Motocykl z silnikiem Wankla i to w dodatku pierwszy seryjnie produkowany na świecie. Jak bardzo rodzaj źródła napędu determinuje charakter motocykla, nie trzeba tłumaczyć motocyklistom. Innymi słowy – motocykl to estetycznie zabudowany silnik. Reszta to dodatki.
Dlatego tak ważny w motocyklu jest silnik. W przypadku naszego dzisiejszego bohatera sprawa wygląda jeszcze dobitniej. Jest on bowiem pierwszym w swym rodzaju seryjnym pojazdem jednośladowym wyposażonym w tak niespotykane i rewolucyjne źródło napędu. Dlatego na tym źródle skupimy się najbardziej.
O co chodziło Wanklowi?
W wieku siedemnastu lat Felix oznajmił przyjaciołom, że miał sen! Śnił mu się pojazd napędzany czymś pośrednim między turbiną a silnikiem tłokowym i był to jego wynalazek (!). Felix Wankel obdarzony był niezwykłą wyobraźnią. Po śmierci ojca matki nie było stać na zapewnienie Felixowi studiów. Nie przeszkodziło mu to w realizacji swego snu. Kształcił się sam. Początkowo skonstruował sprężarki z obrotowym tłokiem, które wykorzystywane były między innymi w systemach mechanicznego doładowania silników. Zachęcony rezultatami wpadł na prawdziwie genialny pomysł, aby ze swej sprężarki, która obrotowym „tłokiem” potrafiła zasysać powietrze i skutecznie je tłoczyć, uczynić spalinowy silnik! Dojrzały koncept swego silnika opracował już w 1924 roku, a patent na swój wynalazek Felix otrzymał w 1929 roku w Niemczech. Prace rozwojowe nad silnikiem rozpoczął na początku lat 50., a pierwszy działający prototyp zbudował w roku 1957 i zaraz po tym zaaplikował o patent w USA, który otrzymał w 1961 roku pod numerem 2,988,008.
Konwencjonalne, tłokowe silniki spalinowe cechuje dość rozbudowana konstrukcja mechanizmu korbowego, dodatkowo uzupełniona skomplikowanym mechanizmem rozrządu. Przez to silnik jest wysoki i ma kilka niemiłych cech. Jedna z nich powodowana jest przez ruch, jaki wykonują tłoki. Przemieszczając się w cylindrze, muszą się bowiem zatrzymywać w swych krańcowych położeniach. Przykładowo przy 6000 obr./min tłok klasycznego silnika wykonuje 200 suwów w ciągu jednej sekundy! Rozpędzając się do swej maksymalnej prędkości i zupełnie zatrzymując 200 razy na sekundę! Generuje to naprawdę ogromne siły bezwładności w mechanizmie korbowym, co przekłada się na zużycie węzłów mechanizmu korbowego oraz powoduje wibracje przenoszone na cały pojazd. O jakimkolwiek wyważeniu mechanizmu rozrządu nawet się nie myśli, bo jest to zwyczajnie niemożliwe. Mamy więc mnogość mechanizmów, skomplikowane odlewy, rozbudowany napęd mechanizmu rozrządu.
Co prawda silniki dwusuwowe nie posiadając oddzielnych mechanizmów rozrządu (przy rozrządzie tłokowym) cechują się dużą prostotą konstrukcji w porównaniu do silników czterosuwowych, lecz okupione jest to wielce kłopotliwą wymianą ładunku polegającą na wypychaniu spalin przez wstępnie sprężoną mieszankę palną, co powoduje spore straty. Stąd nieregularna praca na wolnych obrotach, duże zużycie paliwa i kłopoty z ekologią.
Wszystkich tych wad pozbawiony jest silnik Wankla. Żaden jego element nie wykonuje ruchów posuwisto – zwrotnych, jak czyni to tłok w konwencjonalnym silniku. W silniku Wankla wszystkie elementy wykonują ruch obrotowy. W dodatku silnik ten łączy czterosuwowy cykl pracy z prostotą rozrządu tłokowego znanego z dwusuwów.
