Kísérleti és prototípus wankel motorok

Korábbi írásaink a szériagyártású wankel motorokról: 1RÉSZ , és 2RÉSZ.

 

Gyártást megelőző első kísérleti motorok.

 

Ezek a motorok még az első szériagyártású Mazda bolygódugattyús wankel erőforrás megjelenése előtti kísérletezés korszakából valók.

 

 

40A típus, motorkód 0350 (1961 Április).

 Az első Mazda által épített motor tulajdonképpen még azon az NSU KKM400 wankel motoron alapult, melyet maga a német cég bocsájtott a Mazda rendelkezésére. A fejlesztések 1961 Áprilisában kezdődtek - két hónappal azután, hogy az NSU-Wankel-lal aláírták a licensz megállapodást -, és még ebben az évben Novemberben fejeződött be.

 Ezt a motort egyaránt tesztelték próbapadon és egy könnyű kisautóban 1962-ben. A 40A 0350 mindössze egy bolygódugattyúval rendelkezett, melyhez 386 cm3 -es kamratérfogat tartozott (e=14mm, R=90mm, b=59mm). A 0350 motor viszonylag hamar két jelentős problémát mutatott, mely lelassította a korai wankel fejlesztés ütemét. Ezek közül a fontosabb a trochoid ház sérülése volt, mely már 200 órányi próbapadi működés után jelentős teljesítmény csökkenéshez vezetett. Ezt nevezték akkoriban az ördög karmolásának, melyet az éltömítések vibrációja okozott.  A kevésbé jelentős gondot a motor rémségesen magas olajfogyasztása jelentette.

40A típus, kód 0350, 1961 Április. A Mazda első saját építésú bolygódugattyús erőforrása, melynek alapjait még az NSU KKM400 motor adata. Az egyetlen bolygódugattyú kamrája 386 köbcentiméteres volt.

 

 

Az öntöttvas apex éltömítéseken, a krómozott trochoid felületen csúszva úgynevezett tapadási vibráció lépett fel, mely kikezdte a jobb tömítettség érdekében finoman kialakított sima felületet. A trochoid ház elégtelen kenése, a tömítések természetes rezgési frekvenciája, illetve a sztatikus és kinetikus tapadási összetevők szintén hozzájárultak ennek a problémának a kialakulásához. A nem megfelelő olajtömítések pedig magas olajfogyasztást és rossz kipufogógáz emissziós összetételt okoztak.

 

 

L8A típus, motorkód 0353, (1962 December).

 

 

 A Mazda ezen első két rotoros erőforrását azzal a gondolattal építették és fejlesztették, hogy ezt már egy szériagyártású Mazda típusban is alkalmazni fogják. Kamratérfogata 2x399 cm3 , e=1, R=98, b=56 méretekkel. Az előzőleg bemutatott 40A egyrotoroshoz hasonlóan ez a motor is periférikusan, tehát a trochoid felületen elhelyezett szívó, és kipufogó nyílásokkal rendelkezett. Tesztek és elemzés céljából egy tucat L8A wankel került különböző próbaautókba.

 

Mazda L8A 0353 két-bolygódugattyús motor, 1962 December: az első két rotoros egység -399 kcm-es kamránkénti térfogattal -, melyet autóba szereltek. A motorok egyike az L402A kód alatti prototípus sportautóba volt szerelve 

A trochoid ház említett kopásának megelőzésében az első áttörést az üreges öntött vas apex éltömítések alkalmazása jelentette. A tömítésekben volt két hosszanti, és több függőleges üreg, melyek csökkentették a tömítés magas frekvenciás rezgéseit, jócskán megnövelve ezzel a trochoid ház csúszófelületének élettartamát.

 

 

Az egyik ilyen erőforrás az L402A kódot viselő 1963-as Mazda prototípus sportautóba került beszerelésre, melyből később a már ismert L10A Cosmo Sport született. Az L8A wankel két rotoros és egyrotoros (ilyen is volt) verziója az 1963-as Tokió Motor Shown is kiállításra került. A későbbi három és négy bolygódugattyús kivitelekhez hasonlóan ezek is valódi olajteknő nélküli, száraz karteres kenéssel rendelkeztek.

 

Korai multi rotoros, motorkód 3804, 3805 (1963 December).

 

Mindkét több rotoros konstrukció a korábbi L8A 0353 motor leszármazottja, azzal azonos darabonkénti kamratérfogattal ( 399cm3 ). A három bolygódugattús a  3804, míg a négy dugattyús a 3805-ös kódszámot kapta.

 

Kód 3805, 1963 December. Négy bolygódugattyús verzió, 4x 399 cm3 kamratérfogattal, radiális illesztésű excentrikus tengellyel. A motorok egyike az R16A nyitott kétüléses sportautóba került beszerelésre.

 

A képen látható szuperlapos R16A prototípus sportautót azért építették 1965-ben, hogy tesztelhessék a középső-hátsó elrendezésben beszerelt 3805 kódú négyrotoros wankel motort.

 

 

A wankel elvű motorok felépítéséből adódóan kettőnél több rotor alkalmazása esetén az excentrikus tengelynek ,és fő csapágyháznak egyaránt szét-össze szerelhetőnek kellett lennie, melyet korábbról ismert Hirth típusú radiális illesztéssel oldottak meg. Mindkettő motor száraz karteres kenéssel, és esőáramú karburátorokkal volt megépítve.

 

Motorkód 3804, 1963 December. Ez a három bolygódugattyús motor, a kétrotoros L8A 0353 motor leszármazottja. Erre a motorcsaládra jellemzően, ez is száraz karteres kenéssel rendelkezett.

 

A négy bolygódugattyús motorok egyike lerövidített négycsöves kipufogó rendszerrel lett felszerelve, is egy került középmotoros elrendezésben a kétüléses Mazda R16A pototípus sportautóba. Sajnos ezeknek a korai multi rotoros erőforrásoknak a teljesítményadatai nem kerültek feljegyzésre.

 

Prototípus, és fejlettebb kísérleti motorok.

 

Új 400 típus, motorkód 3867 (1967 Szeptember).

