Trotz dieses Nachteils würden solche KKM-Konstruktionen aber ohne allen Zweifel bestens konkurrenzfähig sein wegen ihres verglichen mit anderen Schwerölmotoren - günstigen Gewichts. Leistungskurven (mit JP gefahren) sind in Bild 86 gezeigt. Es ist anzunehmen, daß diese fortgeschrittene Entwicklung weitergehen und an Wicfrtigkeit vielleicht jene des Kreiskolben-Dieselmotors einmal übertreffen könnte. Versuche in dieser Richtung sind keineswegs auf Curtiss-Wright in den USA beschränkt. Auch in Großbritannien besteht großes lnteresse am Vielstoffbetrieb und auch anderwärts schenkt man der Kraftstoffeinspritzung groBe Aufmerksamkeit. Mittleruveile ist eindeutig klargeworden, daB der Wankelmotor ein vorgeschrittenes Stadium der Reife erlangt hat, was natürlich nicht bedeuten kann, daß es keinerlei Probleme mehr zu lösen gäbe. SchließIich hat der Hubkolbenmotor seine Perfektion nach neun Jahrzehnten nicht ohne beständige Entwicklungsarbeit erlangt, sonst wären seine Tage längst gezählt. Die Wankelkonzeption bietet noch eine Fülle von Entwicklungsmöglichkeiten, die über diejenigen des Hubkolbenmotors noch weit hinausgehen. 175 14. Mathematische Analyse des Kreiskolbenmotors 14.1 Erzeugung von Trodroiden Die Familie von Kurven, die entstehen, wenn irgendein Punkt eines Kreises, der auf der Oberfläcte eines anderen Kreises schlupffrei abrollt, eine sichtbare Spur hinterläßt, heißen "Trochoiden.. (: Radkurven). Der erzeugende Kreis kann auf der lnnenseite oder auf der Außenseite des Grundkreises abrollen oder ihn umschließen. a : Radius des erzeugenden Kreises b : Radius des Grundkreises 1. Hypotrochoiden erhält man, wenn der erzeugende Kreis innerhalb des Grundkreises liegt und wenn a ( b ist. 2. Epitrochoiden werden erzeugt entweder a) durch Abrollen des erzeugenden Kreises auf der AuBenseite des Grundkreises (wenn a ( b) oder b) durch Abrollen des ezeugenden Kreises an der Außenseite des eingeschlossenen Grundkreises mit a ) b. DaB die Erzeugung von Trochoidenkurven auf mehrfache Weise mög- Iich ist, kann leicht nachgewiesen werden durch das "Belerman-Morley-Theorem« (16). Die "Doppel"-Erzeugung einer Epitrochoide wird in Bild 89 gezeigt. Der erzeugende Kreis mit dem Mittelpunkt O' rollt ab an der Außenseite des feststehenden Kreises 2 mit dem Mittelpunkt O. Punkt D auf Kreis 1 beschreibt nun eine Epitrochoide (a > b). Für einen willkürlicfr angenommenen Punkt D auf der Fläche des abrollenden Kreises 3 (mit dem Radius O"l': Re) in Kontakt mit dem Grundkreis 4 (mit dem Radius Ol' : Ra) mit ll als gleichzeitigem Mittelpunkt, sind die Bedingungen für eine Doppelerzeugung einerTrocltoide mit dem geometrischen Ort D gegeben. I, l'und D sind collinear und OO'DO" ist ein Parallelogramm, wobei O" auf der Verlängerung von Ol' liegt (a < b). Das Parallelogramm OO'DO" und die ähnlichen Dreiecke Dl'O" und DO'l1 oder DlrO' und DO"l'1 bilden dann die Form eines schiefen 176 Bild 89 Die auf zweifadre Weise möglidte Erzeugung einer Epitrodroide; O'D - R Folgende Beziehungen gelten: R1 :R(1 +R4/Rq) Rz Bild 90 : R (R4/Rq) Sylvesters Pantograph. OO'DO ist ein Parallelogramm und die Dreiecke DO'l DO" l, und h h'O sind ähnlicfr. Panthographen oder Plagiographen, wie er von J. J. Sylvester (17) beschrieben wurde und in vereinfachter Darstellung in Bild 90 zu sehen ist. 177 Für gesdrlossene Trocfroiden muB jedocfr das Verhältnis a : b ganzzahlig sein. Wenn der Punkt D auf der Ebene und auf dem Umfang des erzeugenden Kreises liegt, gehören die auf diese Weise erhaltenen Kurven zu den Cycloiden. 14.2 Erzeugung von Epltrodrolden Bild 91 Koordinatensystem für die Erzeugung der Troctroide. ln Bild 91 sind a : der Winkel zwischen der Bezugslinie PP' des erzeugenden Kreises, a, und XX'die Bezugslinie von b, dem feststehenden Kreis; g : der Winkel zwischen der Normalen zur Epitrochoide bei D und O'D ist der erzeugende Radius des abrollenden Kreises; : ist der zwischen der Bezugslinie XX' und OI produzierte Winkel; v Ol : der Radius vom Mittelpunkt O' des festen Kreises zum Berührungspunkt zwischen erzeugendem und festem Kreis; : der Winkel zwischen der Bezugslinie PP' des abrollenden Krei@ ses und OI. Bezugslinien des festen Kreises, Radius b - (Z - 1) e, Mittelpunkt o BezugsliniendesabrollendenKreises,Radiusa punkt o' 178 Da A und B am Anfang des rollenden Kontaktes zusammenfal len, gilt: arcAl : arcBl, d. h. a @) oder -by z@:(z_r)s, weil a : Z. e und b : (Z- 1) .e Aus Bild 91 geht hervor, daß @ Eingesetzt in Gleichung A 1 i (A. 1) + a- Z' a : y) y) Wenn D ein Punkt auf der Linie PP' ist, so daß O'D - R, dann sind die Koordinaten von D mit Bezug auf die festgelegten Achsen XX' und YY': x - ecosVr + Rcosa y-esinrp+Rsinc oder x-ecosZa+Rcosa y-esinZu+Rsina (A.2) Nach der Definition ist der Weg des Punktes D eine Epitrochoide und in dem speziellen Fall, daß O'D:Ze: R, ist er eine Epizykloide. Normalerweise macht man ausgeführte Epitrochoiden für Wankelmaschinen um einen kleinen Abstand größer, als es der Recfinung entspricht, damit die Dichtlinie an der Dichtleistenkuppe wandern kann. Die tatsächliche Laufbahn ist daher um den Abstand »»ä<< größer, wie aus Bild 91 hervorgeht. Die Gleichungen für diese Kontur folgen aus den Gleichungen A2= x - ecos Za + Rcoso + ccos (a + g) (4. 3) y - esin Za + Rsin q, + csin (a + g) Der Unterschied zwiscfren dieser Kurve und einer Epitrochoide, bei welcher der erzeugende Radius O'D : R + a ist, ist unbedeutend, besonders wenn man an die nicht auszuschließenden Wärmespannungen denkt. 