Choć konstrukcja ta wygląda niemal trywialnie, kryje w sobie efekty wielu lat precyzyjnej pracy podczas dopracowywania rewolucyjnych wręcz konceptów. Można domniemać, że jako inspiracja (czy też daleka analogia) do najpierw kompresora Wankla, a następnie silnika, posłużyła sprężarka Rootsa opatentowana już w 1860 roku, a stosowana między innymi w silnikach Bugatti. Jeśli nawet tak było, dwuwirnikowa sprężarka Rootsa mogła wskazać jedynie kierunek, na którego końcu znajduje się wynalazek Wankla.
Felix Wankel postanowił zbudować maszynę, której obieg realizowany będzie przez pojedynczy wirnik. Spośród wielu geometrycznych wariantów wybrał rotor o podstawie równobocznego trójkąta o wypukłych bokach. W jego wnętrzu umieścił koło zębate o zazębieniu wewnętrznym na stałe z nim związane. Drugie koło zębate z nim się zazębiające, o zębach zewnętrznych, osadzone jest nieruchomo w płycie czołowej. Przez jego środek przechodzi wał z mimośrodem, na którego czopie spoczywa obrotowo swą wewnętrzna panwią rotor. Przedstawię teraz jak w praktyce można sobie wyobrazić zakreślanie tej dziwacznej składającej się jakby z dwóch części okręgu figury stanowiącej podstawę bieżni dla tego silnika. Na zwisający pionowo w dół (wskazujący godzinę szóstą) mimośród wału zakładamy teraz rotor tak, by jego dolna krawędź leżała poziomo, a górny wierzchołek wskazywał godzinę dwunastą. W tej pozycji rotor spoczywa obrotowo na tocznym łożysku mimośrodu oraz jednocześnie zazębia się z kołem zębatym w tylnej ścianie. Pozycja rotoru na płaszczyźnie determinowana jest przez mimośród, a jego orientacja kątowa przez wspomnianą przekładnię o przełożeniu 2:3. Jeśli teraz zakręcimy wałem, to krawędzie rotora zakreślą kształt składający się jakby z połączonych dwóch okręgów zwany trochoidą. Kształt ten jak wspomniałem stanowi geometryczną podstawę wyciągniętej w górę bieżni rotora. Podczas wykonywania swych precyzyjnych ruchów wszystkie trzy wierzchołki rotora nieustannie zachowują kontakt swymi uszczelnieniami z powierzchnią roboczą. Optymalny stosunek promienia mimośrodu „e” do dużego promienia „R” Wankel określił na w przybliżeniu 7. Wspomniany stosunek R/e jest też teoretycznym stopniem sprężania silnika.
Przy takiej geometrii Wankel uzyskał trzy odseparowane od siebie wierzchołkami rotora przestrzenie robocze. W klasycznym silniku obserwując cykle pracy nie podążamy wzrokiem za samym tłokiem a obserwujemy cylinder. W silniku Wankla tak się nie da, bo przestrzenie robocze przypisane do trzech bocznych ścian rotora podążają za nimi na przemian rosnąc (co można wykorzystać na cykl dolotu lub pracy) i malejąc (dając możliwość realizacji sprężania i wydechu). Rozmieszczając odpowiednio na obwodzie trochoidy lub też na płaskich powierzchniach czołowych okna dolotowe i wylotowe oraz świecę zapłonową w niewielkim otworze wywierconym w trochoidzie, Wankel umożliwił następowanie po sobie cykli dolotu, sprężania, pracy i wylotu. Cykle te zachodzą kolejno i niezależnie we wszystkich trzech przestrzeniach roboczych – niczym w trzech cylindrach konwencjonalnego silnika. Ponieważ tworzący trzy przestrzenie robocze rotor wykonuje jeden pełny obrót wokół swej osi przypadający na trzy obroty wału, jeden cykl pracy przypada na każdy obrót wału. Ile mamy ruchomych części w tym silniku? Dwie rotor i wał, a więc o jedną mniej niż w dwusuwie, gdzie jest tylko tłok, korbowód i wał korbowy.
Praca silnika Wankla jest niebywale wręcz równa, płynna i łagodna. Bez szarpnięć, drgań czy wibracji! Tę cechę zawdzięcza silnik rozłożeniu cykli roboczych na znacznie większe kąty niż w klasycznym silniku. Przykładowo cykl pracy w klasycznym silniku tłokowym trwa przeciętnie 105 stopni obrotu wału – następnie w dwusuwie mamy 255 a w czterosuwie 615 stopni na pozostałe cykle. W silniku Wankla cykl pracy zajmuje około 230 stopni obrotu wału! Potem następuje 130 stopni przerwy na sprężanie w kolejnej przestrzeni roboczej i rozpoczyna się kolejny cykl pracy. W dodatku zupełne wyrównoważenie wału z mimośrodem nie stwarza konstrukcyjnie żadnych kłopotów.