 

A takarékosság mint célkitűzés mindig ott lebegett a wankelt fejlesztő Mazda mérnökök szeme előtt. Miután a kétrotoros L10A wankelt már sorozatban gyártották, a megfelelő teljesítmény és a kisebb méret egyensúlyának keresése során született meg az ÚJ 400 motor (kód: 3867) melynek egyenkénti kamratérfogata 395 cm3 volt. A trochoidot jellemző méretek különböztek a L10A-tól, hiszen az excentrikusság 13,5, az R=94 volt, de a kamra szélesség maradt 60 mm (b). Később egy nagyobb "furatú" b=75mm trochoid szériát is építettek 3893-as motorkóddal 1969 Májusában, melynek kamratérfogata így 495 cm3-re változott darabonként.

 

 

Az új 400-as motorral a Mazda az optimális teljesítményt és takarékosságot próbálta elérni, a 10A típusú motoroknál kisebb kamratérfogattal.

 

Egyrotoros motorok, motorkód 3912 (1970 Január), X002 (1970 Június) és 6A/7A (1970-es évek közepe).

 

A Mazda egyike volt a Japán K-autó mozgalom alapító tagjainak. Ez a mozgalom tulajdonképpen belpiacos kicsi és könnyű (K=kei=könnyű) személyautó kategóriát jelent, előírásokban maximalizált karosszéria, illetve motor méretekkel. A kezdeti években egy K-autónak maximum 360 cm3  hengerűrtartalmű motorja lehetett, mely később 550, míg napjainkra 660 cm3  -re emelkedett. A Mazda  személygépkocsi gyártása 1960-ban indult a kicsi R360 kupéval, melyet kéthengeres léghűtéses alumínium (!!!) V-twin hajtott. Ezt egy kifinomultabb négyajtós szedán követte, a Carol 360. Ezt már egy vízhűtéses négyhengeres, felül vezérelt (OHV) motor hajtotta, melyet igen egyedi módon keresztben építettek be az autó hátsó túlnyúlásába. A négyhengeres motor hengerűrtartalma a K-autós szabályoknak megfelelően 360 cm3  volt (!!!). A Mazda R360-ast 1965-ig gyártották, míg a Carol 360 1963-tól egészen 1970 gyártásban maradt.

 

 Hamarosan azonban ( a 60-as évek végén) a Honda is belépett a K mozgalomba, így az addig viszopnylag nyugodt kategóriában megindult a teljesítmény hajhászás. A Mazda felismerte, hogy négyhengeresük nem tud lépést tartani az erősebb konkurensekkel, de volt a tarsolyukban egy wankel motor. A furat csökkentésével (60 mm-ről 43,5 mm-re) az L10A motor felének kamratérfogata 356 cm3 , és így elkészült egy újabb Mazda wankel motor 3912-es kóddal 1970 Januárjában. Maximális teljesítménye 35 lóerő volt, mellyel a 360 cm3  -es K-auto szegmensben kimagaslott a mezőnyből. A motor prototípus kódja végül X002 lett.

 

Szimpla rotoros motor. A keskeny "furatú" X002 motor kamratérfogata 360 cm3 volt, mely a Mazda reményei szerint megfelelt a "japán könnyű autók" kategóriájának.

 

Persze a konkurensek ezt nem nézhették tétlenül, így tulajdonképpen a K-autó mozgalom lett minden "wankel bajok" kezdete. A többi japán gyártó ugyanis nem fogadta el, hogy ugyanolyan motor térfogatból lényegesen nagyobb teljesítmény hozható ki, így másfélszeres negatív szorzót követeltek a wankel motorokra, így pedig már nem fért bele a Mazda, a 360-as hengerűrtartalmú kategóriába.

Később a Mazda megépítette a 12A és 13B wankel motorok szimpla bolygódugattyús verzióit is, melyeket 6A, és 7A azonosítóval kimondottan a korai 70-es évek Mazda mini autóiba terveztek.

 

Nagyobb szimpla rotoros motorok 6A, és 7A néven, mini autók hajtására gondolva. 

 

Motorkód 2002, négy bolygódugattyús (1971 Szeptember).

 

Ez a meglepő négy rotoros motor egy Mazda luxus négyajtóst hajtott volna, válaszul a Toyota, és a Nissan zászlóshajó szedánjaira. A 2002-es kód alatt kissé leegyszerűsítve, tulajdonképpen két darab 10A motort építettek össze, a két 10A excentrikus főtengelyt a bevált Hirth féle kapcsolással téve szerelhetővé. Meghagyva az akkori 10A egyenkénti 491 cm3 -es kamratérfogatát és már oldalsó szívónyílását (tehát nem periférikus), ez a motor 180 lóerőt teljesített 6000-es percenkénti fordulaton. Arról nincs információ, hogy ezt az akkoriban nagyon erősnek számító motort végül miért nem alkalmazták a szériagyártásban?

 

Motorkód 2002, 1970. A széles központi elem ad helyet a két excentrikus tengelydarab Hirth féle kapcsolódásának.

 

R-II 21A típusú motor (1972 Augusztus).

 

Kimondottan a Mazda X020G fejlesztési néven futó sportautóba tervezték, melynek olyan neves ellenfelek között kellett volna helytállnia, mint a Jaguar E-type, Porsche 911, vagy Chevrolet Corvette. Ez a motor a valaha létezett legnagyobb egyenkénti kamratérfogatú Mazda wankel erőforrás volt, hiszen a két bolygódugattyús motor, kamránként 1046 cm3 -es térfogattal rendelkezett. A műszaki méretek a következők voltak: e=18,5 mm, R=128 mm, b=85 mm.  A teljesítményről annyi feljegyzés maradt, hogy meghaladja a 180 lóerőt.

Mazda Super Rotary X20G sportautó. A wankel óriás 21A motor ehhez az autóhoz lett kifejlesztve, melyet a Chevrolet Corvette és sportosabb Jaguar típusok konkurensének szántak.

 

 Az akkoriban kirobbanó olajválság sajnos véget vetett az X020G Mazda sportautó, és a 21A wankel fejlesztési munkáinak. Mindössze egy darab ilyen bolygódugattyús behemót 21A motor maradt meg az utókornak, illetve egy darab megmunkálatlan rotor.