14.3 Der Sdrwenl«wlnkel 9 Eine wichtige Funktion, die in der Analyse oft vorkommt, ist die Winkelbeziehung zwischen dem erzeugenden Radius O'D : R und der Senkrechten auf der Trochoidenkontur an der Stelle des Punktes D, 170 ausgehend von l. Dieser Winkel, der sogenannte Schwenkwinkel, wird als g bezeichnet. Er stellt sich ein zwischen der Normalen und dem ezeugenden Radius R. Er ist Iediglich abhängig vom Verhältnis R : e, aber wegen seiner Bedeutung für die maximale Schräglage der Dichtleisten ist er weit wichtiger als die einfache Beziehung R : e. Bild 92 Schwenkwinkel Er hat - überraschenderweise - auch Einfluß auf das höchstmögliche Verdichtungsverhältnis, auf die Größe der Einschnürung der Trochoide (an der kurzen Achse) und damit auch auf die Kolbenkontur. Bei ausgeführten Motoren liegt der Winkel bei 25 bis 30o, die noch möglichen Grenzen sind etwa 18 und 32o. Man kann ferner feststellen, daß 9 der Winkel zwischen der Tangente an der Kolbenspitze und der Normalen zum erzeugenden Radius und somit auch bestimmend für die Form des Kolbenprofils an der Kolbenecke ist. Bild 92, abgeleitet aus Bild 91, zeigt die geometrische Methode der Berechnung des Winkels 9. lm Dreieck IO'F ist ö2: 'r-za '. d1 : n+ (Z-l)" aber Ö1 - 2n-(ä, + ;+ d) und cosÖ1 :-cos(Z-1)o f2 : h2 + R2 - zhR cos (2 n - dr) Jetzt ist f2 oder - h2 + R2 - zhR cos 01 Entsprechend h2: fz + R2-2f Rcosg cosg: 180 R2 + f2_h2 2Rf (A.4) Setzt man für f2 in Gleicfrung A. 4 ein, so gilt: R-hcosö1 cosg[r,, + Rz + zhR cos u,]* und somit ist R + hcos (Z-l)o cos9: (A.5) + zhR cos (Z-r) "]+ anders ausgedrückt: I : R + hcos o'tc cos [n, + R2 + zhR (Z-l)o cos Das heißt e: arccos f (o) weil * [rr. cos (z-r) + (A.6) _L f (r)] fürO(arccosf(")(r, tu_ da + + zhRcos hsin (Z-t)o h2 (z-t,{*# und deshalb ist e 2h th + R cos (Z-r) "l (z-1,)a d":m2hRcos d #: o, wenn th + R cos (z-r) d Das ist der Fall, Eingesetzt wenn (A.7) al -o ._h l) q, : -[ - cos (Z für cos (Z-l) o in Gleichung A. 5 cos 9^r* (R'- h') I (4.8) R sing."*-*,weil h- Z'e sin : Z' g.r-rxR e (4.9) 181 Die Anderung der Dichtleistenschräge in Abhängigkeit von der Zeit folgt aus Gleichung A.7, weil &-_dp. do dt da dt dv _ 2h [h + Rcos (Z-t)a)a dt h2 + R2 + zhRcos (Z-l)o (4. 10) Aus diesem Ausdruck kann die jeweitige Anderung der Geschwindigkeit an der Dichtlinie der Dichtleiste leicht abgeleitet werden. Bild 93 Entwic*lung der Hüllkurven zur Trocftoide. 14.4 Dle Hllltkurve elner Trodrolde Die Umhüllende einer Trochoide erhält man, wenn man die Epitrochoide konzentriscfr zum Grundkreisradius b hinzufügt und diesen Kreis mitsamt der Trocftoide an der lnnenseite des vorhergehenden erzeugenden Kreises mit dem Radius a abrollt, dessen Zentrum S fetzt feststeht (OS : e). In Bild 94 sei SX-SY ein festes Achsensystem und O der Mittelpunkt des eaeugenden Kreises mit dem Radius b. OX-OY sei ein Achsensystem für den abrollenden Kreis und I sei der Kontaktpunkt zwischen den Kreisen. 182 Bild 94 Koordinatensystem für die Hüllkurven zut Troc-lroide. Dann ist, wenn A und B am Anfang zusammenfallen, die Bedingung für den rollenden Kontakt: arc AI : arc BI, d. h. e' p - b'y + r - y)i .'. bt: (a-b)P d.h.z (Z-1)eist Aus der Zeiefmung ist 0 Daa-Zeundb z-r (A. 11) Bild 95 folgt aus Bild 94 und aus der obigen Ableitung. Betrachtet man den Punkt D in Bild 95, der auf der Trochoide liegen soll, so gilt im xy-System: x-ecos Za+Rcosa\ Y_esin Za + R sin "l (4.2) ln Bild 95 sind die Koordinaten im xy-System - X: ecosd * ecos [2"-P/(Z- 1)] + Rcos[a -ßl(Z-l)) Y : esin d * esinlZ"- § I (Z-l) * Rsin l"- ß I (Z-l)) Wenn § :o-ZvundZ"-ß(Z-1) : u* Zv, dann ist a- ß I (Z-l): (u * Zv)l Z-(u-Zv) I Z : 2v So werden die Koordinaten von D oder X_ecos(u-Zu) +ecos(u+ Zo) +Rcos2v Y - esin (u-Zu) + esin (u + Zu) * Rsin 2v X -2ecosucosZv* Rcos2v Y-2esinusinZv*Rsin2v (A. 121 183 Die umhültende Kurve der Trochoide wird erzeugt durdt Sdtnittpunkte aufeinanderfolgender Kurven, die sic*r ergeben, wenn der Winkel v geändert wird. Dies geht aus dem Taylorschen Lehrsatz hervor wie folgt: f (x, y, c) : O sei die Gleichung eines parametrischen Systems oder einer Kurvenfamilie, aus welcher man einzelne Kurven erhält, indem man dem Parameter c einzelne Zahlenwerte zuweist. Eine Kurve, die derjenigen benachbart ist, für welche die Gleichung f (x,y, c) : o gilt, habedieGleichung f (x,y, c * A c) : O,wobei A c ein nur kleiner Wertzuwachs von c ist. Nach dem Taylorscten Lehrsatz gilt: f (",y, c * A c) .+#[f (*,y, : f (x,y, c) + fr c* ff (x, y, c)l A @Ac]'(A")',wobei o<@<1 An den Schnittpunkten der Kurven, wo f (x, y, c) * A c) : O wird diese Gleichung zu : O und f (x, y, c .r tf (x, y, c)l * c .l# [f (", y, c * @a c)] (a c) :o Wenn A c * O, tendiert ein Schnittpunkt der Kurven zu einem Punkt der folgenden beiden GIeicüungen genügt: "g f (*, Y, c) : O unO *4 (x, Y, c) : O Solche Grenzpunkte heiBen Schnittpunkte von »Folgekurven" des Systems und der geometrlscfie Ort ändert sich in dem Maße, wie c sich ändert. Er ist die Hüllkurve des Kurvensystems. ln diesem Fall genügen die Punkte der Umhüllenden den Gleichungen A.12, zusammen mit den folgenden Bedingungen: dx (4. dv Weil X und Y Funktionen von und dX t X,.9X du d": 6* - d., d" du T, 8Y ,," ' dv Aus den Gleichungen A. 12 und A. 13: dx d, - - 184 zze cos usin Zv -2Rsin 2v -2e sinu cos Zv' *+ : O 13) dY dv - - zzesinusin Zv + - 2 R cos 2v + 2ecosucos Wenn man mit sin u und cos u multipliziert, um erhält man : O ä i; Ze sinZv * Rsin 2 v cos u-R cos 2 v sin u dasentsprichtP * Msinu * Ncosu: o wobei 'rt ::'-; . du -dv Zv'*+ :o zu eliminieren, N:R'sin2v Daraus folgt: sin u :f ,i" zv cos *[, - (ät)' 2v und cosu: -Tsinzvsin2v * [r-(#)' sin,z,f* sin 2 v ,io'zo]cos2v Setzt man diese Beziehungen in die Gleichung A. 12 ein, so ergibt sich die Umhü!lungskurve: X : R cos 2 v + Y : -'+sin 2e[r-ff)' 2 si,,, z"]*.o, 2vcos zv (A. 14) R sin 2v +Tsin 2 Zvcos 2v + t 2e[, - (#)'sinz ,"]f sinvcos R cos 2v- 1il sin 6 v sin zv ) Für den Nsu/Wankelmotor, wo z durch x- ) Z vsin 2 v + - 3 ist, ist die Umhüllende gegeben 2v z"h -9ezsin2 lrrlicos3vcos2v I LR2 Y - R sin 2 v + tl sin 6 v cos 2v t + + 2 e[, (A. 15) - ä+ sinz 3 "]* .o, 3 v sin 3 v Wenn sich v von o zu 2 n verschiebt, hat die sanfte Kurve, die durch die parametrischen obigen Gleichungen A. 15 erhalten wurde, drei 185 deutliche Knoten. Das Kolbenprofil, das zur inneren Umhüllenden gehört, ist gegeben durch folgende Kurventeile: 7t-. n 5n..7n ":eDlsr, a bts a -3n-.DISlln und 2 6 Die Spitzen des Kolbens liegen an diesen Knoten. 14.5 Die Flädre des üblicfien Kolbens Die parametrischen Gleichungen des Kolbens können so geschrieben werden: : -'+ Y : R sin 2 v +z+ X R cos 2 v sin2Zv sin 2 v * w cos 2v 2v * w sin 2 v sin2Zv cos (!