Ciekawostką jest sposób podawania pojemności skokowej silnika Wankla. Otóż niektórzy producenci podają wprost pojemność jednej komory roboczej wirnika, inni zaś podają pojemność dwóch komór roboczych na jeden wirnik, jako bardziej wymierną wielkość w porównaniu do silnika tłokowego. Oba sposoby mają swe logiczne uzasadnienia. Dałoby się nawet obronić podawanie pojemności wszystkich trzech komór choćby przez analogię do trzycylindrowego silnika dwusuwowego, w którym również jeden tłok może znajdować się u samej góry, jeden pod koniec suwu pracy, a jeden na początku sprężania – podobnie jak trzy przestrzenie robocze silnika Wankla.
Warte podkreślenia jest to, że rotor opiera się tylko i wyłącznie na swym mimośrodzie, nie dotykając w żadnym punkcie trochoidalnej powierzchni roboczej, z którą stykają się jedynie jego uszczelnienia. Skutkiem tego, wszelkie siły gazowe oraz bezwładności przenoszone są wyłącznie na wał. Listwy uszczelniające w silniku Wankla znajdują się na obu powierzchniach bocznych rotora w pobliżu krawędzi, ślizgając się po płaskich powierzchniach zamykających przestrzeń roboczą z obu stron pokryw oraz oczywiście na wierzchołkach rotora, gdzie oddzielają sąsiadujące ze sobą przestrzenie robocze. Jako iż składają się one z wielu oddzielnych części i nie są w stanie dociskać się do powierzchni swą sprężystością, każda listwa spoczywa w swym rowku na falistej sprężynie dociskającej, która zapewnia kontakt uszczelnienia z powierzchnią podczas rozruchu nim ciśnienie gazów przejmie tę funkcję.
Polscy konstruktorzy
Dla zainteresowanych wspomnę, że również przedstawiony u nas w majowym wydaniu Gustaw Różycki pracował nad silnikiem z wirującym tłokiem. Po wojnie nad konstrukcją podobnego silnika pracowali m.in. Stanisław Górski z WSK Mielec, Maciej Radziwiłł z Instytutu Lotnictwa w Warszawie. W tym kontekście pojawiają się też postacie J. Falęckiego i L. Piechowskiego.
Wybuchła prawdziwa sensacja!
Swój wynalazek, opracowany dla firmy NSU, Felix Wankel zaprezentował na zjeździe stowarzyszenia inżynierów niemieckich (VDI) w styczniu 1960 roku. Silnik prezentował się naprawdę rewolucyjnie! Pracował miękko, cechował się pracą pozbawioną wibracji i z lubością wkręcał się na bardzo wysokie obroty, a przy tym wykazywał minimalne opory tarcia wewnętrznego. Cały silnik Wankla gabarytami nie przekraczał rozmiarów samej skrzyni korbowej klasycznego silnika o podobnej mocy.
Wiele firm, dostrzegłszy ogromny potencjał tej konstrukcji, która, jak twierdził Wankel, miała wyprzeć produkowane powszechnie klasyczne silniki spalinowe, niezwłocznie zakupiło licencję. Byli to sami najwięksi gracze, jak Alfa Romeo, American Motors Corporation (AMC), Citroën, Ford, General Motors, Mazda, Mercedes-Benz, Nissan, Porsche, Rolls-Royce, Suzuki, Fichtel & Sachs oraz Toyota. Każda z tych firm rozpoczęła własne prace rozwojowe. W 1967 roku pojawiły się pierwsze samochody osobowe z nowym, rewolucyjnym źródłem napędu: NSU Ro80 oraz Mazda Cosmo 110S.
