Wankelmotoren - Vorteile und Nachteile
Wie bereits beschrieben darf man den C111 keinesfalls allein mit dem Wankelmotor in Verbindung bringen - doch stellt dieser natürlich eine wesentliche Komponente im "rollenden Versuchslabor" dar. Die Geburtsstunde des Wankelmotors legen viele auf den 1. Februar 1957, an welchem zum ersten Mal ein Prüfstandslauf im Hause NSU erfolgreich verlief. Es handelte sich hierbei noch um einen Drehkolbenmotor (DKM), bei welchem sich sowohl das Gehäuse als auch der dreieckförmige Kolben zwar in die gleiche Richtung, aber mit verschiedenen Drehzahlen bewegen. NSU entschloß sich später das Trochoiden-Gehäuse festzusetzen und dafür den Kolben auf einer Exzenterwelle rotieren zu lassen, womit der Wandel vom Drehkolben- zum Kreiskolbenmotor (KKM) vollzogen wurde - entgegen den Absichten von Felix Wankel. NSU glaubte ohne viele Zweifel an Rotationsmaschinen - Entwicklungsleiter Dr.-Ing. Walter Froede ließ 1962 wissen: ”Im Leistungsbereich zwischen 10 und 500 PS sind die Vorteile des Kreiskolbenmotors gegenüber dem Hubkolbenmotor so überzeugend, daß für alle Anwendungsgebiete mit einem Vordringen des KKM zu rechnen ist.”
Blick auf Mazda-Equipment: Trochoide und Kreiskolben eines defekten Motors. Das Zahnrad im Kolben dient nicht der Kraftübertragung, sondern zur Führung. Es greift in ein (hier nicht gezeigtes) feststehendes Ritzel der Gehäuse- seitenwand und “erzwingt” so eine genau definierte Bewegung des Kolbens gegenüber dem Gehäuse; das Ritzel enthält auch ein Hauptlager der Exzenterwelle. Dem Fahrer wird die Exzenterwellendrehzahl vom Drehzahlmesser angezeigt, der Kolben dreht sich jedoch nur mit einem Drittel. Schon in der frühen Wankelentwicklungs-Phase machten sich entscheidende Personen über einen Leistungsvergleich bzw. über ein sogenanntes Hubraumäquivalent zum Hubkolbenmotor (HKM) Gedanken. Wichtig dabei war, daß a) der KKM zwingend mit einem Viertakt-HKM in Relation gebracht wird, b) die Exzenterwellendrehzahl mit der Kurbelwellendrehzahl gleichzusetzen ist, c) das gleiche Gemischvolumen angesaugt wird und d) die gleiche Anzahl von Zündungen pro Wellenumdrehung berücksichtigt wird. Ein HKM-Zweitakter zündet ebenfalls wie ein Einscheiben-KKM auf jeder Wellenumdrehung, der KKM ist aber Viertakter. Daher wird für den Einscheiben-KKM zum Vergleich ein Zweizylinder-Viertakt-Hubkolbenmotor ”nötig”, welcher ebenfalls auf jeder Wellenumdrehung einmal zündet, wobei das Volumen einer (von drei) Kammer(n) mit dem Volumen von einem von zwei Zylindern übereinstimmen muß. Einscheiben-KKM und Zweizylinder-Viertakt-HKM lassen sich gut vergleichen, wenn sie gleichzeitig und das gleiche Volumen zünden (Größe einer Kammer = Größe eine von zwei Zylindern). Beim Einscheiben-KKM zünden die Kammern nacheinander, beim Zweiyzlinder-Viertakt-HKM zünden die Zylinder fortlaufend abwechselnd. Hier Originaltöne:
Beispielhaft ergeben die drei Kammern zu je 600 ccm eines C111-I insgesamt 1800 ccm und entsprechen einem Viertakt-HKM mit 3.6 Litern Hubraum. In Mazda-Kreisen dagegen wird bis heute wiederkehrend das Wunschdenken weiterverbreitet, der RX-8 würde 231 PS aus nur 1.3 Liter “Vergleichshubraum” generieren, um halt an Stammtischen “ihren” Wankelmotor als glorreich-verkannte Erfindung dastehen zu lassen. Da im Modellvergleich immer eine (von drei vorhandenen) Kammer(n) eines Einscheiben-KKM zeitgleich und parallel zu einem (von zwei vorhandenen) Zylinder(n) zündet, muß bei der Betrachtung des Oberflächen-/Volumenverhältnisses jedoch keine Verdoppelung des Kammervolumens vorgenommen werden - es zünden schließlich immer dieselben Volumina zeitgleich: Eine Kammer und ein Zylinder gleicher Größe. Rein rechnerisch kann die Leistung des Wankelmotors über die Zweitaktformel des Hubkolbenmotors erfolgen - Prof. Huber schrieb dazu: “Aus der zufälligen Gleichheit der Formel für den KKM mit der für den Zweitakt-HKM ist fälschlich die Aufassung vertreten worden, der KKM sei einem Zweitakt-HKM gleichzusetzen.” Die Gleichheit ergab sich nach Kürzen des Bruches in der Formel. Historisch gab es auch Diskussionen zu einer “thermodynamischen Vergleichs-Betrachtung” des Einscheiben-(Dreikammer)- Kreiskolbenmotors mit einem dreizylindrigen Hubkolbenmotor, wobei auch hier die Kammergröße dem Volumen eines der drei Zylinder entsprechen sollte. Bei gleicher Drehzahl haben die Motoren jedoch unterschiedliche Anzahlen von Durchläufen der vier Takte (Arbeitsspiele); der Dreizylinder-Hubkolbenmotor verzeichnet bei 2000 U/min 3000 Arbeitsspiele, beim Einscheiben-KKM sind es bei 2000 U/min dann nur 2000; um hier Vergleichbarkeit zu schaffen, müßte der KKM getriebeseitig “ins Schnelle” übersetzt werden.
Prinzipieller Aufbau eines Kreiskolbenmotors mit Umfangsein- und -auslaß. Links die Verteilerkappe mit Anschlüssen für zwei Zündkerzen, ergo ein später Motor. Schiefe Vergleiche an Wankelstammtischen gibt es auch anderweitig: Ein Zweischeiben-KKM entspräche einem Sechszylinder-HKM. Das gilt für Massenkräfte und -momente; bei der Anzahl der Zündungen bezogen auf die Drehzahl entspricht der Zweischeiben-KKM einem Vierzylinder-HKM und der Vierscheiben-KKM einem Achtender-HKM. Im Gegensatz zum HKM wird beim KKM das Gemisch in Drehrichtung weitertransportiert, die Steuerung des Gaswechsels wird durch Öffnungen im Gehäuse (Umfang oder Seite) und damit durch den sich bewegenden Kolben selbst bestimmt; ein klassischer Ventiltrieb mit Nockenwelle, Stößelstange, Kipphebeln und Ventilen ist nicht vorhanden. Beim HKM wird als Brennraumform die Halbkugel angestrebt, aber auch die Wannenform oder die Keilform, weil man ggf. mehr als zwei Ventile unterbringen muß. Der Kreiskolbenmotor dagegen besitzt einen durch die Geometrie vorgegebenen, langgestreckten Brennraum mit zwei sichelförmigen Bereichen, die über die Kolbenmulde verbunden sind. Die Mulde ist eine Vertiefung an jeder der drei Seiten eines Rotationskolbens, die einen mittleren Bereich der Kolbenseitenfläche belegt; in beiden nachfolgenden Abbildungen von Querschnitten beispielhafter KK-Motoren sind die Mulden mit eingezeichnet. Sie kann eine symmetrische oder unsymmetrische Form besitzen, es läßt sich damit in gewissen Grenzen der Verbrennungsablauf beeinflussen.