 

A megmunkálatlan, tömítés fészkek nélküli 21A rotor és trochoid ház a jobb szélen. Tőle balra a 15A típus alkatrészei. A képen a legkeskenyebb ház és rotor a már bemutatott X002 egyrotoros motorból származik.

 

 

R-II 22A (1972 Augusztus).

 

Az előzőekben bemutatott 21A fejlesztésével párhuzamosan egy még nagyobb, annál is szélesebb trochoiddal rendelkező, egyenként 1169 cm3 kamra térfogatú 22A motor terve is felmerült, de ez az elképzelés fizikailag már nem valósult meg, így a 21A maradt a csúcson, mint legnagyobb egyenkénti kamratérfogatú Mazda bolygódugattyús.

 

15A típus (1973 Március).

 

Ez a két rotoros konstrukció a 10A-12A-13B sorozatot egyészítette ki, azokkal azonos trochoid adatokkal - e=15 mm, R=105 mm -, de a szélességet (b) 10 milliméterrel megnövelve (90 mm), 737 cm3 lett a kamránkénti térfogat.  Ez a bolygódugattyús Mazda erőforrás 135 lóerőt teljesített 5750-es percenkénti excentrikus tengely fordulaton , és 196 Nm nyomatékot 3500-on.

A 15A egy praktikusabb egység lett volna, mint a 21A monstrum, de sajnos ez is borítékolva lett a még ekkoriban mindig tartó olaj embargo miatt. Egy komplett motor, és alkatrészek is megőrzésre kerültek a Mazda Motor tesztelő részlegénél.

 

A Mazda üzletet akart csinálni a 15A motorral, melyre az is utal, hogy hatalmas öntöttvas termikus reaktort szereltek rá az amerikai és japán kipufogógáz normák teljesítése érdekében. 

A15A motortípust 1973-ban fejlesztették ki. Ez tulajdonképpen a 10A-12A-13B motorcsalád trochoidjának szélesebb "furatú" verziója.

.................................................................................................................................................

 

 

Alacsony nyomású közvetlen befecskendezés,  réteges töltés kutatások.

 

A bolygódugattyús wankel elvű motoroknak sok olyan egyedi tulajdonsága van, melyet hagyományos dugattyús motorokban nem találunk meg. A wankelmotor hasznos működési tere geometriailag hosszú és lapos. Az egész tér mozog, ahogy a rotor (bolygódugattyú) az Otto motorok négy ciklusa alapján a beömlés, sűrítés, égés, kipufogás szakaszain végighalad. Minden ciklus másfélszer (1,5) hosszabb (!!!) ideig tart, mint egy dugattyús motorban. A Mazda mérnökei különböző megoldásokkal, vezérlésekkel kísérleteztek, hogy jobban kihasználhassák a wankel motor egyedi jellegzetességeit.

 

Előremutató ROSCO motor.

 

A forgó réteges töltés angol elnevezésének rövidítéséből ered a ROSCO név. Ebben a wankel motorban egy rezgőszelepet alkalmaztak az elsődleges periférikus (tehát trochoidon) szívó csatornában, és volt egy hozzáadott további oldalsó beömlő csatorna is, illetve egy közvetlenül a trochoid házra szerelt benzin befecskendező. Kis terhelés esetén, a levegő csak a periférikus szívócsatornán érkezett a motorba, és az így kreált erősen örvénylő légáramlatba fecskendezték be a benzint. A légörvénnyel ütköző benzin így gyakorlatilag atomizálódott, tökéletesen porlasztódott. Ugyanebben a pillanatban a benzin levegő keverék az égéstér elsődleges/vezér (leading) oldalára lett szállítva, így a benzinben gazdag keverék ezen az oldalon összpontosult, míg a szegényebb elegy a "másodlagos" (trailing) oldalra került. 

Egy a periférikus beömlő csatornában (peripheral intake port) alkalmazott speciális rezgő szelep (Reed valve) akadályozta meg, hogy elégett gázok kerüljenek vissza a szívótérbe. Nagy terhelés esetén az oldalsó beömlő csatorna (side intake port)  biztosított jóval több levegőt a kamrába, így a motor teljesítménye ilyenkor jelentősen megnőtt.

 

SCP rendszer (1970-es évek).

 

Az "Állandó Égéstér Módszer" tulajdonképpen egy Mazda által kifejlesztett elő égésteret takar. A trochoid házon oldalán a szívó és kipufogó oldallal szemben elhelyezett elő égéstér kamrának volt egy gyújtógyertyája és egy befecskendező szelepe. Kis motorterhelés esetén csak ebbe a speciális kamrába fecskendeztek üzemanyagot, ahol azt meg is gyújtották. Az égő gáz a detonáció  gyors tágulás miatt az elő kamrából a "fő" kamrába távozott, ahol friss levegővel találkozva az elégetlenül maradt keverék részek is elégtek.

 

Nagyobb terhelésnél a segédkamra önmagában már nem nyújtott elegendő energiát, így egy különálló karburátor (!!!) is táplálta benzin/levegő keverékkel a szokásosan elhelyezett oldalsó beömlő csatornát. Az innen érkező keveréket is az előkamrában indított égés okozta detonáció gyújtotta meg.

DISC-I (1980-as évek vége).

 

A Mazda kutatásai elvezettek a DISC, azaz közvetlen befecskendezésű, réteges töltésű kísérleti motorhoz. Az alacsony nyomású iker befecskendező szelepek voltak egymással szemben elhelyezve mindkét kamra oldalfalaiban, igen közel a másodlagos (trailing) gyújtógyertyák síkjához. A benzinbefecskendezők furatába vezetett nagysebességű (nyomás alatti) levegő az üzemanyag finom, szinte atomizált elporlasztását eredményezte, még az alkalmazott, viszonylag kis üzemanyag nyomás mellett is.

