Wankelův motor

Od začátku 20. století se objevovaly pokusy využívat rozpínání plynů mechanizmem, který by zaujímal menší prostor než mechanizmus s ojnicí a klikou způsobující neustálé zastavování a zrychlování mařící získanou kinetickou energii a který by bylo možno zcela vyvážit. Tyto stroje jsou založeny na uspořádání otáčejících se dílů tak, aby plynulé a cyklické zvětšování a zmenšování prostoru mezi válcem a rotorem bylo vyvoláno výhradně částmi, jejichž těžiště se rovnoměrně otáčejí, takže jejich odstředivou sílu je možno zcela kompenzovat. Jsou zahrnuty pod společný název rotační a Wankelův motor je jejich jediný zástupce, který se uplatnil a dočkal velkosériové výroby.

Felix Wankel navrhl otáčení trojbokého pístu (rotoru) i válce rozdílnými rychlostmi kolem společné osy. Tak by byly rotující části symetrické, a tedy dobře vyvážené. To s sebou ale neslo problém s rotujícím válcem. Do funkčního prototypu vyvinul Felix Wankel takovýto motor s podporou NSU v roce 1954. Hanns Dieter Paschke z NSU v roce 1957 motor přepracoval do řešení, kde rotuje jen rotor a výstředník s hnaným hřídelem. Vyvážení se dosáhne konstrukcí se dvěma rotory. V každé ze tří komor se během jedné otáčky rotoru uskuteční pracovní cyklus čtyřdobého spalovacího motoru s přímočarým vratným pohybem pístu. Během jedné otáčky rotoru se tak uskuteční tři pracovní cykly. Pro převodový poměr mezi rotorem a výstupním hřídelem 3 : 1 se hřídel otáčí třikrát rychleji. Za jednu otáčku výstupního hřídele Wankelova motoru se tedy uskuteční jeden cyklus jako zdvihový objem za jednu otáčku dvouválcového čtyřdobého motoru. Proto se celkový objem komor Wankelova motoru přepočítává na porovnatelný zdvihový objem dvojnásobně.

Po představení Wankelu zakoupila licenci a zahájila jeho vývoj většina známých výrobců motorů nebo automobilů jako Curtiss-Wright, Alfa Romeo, Daimler-Benz, GM, Mazda, Nissan, Porsche nebo Rolls-Royce. Odborníky byl považován za motor budoucnosti. Při stejném výkonu se dá vyrábět úsporněji, je kompaktnější a váží přibližně o třetinu méně. Rotující části lze téměř dokonale vyvážit, což vede k mimořádně hladkému chodu a minimálnímu hluku.

Postupem vývoje se projevily nedostatky. Oproti původnímu návrhu Felixe Wankela se mění úhly radiálních těsnících lišt mezi rotorem a skříní a různá rychlost těsnicích lišt po délce rotoru proti skříni, zejména v hranách a rozích i axiálně na čelech, je příliš tepelně zatěžuje, nadměrně opotřebovává a snižuje životnost. Lišty s mazivem ze směsi benzínu a motorového oleje ztrácí těsnost a motor kompresní tlaky. Pro zajištění spolehlivosti se musí pravidelně měnit. Motor se navíc v praxi nechoval stejně jako na zkušebně. Při krátkodobém provozu olej zanese speciální zapalovací svíčky, které vytváří jiskru mezi elektrodou a stěnou skříně. Nevysoký prakticky dosažitelný kompresní poměr a nevhodně plochý tvar spalovacího prostoru s poměrně rozsáhlým povrchem v podobě dlouhého sedla snižují tepelnou účinnost. Vyšší účinnost mechanická z nezastavování pístu ji nevyváží. K nadměrné spotřebě oleje se tak přidává i vyšší spotřeba paliva. Točivý moment je lineární a ve spodních otáčkách příliš nízký. Bez omezovače otáček se motor snadno vytáčí až k destrukčním hodnotám. Produkuje vysoký bublavý zvuk, něco mezi turbínou a dvoudobou jednotku.

Čistota výfukových plynů se na přelomu 60. a 70. let 20. století začínala teprve sledovat a byla liberální. Nižší spalovací teploty ve Wankelově motoru byly navíc příslibem nižších emisí NO_x odstranitelných jinak jen recirkulací výfukových zplodin, a tedy snížením výkonu. O karcinogenitě produktů z nedokonalého spalování oleje se ještě tolik nevědělo. Koncem šedesátých let 20. století se tak Wankel stal vítanou konkurencí pístovým motorům také pro ekology i při jeho vyšší spotřebě. Karcinogenní emise bylo možné udržet pod požadovanou úrovní pozdějších předpisů oxidačními katalyzátory zvyšujícími spotřebu, což při cenách ropy před krizí 70. let 20. století tak nevadilo.

První velkosériově vyráběný Wankel poháněl malé vodní skútry Ski-Craft určené pro vodní lyžování. Vyráběly se v letech 1962–1968 s Wankely NSU o celkovém objemu komor 150 cm³ (porovnatelný zdvihový objem 300 cm³).

