Soliidses eas Wankelmootor – atraktiivne ka tänapäeval

Pöördkolb- ehk Wankelmootori sünnilugu ulatub aastakümnete taha, kuid vaatamata selle pole jõumasin end inseneride jaoks ammendanud ja omab arengupotentsiaali ka tänapäeval. Kirjutab Andre Gregor.

Saksa mehaanikainsener Felix Heinrich Wankel (1902–1988) huvitus sisepõlemis- mootoritest juba noorena. Ta unistas võimalusest vältida mootori kolbide edasi-tagasi liikumist ja asendada see pöördliikumisega.

Idee metoodiline analüüs ning edasine rafineerimine tegi temast kolvitihendite eksperdi. Wankel sai oma esimese pöördkolbmootori patendi 1929. aastal.

Ta töötas enne Teist maailmasõda mereväe torpeedode ja õhujõudude (Luftwaffe) jaoks välja gaasijaotusmehhanisme (pöördklapid ja tihendid), tehes kaastööd firmadele BMW ja Daimler-Benz. Prantsuse armee konfiskeeris sõja lõppedes aastal 1945 Wankeli töökoja seadmed ning tal keelati oma masinaehitustöid jätkata.

Wankel sai aastal 1951 firmalt Goetze AG rahastuse, et ehitada oma koju Lindausse uus tehnikaarenduskeskus (Technische Forschungszentrum). Aasta hiljem ehk 1952 õnnestus tal sõlmida koostööleping ettevõttega NSU Motorenwerke AG, et valmistada esimene pöördkolbmootori prototüüp. 1957. aasta veebruaris saadi käima esimene prototüüpmootor DKM-54.

Pöördkolbmootor ehk Drehkolbenmotor (DKM)

Pöördkolbmootor on sisepõlemismootor, kus paikneb liikumatu eksentrikvõll ja milles pöörlevad samasuunaliselt silinder, mille sisepinna (tööpinna) piirjoon on epitrohhoidiks nimetatava kõvera kujuline ja kolmetahuline kolb (rootor). Mootoril puuduvad edasi-tagasi liikuvad väntmehhanismi detailid. Eksentrikvõll ei pöörle, mistõttu ei ole vaja eksentrilisust eraldi vihtidega tasakaalustada. Kolb ja silinder on omavahel hammasülekande abil ühendatud (ülekandearv on 3:2), ka on jõuvõtuvõll (väljundvõll) ühendatud hammasülekande kaudu pöörleva silindriga. Kolvil ja silindril on omaette pöörlemistelg (mis on eksentrikvõlli eksentrilisuse võrra teineteisest eemale nihutatud) ja erinevad pöörlemiskiirused. Pöörlevad detailid (kolb ja silinder) tasakaalustatakse dünaamiliselt ja seetõttu ei teki tasakaalustamata pöörlevaid masse. Kuna kolb ja silinder koos oma külgmiste kaantega mõlemad pöörlevad, ei ole lihtsate konstruktsiooniliste võtetega võimalik leida kohta süüteküünla paigutamiseks põlemiskombrisse.

Sellise ehitusega mootoril keermestatakse süüteküünlad pöörleva kolvi tahkude sisse liikumatu eksentrikvõlli kaudu, mis just oma keerukuse ja komplitseerituse tõttu (süüteküünla vahetamiseks tuleb mootor osandada ehk avada) ei leidnud praktilist rakendust. Eraldipaiknevate rootori ja silindri pöörlemistelgede, liikumatu eksentrikvõlli ja edasi-tagasi liikuvate osade puudumise tõttu töötab selline mootor ühtlaselt ja võib saavutada väga kõrgeid väljundvõlli pöörlemiskiirusi (NSU-s valmistatud 125 cm³-lise töömahuga prototüübi DKM-54 katsetustel, millega alustati 1957. aasta 1. veebruaril, saavutati pöörleva silindriga ühendatud väljundvõlli maksimaalseks pöörlemiskiiruseks erinevatel andmetel 17 000…22 000 p/min). Sellise kontruktsiooniga mootorit valmistati ainult neli. Juba 1958. aastal peatati DKM edasiarendamine ja alustati planetaarpöördkolbmootori väljatöötamisega. 1960. aastal valmiski juba teist tüüpi, rohkem praktilisem mootor – KKM250.

Planetaarpöördkolbmootor ehk Kreiskolbenmotor (KKM)

KKM-i töötasid välja dr Felix Wankel ja tema kolleegid NSU-st – insener Hans Dieter Paschke ja dr Walter Froede. Mootori konstruktsioon on tuntuks saanud NSU-Wankelmootorina või lihtsalt Wankelmootorina. KKM-i konstruktsioon erineb DKM-st mitmel moel, kuid peamiselt selle poolest, et KKM-tüüpi mootoris on epitrohhoidi kujulise sisepinnagasilinder liikumatu ja kolb ning eksentrikvõll pöörlevad.