 

 

A DISC motor privilégiuma a kiváló termikus hatásfok volt, mely a fojtószelep (pillangó szelep) elhagyásával csökkentett töltési veszteség, illetve a határozottabban pozícionált égéstér következtében csökkent hőmérsékleti veszteségek eredménye. Ezáltal a Mazda DISC-I wankel motor tökéletesen alkalmazhatóvá vált ún. stabilmotor alkalmazásokban, azaz ipari motorként, ahol állandó a fordulatszám és a terhelés. A Mazda persze autókban akarta volna alkalmazni, de az ígéretes motor vesztét éppen a túl jó termikus hatásfok okozta, hiszen az ultra szegény keverék égése kritikusan alacsony kipufogógáz hőmérséklettel járt együtt, ami a katalizátorok - melyeket ekkor kezdtek alkalmazni -, reakcióképességét hátrányosan érinti.

 

DISC-II

 

A Mazda DISC-II. wankele a benzin és levegő optimális szabályzásával sikeresen túllépett a DISC-I. motor problémáin. A DISC-II.-t akár a már megismert SCP rendszer logikus, befecskendezéses továbbfejlesztésének is tekinthetjük.

 A DISC-II. kamránként két alacsony nyomású befecskendezőt tartalmazott, melyeket egy tandem benzinpumpa páros táplált. A pilot injektor a mellék kamrába volt pozicionálva, "megosztozva" azon az elsődleges gyújtógyertyával. A fő kamra és a mellékkamra (alkamra) között egy keskeny és szeleppel ellátott járat volt. A járat alakja, és pozicionálása miatt a mellékkamra befecskendezője úgy juttatta be az üzemanyagot a fő kamrába, hogy az nem ütközött az alkamra falával.

 

 

A befecskendezett benzin nagy része a fő kamrába jutott, azonban a fő és alkamrák közötti szelepelt átjáró miatt egy kisebb elporlasztott mennyiség maradt az alkamrában (sub chamber), mely a gyújtógyertya körül tökéletes benzin/levegő elegyet hozott létre. A levegő/üzemanyag keverék aránya igen stabil volt az  alkamrában, nem befolyásolta azt a fő kamra nyomásváltozása, így stabil gyújtást eredményezett. A benzin nagyobb része a fő kamrában rétegeket képzett a bolygódugattyú erre kiképzett mélyedésében, melyet az alkamrában induló lángfront gyújtott be, kis terhelésen és alacsonyabb fordulatszámon megvalósítvaítva a réteges töltést.

 Eddig a mellék befecskendezőről (pilot injektor) beszéltünk, de természetesen volt egy elsődleges injektor (main injector) is, mely a rotorkamrák égésterének felsőbb régiójában, lefelé irányítva került elhelyezésre. Az injektor által lefelé "kilőtt" üzemanyag a viszonylag hosszú kamrán végighaladt, mielőtt ütközött volna a rotor mélyedésének túlsó falával. A benzin hosszú "repülése" tovább segítette az üzemanyag jobb elporlasztását, rétegeket képezve a kamrában.

 

Miller-ciklusos Wankel.

 

A Mazda mindig hitt abban, hogy a Miller-ciklus gyarapíthatja a belső égésű motorokban rejlő fejlesztési tartalékokat. Például a Mazda Xedos 9 (Millenia) V6-os motorja is Miller ciklusban működött, kombinálva egy ultrahatékony kompresszorral. Néhány más gyártó szintén Miller ciklust - vagy ahogyan sokan nevezik Atkinson ciklust -, alkalmazza saját magas hatásfokú alternáló dugattyús motorjaikban, elektromos hibrid rendszerekkel kombinálva.

 A Mazda Miller ciklussal kapcsolatos korábbi kutatási eredményeit egy kísérleti wankel motoron is alkalmazták azzal a céllal, hogy radikálisan csökkentsék a töltési veszteségeket. Kis terhelésen, amikor nincs szükség nagy teljesítményre, a motor csak kevés levegőt szív a kismértékben nyitott pillangószelepen keresztül. A töltési veszteség jelensége akkor így lép fel, hiszen a motor nem tud elegendő levegőt szívni, így a vákuum fékezi a rotorok mozgását. A Miller-ciklusos wankelban a motor több levegőt kap, mint amennyi a jó hatásfokú égéshez szükséges, így a felesleges levegő mennyiséget kivezetik egy forgószelepppel vezérelt másodlagos csatornán, mielőtt az üzemanyag közvetlen befecskendezése megtörténne.

 

 

Közvetlen benzin befecskendezés nélkül ez a megoldás nem lenne lehetséges, hiszen benzinnel keveredett levegőt nem lehetne visszavezetni a következő szívóütembe. Vegyük észre, hogy a wankel elvű motor felépítése milyen egyszerűen megvalósíthatóvá teszi a Miller ciklusos rendszert!

 

TISC (80-as évek vége).

 

Időzített feltöltés kompresszorral, melynek angol megfelelőjét rövidítette a Mazda TSC. A töltőnyomásról egy nagy hatásfokú levegő pumpa, azaz kompresszor gondoskodott. Mindkét kamrába vezetett egy másodlagos levegő csatorna, a normál beömlő nyílás felett, mely csatorna csak levegőt szállított. A másodlagos levegő csatornát egy forgó szeleppel lehetett vezérelni,és kizárólag ezekbe a csatornákba nyomta a levegőt a kompresszor.

 

TISC motor vázlata a feltöltést javító szuper levegő pumpával. Ez a verzió "vane" típusú kompresszorral volt szerelve. 

 

 

A Renesis-t tervező Seiji Tashima már részt vett a korai vane-típusú kompresszoros, majd a későbbi Roots-típusú feltöltős TISC motor tervezésében is. A három bolygódugattyús 20B motor fejlesztési fázisában is próbálkoztak Roots-típusú kompresszor alkalmazásával, de az végül 13B-REW nevet kapott a szekvencionális iker turbós feltöltés miatt.

