Silnik Wankla

Od samego początku jedną z większych trudności w realizacji silników o tłokach obrotowych sprawiało we wszystkich ich przypadkach skuteczne rozwiązanie problemu uszczelnienia komór roboczych. Przez skuteczne uszczelnienie należy rozumieć takie uszczelnienie, które zapewni odpowiednio małe przedmuchy gazów, a zarazem będzie dostatecznie trwałe i nie będzie powodować nadmiernych oporów mechanicznych w wyniku występowania dużych nacisków między powierzchniami uszczelnionymi. Można też zwrócić uwagę, że z dużej trwałości uszczelnienia można częściowo zrezygnować, pod warunkiem, że uszczelnienia te będą tanie i łatwe do wymiany.

W silniku typu Wankel występują uszczelnienia dwóch zasadniczych rodzajów:

- gazowe, rozgraniczające od siebie komory silnika i zapobiegające przedostawaniu się spalin lub sprężonego ładunku do komory mieszczącej się wewnątrz tłoka,

- olejowe, zapobiegające przedostawaniu się oleju smarującego przekładnię zębatą, mieszczącą się w komorze wewnętrznej tłoka, do komór roboczych.

Uszczelnienia gazowe dzielą się także na:

- promieniowe, rozgraniczające komory robocze wzdłuż bieżni cylindra,

- czołowe, rozgraniczające komory robocze wzdłuż ich płaskich ścian bocznych.

Schemat części składowych uszczelnienia.

Feliks Wankel opatentował i wypróbował bardzo wiele różnych wersji uszczelnień oraz różnych materiałów na elementy uszczelniające. Podczas prób okazało się, że dobór materiału uszczelnień jest nie mniej istotny od ich rozwiązania konstrukcyjnego. Nie można było przy tym oceniać materiału uszczelnień w oderwaniu materiału gładzi cylindra. Jeden i ten sam materiał uszczelnienia pracował z jedną gładzią cylindra w sposób zadowalający, podczas gdy z inną wykonaną z innego materiału, zdecydowanie gorzej.

Ostatecznie, po bardzo wielu doświadczeniach, opracowano elementy uszczelniające, prasowane z grafitu i sproszkowanego brązu. Materiał ten jest bardzo zbliżony do materiału używanego na szczotki, stosowane w rozrusznikach samochodowych. Najprawdopodobniej zawiera on także inne dodatki i uzyskiwany jest w wyniku odrębnego procesu technologicznego, gdyż próby zastosowania na uszczelki materiału stosowanego na szczotki, dawałby zdecydowanie negatywne wyniki. Elementy uszczelnień, wykonane z tego materiału, wykazują wielką łatwość docierania się do gładzi cylindra, mały współczynnik tarcia, stosunkowo powolne zużywanie się gładzi, niezależnie niemal od materiału jej powierzchni. W różnych rozwiązaniach tych silników stosuje się cylindry żeliwne, a także ze stopów lekkich, o bieżni pokrytej warstwą chromu porowatego. Te ostatnie wykonują zużycie, podczas przeciętnych warunków pracy silnika w samo-chodach osobowych rzędu 4 do 5 mikronów na 300 godzin pracy. Wynika stąd, że trwałość bieżni cylindra, dla której można dopuścić zużycie ok. 0,05 mm, wynosi około 300 godzin pracy. Trwałość taką należy uznać za bardzo dobrą, nie tylko dla silników samochodów osobowych, ale również ciężarowych i ciągników.

Zużycie elementów uszczelniających (szczególnie promieniowych) jest znacznie większe. Jednak dzięki sprytnemu rozwiązaniu konstrukcyjnemu element uszczelniający nie traci swych własności i promieniowo współpracuje z bieżnią, nawet mimo stosunkowo dużego zużycia. Elementy uszczelnienia promieniowego najbardziej narażone na zużycie, wykonane są z cienkich listew, umieszczonych w rowkach, znajdujących się w narożach tłoka. Zewnętrzna powierzchnia listwy (wystająca z rowka) zatoczona jest łukiem koła o promieniu równym odległości zarysu od bieżni cylindra od teoretycznej perycykloidy zarysu cylindra. Wynika to stąd, że środek tego łuku musi leżeć na linii perycykloidy, a zewnętrzna powierzchnia elementu uszczelniającego, w każdej chwili jest styczna do rzeczywistego zarysu cylindra, który, jak wiadomo, utworzony jest przez krzywą równoległą do perycykloidy teoretycznej.

W miarę wycierania się materiału listwy, wysuwa się ona z rowka tłoka, wypychana przez umieszczoną w nim sprężynę oraz pod wpływem działania siły odśrodkowej. Wewnętrzny zarys listwy pozostaje przy tym niezmieniony, gdyż ulega on obróbce przez bieżnię cylindra.

Zewnętrzna powierzchnia listwy styka się z gładzią cylindra wzdłuż jednej linii- wspólnej tworzącej. Podczas pracy silnika i przemieszczania się tłoka w cylindrze, linia stylu przesuwa się o pewien kąt w prawo i w lewo od położenia symetrycznego względem osi symetrii listwy. Taki system uszczelniania jest nazwany uszczelnieniem zmiennoliniowym. Liniowe uszczelnienie stanowi istotną wadę silnika typu Wankel, gdyż dużo trudniej uzyskać tu szczelność tego samego rzędu, co w klasycznych silnikach tłokowych, w których występuje kilka pierścieni uszczelniających (a także zgarniających, które również uszczelniają), stykających się z gładzią cylindra nie wzdłuż pojedynczej linii, lecz na pewnej powierzchni, wynikającej z ich wysokości.

Równocześnie jednak fakt przesuwania się linii rozgraniczenia komór po zewnętrznej powierzchni listwy powoduje, że zużycie listwy jest wolniejsze niż w innych silnikach o tłokach obrotowych, w których występują uszczelnienia tzw. stałoliniowe: element uszczelniający styka się z gładzią cylindra zawsze wzdłuż jednej linii.

Rolę uszczelnienia czołowego spełniają listwy, stanowiące odcinki pierścienia kołowego, umieszczone w odpowiednich rowkach na czołowych powierzchniach tłoka. Niezbędny docisk ich do płaskich ścian pokryw cylindra zapewniają umieszczone pod listwami sprężyny z falistej blachy. Warunki pracy uszczelnień czołowych są niewspółmiernie łatwiejsze, niż poprzednio rozważanych. Dlatego też rozwiązano ich konstrukcję i dobrano odpowiedni materiał bez szczególnych trudności. Wykonane są one z żeliwa tego samego gatunku, co żeliwo stosowane na pierścienie tłokowe w klasycznych silnikach spalinowych.