§';1' *""'J : 2" l, - \n/ ,ir,, Z rrli cosZv "---L^ wobei w Die Fläche jedes Kolbensektors zwischen den Kolbenspitzen ist gegeben durch Y2 ,l v2 .d v oder vl Dabei ist v1 : ft { F*+ -'t*) , " (A. 16) v1 una "r: #, Einsetzen in die Gleichung A. 16 und Neuordnen führt zu folgendem Integralfür die Fläche des Kolbensektors 3n 2z ^ * : I h [, - {*' *, ez * (zz * 2) ezcos2zv *[, -ff coszv[o"o Wsin'z v] sin,z v]ä *#@os2zv*sinsr"l* * ."o, ," (# sin2zy sinZv cosz")] . " (4.17) 186 ln diesen Ausdruck wird eingefügt (Z "/ Dadurch ändern sich die Grenzen von zl)- g^a, dabei ist g^a*: ertc nl22 2e2)Z+cosensx _ sin 9 zu g^,xunO ti" f; Der Wert des lntegrals ist A: (F * R) sinZv . ] n/22 (siehe Gleichung A. 9) -W+ +e2)r,* (A.18) So ist die Fläche eines Kolbens mit Z Flanken (entsprechend Z Abschnitte): A: (R, * 2e2)n-GeRcosg,", Für den NSUiWankelmotor, A : (N * 2e2) wo Z:3, 4ezZlv^", -ff* (A.19) ist die Kolbenfläche n-6 eRcose.o- (+ . ne2l v^", (A.20) 14.6 Die durch die Epltrodrolde und die Kolbenspltze begrenile Flädte Y Bild 95 Ermittlung des Hubraumes. Irz,9al Dlrs, 9sl Die Fläche eines Sektors, der von der Trocüoide und den Radien rr und 12 in Bild 95 umgrenzt ist, ist gegeben als oz @2 A :rl*d @:i[,,ffi) da @L oL 187 für ff wird der Wert aus Gleichung A.40 eingesetzt: A2 ^ : +f 13 es * + 4 eRcos 2a) d,a Rz : A1 : * ... A- [t, ", e + R,) t * "Rsin2 "f:, (q- R (sin 2 o2 - sin 2 c1) aber (3ez *^,1ä * 2eRcos : ll, "'+ R2) (as-o1) * or) :+ z(", + 1)'"7 (A.21) IDie ganze von einer geschlossenen Trochoide eingeschlossene Fläche ist n (3 e2 + R')l Man muß aus der Fläche des Sektors die Fläche des Dreiecks O 11r2 ableiten. Die Fläche des Dreiecks O : 11 i.r, 12 (sin @2 cos @1 - q sin * : lr1 12 sin (@z- @t) : @1 cos @z) : ) (xryz- : ilbcos 3 c1 * R cos a1)(esin 3ae * R sin a2) . (ecos3az * Rcosa2)] :i,"rsin3(o2-rr) * 1 * 2 e R sin aber (oz - 2 (a2- o1) cos 2 (as yr xz) : (esin 3 a1 * Rsin a1)' R2sin (a2-a1) * * a)) -2n : T or) ...4o tLrz: f ,i" !+eRsin !."orz(",+il $.221 Die von Epitrochoide und Kolbenspitzen umgrenzte Fläche ist deshalb: (A-Ao11r2): (3eP R2 -7 188 + R') i* sin ! +e reRcos R sin z(ar+ ä) +'" !,orz (n + rrl Dies läßt sich zutolgendem Ausdruck reduzieren: Umsctrlossene Fläche : (3 e, + R2) Or-f ,ir, + + 3 eRsir, ! cos ,("r+ ;l (A.23) Die zusätzliche Fläche C zwischen dem Dreieck O 11r2 und das wirkliche Kolbenprofil zwischen den Kolbenspitzen muß von dem obigen Ausdruck abgezogen werden, damit man die richtige Fläche und somit auch das Volumen einer Kammer bei jedem Kolbenwinkel ar erhält. Daraus folgt, daß die größte und die kleinste Fläche gegeben sind, wenn *,, (i+ o,) : t 1 Für die größte Fläche: (:+',) : nn (n-0, + 7, + Zerc.) Für die kleinste Fläche: (4 * \3 zorl 't : (2n* t)* (n :0, + 1, * 2etc.) Die Größt- und Kleinstflächen sind deshalb: * '3 -Y2 rin?! 3 3eRsinf3 -C A.a,,.io :(3e2 + R2)* @.24) Die von einer Kolbenflanke während jeder Exzenterumdrehung bestrichene Fläche ist daher gegeben durch (G rößtf läche minus Kleinstfläche) ' -6eR S,'J A : 3 /3 R.e rÜ (A. 25) Man sieht, daß die tatsächliche Kontur des Kolbens die Größe der bestrichenen Fläche bzw. des verdrängten Volumens nicht beeinflußt. Wenn die Breite des Kolbens »b« ist, ist das bei ieder Umdrehung der Exzenterwelle durch die Kolbenflanken verdrängte Volumen 3 y'3 R.e. b Es fol gt daraus das theoretische. Kompressionsverhältnis: Größtfläcle- C Kleinstfläc}e - C 189 ötheor a (3e'+R'); (; ,l-c n-MR.e + Rz (; +l- c e2n+ o-r ctrfu6.f -A - ez ry-+R.e-c +R.e + Rz (A.26) 2 ie Fläcte des ein besch riebenen g Ieichseiti gen Dreiecks zwischen den Kolbenspitzen ist: D _ t ttTw 4 Mit Hilfe der Gleicfrung A.20 erhält man die Ditferenz zwischen Kolbenfläche und gleichseitigem Dreieck: [r*, * 2ez) n-6 eRcosensr- (+ + n erlema,-@4 ] und daraus c : !(Rs + 2ez)-2eRcossmar- 2e^,,(# . r*l-Y Das theoretiscüe Komp ressionsverhältn is ist gegeben 4+ Ä 0theor 3 2eRcos e^**+ du rch G.zrl : 2e^,*(f + ,"')***" 4*2eRcos e^ax+ 2e^u*(T + ,*l-ff*" 3 (A.28) 14.7 Gescfiwlndlgkelten und Besdrleunlgungen Ein wichtiger Faktor beim NSU/\Alankelmotor ist die Beziehung zwischen den Dichtleisten und der Trochoidenoberfläche. Um die Bewegung dieser Dichtelemente zu analysieren, wird der Mechanismus reduziert auf das Hebelverhältnis, dargestellt in Bild 96. 190 Bild96 Koordinatensystem. Die Exzenterwelle dreht sich um den Festpunkt O. Die Mitte der Trochoidenbohrung sowie des Exzenters und des Kolbens liegt bei O'. Die Strecke OO' mit der Länge e stellt die Exzentrizität dar, und die Strecke O'D mit der Länge R ist der ezeugende Radius der Epitrochoide. Das System bewegt sich zwangsläufig in einer Ebene. Die zwischen den Strecken OO' O'D und OD mit der x-Achse gebildeten Winkel sind mit 3 c, c, und @ bezeichnet. Sie gelten zw Zeit "1". Die Winkelgeschwindigkeit und die Beschleunigung des Kolbens sind bezeichnet mit da , 0)! dza @:-uno -- dt= dt +y,y,y, Richfung der resultierenden Beschleunigung + x,*.ä, Bild 97 UUticne Bezeichnungen. Die parametrischen Gleichungen des Punktes (oder der Kolbenspitze) D sind gegeben in Bild 96 als x: ecos3q, + Rcosc y_esin3a+ R sina (4. 2) 191 So ist die Bahngeschwindigkeit der Kolbenspitze entlang der Epitrochoide v:(ir+ir)ä (4.29) dabei ist . dx dx da dr: d" 'dr und ;-dv fu l dt da dann ist i : - .'.Y - @ @ da dt (3e sin 3 a + R sin a) (4.30) (9 "' + R2 + 6 eRcos 2o)2 (A.31) Die größte und die kleinste Geschwindigkeit sind v-a(3e+R) Die Beschleunigung an der Kolbenspitze ist gegeben als: A: (,i'+ y\+;ü: *(*fl::; .# + (#)'. fi ii-*(*{) :# #.(#)' # (A.32) Jetzt wird x_- *'(9 ecos 3a + Rcosc) ö (3esin 3a + Rsin a) i _ - c»2 (9 e sin 3 a + R sin c) + ö (3 e cos 3 a + R cos o) [(9.)'+ R2 + 6eRcos2 a)-U2öo'zeRsin2r]]* (A.33) (A. 34) Die Richtung der Beschleunigung ist erkennbar aus tan§- in oderd: arct an + Rsina) - @ (3ecos3a + *'(9ecos3a+Rcosa)+ ö(3e sin3a + otz(9e sin 3a 3l (4.35) Es ist jedoch wichtiger, die Geschwindigkeit und die Beschleunigung der Dichtleisten längs und quer zu einem radialen Vektor zu bestim192 men, so daß die Komponenten längs und quer zur Achse der Dichtleiste durch Zerlegung erhalten werdbn können. Wenn r der radiale Abstand des Punktes D vom Mittelpunkt O der Epitrochoide ist, sind die Gleichungen für die Bewegung der scheitelIeiste folgende: a) radiale Komponente der Geschwindigkeit U : i b) querlaufende Komponente der Geschwindigkeit y : r ö (A. g6) c) radiale Komponente der Beschleunigung A,: i- , (ö), d) querlaufende Komponente der Beschleunigung A" : r ö + Zi ö Nach den Gle[chungen A.2 gilt r: (ez -l- Rz * 2eR cos2a)i 1e.SZ1 uno .4, tan (e sin 3 a * R sin a) u): (ecos3c+Rcosc) (4. 