Die schraffierte Fläche zeigt den ungünstigen, da langgestreckten Brennraum in minimaler Größe. Die Die Automobilindustrie brachte dem Wankelmotor das größte Interesse in den 1960er Jahren entgegen. Der Charme versprühende Aufbau mit wenigen Teilen, die Kompaktheit und die prinzipbedingte Laufruhe ohne oszillierende Teile ließen viele Ingenieure in aller Welt an Entwicklungspotential dieses Antriebs glauben. Fast 30 Lizenznehmer konnte NSU gewinnen, darunter General Motors, Daimler-Benz, MAN, Mazda, Porsche und sogar Rolls-Royce. Die im Wettbewerb stehenden Unternehmen wollten ihren jeweiligen Konkurrenten keinen Vorsprung ermöglichen bzw. bei der Grundlagenermittlung nicht in Rückstand geraten. Es galt, die bisher erkannten Nachteile dieses Konzeptes auszuräumen oder in ihrem Ausmaß zu reduzieren. Wolf-Dieter Bensinger als Mercedes-Motorenchef zeigte sich bei der Präsentation der frühen Dreischeibenmodelle des C111 recht sicher über die Qualitäten des Wankelmotors: "Alle wesentlichen Forderungen, die an einen Rotationskolbenmotor gestellt werden müssen, erfüllt der Wankelmotor in vollem Maße ... die Schwierigkeiten, die heute noch bestehen, sind mit bekannten Mitteln der Technik zu lösen. Es sind nur noch Fleißaufgaben ..." (1970). Die damaligen Fleißaufgaben identifizierte Audi dagegen noch in den frühen 1980er Jahren als die wesentlichen Probleme und Kurt Obländer (Mercedes-Benz) bewertete diese später einmal als klar konzeptbedingt: ”Der günstigste Brennraum ist kugelförmig. Beim Wankelmotor haben sie eine ganz schmale, also die ungünstigste Form. Hinzu kommen nachteilige Verluste an der Gehäusewand. Das sind vorgegebene Werte, die kann der klügste Ingenieur nicht ändern.”
Ansaugen und Auspuffen bei einem Vergasermodell: Die weiß lackierten Elemente stellen die “Scheiben” dar. Oben der Umfangseinlaß mit montiertem Ansaugtrakt, unten der Umfangsauslaß ohne Abgasanlage. Interessanterweise räumte Bensinger schon damals einem Diesel-Wankel sehr geringe Chancen ein, da dieser “die notwendige Verdichtung nur bei sehr großen R/e erreicht, der Brennraum dann noch länger und die wärmeabführende Fläche untragbar groß wird”. Mit einem Verhältnis R/e zwischen 9 und 10 erreicht man rechnerisch eine Verdichtung von 18:1. Über zwanzig Jahre später dagegen kommt Soziologe A. Knie in seinem Buch ‘Wankel-Mut in der Autoindustrie’ zum Schluß: “Die Geschichte der Versuchsprogramme [zum Wankel-Diesel] offenbarte erneut die sozialen Voraussetzungen für Erfolg und Mißerfolg grundlegend neuer Techniken.” Daß es aber manchmal Hürden gibt, die man schwerlich oder gar nicht überspringen kann, wie etwa Höchstgeschwindigkeiten von Flugzeugen mit Propellerantrieb, bleibt unberücksichtigt. Selbst der Wankel-Befürworter Max Bentele (Curtiss-Wright) schrieb über Wankeldiesel: “Eine über ein Verdichtungsverhältnis von etwa 10 hinausgehende Verdichtungserhöhung bringt für den KKM erhebliche Nachteile ... Sie erfordert eine Erhöhung des k-Faktors, was mit einer Vergrößerung des spezifischen Raumbedarfs, des Oberflächen-Volumenverhältnisses ... und mit festigkeitsmäßigen Schwierigkeiten ... verbunden ist.” Selbst der spätere NSU-Motorenkonstruktion-Abteilungsleiter Georg Jungbluth, unter dessen Führung der Ro 80 seinen Motor bekam, versuchte sich erfolglos am Wankel-Diesel; die erzielten Verbrauchswerte waren jenseits jeder Entscheidung für Folgeaktivitäten.
