Dreh- und Kreiskolbenmotoren System NSU-Wankel

Zur Verwendung als Automobilantrieb, der von Beginn an ins Auge gefaßt wurde, entschloß sich NSU 1958, den Motor zu vereinfachen. Der Außenläufer wurde stillgesetzt und damit zum Motorgehäuse. Der dreieckförmige Kolben rotierte jetzt mit einer planetenartig kreisenden Bewegung, um die größenveränderlichen Kammern zu bilden. Diese kreisende Bewegung bedeutete aber eine gewisse Beschränkung der möglichen Drehzahlen. Das wurde jedoch zugunsten der Vereinfachung und der Anpassung an die üblichen Motordrehzahlen mit Rücksicht auf konventionelle Anbauteile (Kraftübertragung, Getriebe, Pumpen, Lichtmaschine) gern in Kauf genommen. Der kreisende Kolben mußte nun über zusätzliche Ausgleichsgewichte ausgewuchtet werden, was aber vollständig möglich war, im Gegensatz zu einem Hubkolbenmotor, bei dem immer ein Rest unausgeglichener Massen übrig bleibt.

Diese Maschine bezeichnet man als Kreiskolbenmotor. Er bietet eine einachsige und leichte Bauart, bei der als bewegliche Teile nur noch der Läufer mit Exzenterwelle und Ausgleichmassen vorhanden ist. Die Steuerung der im Gehäuse befindlichen Ein- und Auslaßkanäle erfolgt durch den Läufer selbst. Der Läufer ist drehbar auf einem Exzenter der Triebwelle gelagert. Die Innenverzahnung des Läufers greift in ein Ritzel ein, das fest mit der Gehäusewand verbunden ist, also still steht. Der Läufer rotiert um seinen Mittelpunkt und gleichzeitig planetenartig auf einer Kreisbahn. Dadurch verändern sich periodisch die Größen der drei Kammern, in denen sich das Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen im Viertaktverfahren abspielt. Bei einer Umdrehung des Läufers entstehen 3 Arbeitsspiele. Dabei dreht sich infolge der Zahnradübersetzung die Triebwelle dreimal. Es kommt also auf jede Umdrehung der Triebwelle ein Arbeitstakt. Der Druck-unterschied zwischen den Kammern übt über Läufer und Exzenter ein Drehmoment auf die Triebwelle aus. Läufer und Triebwelle drehen sich in gleicher Richtung, jedoch bewirkt die Gleichlaufsteuerverzahnung mit dem Zahnverhältnis 2:3, daß der Läufer ständig gegenüber der Triebwelle zurückbleibt.

     Bild 5.1 NSU-Drehkolbenmotor

Besondere Schwierigkeiten bereitet bei allen Rotationsmaschinen die Abdichtung. Es ist das besondere Verdienst Wankels, hierfür geeignete Elemente entwickelt zu haben. An den drei Kanten des Läufers befinden sich radiale Dichtleisten. Zur Abdichtung der Stirnflächen dienen dünne Bogenleisten, die durch Wellfedern angedrückt werden. Die Dichtleisten treffen sich auf beiden Seiten in einem Dichtbolzen. An diesen Abdichtungsproblemen sind bisher alle anderen Ideen für Rotationskolbenmaschinen gescheitert.

Für die Größe und Form der Kammern sind maßgebend die Breite, der erzeugende Radius, die Exzentrizität und der Schwenkwinkel der Scheiteldichtung. Kleine Schwenkwinkel sind günstig für die Abdichtung, erhöhen aber die Verdichtung. Beim Viertakt-Verfahren wird der Kolben mit Brennraummulden versehen. Die Verdichtung beträgt dann 8 bis 9:1.

Das Gehäuse kann aus Grauguß mit weichnitrierter Lauffläche gefertigt werden (was sich aus thermischen Gründen nicht bewährt hat) oder aus Leichtmetall mit verchromter oder anders beschichteter Lauffläche. Es wird durch Wasser gekühlt. Für den Läufer hat sich Temperguß bewährt. Er wird von innen durch Öl gekühlt, das gleichzeitig zur Schmierung dient. Kleinere Motoren bis 150 cm³ Kammervolumen werden auch mit Luftkühlung und Gemischschmierung gebaut. Für den Kraftfahrzeugantrieb sind bei NSU zunächst Motoren mit 125, 250, 400 und 500 cm³ Kammervolumen entwickelt und erprobt worden.