38) Deshalb gilt a) Die radiale Komponente der Geschwindigkeit U- i: r rr *H -2eRalsin2a ("'+ R2 + 2 e R cos2") + (4. 39) b) Die querlaufende Komponente der Geschwindigkeit \[_ r'ö-( ut d@ do Jetzt ist * (tan @): secz @ x, :9+ und y da Aber: sec2 @ Hieraus d@ ryda d@ da und Pda wobei oder . (*ä) -v(*f) *' 1 Y' - + tanz @) = x2 ,, IY -JÄ (1 rx- e) C' 12 3ez + rz +4eRcos 2q r'o V.:a) 3e2+R2+4eRcos2a ("' + Rz + 2eRcos 2o)l (4.40) (A.41) 193 c) Die radiale Komponente der Beschleunigung dr '/d@\2 Ar:i-rör-r'd" 'd,o"* rü-tr'Idol ('42) @21-rz4eRcos2a-4e2R2sin22a) ö2eRsin2a ^ :r"-t_ «.r2r (3 ez * R2 * 4 eRcos 2 o)? 14 Ar 3R2+ 7ez +5eRcos2a\ + (9e2 + (.'* R2 ez + R + 2eRcos Zo)i ä2eR sin2q (.'+ R2 + 2eRcos 2o)i d) die querlaufende Komponente der Beschleunigung Ar - -0)' d", _ a;2 8 eRsin 2 a * ö (3 e2 * (e'+ R2 R2 * 4eRcos 2 a) + 2eRcos 2o)i (A. 43) 45 Bild 98 Geschwindigkeit an der Scheitelleiste R - 100 mm, n - 1000 U/min. () o (/) >25 E ;o -:< ol E?0 '= -c. üt Ers 90 (cl Kolbenwinkel 194 6 I noc -t ; ^t(J üo E Kotben- *(o) P-z = .gf 5 u-4 -c. (, ut G, €-6 E o E, -8 -o {2 Bird 99 Radialbeschleunigung (Ar) R - 100 mm, o : 1000 U/min. 0 9 6 lt I x4 t\t U o a E2 6C = .90 C :f o .C, üt -? o o -o l- d-q -6 -8 -r0 Bitd 100 Querbeschleunigung (Ar) R : 100 ffiffi, (r : 1000 U/min. 195 r0 I 6 € *X4 U ut €z (,r c = .E', 0 = _g -c u oE-? tA) f, O-4 -6 -8 -t0 B d 101 Querbeschleunigung (S,) R - 100 mm, o : 1000 U/min. r0 8' 6- -o rt .\I x 4. u o u, E. Ul E .E eo ) o 90 Kolbenwinkel(o) t- _) ES u) o -o E-r. T] o E. -6-8- -p-l?' Bi d 102 196 Radialbeschleunigung (Sr) R : 100 mm, (r : 1000 U/min. Die Radial- und Querbeschleunigung der Kolbenspitze kann jetzt längs und quer zur Achse der Dichtleiste berechnet werden wie folgt: (z : Winkelzwischen OD und O'D) r e sln - / .'. sin 7 und cos sin (z - (e'+ -2o) esin2a R2 + 2eRcos 2Q1, (R' + /: + 2 R]); R2 + 2eRcos za)i e cos 2 (.'+ ( a[e cos 2 a .44) (A. 45) aufgelöst nach O'D S, - Arcos y-A1 sinT (A.46) ArsinT Die Bilder 98 bis 102 zeigen Geschwindigkeiten und Besdrleunigungen für Wankelmotoren, bel denen R : 100 mm, die Drehzahl : 1000 U/min und R/e : 1, 3, 5, 7 und 9 sind. Die Kolbenbeschleunigung wurde zu 0 angenommen. Sr - Atcos y* 14.8 Drehmoment Das aus der Gasfüllung herrührende Drehmoment kann mit Bezug auf Bild 103 errechnet werden. pr, z, s sei der Gasdruck in jeder Kammer. Dann ist das Moment auf die Kolbenflanke gegeben ats Druck Pr mal lTll : e Sin 2 a Bild 103 Drehmoment aus den Gasd rücken. 197 für pzmz oder : m3: e sin esin (f -, "l (t* r"1, und für pa, ma denn : e sin sin(r-A): * ff -, "l sinA Der Druck ist gegeben durch die Beziehung r(c) : a"[n, sin2a*pzsin (;-r") -n,'. (ä* r")] wobeiA : Kolbenfläche Der Ausdruck ist periodisch mit ? =" @.47) !,*^leicht zu sehen ist, wenn man o addiert. Dann erhält man folgenden Ausdruck: r("+ +):A.[-p1 sin (;+ r")+p2sin 2a+ p3 sin Die Drücke PL, z, g gelten für die drei Kolbenflächen. 14.9 Anpassung des Kreisbogens an die Kolbenllanke Die Anpassung des Kreisbogens an die Kolbenflanke erhält man, wenn man den Kolben in seiner oberen Totpunktstellung (im Zustand der höchsten Kompression) betrachtet. Es wird dabei angenommen, daß der Kolben die Trochoide nur an drei Punkten berührt, und zwar an zwei Kolbenspitzen und am Ende der kuzen Achse der Trochoide. Die dritte Kolbenspitze berührt die Trocfroide gegenüber, am Ende der kurzen Achse, wie in Bild 104 dargestellt. Bild 104 Anpassung der Kolbenflanke. G(0,gl 198 möge bei (O,g) liegen. Da O' auf der +Rcosf+s)'+ eItR I + { t; Iri tt R OS co cos ;r :l 3I ä) (n I (A. 48) -2 - 2 e ist ddarnnIt ge( ebe eg(el )e)n( ls + + Hieraus o b eR (, +l cos I ! -2 R"-R-e+dä (A. 49) Der halbe Winkel § an der Kolbenflanke ist dann gegeben mit § - arc tan odef § : arc tan fr - arc tan +e [**] .R+ (A.50) 2e Die Bogenlänge zwischen zwei Kolbenspitzen ist also 2 R. .f. 199 Angenommenes Beispiel: R : 7 cm, e : 1 cm, ausgerechnete Bogenlänge 12,613 cm. Die Bogenlänge eines Kolbens, dessen Flankenkontur auf der inneren Hüllkurve der Troctroide beruht, ist 12,675 cm. Wie man sieht, ist die Differenz in der Bogenlänge klein, aber beim Berechnen sollte man mit Vorsicht zu Werke gehen mit Rücksicht auf das Oberfläche/Volumen-Verhältn is. Die folgende Tabelle zeigt die Oberfläche/Volumen-Verhältnisse für Kreisbogen und Kolben, die nach der inneren Umhüllung konstruiert sind für einen Motor mit den Abmessungen R:7ctn,e:1cm,b:1cm. Tafel A. 1 (Oberfläche/Volumen-Verhältnis cm2/cm8) Kolbenwinkel oberer Totpunkt 30o nach o. T. 30o vor u. T. unterer Totpunkt Bogen 11 innere Hüllkurve ,19506 4,242454 2,97008 2,78213 14,17091 4,3931 1 2,99446 2,79742 Die größte Diskrepanz zeigt sich an dem wicfrtigen oberen Totpunkt, wo sehr kleine Anderungen am Kolbenprofil bereits beträchtlicfre Anderungen des Verdic*rtungsverhältnisses mit sicfr bringen. Bei den anderen Kolbenstellungen und am unteren Totpunkt ist der Effekt vernachlässigbar. 14.10 Beretlrnung des OberltädpAlolumen-Verhältnisses Die Berechnung des Oberftäche/Volumen-Verhältnisses ist im Grunde ganz einfach, aber wegen der langwierigen Recfrnung, die damit verbunden ist, ist es angezeigt, einen Elektronenrechner zu Hilfe zu nehmen. Die Rechnung wird Schritt für Schritt ausgeführt wie fotgt: 1. Die Länge der inneren Hüllkurve der Kolbenflanke wird gerechnet nach Gleichung A.15. 2. Die Bogen!änge der Epitroctroide zwiscfren zwei Kolbenspitzen wird gerechnet nach Gleichung A.2. 3. Nach diesen Werten wird die Oberf!äche einer Kammer festgelegt, wobei die mathematischen Ausdrücke benutzt werden, die scfron früher für die Berechnung der von Kolbenboden und Epitrochoide eingeschlossenen Fläche benutzt wurden (Gleicfrung A. 23). 200 22 Bild 20 105 Verhältnis der Oberfläcfre zum volumen €rs @:1cm,b-1cm, R/e - 7,8,9 und 10. {n (, 'Eto ;U €t2 g rt0 b Ea § EO Er E. o o 60 0 t80 90 t3t e70 4. Schließlict wird das Oberfläcfre/Volumen-Verhältnis bestimmt unter Benutzung der Ausdrücke für die Berechnung des Kammervolumens bei gegebenem Kolbenwinkel, also Gleichung A.20 mal Kam- merbreite. Bild 105 ist eine Kurve des Oberfläche/Volumen-Verhältnisses für Mascfiinen mit e : 1 cm und R zwiscfren 6 und 10 cm. ; E U ^l Bild I _u '-ln E E 106 Spider-Motor KKM 502, R - 10cm, e - 1,4 cm, E 6 b - 6,7 cm. Kolbenmulde nicht 0, berücksichtigt. I C 4 o E 6= 50 90 oT. 60 r80 (01 90 ?to 360 Kurbetwinkel UT (0) Bild 106 zeigt das OberftächeA/olumen-Verhältnis des NSU-KKM-SO2Spider-Motors, allerdings ohne Berücksichtigung der Kolbenmulde und des Einflusses der Aquidistante. 