Wankelův rotační motor slaví padesátiny

Na sklonku listopadu 1959 představil německý mechanik a konstruktér Felix Wankel světu svůj unikátní vynález. Nový druh spalovacího motoru s rotujícím pístem (speciálně tvarovaný píst se v něm místo po přímce pohyboval po křivce), založený na principu rozpínání plynů, byl pozoruhodnou alternativou ke klasickému spalovacímu motoru.

Legendární konstruktér Felix Wankel (1902 - 1988) nebyl odborně vyškoleným technikem, ale nedostatek formálního vzdělání pro něj rozhodně nepředstavoval handicap a stal se naopak v tomto oboru specialistou. Ve své konstruktérské činnosti se zabýval hlavně problémem utěsnění strojních částí, které se pohybují v prostředí s vysokým tlakem a teplotou. Výsledkem jeho pokusů byl rotační motor, který nese jeho jméno. Pracuje s klasickým Ottovým cyklem, principiálně jde tedy o "čtyřtakt", jehož základem je unikátní konstrukce pístu a komory, kdy píst v podobě konvexního trojúhelníku excentricky rotuje okolo hřídele. Výstupní hřídel je pro každý rotor opatřen excentrickou vačkou, zaručující požadovanou dráhu rotoru. Tělo, resp. spalovací prostor, má složitý var, který zajišťuje, že všechny vrcholy rotoru jsou vždy v kontaktu se stěnou tělesa, a vytváří uvnitř motoru tři vzájemně oddělené prostory. Otáčením rotoru v každém z nich pak probíhá vždy právě jedna z fází klasického čtyřtaktního cyklu. V průběhu jedné otáčky rotoru tak motor vykoná tři pracovní cykly.
Novátorská konstrukce však byla provázena i četnými technickými problémy. Jedním z nich byla (u nové konstrukce - původní typ DKM tento problém neměl) poměrně nízká životnost, způsobená rychlým opotřebováváním těsnění vrcholů rotoru, takže motor ztrácel kompresi. Příčinou byl hlavně nerovnoměrný tlak v důsledku excentrického pohybu rotoru. I když se časem podařilo problémy s těsněním vyřešit, stínem zůstávala dlouho ještě vysoká spotřeba paliva a hodnoty emisí. To je i jedním z hlavních problémů, který zatím zřejmě odrazuje výrobce od širšího využití této jinak zajímavé pohonné jednotky jež zatím nedosahuje takové efektivnosti provozu jako výkonově odpovídající pístový motor kvůli své nižší termodynamické účinnosti.
Ta je způsobena několika faktory, hlavně tvarem spalovacího prostoru (dlouhý a úzký tvar nabízí lepší podmínky), který rovněž relativně omezuje možný kompresní poměr, a problematičtější je u "wankelu" i systém chlazení (spalovací prostor nelze ochladit vnitřní výměnou plynů jako u pístového motoru). Tyto problémy však lze do značné míry potlačit. Zásadním handicapem ve srovnání s klasickými motory je však specifický (a tím pádem náročný a drahý) vývoj, který se vzhledem k omezené výrobě a využití wankelových motorů automobilkám jednoduše nevyplácí.

Pozoruhodný i problematický...
S pozoruhodnou novinkou experimentovalo několik automobilek, ovšem i půlstoletí poté je Wankelův motor v sériové produkci spíše raritou, do jejíhož dalšího rozvoje se výrobci příliš nehrnou. Většího rozšíření se rotační pohonná jednotka dočkala až poměrně nedávno, když s ní začala vybavovat své některé vozy japonská Mazda. rvním sériovým vozem s Wankelovým motorem byl v roce 1963 NSU Spider, jednorotorový wankel s výkonem 37 kW (50 koní) umožňoval vozu maximální rychlosti až 150 km/h. Mazda představila ve stejném roce svou studii Cosmo, která se ale do výroby dostala až po NSU, o dva roky později. Proslulým se tak stal wankel ve své době hlavně díky vozu NSU RO80 představenému v roce 1967, a to paradoxně jak díky novátorské koncepci, která mu vynesla titul Vůz roku 1968, tak později kvůli problémům, jež se u dvourotorové pohonné jednotky o výkon 85 kW (115 koní) začaly projevovat, a které přispěly ke konci samotné značky NSU o dekádu později, a jejímu převzetí koncernem VW.
Z významných automobilek vyzkoušela Wankelův motor např. i značka Mercedes-Benz (u prototypu C111), nebo v USA firma GM. Vozy s wankelovým mototrem lze najít i v historii automobilky Citroën, která na nich spolupracovala s německou firmou NSU. Výsledkem bylo malé kupé s jednorotorovým motorem s označením M35, a GS Birotor (varianta Citroënu GS s dvourotorovým wankelem, kterou však automobilka kvůli problémům, jež se u tehdejší generace wankelů začaly časem projevovat, stáhla zpět a zlikvidovala). ezi výrobce aut s Wankelovým motorem patřila překvapivě i ruská automobilka Lada, která jím vybavila několik stovek vozů. Šlo jak o jednorotorové, tak i dvou a třírotorové motory s výkonem od 51 kW (70 koní) do 154 kW (210 koní), a to vesměs pro policejní vozidla - nejvýkonnější byl použit i u několika vozů Volga-GAZ. Wankelovým motorem byla vybavena i speciální "sibiřská" verze Lady Samara March. Experimentovali s ním zřejmě i v bývalé východoněmecké NDR, ovšem podrobnější dokumentace se nedochovala.
Jedinou automobilkou, která na Wankelův motor nezanevřela, je tak nyní japonská Mazda (má rovněž prvenství v uvedení prvního dvourotorového wankelu na trh). Kromě futuristického modelu Cosmo se asi nejvíce proslavil v řadě sportovních automobilů RX-7. Závodní speciál Mazda 787B je jediným vozem s Wankelovým motorem, který (roku 1991) vyhrál vytrvalostní závod 24 hodil Le Mans. Speciál Mazdy byl vybaven třírotorovým wankelem o objemu 2,6 litru s výkonem 515 kW (700 koní) a ve srovnání s konkurencí dosahoval nižší spotřeby, a také poměrně vysoké spolehlivosti: v historii Le Mans dokázalo z vozů Mazda s Wankelovým motorem úspěšně dojet 67%.