První sériový vůz s motorem Wankel byl mezi lety 1964–1967 vyráběný spyder NSU Spider s motorem objemu komor 497,5 cm³ v počtu 2 375 kusech. V roce 1967 se začalo vyrábět kupé Mazda Cosmo Sport s motorem objemu komor 2 x 491 cm³ (první série z let 1967–1968 vyrobena v počtu 343 kusů, druhá série let 1968–1972 v 833 kusech) a sedan vyšší střední třídy NSU Ro 80 s motorem objemu komor 2 x 497,5 cm³ (porovnatelný zdvihový objem 1990 cm³), vyhlášený Evropským autem roku. V letech 1969–1971 vzniklo 267 kupé Citroën M35.

NSU a Citroën založily na výrobu Wankelů veliký společný podnik Comotor v Lucemburku s novými, nestandardními a nákladnými obráběcími technologiemi oválných ploch. Spíše menší NSU finančně vyčerpaly i časté záruční opravy plně nevyvinutých rotačních motorů s nízkou životností. V roce 1969 ji převzal koncern VW. Odolnější těsnící lišty z karbidu titanu nebo dvě zapalovací svíčky na jeden rotor zavedla pozdě. Výroba Ro 80 skončila po 37 204 kusech v roce 1977 bez náhrady. Mazda, která začala vyrábět automobily rok před tím, než v roce 1961 dosáhla licenční dohody na Wankelův motor s NSU, je dokázala obrábět běžnými postupy. Její lišty ze slitin grafitu a hliníku netrpěly tak nízkou životností. Sání z boků skříně nepřekrývalo tolik výfuk - zlepšil se výkon, průběh točivého momentu a mírně snížila spotřeba. V roce 1970 Mazda vyrobila stotisící vůz s Wankelem. Za vrcholu roku 1973, kdy poháněl každý její druhý prodaný, už půl miliontý. Wankely montovala do nejrůznějších vozů včetně malých nákladních Titan a odvozených minibusů Parkway. Růst cen benzínu vyvolal pokles prodejů všech Mazd na třetinu, načež Wankely montovala jen do sportovních vozů. Citroën, inovátor od svých počátků, zvolil pro velkosériovou produkci Wankelu sedan střední třídy GS BiRotor. S motorem objemu komor 2 x 497,5 cm³ (porovnatelný zdvihový objem 1990 cm³) byl představen v září 1973. Oproti standadním vozům GS byl o 70% dražší a měl nejvyšší spotřebu paliva ze všech osobních Citroënů –⁠ 16 l/100 km. Od října 1973, kdy ropné embargo zvýšilo ceny benzínu o 400 %, šlo o skutečnou nevýhodu. Po neúspěchu GS BiRotor se do vozů vyšší střední třídy Citroën CX Wankely sériově ani nemontovaly. Nevyužitá továrna na rotační motory jen přispěla k finanční zátěži Citroënu a převzetí Peugeotem roku 1976. Většinu z 847 vyrobených vozů GS BiRotor Citroën odkoupil zpět pro nákladnost záručních oprav. Většina výrobců v té chvíli rezignovala na Wankel. Neúspěchy vyvolaly celkový útlum zájmu, i o vyvíjené letecké Curtiss-Wright.[1] V USA byl útlum zájmu násoben přijetím přísných emisních předpisů pro provoz na silnicích.

Klidný běh, nižší hmotnost a rozměry Wankelů se hodí motocyklům. Mnoho výrobců se zabývalo jejich použitím, problémy Wankelů ale vývoj většinou ukončily. Sériově se jich vyrobilo a prodalo velmi málo. První označený W 2000 v letech 1974–1977 vyráběla německá továrna Hercules v počtu 1784 motocyklů. Poháněl ho vzduchem chlazený Wankel továrny Fichtel & Sachs. Měl klidný běh, ale byl drahý, nepříliš výkonný, žíznivý a generoval příliš horka u nohou jezdce. Suzuki v letech 1975–76 vyráběl motocykl RE-5 s Wankelem z NSU Spider. Byl drahý, mechanicky složitý a těžký, vzniklo jich asi 6300. Holandské motocykly Van Veen OCR 1000 z let 1978–1981 poháněly přebytečné Wankely Comotor z NSU Ro 80 a Citroënu GS Birotor. Měly velkou hmotnost, špatné jízdní vlastnosti a vysokou cenu. Vzniklo jich jen 38. Poslední motocykly s Wankelem po dlouhém vývoji sériově vyráběl Norton, který získal výrobní zařízení Hercules W 2000. V letech 1984-89 vzniklo jen cca 350 kusů modelu Interpol 2 sloužících v britských policiích a v civilní sérii 100 kusů modelu Classic. V roce 1990 a 1991 potom 140 kusů modelu F1 upomínající na vítězství závodního motocyklu Norton RCW588 s Wankelem v britském šampionátu motocyklů Formule 1 roku 1989. A 66 kusů verze F1 Sports s menším kapotováním motocyklu pro lepší plnění motoru za platnosti přísnějších emisních norem, než prastarý výrobce ohlásil krach.