Kolb ehk kolmetahuline rootor on jäigalt ühendatud hammasrattaga, millega hambub silindri ühe poole küljekaane külge kinnitatud liikumatu hammasratas. Liikumatu hammasratta ja rootori hammasratta hammaste arvu suhe on 2:3. Rootori hammasratas veereb liikumatul, silindri küljekaanele jäigalt kinnitatud, hammasrattal. Rootori tahud libisevad koos tahu otstes olevate tihenditega silindri tööpinnal ja moodustavad muutuva mahuga kambreid. Sellise konstruktsiooni korral ei ole neljataktiliseks tsükliks vajalik traditsiooniline klappide, tõukuritega ja nukkvõllidega gaasijaotusmehhanism. Gaasijaotuseks on mootori silindrit või mootori silindri küljekaasi läbivad sisselaske ja/või väljalaskekanalid. Eksentrikvõlli pöörlemisteljest eksentriliselt väljaviidud materjali mass ja sellest tekkiv tasakaalustamata inertsjõud tasakaalustatakse mõlemalt poolt kolbi eksentrikvõllile paigutatavate vastukaaludega või mitmerootorilistes mootorites teiste kolbidega. Mootoris tekkivad inertsjõud on sarnaselt DKM-mootoriga samuti 100-protsendiliselt tasakaalustatavad.

Wankelmootori kasutusalad

Wankelmootoreid kasutatakse peamiselt mehitamata ja mehitatud lennumasinate ehk droonide, lennukite, helikopterite, mootoriga purilennukite, deltaplaanide, autode, elektri- ja kartautode, elektrigeneraatorite, aiatraktorite, mootorrataste ja -saanide, mootorsaagide jne jõuallikana. Ka mootorpaatide sise- ja päramootoritena.

Wankelmootori mass ja gabariidid on 30–40% väiksemad sama võimsusega tavalise sisepõlemismootori massist ja mõõtmetest. Väikeseeriaviisiliselt toodetakse Wankelmootoreid mitmel pool maailmas (näit Saksamaa, Inglismaa, USA, Jaapan, Iisrael, India jne).

Wankelmootori plussid ja miinused

Plussid:

• Töötamisel tekkivad inertsjõud on täielikult tasakaalustatud, mistõttu kannab mootor sõiduki kontruktsioonile edasi vähem võnkeid. See on ülioluline lennumasinate kandekonstruktsiooni materjalides ja liidetes väsimuspragude tekke pidurdamisel.
• Mootori lihtne konstruktsioon, mis koosneb põhimõtteliselt vaid kahest pöörlevast (kolvi planetaarne pöördliikumine ja eksentrikvõlli pöördliikumine) masinaosast.
• Madal kaalu ja efektiivvõimuse suhe (kg/kW), mis teeb sellest hea lennumasina, veesõiduki ja portatiivse elektrigeneraatori mootori.
• Suhteliselt madalad kütuse erikulu be näitajad võrrelduna sarnase võimsusega gaasturbiinmotooritega.
• Mootori kolvi otsatihendid (Apex-tihendid) teostavad töötamisel pidevat ühesuunalist liikumist. Kolvi otsatihendite kulumisel säilib pidev tihendusjoon (tihenduspind) silindri tööpinnaga (epitrohoid) ja gaaside lekkimine tihendi kulumisel üldjuhul ei suurene.
• Kolb on tavaliselt valmistatud eriterasest (valuteras). Katastroofilisi avariisid ei saa üldjuhul juhtuda. Lubatust kõrgema põlemise lõpurõhu pz tõttu võib puruneda silinder ja selle jahutussärk või jahutusribid, kuid kolb jääb reeglina siiski mootorisse, sest kolb paikneb ümber eksentrikvõlli nn vändakaela ja Wankelmootoril puudub keps.
• Wankelmootoril on tavalise kolbmootoriga võrreldes vähem masinaosi (nt puuduvad nukkvõll, klapid, klapivedrud, tõukurid, kepsud) ja mootor on kaalult kergem.

Miinused :

• Põlemiskambri pindala mootori ülemises surnud seisus (Ü.S.S) suhe põlemiskambri ruumalasse on 20–30% suurem võrrelduna tavalise kolbmootoriga. Suurem põlemiskambri ruumala tähendab kütuse ja õhu segu põlemisel suuremaid soojuskadusid läbi kambri seinte ning seega madalamat efektiivkasutegurit.
• Kolvi tihendite joonkiirus on 15–20% suurem (ulatudes tavaliselt kuni 22 m/s) kolbmootori kolvitihendite joonkiirusest. See ei ole siiski väga suur erinevus, arvestades seda, et Wankelmootori kolvi tihendid liiguvad ühes suunas ja katkematult (tavalises kolbmootoris liigub kolb pidevalt suunda vahetades ja tihendid seiskuvad ülemises ja alumises surnud seisus, mis võib põhjustada õlikelme katkemise ja seetõttu suurema silindri ning kolvirõngaste kulumise).
• Wankelmootori surveastme rc suurendades peab suurenema silindri läbimõõt. Keeruline saavutada suuri surveastmeid mõistlike mootori välismõõtmete juures. Tavaliselt on Wankelmootorite surveaste piires 8–12:1.
• Wankelmootoril kasutatakse kahetaktilistele mootoritele sarnast kolvitihendite õlitussüsteemi (Total Loss Lubrication System), kus määrdeõli juhitakse kolvitihendite juurde põlemiskambrisse, kus see osaliselt põleb ja väljub väljalaskeavade kaudu atmosfääri. See toob endaga kaasa määrdeõli kulu ca 1000–2000 cm³ /10 000 km, mis võib olla ka suurem, sest õlikulu sõltub mootori tööparameetritest (koormus, eksentrikvõlli pöörlemiskiirus, mootori jahutusvedeliku ja määrdeõli temperatuur jms).