 

 

20X Turbó (vagy Fejlett 3-rotor I. fázis - MX-03 koncepcióautó 1985)

 

Ez a három bolygódugattyús motor volt az első ismert multi rotoros Mazda motor, melyet az új kapcsolási móddal illesztett excentrikus tengellyel szereltek. ( A wankel motor kettőnél több rotor alkalmazása esetén, csak két darabból álló excentrikus tengellyel (főtengellyel) gyártható.) A Mazda korábbi multi rotoros wankeleiben úgynevezett fogazott Hirth típusú illesztést használtak a két excentrikus tengely darab merev kapcsolására, de később torziós merevség szempontjából nem bizonyult elég erősnek ez az eljárás. Az I.Fázisú 3 Rotoros motorban a két tengelydarabot már kúposan illesztették az egyes és kettes kamra között. Ez kellően merev, és gyártási szempontból egyszerű megoldásnak bizonyult.

 

 

I. fázisú fejlett erőforrás, mely az 1985-ös Mazda MX-03 koncepció autót hajtotta. A 13B motor rotor és házméreteivel megegyező geometriájú, de három rotoros DEI rendszerű motoron volt turbófeltöltő, töltőlevegőhűtő. Az I. Fázisú motor még öntöttvas oldalsó házakkal készült, míg a II. Fázisú már könnyűfém házakkal. 

 

A későbbi sorozatgyártású 13B-REW, illetve a Mazda multi rotoros verseny erőforrásaiban is ezt a módszert alkalmazták. Az excentrikus tengelyt három helyen támasztotta meg csapágyazás.

 

Az MX-03 koncepcióautó fejlesztése 1984-ben kezdődött, és egy év múlva fejeződött be, majd a 1985-ös év végi Tokiói Autókiállításon be is mutatták. A mindössze 0,25 cw értéknek megfelelő légellenállású autó 2+2 üléssel rendelkezett. A teljes hossza 4510 mm volt, melyhez 1800 mm-es szélesség, 1200 mm-es magasság, és 2710 mm-es tengelytávolság tartozott. Az autó tömege 1150 kg volt.

 

 A 8,5:1-es kompressziós viszonnyal rendelkező 20X két turbófeltöltővel támogatva 320 lóerőt teljesített 7000 percenkénti főtengely (excentrikus tengely) fordulatszámon. Az egy második generációs RX-7-be szerelt motor (nem minden korábbi kísérleti motor volt autóba is szerelve) 393 Nm maximális nyomatékot teljesített. Ez az I. Fázis motor a 13B kamraméreteivel rendelkezett, azonban ebben alumínium bolygódugattyúk voltak. További érdekesség, hogy sok helyen kerámiát alkalmaztak az erőforrásban. A trochoid ház belseje például ebből az anyagból készült, melyet az alumínium trochoid ház felmelegítése után préseltek bele abba. Az alumínium bolygódugattyú égéstér mélyedése is kerámíából készült, melyet öntéssel rögzítettek az alumínium rotoron. Ezzel még nincs vége, hiszen a szériagyártású motorokkal szemben a Mazda 20X-nek kerámia apex éltömítései és saroktömítései voltak. viszont ezek a tömítések akkora hőterhelésnek vannak kitéve, melyet a rotorok alumínium anyaga nem viselt volna el, így a rotorokba hőállóbb vasból készült tömítésfészkek lettek rögzítve.

 

 

Ezekben a periférikusan - azaz trochoidon -, elhelyezett kipufogónyílású wankelekben a rotorok, vagy bolygódugattyúk oldalsó tömítései viszont már nem kapnak akkora hőterhelést, így az oldalsó tömítések fészkét közvetlenül az alumínium rotorokba marták. De mivel a kerámia motorok magasabb hőmérsékleten működnek, ezért az alkatrészeknek, így a tömítettségért felelős tömítések rugóinak is nagyobb hőmérsékletet kellett kiállniuk. Ezt szilikonnal kezelt molibdén ötvözet anyagú rugókkal oldották meg. Valószínűleg ennél a motornál alkalmazták ezt először.

 

A kerámia használatának ezekben a kísérleti motrookban egyik nagy előnye volt, hogy könnyen megmunkálhatóak voltak, mint nyílások (portok), gyújtógyertya furatok, tömítés fészkek. A kipufogó nyílás szintén kerámiából készült belsőt kapott a jobb hőállóság érdekében. Az I. Fázis három rotoros meglehetősen kompakt erőforrás, 860 mm /670 mm /500 mm hossz./szél./magasság méretével. A rövidségéhez az első fedlaphoz közel elhelyezett meghajtási elemek, és a száraz karteres kenés is hozzájárult. Ezt az erőforrást négy sebességű automata váltóval kombinálták a Mazda MX-03 prototípus autóban, melynek mind a négy kereke hajtott volt.

 

20B 10. évfordulós három rotoros (1988)

 

Ez az egyetlen példányban készült motor speciálisan lett megépítve és beépítve az Egyesült Államokban egy módosított második generációs RX-7 típusba, a típus 10. évfordulóját ünnepelve. Isao Tohda, az RX-8 tervezője és platform menedzsere saját maga végezte az átalakításokat, és a beszerelést.

 

Az egyetlen példányban létező három rotoros motorú RX-7 csak kissé különbözött a szériagyártású (2 rotoros) verziótól. Óvatos vezetéssel néhány újságíró kipróbálhatta akkoriban. 

 

Ez is jól mutatja, hogy az a kevés elhivatott mérnök, aki a Mazda wankel részlegen dolgozott, gyakorlatilag a tervezéstől az autószerelésig részt vett a munkákban.

 

Az atmoszferikus, tehát feltöltő nélküli töltésű motor három bolygódugattyús motor az RX-7 orrában.

Az évfordulós motor nagyon sok azonos alkatrészt tartalmazott a feltöltő nélküli 13B motorral. A két rotornál több esetén két darabos excentrikus tengely már kúposan volt illesztve, nem a korábban alkalmazott Hirth kapcsolással.

 

1988-as 20B három rotoros motor, kúposan illesztett excentrikus tengellyel.

 Ennek a feltöltő nélküli motornak a terveit használták az 1991-ben bemutatott szériagyártású 20B-REW  szekvencionális iker turbó wankel megalkotásához.