Diesel-Versuch von Rolls-Royce: Erste Wankelstufe (unten) für Vorverdichtung und Nachexpansion, in der oberen Stufe läuft der eigentliche Dieselprozess ab. Durch die Kopplung von zwei Wankelmotoren geht die ursprüngliche Einfachheit der Konstruktion verloren. Nachteilig gegenüber Hubkolbendieseln war ein schlechterer Wirkungsgrad aufgrund höherer Wärme- und Überstromverluste. Ein mehrstufiges Zusammenwirken von Einzelkomponenten gab es bereits bei Dampfmaschinen (Verbundsysteme), daher kam die Idee für dieses Konstrukt. Wer genauer hinsieht, wird im Buch ‘Wankel-Mut in der Autoindustrie’ Lücken entdecken. Knie führte Interviews mit einer Vielzahl von Zeitzeugen, doch einige der wichtigsten wurden nicht befragt: Ferdinand Piech stand offensichtlich nicht zur Verfügung - zumindest diesem Autor. In einem Interview gegenüber US-Schreibern aber erklärte Piech zum Schicksal der Kreiskolbenmotoren bei Audi-NSU: “My first experience with Wankel was while i was still with Porsche. Porsche [..] having paid a lot for the license, and found out that fuel consumption was 5 to 15 percent higher than a normal combustion engine. Emissions were a lot more than conventional gasoline engines [..]. When i showed Audi-NSU the results [..] they said, don’t tell anyone - you’ll get the license for free.” Piech stellte seinerzeit bei Wankelmotoren für den Sporteinsatz (auf Leistung getrimmt) einen Mehrverbrauch von 25% fest. Motorenbauer Prof.-Dr.-Ing. Hans Scherenberg wurde von Knie ebenfalls nicht befragt. Scherenberg, bei DB früher zuständig für Diesel- und Flugmotoren, später mitverantwortlich für die Einführung von Benzin-Einspritzung bei Gutbrod und Mercedes, war offenbar kein uneingeschränkter Wankel-Befürworter. Als Mann vom Fach und als Vorgesetzter von Wolf Dieter Bensinger hätten seine Aussagen zweifelsfrei Gewicht. Statt aber direkt an ihn Fragen zu richten, kommt im Buch ein anonymisierter Zeitgenosse zu Wort, der ihm unterstellt, er hätte zu wenig Mut gehabt. Dann Dr. Kurt Obländer, späterer DB-Motorenchef und anerkannter Abgasspezialist, hat sich einstmals gegen Wankel ausgesprochen. Warum hakte Knie hier nicht nach? Seine Interview-Partner rekrutierte er größtenteils aus der Pro-Wankel-Fraktion. Hinsichtlich “soziologisches Umfeld” hätte der Schreiber von ‘Wankel-Mut in der Autoindustrie’ übrigens die Tatsache intensiver beleuchten müssen, daß Wankel und Bensinger sich bereits seit den 1930er Jahren kannten. Mag vielleicht nur dies der Grund dafür gewesen sein, warum Daimler-Benz überhaupt mit Kreiskolbenmotoren experimentierte? Ist das der Grund, warum Daimler-Benz 100 Mio D-Mark für die Wankelentwicklung ausgab? Interessante Fragestellungen, besonders für Soziologen. Dieses Thema ist eigentlich noch breiter zu betrachten: Bei der Deutschen Versuchsanstalt für Luftfahrt traf Felix Wankel in den 1930ern sowohl auf Walter Froede (später eben NSU-Entwicklungsleiter) als auch auf Wolf-Dieter Bensinger, der Motorenchef beim Daimler werden sollte. In diesem Zusammenhang könnte man allgemein auch die These aufstellen, ob nicht der Wankelmotor die Weiterentwicklung des Hubkolbenmotors für ein ganzes Jahrzehnt erheblich beeinträchtigt hätte. Was mußte die Automobilindustrie für den erfolglosen Wankelweg insgesamt an Kosten aufbringen? BMW nichts, sie kauften keine Lizenz; die Münchner wollten aber ofenbar durch Taktiererei mittels Einsprüche bei der Patentvergabe Lizenzen günstiger erhalten ... Das Buch des