DKW W2000
Drugą w kolejności firmą, która w 1960 roku zakupiła licencję był Fichtel & Sachs, gdzie zbudowano wkrótce jednowirnikowy silnik Wankla o pojemności jednej komory roboczej 294 cm3 i mocy 30 KM z przeznaczeniem między innymi do skuterów śnieżnych. Ten właśnie silnik postanowiono zaadaptować po kilku modyfikacjach do zabudowania w motocyklu. Jako że Fichtel & Sachs w 1963 roku stał się właścicielem marki Hercules, postanowiono, że nowy wprowadzony do produkcji w 1974 roku motocykl będzie nosić nazwę nowo nabytej marki. Ponieważ w Wielkiej Brytanii istniała już zarejestrowana tam marka Hercules, na wyspy motocykl trafiał z logo DKW.
Posiadający jeden rotor silnik Fichtel & Sachs umieszczono wzdłużnie. W boczych powierzchniach rotora ulokowano symetryczne komory spalania. Najbardziej obciążona cieplnie część silnika, w której zachodzi cykl pracy i wydechu znalazła się na samym dole, gdzie żebrowanie jest najbogatsze a przepływ powietrza niczym niezasłonięty. Okno wylotowe umieszczono na powierzchni trochoidy. Dolot rozwiązano bardziej finezyjnie. Rotor silnika Wankla realizujący cykle robocze w trzech przestrzeniach obciążony jest ciepłem spalania z każdej z trzech stron. Aby poprawić jego chłodzenie, producent umieścił kanał dolotowy w przedniej pokrywie silnika, skąd część strumienia trafia do przestrzeni zasysającej poprzez okno w tej ścianie, a część kierowana jest przez wnętrze rotora na drugą stronę do symetrycznego okna dolotowego oraz wąskim kanałem do niskiego okna w trochoidzie. W ten sposób mieszanka powietrza i benzyny chłodzi rotor od środka, a dodany do benzyny olej (jak w dwusuwie) smaruje łożyska wału i przekładnię zębatą.
Na przednim czopie wału umieszczono sporych rozmiarów wentylator, który kierował strumień powietrza na żeberka chłodzonego powietrzem silnika. Przy dwóch rotorach takie rozwiązanie nie wchodziłoby w grę, ponieważ pierwszy rotor w zupełności zasłaniałby drugi, uniemożliwiając jego chłodzenie. W piaście wentylatora znalazł się stuwatowy alternator Boscha i układ zapłonowy. Na czopie tylnym umieszczono wieniec zębaty elektrycznego rozrusznika zamocowanego na samym dole zespołu napędowego już pod skrzynią biegów. Za wieńcem znajduje się przekładnia kątowa, która przekazuje napęd prostopadłym wałkiem wychodzącym z lewej strony i zakończonym tam niewielkim kołem zębatym, które napędza kosz klasycznego, mokrego sprzęgła. Ze sprzęgła napęd trafia na współosiową sześciobiegową skrzynię biegów, wychodząc po prawej stronie motocykla na zębatkę zdawczą łańcucha napędzającego koło tylne. Cały zespół napędowy otrzymał wygląd odrzutowej turbiny rodem z filmów fantastycznych, co świetnie eksponowało niecodzienny rodzaj napędu motocykla i było prawdziwym rynkowym strzałem w dziesiątkę.
Reszta motocykla była już mniej fantastyczna, ale to również było zrozumiałe, gdyż nie chciano odstraszać klientów całą futurystyczną formą motocykla, a jedynie podkreślić jego nietuzinkowe źródło napędu.
Widok futurystycznej „turbiny” podwieszonej w ramie motocykla obiecuje dźwięk w rodzaju jednostajnego świstu. Naciśnięcie startera przynosi zaskoczenie, kiedy z wydechów poczyna wydobywać się miękki, chrapliwy trel. Nie tak twardy i równy jak w tłokowym czterosuwie, ale i nie tak ostry i stochastyczny jak dwusuw. Nade wszystko jednak aksamitnie miękki. Jedynie dźwięk oraz obrotomierz zdają się potwierdzać, że silnik pracuje. Poza tym nie czuje się nic! Żadnych wibracji, drżenia, rezonansów. Na wyższych obrotach warkot staje się jeszcze bardziej aksamitny, ale podszyty metaliczną nutą – coś jak kombinacja buczenia trzmiela i wrzasku przerażonej sarny. Wzdłużne umieszczenie wału silnika daje niewielką reakcję poprzeczną, lecz wyraźnie mniejszą niż w tłokowych konstrukcjach z racji mniejszego ramienia siły. Motocykl prowadzi się bardzo intuicyjnie, sprawia wrażenie lekkiej i manewrowej maszyny. Miękkie zawieszenie, miękka kanapa, progresywne hamulce no i niewyobrażalnie aksamitnie miękkie źródło napędu. Nie da się tego z niczym porównać! Silnik równie gładko pracuje zarówno przy trzech, jak i sześciu tysiącach obrotów na minutę. Bez obrotomierza nie sposób wyczuć różnicy. Wankel jest niesamowity! Dlaczego w ogóle stosuje się jeszcze archaiczne tłokowce? Dlaczego Wankel do tej pory nie wyparł ich zupełnie?