 

 

RE10X ( MX-04 Koncepció Autó 1987)

 

A Mazda RE10X egy kisméretű, nagy teljesítményű, két bolygódugattyús könnyű motor volt, melyet egy kis kétajtós sportautó hajtására terveztek. Az 1987-es Tokiói Autókiállításon mutatkozott be ezzel a motorral szerelve a Mazda MX-04 koncepció autó. Az összkerékhajtású autó alumínium és szénszálas kompozit vázzal rendelkezett.

Az 1987-es MX-04 koncepcióautó karosszériája kupéból gyorsan lecserélhető volt roadszterre.

Mint a motor nevében látható számozásból is kiderül, a kamratérfogat 1 liter volt, azaz kamránként 491 cm3. Ez a méret megegyezett a Mazda első szériagyártású wankel motorjával, a 10A típussal. Az RE10X teljesen alumínium motor volt, könnyűfém oldalsó házakkal, bolygódugattyúkkal (rotorok), és trochoid házakkal. Az ekkor gyártott 13B két rotoros motornál ez az erőforrás 30 kilogrammal (!!!) könnyebb volt. Az alumínium oldalsó felületekre úgynevezett plazma-fújással vittek fel egy Cermet nevű kerámia réteget, mely kimagasló védelmet biztosított kopás ellen.

 

 Mazda RE10X könnyűfém motor közvetlen befecskendezéssel, töltési rétegződés, és veszteség csökkentő rendszerekkel.

 

 A könnyűfém rotort kerámia szövettel erősítették meg az apex éltömítések, és a központi csapágyazás környékén. Az öntés folyamán az olvadt alumíniumot utólag öntötték az ezekre a helyekre (melyeket a rotorból korábban kimartak) előzőleg behelyezett kerámia szövetre. A kerámiával így megerősített rotor nem kevesebb, mint 40 százalékkal könnyebb volt az általában alkalmazott öntöttvas bolygódugattyúnál, ezáltal a motor még gyorsabban reagált a gázadásra, és a maximális fordulatszám is elérte a 10000/percet.

 

Fent és lent: Alumínium bolygódugattyú kerámia betétekkel az apex tömítések, és a központi csapágyazás körül.

A Mazda RE10X motorban a már korábban bemutatott DISC befecskendezési rendszert és a töltési veszteség csökkentő megoldásokat is megtalálhatjuk.

 

 

RE13X szupergyors reagálású wankel/elektromos hibrid. (1989)

 

Ez az 1989-es Tokiói Kíállításon bemutatkozott koncepció motor egyike volt a későbbiekre legnagyobb hatást kiváltó erőforrásoknak, és egyben előhírnöke is volt a mai belső égésű motor/elektromos hibrid megoldásoknak. A Mazda RE13X wankel egy ATCS-el rövidített Aktív Nyomaték Kontroll Rendszer-rel volt felvértezve. Ez egy elektromos motor/generátor egységet takart, mely az excentrikus tengely végére volt rögzítve. Ettől az alkatrésztől vált hibriddé a motor. Kis fordulaton, amikor a két darab bolygódugattyús wankel elvű motorok viszonylag kevés nyomatékot produkálnak, ez a villanymotor besegített a gyorsabb gázreakció és nagyobb teljesítmény elérésébe. Érdekesség, hogy a konkurens Honda ugyanehhez a megoldáshoz folyamodott az egyébként alacsony nyomatékú háromhengeres belső égésű motoros Insight típusánál.

 

Mazda RE13X Szuper Gyors Reakciójú wankel/elektromos hibrid. 

Ha az autót nagy tároló kapacitású akkumulátorokkal is felszerelték, akár tisztán elektromos üzemmódban is működhetett, például városi közlekedésben. Az ATCS funkciói közé a regeneratív fékrendszer is hozzátartozott, így a mozgási energiát elektromosságá alakította, melyet az akkumulátorokban tárolt. Mindezt 1989-ben!

A Mazda RE13X kísérleti hibrid elektromos felszereltsége és kényelmi berendezései a motortól elszeparálva voltak működtetve, így nem közvetlenül terhelték azt. Milyen érdekes, hogy 22 évvel később az egyelőre tanulmány, de közel szériaérett Mazda Takeri rendszere hasonló elven működik.

 

Az RE13X elektromos motor-generátor egysége segítette a bolygódugattyús motor munkáját, mely különösen a gyorsulás közbeni nagyobb nyomatékban nyilvánult meg. A rendszer a visszanyert mozgási energiát elektromosság formájában az akkumulátorban tárolta. A motorban kerámia apex éltömítéseket (ceramic apex seals), alumínium rotorokat, és kombinált beömlő nyílásokat alkalmaztak a Mazda mérnökei.

 

 

A Mazda RE 13X egy teljesen alumínium wankel erőforrás, melyben a rotorok és az oldalsó házak is könnyűfémből készültek. A motorban kerámia apex éltömítéseket alkalmaztak, melyeket a Mazda eredetileg a hosszútávú versenyeken használt többrotoros wankelekhez fejlesztett ki. Az RE13X-be kombinált beömlő csatornákat (portokat) adoptáltak. A kis és közepes fordulatszámi nyomaték növelését az oldalsó szívócsatornák, míg a csúcsteljesítményt periférikusan elhelyezett portok segítették. A motorban ezek mellett a töltési veszteség csökkentő rendszer is megtalálható volt.  A benzin befecskendezés is egyfajta kombinációs rendszer volt, melyben közvetlenül a motoron, és szívócsövön elhelyezve is voltak befecskendezők. A direkt befecskendezők a két gyújtógyertya irányába fecskendezték az üzemanyagot, így stabilizálva a kis terheléses üzemmód egyébként benzinben szegény keverékének stabil égését.

A Mazda RE13X bolygódugattyús motor maximális teljesítménye 220 lóerő, míg a legnagyobb nyomaték 196 Nm volt. Seiji Tashima - a RENESIS tervezője - elmondása szerint az ATCS ma is él a Mazdánál.

 

Hidrogén tüzelőanyagos wankel.

 

Belső égésű motorok tüzelőanyagaként különleges tulajdonságai vannak a hidrogén gáznak. Levegő térfogathoz viszonyított magas hőképzése, magas gyulladási hőmérséklete, kisebb teljesítményű gyújtási energia igénye, vagy szegény keverékes üzemmódban használhatósága a főbb előnyei.