201 Bezeichnungen N : Radius des erzeugenden Kreises b - Radius des Grundkreises c : Abstand der Aquidistante von der Trochoide e : Exzentrizität f - Abstand der Kolbenspitze vom Momentanzentrum h : Abstand von Kolbenmitte zum Momentanzentrum : Radius bis Kolbenspitze r u, Y : Abschnitte der Hüllkurven v : Gescltwindigkeit entlang der Trocfroide A,4,, t: absolute, Radial- und Querbeschleunigung C : Fläche zwischen zwei Kolbenspitzen und der Sehne zwischen O, O' : R : Sr,t : U, Z a V : : : @ cD : ö : ihnen Abstand der Kolbenmitte vom Nullpunkt des Koordinatensystems rZeugender Radius Beschleunigungskomponenten längs und quer zum erzeugenden Radius des Kolbens Geschwindigkeiten, radial bzw. quer Anzahl der Kolbenspitzen Kolbenwinkel Winkel zwischen dem erzeugenden Radius und dem polaren Radius polarerWinkel der Kolbenspitze Winkelgeschwindigkeit des Kolbens Winkelbeschleunigung des Kolbens Difierentiation nadr 202 ,, "' : I "o' d. 15. Die Vorteile des Kreiskolbenmotors Bevor einzelne ausgeführte Konstruktionen betrachtet und Anwendungsgebiete an Hand von Beispielen erläutert werden, soll eine Ubersicht über alle Vorteile der Kreiskolbenmaschine gegeben werden: Vorteil 1.'An erster Stelle wäre die Abwesenheit von Massenkräften erster und zweiter Ordnung zu nennen. Der KKM ist vollkommen auswuchtbar, gleichgültig, ob es sich um einen oder mehrere Rotoren (Kolben) handelt. Die zwei drehenden Teile laufen - gleichmäßige Drehzahl vorausgesetzt - mit gleichförmiger Winkelgeschwindigkeit. Nur die Reaktion, die während des Arbeitstaktes auf das Gehäuse ausgeübt wird, ist unterUmständen bemerkbar. Die dadurchverursachten Schwingungen sind aber im Verhältnis zu der aus den Massenkräften eines Ein- oder Zwetzylinder-Hubkolbenmotors herrührenden Unruhe verschwindend klein. Der Kolben ist ein in sich zu 100 0/o auswuctrtbares Teil, die Exzenterwelle ebenfalls. Bei einem Einfachmotor werden zur Kompensation des Exzenter- und Kolbengewichtes außerhalb der Hauptlager Gegengewichte angebracht. Die Welle erleidet dadurch bei sehr hohen Drehzahlen eine Durchbiegung. Bei einem Zweifachmotor (2. B. NSU-KKM 112) heben sich die um 1800 versetzten Exzenter- und Kolbengewichte gegenseitig vollkommen auf. Ein Zweifachmotor (genauso auch Dreiund Vierfachmaschinen) kann deshalb höhere Drehzahlen vertragen. Vorteil 2: Ein Einzylinder-HKM kann nur über eine halbe Umdrehung Arbeit abgeben, dann nämlich, wenn das hochgespannte Gas den Kolben vom oberen zum unteren Totpunkt bewegt. Die andere halbe (beim Zweitakter) bzw. anderthalbe (beim Viertakter) muß aus der kinetischen Energie der drehenden Teile, insbesondere der Schwungscheibe, bestritten werden. Durch die eingangs beschriebene Zahnradübersetzung zwischen Kolben und Welle verhält siclr der KKM anders. Er leistet Arbeit über 2700, also über drei Viertel einer Exzenterwellenumdrehung. Obwohl selbst ein Viertaktmotor, gibt er bei jeder Umdrehung Arbeit ab; er liefert also ein gleichmäßigeres Drehmoment. Besonders deutlicfr wird dieser Vorteil, wenn man an einen Zweifach-Wankelmotor denkt, wie ihn z. B. der Ro BO-Wagen 203 besitzt. Dieser Motor ist so schwingungsfrei wie ein Sechszylinder und sein Drehmoment ist sogar noch etwas gleichmäBiger. lm Diagramm (Bild 107) ist der Unterschied zwischen einem Einzylinder-HKM und einem Einfach-KKM dargestellt. Der Hubkolben-Viertakter hat nur bei jeder zweiten Umdrehung einen Arbeitshub und nur über 1800. Der Unterschied zwischen den beiden Motorarten ist in dem Diagramm deutlich zu erkennen. Es handelt sich um gemessene Kurven. Der Durchgang der Drehmomentlinie durch den Nullwert erfolgt bei beiden Motoren schon eher als bei 180o bzw.27Oo, was daher rührt, daß Ventile bzw. Auspuffscfrlitze sicfr schon zu öffnen beginnen, bevor der Kolben am unteren Totpunkt angekommen ist. Außerdem muß für das Ansaugen und Verdichten und Ausschieben Arbeit aufgebracht werden. Bild 107 Vergleich der Drehkraftdiagramme eines Einzylinder-Hubkolben-Viertaktmotors und eines Einscheiben-Wankelmotors. Vorteil 3; Beim KKM erfolgt die Gassteuerung auf höchst einfacfie Weise durch Schlitze, die vom Kolben freigelegt oder verdeckt werden (Seiteneinlaß), oder mit dem Ansaugtrakt (Umfangseinlaß) bzw. mit der AuBenluft in Verbindung gebracht werden (Umfangsauslaß). Das heiBt nictts anderes, als daß Nockenwelle, Nockenwellenantrieb, Stößel, Kipphebe!, Ventile, Ventilfedern, Ventilführungen und so wei204 ter nicht notwendig sind. Der Motor hat also nur zwei bewegte Teile (Kolben und Exzenterwelle). Dadurch ist der Motor staunenswert einfach und er ist sehr zuverlässig, nach dem einleuchtenden Grundsatz, daß Teile, die ein Motor nicht besitzt, auch nicht defekt werden können. Vorteil 4: Der Wankelmotor hat bei gleicher Leistung ein geringeres Gewicht als ein Hubkolbenmotor. Bei etwa 20 PS sind beide Gewichte noch etwa gleich; je mehr die Leistung steigt, um so größer wird der Gewichtsvorteil des KKM. Vorteil 5.' Der Raumanspruch des Wankelmotors ist geringer. Ein Zweifach-KKM von 150 PS hat höchstens die halbe Baulänge eines Sechszylinder-HKM (vgl. Bild 13). Vorteil 6.' Der Kolben dreht sict nur mit einem Drittel der Exzenterwellendrehzahl, die Disposition zum Verscf,rleiß ist also entsprechend gering. Vorteil 7: Sobald der Wankelmotor in den gleichen Stückzahlen hergestellt werden wird wie die heutigen Automobilmotoren, wird er billiger als diese sein. 205 und 16. Ausgeführte Wankelmotoren * Anwendungsgebiete dafür 16.1 Gurt'rss-Wrlght (New Jersey/USA) Diese altangesehene Flugmotorenfabrik ist Lizenznehmer der NSU/ Wankel GmbH seit 1958. Es wurden dort eine Reihe von Kreiskolbenmotoren entwickelt, von denen die folgenden eine besondere Bedeutung haben: RC 2-60 ist in erster Linie für Automobile gedacht, leistet 185 PS und wiegt nur 108 kp (Bild 108). Das Leistungsgewicht ist mit 0,58 kp/PS sehr günstig und liegt auf der Ebene von Flugmotoren. Verglichen mit einem üblichen Hubkolbenmotor gleicher Leistung hat dieser Motor nur ein Drittel des Raumanspruchs, nur 60 olo der Zahl der Teile, etwa ein Drittel der bewegten Teile und etwa ein Drittel des Hubraums (Kammervolumen knapp ein Liter). Den Motor gibt es auch in einer abgewandelten Form als Bootsmotor (Bezeichnung RC 2-60-M 4) (Bild 109). Es wird ihm geringe Pflegebedürftigkeit nachgesagt. Verständlicienreise war es für eine Flugmotorenfabrik verlockend, einen Wankelmotor speziell zum Antrieb von Flugzeugen zu entwickeln. Der schon bekannte RC 2-60 wird in ein Flugzeug namens Lockheed Q-Star eingebaut (Bild 110). Der Motorraum ist schallgedämpft und es wird ein großer, relativ langsam laufender Propeller venuendet. Das ganze Flugzeug soll nicht lauter sein als "der Flug einiger Tauben". Außerdem gibt es noch den RC 2-90-Y2 mit 310 PS, der speziell für Hubschrauber gedacht ist (Bild 111). ' Die im folgenden genannten 206 Firmen sind in alphabetischer Reihenfolge aufgeführt. 