Der im NSU Spider verwendete Motor KKM 502 hat 498 cm³ Kammervolumen. Die zweibogige Epitrochoide hat einen erzeugenden Radius von 100 mm und eine Exzentrizität von 14 mm. Dadurch ergibt sich an den Ecken ein maximaler Schwenkwinkel von 24,5°. Bei einer Verdichtung von 8,5:1 betrug die Höchstleistung des Prototyp von 1963 54 PS bei 6000 min^-1 und das maximale Drehmoment erreichte 79 Nm bei 3500 min^-1. Der spezifische Kraftstoffverbrauch lag zwischen 2000 und 5000 min^-1 bei 230 bis 250 g/PSh, entsprach also der unteren Grenze damaliger Viertaktmotoren, das dachte man jedenfalls nach den ersten Prüfstandsläufen. Der Gehäusemantel (67 mm breit) ist aus vergütetem Silumin-Gamma gegossen, seine Lauffläche verchromt und geschliffen. Beide Seitengehäuse sind als geschlossene Gußstücke ebenfalls mit Kühlräumen ausgebildet. Mantel und Gehäuse werden durch Wasserumlauf gekühlt. Der dreieckige Kolben besteht aus Temperguß und wird durch Öl gekühlt. Seine Kühlräume sind in Segmente unterteilt. Der Einlaßkanal hat 8 cm² Querschnitt, der Auslaßkanal 7 cm². Die Steuerzeiten sind angelehnt an die Hubkolbenterminologie: Einlaßende 41° nach UT, Auslaßanfang 42° vor OT. Kolben und Exzenterwelle sind in Gleitlagern geführt. Es handelte sich anfangs um Mehrflächen-Gleitlager, die aus einer Stahlstützschale mit Alu-Plattierung und Hartblei-Laufflächen bestanden. Mit Rücksicht auf die drei Hauptkraftrichtungen, in denen der Gasdruck auf den Kolben wirkt, wurde zunächst eine dreiteilige Lagerschale gewählt. Das Schmier- und Kühlöl wird durch die Exzenterwelle zugeführt und gelangt durch eine Radialbohrung im Exzenter zum Kolbenlager, von dort tritt das Öl seitlich aus der Lagerfläche aus und versorgt die Kühlräume im Inneren des Kolbens. Durch eine Kombination von Abstreifringen mit Schleuderscheiben am Exzenter und Kolben wird eine einwandfreie Ölabdichtung erzielt. Das Rücklauföl sammelt sich in der mit dem Gehäuse verbundenen flachen Ölwanne. Der verwendete Solex-Vergaser 18/32 HDD ist ein Spezial-Register-Vergaser in horizontaler Bauart. Die Spezial-Zündkerze mit hohem Wärmewert von 340 hat eine Ringelektrode mit einem Abstand von 1 mm, sie wurde speziell von Beru und Bosch entwickelt.

Für höhere Leistungen können Mehrkammer-Motoren gebaut werden. Der Wankel-Motor eignet sich ebenfalls eingeschränkt für das Dieselverfahren. Der durch die hohe Verdichtung bedingte kleine Verdichtungsraum wird dann weitgehend in die Brennmulde des Kolbens verlegt. Zweistufige Motoren mit Vorverdichtung wurden von Rolls Royce entwickelt, führten jedoch zu keinen zufriedenstellenden Ergebnissen. Erst neue Versuche der Wankel-Rotary GmbH mit zusätzlicher Fremdzündung und Direkteinspritzung sind vielversprechend verlaufen.

Die Entwicklung von Kreiskolbenmotoren bei NSU nahm zusehends einen größeren Umfang an. Dem ersten Kreiskolbenmotor mit 125 cm³ Kammergröße folgten bald Einheiten mit 250 cm³, dann mit 400 cm³ und 600 cm³. Auch kleinere Motoren mit 60 cm³ Kammervolumen wurden für den Einsatz als Einbaumotoren erprobt.

Zum ersten Mal in der Geschichte der Technik wurde 1960 ein Auto von einem Rotationskolbenmotor angetrieben. Es war ein NSU Prinz, in dessen Heck ein 30-PS-Kreiskolbenmotor von 250 cm³ Kammergröße steckte. Zahlreiche NSU-Fahrzeuge aus der laufenden Produktion wurden als Versuchsträger für Wankelerprobungen umgerüstet. 1964 lief der erste serienmäßige Kreiskolbenwagen vom Band, der NSU Spider, in Bewegung gesetzt vom KKM 502, einem 50-PS-Kreiskolbenmotor mit 500 cm³ Kammergröße.

Die Öffentlichkeit, die ohnedies schon lebhaften Anteil am "NSU-Wankel-Motor" genommen hatte, würdigte auch dieses Ereignis mit gebührenden Kommentaren. Nur wenige Außenstehende ahnten allerdings, wie groß der geistige und materielle Aufwand sein mußte, um eine solche Revolution im schon altehrwürdigen Motorenbau herbeizuführen. Auch an Widerständen der einschlägigen Industrie, die um die Rentabilität konventioneller Fertigungsanlagen bangte, hatte es naheliegenderweise nicht gefehlt.

Mitte Oktober 1967 wurde die Produktion des richtungweisend strömungsgünstigen Ro 80 mit dem Zweischeiben Wankelmotor KKM 612 (115 PS bei 5500 min^-1) aufgenommen. Im Februar 1968 wurde das neue Auto von einer Fachjournalisten­Jury zum "Auto des Jahres" gewählt. Es folgten Versuche mit Wankelmotoren von verschieden anderen Firmen wie Daimler Benz mit dem bekannten C111 mit Dreischeiben- und Vierscheiben-Wankelmotoren. Die eigens gegründete Motorenfabrik Comotor sollte die Industrie mit modernen Wankelaggregaten versorgen. Bekanntgeworden sind nur ihre Zweischeibenmaschinen KKM 624 für den Citroën Birotor und die Van Veen OCR 1000. Die Euphorie bei der Wankelentwicklung wurde dann stark von der 1973er Ölkrise gebremst, da die damaligen Wankelmotoren noch mehr Benzin verbrauchten als die althergebrachten, aufwendigen, doch optimierten Hubkolbentriebwerke. Viele der damaligen Lizenznehmer wurden durch vielfältige ungelöste Probleme abgeschreckt und stellten ihre Versuche und sogar angefangene Produktionspläne wieder ein. Seitdem gibt es nur noch wenige Firmen, die sich mit der Erforschung und Entwicklung von Kreiskolbenmotoren für Spezialgebiete befassen. Bisher ist allein Mazda, seit 1961 einer der frühen Wankel-Lizenzinhaber, beständig in der Forschung und Entwicklung geblieben und hat eine große Anzahl von Alltags- und Sportfahrzeugen produziert. Gegenwärtig wird an Motoren gearbeitet, die den Betrieb mit Wasserstoff zulassen, vielleicht der Energiequelle der Zukunft. 

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