Soziologen jedenfalls vermittelt den Eindruck, als wollte sich die Automobilindustrie damals nicht vom gut bekannten Hubkolbenmotor als Standardantrieb trennen, aus Trägheit und/oder geringer Risikobereitschaft, verbunden mit mangelnder Kenntnis über die Arbeitsweise der KKM. Er wird dabei als bedeutende Innovation, als eine Bedrohung des HKM bewertet (im Band Kapitel 2). Doch wie ist es dann zu erklären, daß eine sehr große Zahl von Unternehmen, aus eigener Motivation, ohne besondere Notwendigkeit, sich an Gasturbinen versuchte? Rover fuhr sogar Le-Mans-Rennen, Mercedes wandte sich später intensiv der Turbine zu, es gab diverse Protoypen von Fiat, Chrysler, General Motors, Ford, Renault, VW und Ford - dies alles sowohl vor als auch nach der Wankelzeit. Die Suche nach Antriebsalternativen zum Hubkolbenmotor ist seit Jahrzehnten ein andauernder - oder regelmäßig wiederkehrender - Vorgang in der Automobilindustrie. Auf dem FISITA-Kongreß von 1970, mit über 700 Ingenieuren aus 25 Ländern, wurden unterschiedliche Motorkonzepte und deren jeweiliges Potential vorgestellt. Bewertungskritierien waren (Reihenfolge kennzeichnet die damalige Bedeutung):
Als für den Hubkolbenmotor mögliche Antriebsalternativen kamen folgende Systeme in Betracht:
Der Turbine - und nicht dem Wankel - schrieb man schon 1970 das größte Ablösepotential zu. Daimler-Benz wird sich Mitte der 70er Jahren gegen den Wankelmotor entscheiden, die Entwicklung an Gasturbinen forcieren und Ergebnisse 1981 im Auto 2000 vorstellen. Nicht viel später fährt man bei Audi Versuche mit einer 100 KW Gasturbine im auf Heckantrieb umgerüsteten Ro 80, nur kurz nach Fertigstellung der KKM 871-Entwicklung. Der Elektromotor soll an dieser Stelle auch erwähnt werden. Eine Bosch-Studie von 1970 zeigt, daß dieser kaum konkurrenzfähig war - nach damaligen Möglichkeiten und absehbaren Entwicklungen. Für PKW legte man die notwendige Motorleistung auf ca. 30 KW fest und kam auf machbare Reichweiten von ca. 50 Kilometern - mit einer Batterieladung. Für LKW sah man mindestens 80 KW als sinnvoll an, als max. Reichweite ergaben sich ca. 100 Kilometer. Erforderliche Batteriegewichte betrugen dann, bei den genannten Annahmen für Fahrleistungen und Aktionsradien, 20-35% des Fahrzeuggewichtes. Mehr als ein Jahrzehnt später, 1982, präsentierte Mercedes-Benz ein Elektroauto auf Basis des W123-Kombi, welches dank Nickel-Eisen-Batterie eine gegenüber der Blei-Version doppelte Energiedichte besaß. Eckdaten sind hier 32 KW / 41 PS, 100 Kilometer Reichweite und eine Vmax. von 80 km/h. Der notwendige Batterie-Satz füllte dabei den gesamten Laderaum bis zur Fensterunterkante aus. Zu diesem Zeitpunkt testete Mercedes-Benz Elektroantrieb, Gasturbine und Wasserstoff parallel. Es kann also keine Rede davon sein, daß sich die Automobilindustrie kaum um Alternativen zum Hubkolbenmmotor kümmerte. Die Weiterentwicklung bei Wankelmotoren ging in Deutschland noch voran, den Höhepunkt der Entwicklung bei NSU stellt der Motortyp KKM (EA) 871 dar. In Japan produzierte Mazda relativ kurze Zeit große Stückzahlen, beschränkte sich im Verlauf weniger Jahre auf eine Handvoll Modelle, um zu Beginn der 90er das Wankel-Programm auf ein einziges Fahrzeug zu reduzieren. Das Leadermodell war hierbei der RX-7 in all' seinen Varianten, der über zehn Jahre recht konstant und in nennenswerter Zahl (50 - 70.000 Stück je Jahr) abgesetzt wurde. Der Wankelmotor feierte 2007 bei Mazda den vierzigsten Geburtstag, wobei