16.2 Daimler-Benz, Stuttgart-Untertürkheim Diese "älteste Automobilfabrik der Welt" hat einen großen Publikumserfolg errungen mit der Vorstellung ihres Sportwagens C111, der zur lnternationalen Automobilausstellung in Frankfurt 1969 noch einen Dreifach-Wankelmotor besaß (Bild 112). Zum Genfer Automobil- Bild 112 Daimler-Benz, Dreifach-Wankelmotor. 207 MERCEDES.BENZ C IT' IANcsscHNtTT vIERSCHEIBEN.wANKELMoToR LEISTUNG CA. 35O PS Bild 113 Daimler-Benz, Vierfadr-Wankelmotor, neueste Ausführung. salon ersclrien das Fahrzeug nicht nur mit einer neuen, gefälligeren Karosserie, sondern aucfr mit einem neuen Vierfach-Wankelmotor mit nichtwenigerals350 PS (Bild 113). Wenn vier Kolben auf einer Welle laufen sollen, müssen die Hauptlager der Welle aus Montagegründen geteilt sein, wenn man nicht die Welle teilen will. Das wäre aber aus verschiedenen Gründen die weniger schöne Lösung. Es sind Gleitlager, deren Paßflächen eine durch Außenräume erzeugte Verzahnung tragen. ln Bild 114 ist das gut zu erkennen. Der Motor arbeitet mit Benzineinspritzung. Die Einspritzdüse ist auf Bild 115 gut zu sehen, ebenfalls die Verzahnung. 208 :;r& d\ '/§- POWER RATING 2OO HP @ 55OO RPM CONTINUOUS Oben links (Bild 111): CurtissWright YRC-180-2, 310 PS, für Hubschrauber. Länge 990 mm, Breite 660 mm, Höhe 6'10 mm, Kraftstoffe JP 4lJP 5. Oben rechts (Bild 108): CurtissR 2-60, Zweifach-Motor, Wright I 185 PS, 108 kg. Bild 109: Curtiss-Wright Bootsmotor. Bild 110: Q-Star mit Kreisko motor Cu rtiss-Wrig ht. t\F G, oi tl:t (o oo !t t\ ?N ll CA t 9§ oI(, @or 9P lf C\a ao cic OF oo 6.t ot c.a It Bild 116: Mercedes-Benz C 111 Versuchsfahrzeug mit 4-Scheiben-Wankelmotor. Oben links (Bild 118): F & S, KM 914 im Scfrnee- mobil. Oben Mitte (Bild 120t MAC-Outboard-Ag g reg mit KM 48. at Oben rechts (Bild 121): F & S KM 48 als Hilfsmotor im Segelflugzeug. Bild 119: F & S luftgekühlter Sta: .^ ?-motor KM 48 (B PS k-r 5r ritri iii r ,; qt Bild 122:,,HerkulS..- MotorradmitF&S- Wan kelmotor. Oben links (Bild 1241: Außenansicht des Motors NSU-KKM 612 (Ro 80). Oben rechts (Bild 127l' Das gesamte Antriebsaggregat, einschließlich . Drehmomentwandler des Ro 80, auf gesch n itten. Bild 129: Toyo Kogyo Mazd a Zweitachmotor, 128 PS bei 7000 U/min. Bild 132: Toyo Kogyo Sportwagen Mazda 110 S mit Wankelmotor. Unten links (Bild 133): Yan mar-Outboard- Aggregat, 220 ccm, ölund wassergekühlt. U nten rechts (B i Id 1 34) Yan mar-O utboard- Aggregat, 450 ccm, im Sch n itt. : Bild 114 Sdlnitt durch ein Grundlager des Daimler-Benz Vie rfach-Wan ke I moto rs. Das Fahrzeug erreicfrt Gesctrwindigkeiten bis 300 km/h. Die Karosserieform, die möglicfrst wenig Luftwiderstand bieten soll, wirkt aus diesen Gründen zuerst etwas ungewöhnlich (Bild 116). Der Motor ist in die Fahrzeugmitte gesetzt worden (»Mittelmotor«), wodurch sich die Konturen des Wagens besonders strömungsgünstig gestalten ließen. Für ein Fahaeug, das sehr hohe Geschwindigkeiten erreichen soll, ergibt sich aus Karosserieform, Lage des Motors und Konstruktion des Fahrgestells eine Straßenlage, die dieienige früherer Rennwagen weit übertrifft. Daimler-Benz stellt - jenseits der bekannten Vorteile des Kreiskolbenmotors - die Möglichkeit, eine echte Baureihe zu schaffen, nocfr als besonderen Vorteil heraus. Man kann durch Aneinanderreihen der gleichen Bauteile einen Motor mit zwei, drei und vier Kolben schaffen. Man darf erwarten, daß dem Wankelmotor gerade im Hause Daimler-Benz eine interessante Zukunft bevorsteht. 213 ]I/IERCEDES.BENZ clt ERscHNrr LEISTUNG CltI CA 35O PS Bild 115 Querschnitt durch Vierfadrmotor. Einsprifzdüse und Verzahnung gut sichtbar. 16,3 Ficfitel & Saclrs, Srfiweinfurt am Main S produziert seit 1929 kleine Hubkolben-Zweitaktmotoren für stationäre Zwecke aller Art und für Mopeds und Motorräder. So war es eine logische Ausweitung des Programms, auch Wankelmotoren anzubieten, von denen bis Mitte 1971 etwa 34 000 Stück produziert wurden. Bisher handelt es sich um vier Baumuster, alle luftgekühlt. Die Kühlung des Läufers geschieht dadurch, daß das Frischgas aus dem Vergaser quer durch den Kolben und die Exzenterscheibe geleitet wird. Entsprechende Bohrungen und Kanäle sind vorgesehen. Der Wankelmotor wird überall dort gescfrätzt, wo der Mensch unmittelbaren Kontakt mit dem Motor hat bzw. mit der gesamten Maschine. Das ist z. B. überall dort der Fall, wo die Führung des Geräts durctr F& 214 Handgriffe geschieht, also bei kleinen landwirtschaftlichen Geräten, Einachsschleppern, Kehrmaschinen, Rasenmähern, Kreissägen und Schienenschleifmaschinen (die überdies auch einen glatteren, besseren Schnitt bzw. Schliff erzeugen, als es mit HKM möglich wäre) usw. Bild 117 Fichtel & Sachs, Schnitt durch den luftgekühlten Wankelmotor KM 914, 20 PS. Wegen seiner ausgesprochen guten Anspringwilligkeit führt sich der KKM auch mehr und mehr für Feuerspritzen und zum Antrieb von Stromerzeugern ein. Einen sehr guten Erfolg hat der Typ KM 914 (20 PS) (Bild 117) als Antriebsmaschine für Schneemobile (Bild 118). Man sitzt rittlings auf dem Schlitten und hat unmittelbar vor sich den Motor. Setzt man sici von einem Schlitten mit Einzylinder-Hubkolbenmotor auf einen solchen mit Wankelmotor, so hat man einen recfit unmittelbaren Eindruck davon, was mit der "Abwesenheit von Massenkräften erster und zweiter Ordnung" gemeint ist. Der kleinere Typ KM 48 (Bild 119) mit 8 PS ist