Wankelův rotační motor a schéma jeho fungování

Na principu motoru s rotačním pístem pracoval Felix Wankel podle dostupných informací už od roku 1924, ale skutečně vyvíjet ho začal až v 50. letech minulého století, kdy pracoval u automobilky NSU. První funkční prototyp je datován do roku 1957 s názvem Drehkolbenmotor, ale prvním wankelem v podobě, v níž ho známe dnes, byl až další vývojový typ - KKM (Kreiskolbenmotor - motor s kruhovou komorou) z roku 1958. Do sériové výroby se Wankelův motor dostal v roce 1964. U něj použil konstrukci, kdy rotoval píst i samotný blok (každá část kolem jiné osy), což umožnilo dosáhnout neuvěřitelných až téměř 17 000 otáček za minutu. Konstrukce motoru byla však příliš složitá, což komplikovalo jeho údržbu. Prvním wankelem v podobě, ve které se používá dodnes, byl až další vývojový typ - KKM, tedy Kreiskolbenmotor z roku 1958, který měl stacionární blok a kroužil jen píst, rotující excentricky okolo hřídele. Motor tím sice přišel o schopnost extrémních otáček, ale zjednodušila se tak výrazně jeho konstrukce. Do sériové výroby se Wankelův motor dostal v roce 1964.

... ale stále nadějný

Nicméně tato koncepce nabízí i některé prvky, díky nimž je naopak zajímavý a tudíž pro výrobce lákavý: je menší a kompaktní, konstrukčně jednodušší, má méně součástí, které vyžadují údržbu (nepotřebuje ventily, kliky, vačkové hřídele apod. jako standardní pístová konkurence), má hladší chod díky jejich výhradně rotačnímu pohybu, a také lepší odolnost (u wankelů nehrozí takové riziko zadření, vzhledem k materiálům používaným pro jeho konstrukci - větší teplotní roztažnost hliníku, z něhož je vyráběn blok motoru, nedovolí při přehřátí zadření ocelového rotoru). Teoreticky je navíc vhodnější i pro nyní populární přímé vstřikování paliva, protože fáze spalovacího cyklu u něj probíhají déle než u běžného čtyřtaktního pístového motoru, což nabízí více času na vstříknutí i několika dávek paliva. V praxi to však zatím žádný z dosavadních výrobců vozů s Wankelovými motory u sériově vyráběných modelů nevyužil.
O dalším osudu této motorové koncepce se bude asi rozhodovat právě v příštích letech - náklady na vývoj jsou sice "brzdným" faktorem, ale nové materiály a technologie, a také nová alternativní paliva (včetně např. vodíku, který je schopen spalovat) naopak hrají pro další rozvoj wankelu. Britskému magazínu Autocar potvrdil už loni ředitel společnosti Mazda Europe, James Muir, že automobilka hodlá začít vyrábět vodíkové rotační motory, ovšem s tím, že to nebude dříve než minimálně za dalších pěti let. Firma už nicméně testovala ve spolupráci s norskou společností HyNor tři desítky vozů Mazda RX-8 vybavených tímto motorem, vodíková náplň nabízí dojezd zhruba 200 km.

• TEST: Mazda RX-8