man auf eine Gesamtproduktion von annähernd 2.000.000 Stück verweisen konnte; die eine Hälfte baute man in den ersten zehn Jahren, die zweite Million verteilt sich, im Absatz merklich zäher fließend, auf die daran anschließenden 30 Jahre. Die Produktionszahlen zeigen überdies, daß die von Seiten der Wankelfahrer gern gebrachte These eher haltlos ist, nach welcher die heimische Industrie mehr oder minder unfähig gewesen wäre, die Vorteile des Wankelmotors zu erkennen und diesen am Markt erfolgreich einzuführen; ausländische Ingenieure dagegen hätten die Chance genutzt. Mazda steht es frei, in jeder Fahrzeugklasse Wankelmotoren anzubieten, jedoch bedient man nur eine winzige Nische. Möglicherweise rechnete man ab Präsentation des RX-8 in 2003 mit Verkaufszahlen mindestens wie ehemals beim RX-7, tatsächlich liegen diese weit darunter. Inzwischen (2011) ist der Verkauf des RX-8 in Deutschland eingestellt. Für 2010 weist das KBA in Flensburg 2.920.000 Neuzulassungen aus, ganze 43 Stück davon Mazda RX-8. Bei angenommen 450 Händlern in Deutschland kann man vermuten, daß sich 10% einen Vorführwagen bestellten - dies hieße, es gab für den RX-8 wahrscheinlich keinen einzigen, echten Neuwagenkäufer; die Fahrzeuge wurden mit Tageszulassung und erheblichen Nachlässen abgegeben. Die Mazdas wurden lange Zeit in der sympathische Rolle des Außenseiters gesehen und Punktzahlen in Vergleichstests wohlwollend verteilt. Aber wie würden Wankelautos bewertet, wenn ein bedeutender Teil der am Markt verkauften Autos mit Kreiskolbenmotoren ausgerüstet wären? Im Jahre 2003 testete Auto, Motor und Sport den damals neu vorgestellten Mazda RX-8. Autor Westrup zeigte sich nicht unbedingt begeistert, und für die Leser des Testes (Heft 25/2003) schien er zwischen den Zeilen die Frage zu stellen, was denn nun die gegenüber der Konkurrenz unschlagbaren Attraktionen - besser gesagt: die kaufentscheidenden Alleinstellungsmerkmale - des Wankel-Mazdas seien. Hiermit liegt er wiederum auf einer Linie mit anderen Artikeln der frühen 70er Jahre, die dem Wankelmotor gegenüber dem Hubkolbenmotor "nicht ausreichendes Ablösepotential" bescheinigten. Auf den Test antwortete sogleich die auf Wankelmotoren eingeschworene Gemeinde und wies unter anderem in etwas naiv-kindlicher Art darauf hin, daß man auch nach anderen Maßstäben bewerten kann. Den kleineren RX-8-Motor mit 192 PS charakterierte AMS als drehunwillig und “zahnlos”. Und als Folge dieser wiederkehrenden Diskussionen Pro und Contra steht immer noch im Mittelpunkt, welche der Eigenschaften denn nun eher subjektiven Präferenzen zugerechnet werden können, und was objektiv, also technisch, nachweis- und belegbar ist. Greift man auf Aussagen der Macher zurück, kristallisieren sich die nachfolgenden Aspekte als bestimmende Merkmale heraus.
Vorteile des Wankelmotors
Darstellung des Verbrennungsablaufs mit den sich ausbreitenden Flammenfronten und den Bereichen, in welchen Kein Vorteil des Wankelmotors in der Realität ist sein meist positiv bewertetes Drehvermögen - es gab zu allen Zeiten Motoren, die höher drehen konnten als es die kreisenden Kolben erlaubten. Der LeMans-Mazda von 1991 schaffte 9.000 U/min, die Formel-1-Ferrari drehten schon Ende 1970er an die 12.000 U/min. Der RX-8 regelt ebenfalls bei 9.000 U/min ab (wir erinnern uns: ein Kreiskolben dreht dann nur 3.000 U/min), bei der Suzuki Hayabusa beginnt der rote Bereich erst bei 11.000 U/min. Die Vergleiche lassen sich fortsetzen.