gut geeignet für Generatorsätze von 2,5-3 kW. Dabei werden konstante Drehzahlen verlangt, und zwar 3000 U/min für 50 Hz und 3600 für 60 Hz. Um Bau215 länge zu sparen, wurde der Regler (im Bild gut erkennbar) seitlich an den Motor gesetzt und mit einem Spezialflachriemen (mit eminent hoher Lebensdauer) angetrieben. Man erkennt auch, daß das Zündkabel funkentstört ist. Das groBe schwarze Gefäß rechts oben im Bild ist der Ansauggeräuschdämpfer, der einen wirksamen Luftfilter (Papierpatrone) beherbergt. Der Typ KM 48 wird von einer italienischen Firma in ein Außenbordaggregat eingebaut (Bild 120). Schließlich kann er auch als kleiner Flugmotor für einsitzige Segelflugzeuge geliefert werden (Bild 121). Steigfähigkeit 0,5-0,7 m/sec, 2,4 I Normalbenzin/Stunde, Gewicht des Motors 8,5 kp. Die kleine Masctrine tindet für eine große Zahl der verschiedensten Zwecke Verwendung, wovon nur der Antrieb von Bewässerungspumpen in Australien genannt sei. Dort ist der Motor in harter Konkurrenzzu amerikaniscten Viertaktern wegen seiner Zuverlässigkeit und Langlebigkeit besonders geschätzt. Bei der Firma Hercules wurde für Versuchszwecke ein Motorrad mit Wankelmotor gebaut (Bild 122). Es ist bemerkenswert, einen wie guten Gesamteindruck die Mascfrine macht, dank der glatten zylindrischen Rundungen des Kreiskolbenmotors. 16.4 Audi NSU Auto Union AG, Ned«arsulm NSU hat noch in den fünfziger Jahren mit der Entwicklung von Wan- kelmotoren begonnen, die NSU/Wankel GmbH ist ja lnhaber der Patente. Sie hat nach einigen Jahren Forschungs- und Entwicklungsarbeit nicht nur einen Zweifach-Kreiskolbenmotor, sondern auch das dafür bestimmte Automobil entwickelt. Es ist nämlich völlig klar, daß man einen konventionellen Motor mit 4 oder 6 oder I Zylindern nicfit einfach durch einen Wankelmotor ersetzen kann. Dabei würde man einen wichtigen Teil der Gutpunkte des KKM verschenken. Die NSU-lngenieure waren in der beneidenswerten Lage, nicht durch irgend etwas Vorhandenes gehemmt zu sein, sie konnten von vornherein Auto und Motor optimal aufeinander abstimmen, und sie haben diese Chancen bestens genutzt (Bild 123). Den relativ kurzen, immerhin 115 PS starken Motor birgt das Vorderteil des Wagens, der Motor hängt vor der Achse, ohne daß das Fahrzeug dadurch vorn zu Iang wird (Bild 124). 216 E! = (' 9) C o- o (r, o o a o (o (o - o (o §) o a, = CL o 3 z @ C 7 o @ I .rc]ralll Bild 0'll 125 Längssctnitt durclr den Zweifadtmotor des NSU Ro 80 (KKM 612). lm Längsschnitt (Bild 125) erkennt man die beiden Kolben;die Exzenterwelle ist so stabil, daß man auf das Mittellager verzichten konnte. Unten links erkennt man den öl/Wasserkühler, d. h. die Wärme des den Kolben kühlenden öls wird an das Kühlwasser abgegeben. Der Querschnitt (Bild 126) enthüllt die Kontur des Kolbens und Zahl und Lage der Zuganker, mit denen Seitenscheiben, Mäntel und Zwisctrenteil miteinander verbunden sind. ölpumpe, ölfilter, drehmomentgeregelter ( : leistungssparender) Kühlventilator, der aufgeschnittene Drehmomentwandler, der für die Halbautomatik des Getriebes sorgt, der Anlasser und die beiden Kolben sind gut in Bild 127 zu sehen. Der Ro 80 ist so recht geeignet, die überaus große Laufruhe des Wankelmotors - sowohl in akustiscfter Beziehung wie in bezug auf Schwingungen - übezeugend zu demon218 I Bild 126 Querschnitt durch den Zweifaclrmotor des NSU Ro 80. strieren. lnzwischen ist der Motor des Wagens Ro80 (KKM612) zusammen mit dem Z-Antrieb der ZF (Zahnradfabrik Friedrichshafen) zu einem Bootsantrieb entwickeltworden (Bild 128). 219 Bild 16.5 Toyo Kogyo 128 Bootsantrieb mit dem Ro 8o-Motor. Co., Ltd. Diese große japanische Firma hat schon sehr früh mit der Schaffung eines Zweifachmotors begonnen. Es gibt ihn für ein Goup6 und mit einem anderen Vergaser für den Sportwagen ,Cosmo.,. Das Außere der Maschine ist in Bild 129 wiedergegeben. Das Getriebe hat fünf Gänge. Längs- und Querschnitt werden in Bild 130 a und b gezeigt, die Leistungskurven in Bild 131 (Kammervolumen 491 ccm). Der Wagen ist ein sportlicher Zweisitzer mit einer Höchstgeschwindigkeit von 185 km/h (Bild 132). 220 Bild 130 Toyo Kogyo Zweifachmotor Mazda 110 S, Längs- und Querscfrnitt. PS ln 100 Ulmin 80 PS) 60 lr0 20 01 Bitd 131 235glPSh s@)Ulmin Ulmin Toyo Kogyo Mazda Motor, 110 S, Kennlinien. 221 16.6 Yanmar Diesel Engine Co., Ltd. Diese Firma befaßt sich seit einigen Jahren mit der Entwicklung kleiner Wankelmotoren, die speziell für Außenbordaggregate gedacht sind. Zwei Aggregate werden angeboten, eines mit dem Kammervolumen von 22O ccm und 20 PS, das andere mit 450 ccm und 45 PS. Beide haben ein wassergekühltes Gehäuse und einen ölgekühlten Kolben. Zur Schmierung der Mantelfläche (Trochoide) wird der Kraftstoff mit 1 o/o öl vermischt. Der Auspuffkanal ist gekühlt durch eingeleitetes Rohwasser. Die Bilder zeigen das kleinere Aggregat in der Gesamtansicht (Bild 133) und das größere Aggregat im Schnitt (Bild 134). 222 Anhang Literaturnachweis 1 Reuleaux, F., Theoretische Kinematik (1876) 2 Wankel, F., Einteilung der Rotationskolbenmaschinen (1965) (Deutsche Versuchsanstalt Stuttgart) 3 Barker, "Mills to Turbihes« (Engineer 13. Jan. 1939) 4 Baier, O., VD|-Bericht Nr.54 (1960) 5 Bosch, Kraftfahrtechnisches Taschenbuch (1970) 6 Kühner, H., MTZ 2513 "Das Arbeitsvolumen innenachsiger Trochoidenmaschinen" 7 Wankel, F., MTZ 25112 "Die Anzahl der Zytinder und Kammern bei durchsatzgleic-lren Viertaktmotoren mit Hubkolben und Rotationskolben der Trochoiden-Bauart« F roed e , W ., J am es-C layto n- Festvo rt rag 1 966 9 Bensinger, W.-D., Der heutige Entwicklungsstand des Wankelmotors MTZ 31, 8 (1e70) 1 10 Bensinger, W:D., ATZ 4, Aptil 1964 "Rotationskolbenmotoren für Kraftlahrzeuge. 11 Froede, üV., SAE-Paper 680 461 St. 7 if. (NSU' Double Bank Production RC-Engine) 12 Yamamoto u. Kuroda, SAE-Paper 700 079 Jan. 1970 "Toyo Kogyo's Researct tf" 13 Keller, H., SAE-Paper 680 572, Sept. 1968 "Small Wankel-Engines" 14 Korp, D., "Der Verbrennungsmotor vor der Abgashürde" Auto, Motor & Sport, 9/1970 15 Jones, Cä., SAE-Paper 650723 "New Rotating Combustion Powerplant Develop ment" 16 Deaux, R., lntroduction to the Geometry of Complex Numbers, Unger Publishing New York (1957) 17 Sylvester, l. 1., "On the Plagiograph«, Nature, 12, 168, 214-$ (18751 223 Sachregister Abgasemission 163 Abgasentg iftung 163 Abgas-Turbolader 53 Abnutzung 110 Additives 133 Ansaugphase 29 tt., 66 Ansaugsysteme 33, 125 Aquidistante 41 Arbeitsphasen 67 Aufladung 53 Ausflußmengen 107 Auslaßschlitze 29, 66, 121 tt. Auspuffphase 66 18 Batteriezündung 151 Belerman-Morley 176 Bensinger, W.