Výrobu Wankelu si udržela Mazda a Lada. V roce 1978 Mazda dodala miliontý vůz s Wankelem, po ropné krizi především v sériových sportovních nebo čistě závodních vozech. Při debutu roku 1979 vyhrála dvourotorová Mazda RX-7 třídu upravených vozů GT 24 hodin Daytony v USA. Nepřerušeně v letech 1980–1987 vyhrála třírotorová Mazda RX-7 americký šampionát jezdců GT. Největším úspěchem bylo překvapivé vítězství čtyřrotorové Mazdy 787B se třemi svíčkami na rotor ve vytrvalostním závodě 24 hodin Le Mans roku 1991. Lada vyráběla Wankel od své návštěvy továrny Mazda. Používala ho také v rychlých vozech, ale ozbrojených složek na bázi typů VAZ 2105 a VAZ 2107, do nichž montovala jednorotorové Wankely VAZ-311 a dvourotorové VAZ-411, VAZ-4132 a VAZ-413X. Za dob Sovětského svazu s omezeným parkem osobních vozidel byla zástavba Wankelu do běžných vozů efektivním řešením dosažení nezbytné vyšší maximální rychlosti. Jak vyšším výkonem, tak nižší hmotností motoru snižující celkovou hmotnost a zlepšující dynamické parametry. S koncem Sovětského svazu Lada montovala Wankel i do civilních vozů. Vyšší spotřeba u sportovních automobilů tolik nevadí a Rusko nikdy nemělo nedostatek ropy.

Ani Mazdě se nepodařilo zvýšit životnost Wankelů na žádoucí úroveň. U posledních s těsnícími lištami z litiny, jejíž složení je podnikovým tajemstvím, se odhaduje na 60 000 km. U řidičů šetřících sportovní motor maximálně na 120 000 km. Pak je nutná výměna motoru nebo generální oprava, která vyjde na 75 % ceny nového motoru.[2] Životnost posledních Wankelů Lada se má pohybovat okolo 100 000 km.[3] Mazda přestala vyrábět poslední model s Wankelem RX8 koncem června 2012. Měl dva předkatalyzátory a finální katalyzátor, jejichž výměna byla složitá a nákladná. Celkově Mazda vyrobila přibližně dva miliony Wankelových motorů. Vývojově pracuje i na verzích s alternativními palivy, např. vodíkem nebo čtyřmi svíčkami na rotor. Dle vyjádření z konce roku 2014 už do budoucna nepočítala s výrobou vozu s tímto motorem.[4] Po dvou letech plán radikálně změnila.[5] Ve vývoji pokračuje a na jaře 2016 přihlásila inovovaný Wankel do patentového řízení.[6] V nové generaci jeho problémy eliminovala a běží spolehlivě a relativně efektivně ve vývojovém středisku. Otázka je, zda se vůbec vyplatí výroba Wankelem poháněného vozu při jeho špatné pověsti v době zakazování spalovacích motorů. Mazda připravuje i použití Wankelu pracujícího za neměnných otáček jako prodlužovače dojezdu elektromobilů.[7] Hlavně pro severoamerický trh, kde jsou mnohem větší vzdálenosti a průměrná vzdálenost pro denní dojíždění je větší. Při takovém použití je čistý elektromobil nedostatečný.[8]

Wankely se používaly v řadě malých aplikací pro pohon čerpadel na vodu, sekaček na trávu, sněžných skútrů, větroňů či řetězových motorových pil. Ve velkých aplikacích, kde nevadila vyšší spotřeba a nižší životnost jako pohon závodních motorových člunů. Nebo za nižšího výkonu zvyšujícím životnost poháněly kompresory plynovodů, které jim poskytovaly levné palivo.[9] V letectví poháněly upravené Wankely Mazda lehká letadla. Stejně jako Wankely Rotapower pohánějící i létající automobil Moller Skycar M400. Z Wankelů byly vyvinuty i motory pro pohon moderních dronů.

Dnes můžeme na aplikaci Wankelova principu narazit v mnoha vozech, kde ale není využíván jako motor spalovací, ale slouží v kompaktní velikosti pro rychlou přeměnu chemicky vyvinutého objemu plynů po detekci nárazu na rotační pohyb využitý k napnutí bezpečnostního pásu pro snížení následků nehody. Wankel je využíván i jako kompresor v klimatizačních zařízeních.

V principu je Wankelovo uspořádání rotačního stroje založeno na tom, že úsečky, vycházející ze středu kružnice a s ní pevně spojené, při odvalování této kružnice po menší, v ní ležící kružnici, opisují svými vnějšími koncovými body shodnou křivku, zvanou epitrochoida, přičemž spojnice těchto koncových bodů úseček se plynule a cyklicky přibližují a vzdalují vůči opsané křivce a tak spolu s obloukem opsané křivky, ležícím mezi koncovými body úseček, vymezují plochu s měnící se velikostí.