Nachteile des Wankelmotors
Felix Wankel hat angeblich selbst Vergleiche zur Entwicklung des Dieselmotors gezogen, und zu dessen Jahre mühsame Einführung in Fahrzeuge (früheste Verwendung nur stationär). Doch sollte man hier seinen den Blick schärfen: Ziel von Rudolf Diesel war es, eine definierte Leistung mit maximaler Wirtschaftlichkeit zu erbringen; er begann mit thermodynamischen Prozessen. Gegenstand der Arbeit von Felix Wankel war es dagegen, eine mechanisch vorteilhaftere Bewegung der Kolben - Rotation statt Oszillation - in die Realität umzusetzen, was allerdings zu ungünstigen Brennraumformen führt. In dem oben bereits erwähnten Interview bemerkte Piech über Felix Wankel: “Mr. Wankel was a genius in mechanical engineering, but he didn’t learn thermodynamics.” Rudolf Diesel patentierte sein Verfahren 1893, und schon vier Jahre später konnte er den Erfolg mit seinem Motor nachweisen; er war damals - trotz erheblichster Einschränkungen - die mit Abstand sparsamste Wärmekraftmaschine der Welt (effektiver Wirkungsgrad 26.2%), er übertraf alle zeitgenössischen Dampfmaschinen deutlich. Diese sprunghafte Verbesserung gibt es bei keiner der für den Wankelmotor spezifischen Eigenschaften, nicht einmal vermeintlich, oder angedichtet.
Mazda: Die Abdichtung erfolgt über dünne, “einlagige” Dichtleisten und -streifen - wie gut können sie es? Beim HKM übernehmen diese Aufgabe in die Sitze eingeschliffene Ventile sowie meist drei Kolbenringe. Der Kreiskolben des Daimler-Benz-Motorenchef Kurt Obländer schrieb 1999: “Unser 4-Scheiben-Motor mit Benzineinspritzung war das erreichbare Optimum dieses Triebwerkkonzeptes. Die Mehrscheiben-Ausführung verlangte zwingend den Umfangeinlass für Ansaugluft- und Abgaskanäle. Die schwierigen Probleme der Motorkühlung und der Motormechanik konnten wir technisch lösen. Das Hauptproblem des Konzepts, der schlechte thermodynamische Wirkungsgrad, blieb jedoch. Die lang gestreckten, wenig kompakten Brennräume führten zu schlechter Kraftstoffausnutzung, damit zu hohem Kraftstoffverbrauch und zu hohen Schadstoffwerten in den Motorabgasen. Diese Nachteile waren konzeptbedingt. Eine zufriedenstellende Lösung konnte nie gefunden werden. [..] Der Hubkolbenmotor wird thermodynamischen Forderungen wie kompakten Brennräumen oder flexiblen Ventilsteuerzeiten eher gerecht. [..] “ Das Bild zum Wankel wird auch über eine Bewertung des EA / KKM 871 durch AUDI Jahre nach den Gutachten der Professoren May und Pischinger klarer. Ausgangspunkt war folgende Überlegung: “Beim Bemühen um Verbrauchsminderung am KKM 871 fehlten sichere Hinweise darauf, in welchen Kennfeldbereichen thermodynamische oder mechanische Wirkungsgrade günstig sind und wie sie im Vergleich zu Hubkolbenmotoren liegen.” Die Ergebnisse der Tests wurden aus Ingolstädter Sicht so zusammengefaßt: “Der KKM zeigt sowohl eine stärkere Abhängigkeit des Reibmitteldruckes von der Drehzahl als auch insbesondere von der Last als die Hubkolbenmotoren.” (Anm.: Angaben zur Reibung siehe oben). “Das Reibverhalten des KKM ist zu erklären durch die sehr schweren Graugußkolben, die Ölkühlung und vor allem das Dichtsystem. Die Länge der Dichtleisten und Dichtstreifen ist größer als die der Kolbenringe beim HKM, der Anpreßdruck des Dichtsystems rein lastabhängig und nicht durch eine Vorspannung bestimmt; die Gleitgeschwindigkeiten der Reibpartner sind beim KKM deutlich höher. Bei der Wertung der Ergebnisse stellt man fest, daß der KKM im höheren Drehzahl-Last-Bereich mehr Reibung aufweist als die untersuchten HKM. Im Bereich niedriger Last und Drehzahl hat der KKM eindeutig mechanische Vorteile. In diesem Bereich sind jedoch die Wandwärmeverluste und vor allem die Blow-by-Verluste besonders hoch.”