Mindazonáltal a hidrogén gyúlékonysága és nagyon gyors égési sebessége - 2,7m/mp szemben a benzin 0,38m/mp -, problémákat  vethet fel egy szikragyújtású alternáló dugattyús motorban. Sztöchiometrikus üzemanyag/levegő arány esetében, a legszembetűnőbb az igen káros előgyújtás, és vissztűz, melyet az égéstérben a belső határoló felületek túlságosan magas hőmérséklete idéz elő. Ennek megakadályozására hatásos ellenszer, víz befecskendezése az égéstérbe, de ez mechanikailag komplikált berendezéseket, és egy nagy víztartály elhelyezését is igényli.

 A Mazda első hidrogén üzemanyagos kutatásai még alternáló dugattyús belső égésű motorral kezdődtek, mellyel rögtön beleütköztek az előbb részletezett problémákba. A párhuzamosan egy bolygódugattyús motoron is zajló kísérletek megmutatták, hogy a wankel ideális hidrogén, mint tüzelőanyag használatára. Ennek két oka van. A wankel elvű motorban a rotor mozgásával a működési kamra pozíciója is változik. A szívás, sűrítés, égés, és kipufogás más helyeken történik a rotorházon belül. Ezáltal szemben a dugattyús motorokkal, a wankelban szívás és sűrítés közben a hidrogén nem kerül érintkezésbe a forróbb gyújtógyertya környéki, és égéstér "falakkal".

 A második ok pedig a wankel jóval nagyobb felület/térfogat arányában keresendő, mely jóval nagyobb, mint az alternáló dugattyús motorok égésterében. A nagy felületek pedig hatásosan hűtik a "lángot", lassítva ezzel a hidrogénre jellemző extrém gyors égést. Így a hidrogén üzemanyagos wankel még a hidrogénre jellemző 34,3:1 ( benzin 14,7:1 ) sztöchiometrikus aránynak megfelelő keveréknél is szegényebb hidrogén/levegő eleggyel működtethető.

 Mindezekből kifolyólag a Mazda wankel motorok atyja, Kenichi Yamamoto  a következő kijelentésre ragadtatta el magát: "A wankel és a hidrogént Isten is egymásnak teremtette!"

A Mazda fejlesztői több hidrogénes bolygódugattyús motort építettek és teszteltek, mely folyamat napjainkban is zajlik.

 

H-RE13B két rotoros hidrogén motor.

 

A Mazda H-RE13B a szériagyártású két rotoros 13B erőforráson alapul. Ez a hidrogént égető motor több autóban is futott, így egy kombiban, egy RX-7-esben, és jónéhány MX-5-ös prototípusban. Az atmoszferikus feltöltésű H-RE13B 120 lóerőt teljesített, a maximális nyomaték pedig 143 Nm volt, melyek hasonló értékek voltak, mint az akkori első generációs Mazda MX-5 1,6 DOHC soros négyhengeresének teljesítménye.

 

 

 A H-RE13B szívórendszerében külön csatornán érkezett a levegő, és a kisnyomású közvetlen befecskendező egy a rotorházon külön kialakított szívónyílást táplált. Ezzel egyfajta előkeveredés valósult meg a kamrában a sűrítési ütem előtt. Mindez pedig, az így tovább szegényíthető keverék okán csökkentette a kis terhelésen kibocsájtott nitrogén oxid mennyiséget, és nagyobb nyomaték leadást biztosított kis fordulatszámon.

 

 Mazda H-RE13B két rotoros motor periférikus hidrogén beömlő nyílásokkal, és oldalsó levegő szívónyílással. A hidrogén nyílást egy bütyköstengellyel vezérelt szelep nyitotta-zárta. 

 

A külön csatornában (portban) elhelyezett alacsony nyomású közvetlen hidrogén befecskendező akkor lépett működésbe, amikor már a levegő szívó csatornát lezárta az azon túlforduló bolygódugattyú, mely így a hidrogén portra jutó negatív nyomás növekedését eredményezte. A tüzelőanyag ellátó rendszer tartalmazott egy nyomás szabályzót, egy vezérlő egységet, és kamránként egy darab (összesen kettő) mechanikusan hajtott közvetlen befecskendező szelepet.

 

A hidrogén MX-5 üzemanyag rendszerében ilyen cella típusú metál-hidrid tárolókat találunk.

 A hidrogén egy Mazda által kifejlesztett és épített metál-hydrid tankban volt tárolva gyakorlatilag a befecskendezési nyomás értékkel megegyező nyomáson. A nyomás szabályzó, és a vezérlőegység elsődleges feladata volt, hogy kiegyenlítse, és stabilizálja a befecskendezési nyomást. 

 

H-RE10X hidrogén hajtású, wankel/elektromos hibrid (1991 és 1993).

 

A H-RE10X tulajdonképpen egy korszerű kisméretű wankel/elektromos hibrid erőforrás adaptációja volt hidrogén üzemanyaghoz. A teljesen alumínium H-RE10X érdekességeinek egyike az egymástól különálló oldalsó légbeömlő nyílás (port), és szintén oldalt elhelyezett hidrogén csatorna (portok). Vegyük észre, hogy a nagyobb H-RE13B erőforrás periférikusan elhelyezett hidrogén csatornával rendelkezett! A hidrogén befecskendezéséről kis nyomású, mechanikusan vezérelt befecskendező szelepek gondoskodtak.

 

 A Mazda H-RE10X 100 lóerőre volt képes, melyhez 127 Nm maximális nyomaték tartozott. A motort a korábban bemutatott ATCS elektromos hibrid rendszer "támogatta". Az elektromos motor támogatása gyorsulás közben elérhette a wankel motor 1000-res percenkénti fordulatszámon mért nyomatékának 60-70 százalékát is.

 

 Mazda H-RE10X prototípus motor ATCS rendszerrel. Ennek a motornak oldalsó hidrogén beömlő nyílásai ( hydrogen intake port), szemben a nagyobb H-RE13B periférikus nyílásaival. A levegő viszont mindkét motorban oldalsó nyíláson érkezett.