Były blaski, teraz cienie
Jako użytkownicy w pierwszej kolejności zauważymy, że motocykl zużywa średnio około 6 litrów benzyny (zmieszanej z olejem) na 100 kilometrów. Tyle pali współczesny Fiat 500, ale też tyle paliły znane u nas MZtki. Na przykład ETZ 301 przy mocy 23 KM potrafiła spalić więcej. Konieczność mieszania benzyny z olejem nie jest zbyt wygodna, ale w odpowiedzi na to od roku 1976 producent instalował dozowniki oleju. Nie trzeba było już dolewać oleju do paliwa, lecz nie uwolniło to od obłoków niebieskiego dymu po zimnym rozruchu.
Mimo iż producent twierdził, że trwałość uszczelnień jest wystarczająca na 100 000 km, to w rzeczywistości bywało z tym różnie.
Byli też inni producenci motocykli
Rzecz jasna Hercules nie był jedyną firmą, która zdecydowała się zainstalować silnik Wankla w motocyklu. Pierwsze próby podjęto już w 1960 roku przez firmę IFA/MZ, która, zakupiwszy licencję, zbudowała chłodzony cieczą jednowirnikowy silnik Wankla o pojemności 175 cm3 dający moc 24 KM i wbudowała go w podwozie BK 351, nazywając swój model KKM 175W. Był to pierwszy na świecie motocykl z silnikiem Wankla. Drugą próbą było zainstalowanie chłodzonego powietrzem Wankla o tej samej pojemności i mocy w motocyklu MZ Trophy (model KKM 175L). W 1969 roku swój prototyp z silnikiem Wankla zbudowała firma BSA. W roku 1973 powstał pierwszy Norton z dwuwirnikowym silnikiem Wankla zabudowanym w podwoziu Triumpha Bandita. Następnie Yamaha RZ 201 (1972) oraz Suzuki RE-5 (1974).W 1987 roku Norton zbudował 100 sztuk modelu Commando; w 1988 roku pojawił się Norton Commander produkowany aż do 1992 roku. VanVeen OCR 1000 (1974). Chłodzony powietrzem silnik Sachsa w 1974 roku znalazł się też w podwoziu rosyjskiego Dniepra – taką kombinację nazwano Motoprom RD 501B. Iż Vega (1986). Swoje prototypy miała też Honda i Kawasaki.
Pierwszy wysokoprężny silnik Wankla zbudowano w Wielkiej Brytanii w 1960 roku w firmie Rolls Royce’s Motor Car Division.
Dlaczego tak rewolucyjna konstrukcja cierpiała na tak przyziemne dolegliwości?
Prostota ma swoją cenę. Spalany w silniku olej powodował osad węglowy, który jako doskonałe ścierniwo radykalnie przyspieszał zużycie w szczególności listew krawędziowych. Dodatkowo przyczyniały się do tego wibracje tychże uszczelnień.
Nadmiernie nagrzewająca się część trochoidy w okolicy okna wylotowego powodowała odkształcenia utrudniające osiągnięcie prawidłowego uszczelnienia.