-D. 103, 110 Brems-PS 21 Cooley-Maschine 52 Coventry-Cl imax Formel-l-Renn- wagen 130 Curtiss-Wright 32, 43, 133, 206 Daimler-Benz 139, 207 tt. Dichtbolzen 14, 108 ff. Dichtelemente 14, 58,59, 112 Dichtleiste 13, 108, 1 13 Beschleunigung 192 Bewegung 79 lf. dreiteilige 108, 111 einteilige 108, 111 einwirkende Kräfte Gaskraft 116 Geschwind Kippen 1 ig 110 keiten 114, 18 1 90 Rattermarken 62, 114, 190 Trägheitskräfte 1 18 Versch leiß 1 05 Werkstoffe 115 Werkstoff paarung 114 Dichtlinie 224 113 Eiermann, D. 87 Einlaßschlitze 121 tf . Seiten-Einlaßschlitze 121 tt. Umfangs-Einlaßsch litze 121 tt. Einteilung der Rotationskolbenmaschinen 18 Epitrochoide 36 ff., 178 Expansionsphase 66 Exzenterwelle 89 Exzentrizität 75, 76 Baier, Othmar 50 Barker Dichtringe 99 Dichtstreifen 110, 112 Dichtsystem 99 ff. Diesel-Wankelmotor 53 Drehkolbenkompressor 53 Drehkolbenmotor 50, 55 ff. Drehmoment 60, 84, 197 - -Berechnung 197 - -Kuruen 126, 127 - -Schwankungen 71 Federdruck 117 Fertigungsgenauigkeit 22, 41, 63 Fichtel & Sachs 100, 109, 138, 145, 146, 147, 153, 167 Flammenausbreitung 96 Froede, Dr. W. 24,25, 61, 103, 120, 121, 123, 124, 132 Füllungsgrad 123, 124 Gasdichtung 105 ff. Gasdrücke 110, 117 Gasgeschwindigkeiten 122 Gassteuerung 121 Gastemperaturen 144 Gasturbine 17O Gasundichtheit 139 Gaswechsel 66 Gemisch 30, 68 Verwirbelung 30, 128 Vorwärmung 29, 124, 147 Grundlagen des KKM 20 Grundsätzliche Beziehungen 72 Hochdruck-Öle 136 Hochspan nu ngs-Kondensator- Zündung 151 Hot spot 21, 88, 126,142 Hubkolbenmotoren 43, 55, 105, 121,124, 126 Hubraum 82 Hubraumberechnung 75 Hubvolumen 82 tt. Hüllkurven 182 Hypotrochoide 176 lndikatordiagramm 158 lndizierte Leistung 21 lnnenverzahntes Rad 68 Lecköl 102 Leistung 20, 21, 64, 144, 157, 166 Jones, Charles 95 Kammeroberfläche 48 ft. Kammervolumen 79 tt. Katz-und-Maus-Motoren 23 tl. Kauertz-Motor 26 K-Faktor 38 KKM 125 69 KKM 125 H 69 KKM 502 30, 31 , 32, 33, 91, 98, 107, 126, 149, 153, 174 KKM 507 174 KKM 512 65 KKM 612 153 KKM 48 146, 167, 211 KKM 914 211 Kohlenwasserstoffe 165 ff. Kolbenf lan ke 1 98 Kolben-Geschwindigkeit 1 06 - -Kontur 24, 44, 49,94 - -Mulde, Rauminhalt 91 - -Ring 105, 106, 107 - -Ring-Dichtung 101 - -Temperaturen 105 Kompressionsphase 66 Kompressionsverhältnis 44, 71, 76, 92, 142 Kontaktg esteu erte Transisto r- zündung 151 ntaktlose mag n etgesteu erte Transistorzündung 151 Ko Kraftstoffe 161 Anforderungen 161 Einspritzung 174 Oktanzahl 161 Verbrauch 167, 168, 173 Kräfte durch den Kolbenschwerpun kt Kreiskolbenmotor 61 ff. Kühlung des Motors 141 t. Kühlmittelfluß im Kolben 103, 104 Kühlungsart und p. *o* 194 Kühlung mit Luft 145 - mit Flüssigkeit 148 - des Mantels 148 Kühner, H. 75, 87, 91 Kurbelwelle 84 Leistungscharakteristik 1 61 Leistungsformel 83, 84, 160 Leistungskurve 167 Lockley, D. J. 98 Luftkühlung 145 f. Magnetzündung 151 Maier-Motor 27 Mathematiscfie Analyse 176 McKellar, M. R. 23 Membrandichtung 100 NSU (Audi-NSU) 139, 216 Obenliegende Nockenwelle 26 Oberftäche/Volumen-Verhältnis 73, 92 tt. -, Berechnung vom 91 ff., 200 Offnungs- und Schließungskurven 30 ff. Öldichtung 100 ff . Ölzumeßpumpe 138 Ottoprozeß 16 Pantograph 177 Piözo-elektrische Zündung Plagiograph 177 Rauheit 151 161 RC 1-60 (Curtiss-Wright) 166 RC 2-60 (Curtiss-Wright) 166, 206 RC 2-90 (Curtiss-Wright) 206 Reibung 20, 69 Reibungsverluste 21, 23 Renault/American Motors 51, 52 225 Reuleaux, F. 17 Ricardo, Sir Henry 137 Rotationskolbenmasdrinen 8 Schmierung 134ff. Schwenkwinkel q 42, 73, 116, Schwingungen 161,203 Seiteneinlaß 29, 1ZSll. Sylvester, J.J. 177 179 Tangentialkräfte 27 Tayrorscher Lehrsatz 1g4 Temperaturverteilung 1'19 Thermodynamik, erster Hauptsatz 20 Toleranzen 22 Toyo Kogyo 92, gg, 125, 1gg,1gg,22O Trochoide 38ff., 176ff. Erzeugung 36 lf., 176ff. Hüllkurve 182 umfangseinra B s2, i21 Umpleby-Motor 52 umrecinungsfaktor n. 7s Undichtigkeitspfad 107 Ventilbeschleunigung 29, 30 Ventileröffnungskurven 32 Ventilzeiten 129 Verbrennungsablauf 130ff., 133 226 Verbrennungsphase 66, 133 Verbrennungsraum 130 Verbrennungsturbine 170 Verdichtungsverhältnis 23, 73 tl., Verdichtungsgrad (siehe 81 Kompressionsverhältnis) Vergaser 23, 125 Dreifach-Vergaser 125 vierfach-Vergaser 125 Verwirbelung 132 Vogel' Richard 79 vorteile des KKM 203 Wankel, Felix 18' 36' 61 Wärmebilanz 141 wärmeenergie 20 Wärmeentwicklung 155 Wärmeleitung 143 Werkstoffe Zg, 114, 11S, 143 wirkungsgrad 20' 21' 44' 141 Yanmar Diesel 222 Zahnradgetriebe 61,68 Zellenkolben 104 Zündkerzen 69, 151 ff., 153 Zündung 151 Zweifach-(Doppel-)Zündung 97ff., 156 Der Motor mit dem »kreisenden Kolben«, der Wankelmotor, ist eine revolutionierende Erfindrlg unserer Tage, der ein nocir imme-r steigendes I nteresse entgegengebracht wird. ln dem vorliegenden Budr werden der grundsätzlidre Aufbau ebenso wie die theoretisdren Zusammenhänge der neuen Masclrine eingehend erläutert und betrachtet. Man erfährt endlidr einmal, was es mit dem sogenannten Didrtsystem wirklicfi auf sidr hat, und man wird über die rasanten Fortscfiritte informiert, die gerade auf diesem Teilgebiet in den letzten Jahren erreicttt wurden. Der neueste Stand der Abgasentgiftung wird behandelt, und diejenigen, die glaubten, daB der Wankelmotor spätestens an den Vorsdrriften lür die Abgasentgiftung scheitern würde, werden Lügen gestraft, denn das Gegenteil ist der Fall: der Wankel-Kreiskolbenmotor läßt sictr mit geringerem Aufwand entgiften als konventionelle Hubkolbenmotoren. Dieser Umstand dürfte audr die Ursadre dafür gewesen sein, daB nun audr das größte Automobil-Unternehmen der Welt in den Kreis der Lizenznehmer eingetreten ist. So wird selbst der Nidrttechniker das Budr mit Interesse lesen. lngenieure und Wissensdraftler mögen sich im mathematisctren Anhang über die Bewegungsvorgänge des neuen Prillzips informieren; wenngleidr nicltt beällsprucht wird, daß die besdlriebenen Rechengänge die einzig möglidten sind. Für Konstrukteure ist die Kenntnis Felix der Zusammenhänge entsdteidend. Wankel