 

 A Mazda két különböző HR-X koncepció autót épített a H-RE10X erőforráshoz. A HR-X I. az 19991-es Tokiói Kiállításon mutatkozott be a nagyközönségnek, míg a HR-X II. az 1993-as Los Angeles-i autókiállításon volt először látható. Az autók másik nagy újítása mely a hidrogénhez köthető, a nikkel-hidrogén tároló akkumulátorok voltak. Ezek nagy sűrűségű, és nagy teljesítményű akkumulátorok voltak, melyek fele olyan nehezek voltak, mint azonos teljesítményű ólom-savas akkuk.

 

A Mazda HR-X prototípusokban összesen nyolc darab ilyen 12V feszültségű akkumulátort kapcsoltak össze sorban, így összesen 96V feszültség állt az ATCS rendszer rendelkezésére, hogy segítse a wankel motor munkáját.

 

H-RE13B MSP (2003).

 

Ha valaki eddig nem hitte volna el a wankel motor alkalmasságát hidrogén üzemanyag alkalmazására, annak a H-RE13B MSP az élő bizonyíték. Ez a motor ugyanis a megfelelő rendszerben, így a Mazda RX-8 Hydrogen RE típusban benzines, és hidrogénes üzemmódban is használható. 

Tulajdonképpen nem is tekinthető prototípus motornak, mivel több tucat, közúton is futó Mazda RX-8 Hydrogen RE típusban is megtalálható, melyeket a Mazdától lehet hosszútávra bérelni japánban, de Norvégiában is fut egy pár autó a Mazda- HyNor projekt keretein belül.. H-RE13B MSP tulajdonképpen a 2002-ben debütált Mazda RX-8 Renesis erőforrásának hidrogén, mint tüzelőanyag használatára is alkalmassá tett változata. Ezáltal az erőforrás geometriai méretei megegyeznek a csak benzines 13B-MSP motoréval. Sőt, gyakorlatilag az egyetlen lényeges különbség a kamránkénti egy darab hidrogén befecskendező (electronically controlled hydrogen gas injector), melyek közvetlenül a trochoid házra vannak szerelve. A nagynyomású hidrogén befecskendezés ezáltal közvetlenül a kamrákba történik, a szívási ütemben.

A négy beömlős, normál teljesítményű motor képezi a Hidrogén RE13B alapjait, mely hidrogénes üzemmódban 110 lóerő csúcsteljesítményre képes, míg a nyomaték maximuma 120 Nm. Benzinre visszakapcsolva 210 LE, és 222 Nm ugyanezek az adatok.

Mazda RX-8 Hydrogen RE Norvégiában, a HyNor projekt keretein belül.

 

A Mazda RX-8 Hydrogen RE gépkocsi a benzines és hidrogénes üzemmód mellett elektromos hajtással is ki van egészítve, így a gyárban hibrid helyett tribridnek nevezik. Egy inverteren keresztül egy 144 V-os motor csatlakozik a hajtáslánchoz, mely egyben generátorként is funkcionál.

 

Renesis 16X (2006-2007).

 

40 évvel az első Mazda wankel motor bemutatkozása után a Cosmo Sportban a Mazda egy újabb benzines bolygódugattyús prototípus erőforrással rukkolt elő. A közvetlen befecskendezéses 16X két kamrája viszonylag nagy, összesen 1,6 literes kamratérfogatot adott (2x800 kcm), és a trochoid ház alakja is változott. Mindezekkel a Mazda mérnökök jobb termikus hatásfokot, és nagyobb nyomatékot értek el. 

 A Mazda mérnökei sokat keresték már korábban is a bolygódugattyús motorok működése szempontjából optimális trochoid geometriát, és kamratérfogatot. Lásd pl.10A (491cm3 x2 ), 13A ( 655 cm3 x2), 12A (573 cm3x2), vagy a jelenlegi 13B ( 654cm3x2).

 

 

 A Mazda 16X trochoid geometriai eltérései a keskenyebb rotoroknak, illetve vékonyabb falú, de külső mérteiben nagyobb házban jellennek meg. A 2x800 cm3-es kamratérfogat ellenére a 16X gyakorlatilag ugyanolyan kompakt és könnyű, mint a szériagyártású 13B-MSP Renesis erőforrás.

A megnövelt trochoid sugárnak, illetve nagyobb excentritásnak köszönhetően a keskenyebb rotorok nagyobb löket értékkel rendelkeznek. Az égéstér felület/térfogat aránya csökkent, mely a hőmérséklet veszteséget redukálta, tehát javult a termikus hatásfok. Miután a geometriai változások okán a nagyon szűknek tekinthető részek csökkenése a láng terjedési sebességét segítette elő az égéstérben, az égés gyorsabbá vált, miáltal az üzemanyag fogyasztás is csökkent. Mindez a nyomatékot is növelte a teljes fordulatszám tartományban.

 

A trochoid házak tetején láthatóak a közvetlen benzin befecskendezők (kék csatlakozó), zöld csatlakozóval a köztes házra szerelt kiegészítő befecskendezők, míg a 6 db krómozott (kis csőcsonkkal) fúvóka a trochoidon a motorolajjal történő kenést szolgálja.

 

A korábban megismert DISC kísérleti motorok után a Mazda újból elővette a közvetlen benzin befecskendezést. A közvetlen befecskendező helyzete a trochoid házon a hidrogénes 13B-MSP Renesishez hasonló. A nagynyomású befecskendezők a szívási ütemben juttattják be az atomizált benzint a kamrákba, mely így közel homogén, és tökéletes keveréket eredményez. A szinte atomizált üzemanyag gyors párolgása csökkentette a keverék hőmérsékletét, mely a motor töltési hatásfokát növelte. Mindezek mellett a hagyományos szívócső befecskendezéses rendszerekhez képest sokkal kevesebb üzemanyag csapódott le a falakra, mely a termikus hatásfokot javította, illetve csökkentette a fogyasztást.

 A 16X az ultrakönnyű Mazda Taiki tanulmányautóban mutatkozott be a közönségnek, melyben egy hétfokozatú, dupla száraz kuplungos automata sebességváltóval társították.

 források alapján: Varga István