Ogólnie ilość emitowanego przez silnik Wankla ciepła stwarzała dla konstruktorów problem. Trzeba było ekranować układy wydechowe, stosować skuteczniejsze tłumiki. Powodem było wczesne otwieranie okna wylotowego oraz w zasadzie nieprzerwanie trwający wydech cykl za cyklem z kolejnych komór. Intensywnemu nagrzewaniu korpusu silnika sprzyjały też „ruchome”, czyli przemieszczające się przestrzenie robocze. Spalanie bowiem rozpoczyna się w miejscu, gdzie znajduje się świeca, a kończy w okolicach kanału wylotowego, co stanowi praktycznie połowę całej trochoidy. Ta część jest ciągle nagrzewana, podczas gdy druga, gdzie zachodzi proces ssania i sprężania, znacznie chłodniejsza. Utrudnione jest też chłodzenie samego rotora obciążonego ciepłem spalania z każdej strony. Tłoki klasycznych silników nagrzewane są od strony denka, podczas gdy drugą stroną mogą oddawać ciepło chłodzącej je intensywnej mgle olejowej.
Przy zastosowaniu chłodzenia powietrzem trzeba było dodatkowo dochładzać rotor przez przepuszczanie przez jego wnętrze zasysanego ładunku. Mimo iż przynosiło to pozytywne efekty, stawiało dodatkowy opór w układzie dolotowym, co skutkowało zmniejszeniem sprawności napełnienia przestrzeni roboczej. Takie skompresowanie wymiarów silnika sprawia, że emitowane ciepło spalania dosłownie nie ma się gdzie rozchodzić. W Wanklu cały silnik jest w zasadzie „głowicą”, a „tłok” umieszczony jest w jej środku.
Duże fazy przekrycia rozrządu (wspólnego otwarcia okna wylotowego i dolotowego) przyczyniały się do strat i mieszania się spalin z zasysanym ładunkiem. Dodatkowo wąska listwa wierzchołkowa przechodząca przez szerokie okno wylotowe umożliwiała łączenie się ze sobą dwóch sąsiednich przestrzeni roboczych. Ten sam problem dotyczył otworu, w którym znajdowała się świeca zapłonowa. Pewnym rozwiązaniem tego problemu jest umieszczenie okien dolotowych i wylotowych nie w trochoidzie, a w ścianach bocznych jak uczyniła to Mazda. Zmniejsza to jednak sprawność wymiany ładunku.
Wydłużony kształt komory spalania należał do bardzo niekorzystnych. Niektórzy producenci radzili sobie z tym, umieszczając dwie świece obok siebie na obwodzie trochoidy.
Spora ilość listew uszczelniających wymagała odpowiedniego smarowania. Konieczna była obecność oleju na powierzchniach bocznych oraz na trochoidzie. Jako że w powierzchniach tych wykonane były okna dolotowe i wylotowe, część oleju zgarniana była przez listwy do kanału wylotowego, a część porywana z krawędzi kanałów dolotowych i spalana. Pod tym względem Wankel był równie ekologiczny jak przeciętny dwusuw.
Producenci jeden po drugim rezygnowali z prac nad tą konstrukcją.
Japońscy konstruktorzy, wziąwszy się ostro do pracy, pozbawili Wankla większości jego bolączek, niestety razem z jego prostotą, stylem i sensem. W ich wydaniu (na przykład w Suzuki RE-5) Wankel był drogi, skomplikowany i posiadał rozbudowany osprzęt.
Dziś wiemy, że Wankel przegrał
Nie wyparł tłokowych silników spalinowych. Nie spełnił pokładanych w nim nadziei. Po części przez to, że pojawił się w czasach, kiedy tradycyjny silnik był już wystarczająco dopracowany, po części z powodu lęku przed czymś nowym, jaki pojawiał się wśród nabywców a szczególnie w warsztatach, gdzie niewiedza powodowała strach przed zbliżeniem się do silnika Wankla na dystans śrubokręta.
Skoro przegrał silnik Wankla, przegrało i DKW W2000. Przy swej wysokiej na owe czasy cenie nie było rynkowym hitem. W 1977 roku produkcyjne oprzyrządowanie DKW W2000 sprzedano brytyjskiej firmie Norton. Dziś motocykl jest kolekcjonerskim rarytasem. Huczną zapowiedzią przyszłości, która nie nadeszła. DKW W2000 pozostaje też motocyklem najbliższym idei Wankla – konstrukcyjnie eleganckim w swej prostocie.
Prezentowany na zdjęciach egzemplarz należy do kolekcji Jana Cyzio. Redakcja dziękuje za udostępnienie motocykla.
Motocykl jest w stanie oryginalnym. Czerwony kolor panelu pod siedzeniem kierowcy to modyfikacja z epoki. Oryginalnie malowany był na srebrno.