KKM 871 mit 170 PS und K-Jetronic im NSU Ro 80 - offizielle Angabe der Vmax war 220 km/h. Ende der 1980er Jahre (Fiat Croma 1987) wandte sich die Automobilindustrie der Dieseldirekteinspritzung zu. Man beherrschte nun die Erzeugung von hohen Einspritzdrücken zu vertretbaren Kosten und mit nur noch geringen Komforteinbußen (Laufkultur). Die Vorkammermotoren verschwanden, man wählte den Weg zu kompakten Brennräumen mit effizienter Verbrennung und damit merklichen Verbrauchsvorteilen. Mercedes-Benz bezifferte 1978 den Unterschied im Verbrauch zwischen (Hubkolben-)Vorkammer-Diesel gegenüber Dieseldirekteinspritzer mit vollen 25% zugunsten des letztgenannten. Einer der Vorreiter war die Audi AG, die 1989 einen 2.5-Liter-TDI vorstellte mit einem Motor-Wirkungsgrad *3 von 43%. Angegeben sind effektive Wirkungsgrade. Der benzingetriebene KKM 871 schafft zwei Prozentpunkte mehr als Beim Vergleich der Höchstgeschwindigkeiten ist zu beachten, daß der C3 die weitaus bessere Aerodynamik besitzt. Weitere Kenndaten: |
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Zur Beurteilung von Motoren wird häufig der mittlere Kolbendruck als Rechengröße herangezogen, über den man die je Arbeitsspiel (vollständiger Ablauf der vier Takte) geleistete Arbeit ermitteln kann. Eine Gegenüberstellung von Ro 80-Motor zur späteren NSU-Neukonstruktion KKM 871 zeigt beispielsweise die Auswirkungen der Umstellung von Umfangs- auf Seiteneinlaß, bei unverändertem Umfangsauslaß in beiden Fällen: |
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Anzumerken ist, daß Mazda im Bau von Serienautos alle Wankelmotoren mit Seitenein- und -auslaß ausrüstet, für den LeMans-Rennwagen aber wieder Umfangseinlaß und -auslaß wählte. Im Vergleich ist außerdem auffällig, daß der Mazda-Motor die Maximalleistung bei einer für ausgewiesene Rennmotoren relativ moderaten Drehzahl erreicht, die sich auch kaum von der des RX-8 unterscheidet (8.200 U/min). Die 9.000 U/min nennen bekanntlich die Exzenterwellendrehzahl, die Kolben rotieren nur mit 3.000 U/min. Zu vermuten gewesen wäre eher, daß gerade der Kreiskolbenmotor bis in die allerhöchsten Drehzahlregionen vorstößt, und zwar noch deutlich über die Möglichkeiten vergleichbarer Hubkolbenmotoren hinaus. Ferrari-F1-Motoren erreichten in der Saison 1976 über 12.000 U/min - warum dreht der Mazda R26B nicht 20.000 U/min? Audi-NSU schrieb zu den Verhältnissen bei Kreiskolbenmotoren Anfang der 1980er: “Eine Drehzahlerhöhung bewirkt eine überproportionale Steigerung der Reibung.” Vom Mazda R26B war eine ebenso überproportionale Zunahme des Kraftstoffverbrauchs ist bekannt. Es gab wohl zu ausnahmslos allen Zeiten in der Geschichte des Wankelmotors Hubkolbenmotoren, die höher drehten als die kreisenden Kolben es konnten. Nun noch die Gegenüberstellung des RX-8 mit Konkurrenten (2007): |
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