De creatie van de rotatiemotor hebben we te danken aan een zekere Dr. Felix Wankel . In 1924, op 22-jarige leeftijd, richtte hij zijn onderzoekslaboratorium op dat gewijd was aan het ontwerp van een rotatiemotor. Geïnteresseerd in zijn werk, subsidieert het Duitse Ministerie van Luchtvaart zijn onderzoek tijdens de Tweede Wereldoorlog, in de overtuiging dat dit de toekomst van techniek zou zijn. Na de oorlog gaat motorfabrikant NSU een samenwerking aan met Wankel.
In 1958 werd de eerste functionele en praktische rotatiemotor geboren, de KKM. Met een enkele rotor heeft de KKM een totale cilinderinhoud van 400 cm³. NSU kondigt in 1959 officieel het succes van de Wankelrotary-motor aan. Op dit moment nemen meer dan honderd bedrijven over de hele wereld de technische plannen van deze motor in handen. Vierendertig daarvan zijn Japans.
Verschillende fabrikanten probeerden dit concept te ontwikkelen zonder een afgewerkt product te bedenken. Vreemd genoeg zet alleen een klein Japans bedrijf genaamd Toyo Kogyo het onderzoek voort, terwijl anderen het opgeven. Jujiro Matsuda, de toenmalige president van het bedrijf, is overtuigd van het potentieel van deze revolutionaire motor. In 1961 tekende hij een contract met NSU om gezamenlijk een levensvatbaar prototype te ontwerpen. Na het succes van zijn meest succesvolle divisie, wordt Toyo Kogyo hernoemd in de naam van de beroemde fabrikant die iedereen vandaag de dag kent als Mazda .
In 1963 opent Mazda zijn onderzoeksafdeling die zich uitsluitend toelegt op de rotatiemotor. KenichiYamamoto, die dan hoofd van deze divisie is, heeft meer dan 47 ingenieurs tot zijn dienst. Zijn missie? Vind een praktisch gebruik van de roterende motor om massaproductie en commerciële verkoop te richten. Twee grote problemen vertragen de marketing:voortijdige slijtage van interne componenten en extreem hoog olieverbruik. Na vele maanden van onderzoek en meer dan 300 uur testen, lossen nieuwe afdichtingen en olie, speciaal ontworpen voor de rotatiemotor, deze twee grote problemen op.
In tegenstelling tot het oorspronkelijke concept, geeft Mazda de voorkeur aan het ontwerpen van een motor met meerdere rotoren. Het door NSU gebouwde enkel-rotor-prototype had bij lage toerentallen een nogal anemisch koppel en leed aan instabiliteit die resulteerde in onaangename trillingen. In december 1964 produceerde de onderzoeksafdeling een motor met dubbele rotor en een verbrandingskamer van 491 cc, het type 3820. vond snel zijn weg naar de productielijnen onder de codenaam 10A.
De 10A is de eerste rotatiemotor die in een auto op de markt wordt gebracht. De eerste verschijning dateert van 30 mei 1967, wanneer Mazda de Cosmo Sport verkoopt, de enige racewagen met één rotor ter wereld. Uitgerust met een dubbele carburateur met vier cilinders, zijdelings gemonteerd op de inlaatpoorten en bougies voor elke rotor, ontwikkelt de 10A een vermogen van 110 pk. Gezien de lichtheid van de auto en de technologie die destijds beschikbaar was, wordt de Cosmo Sport door de autopers als een technologisch hoogstandje beschouwd.
Pas in 1970 begon Mazda zijn voertuigen naar Noord-Amerika te exporteren. Helaas zijn de Verenigde Staten op dat moment bezig met het aannemen van de strengste emissienormen. Bovendien zitten ze midden in een oliecrisis. Om het probleem tegen te gaan, creëert Mazda een thermische reactor die vervuilende emissies verbrandt. De fabrikant kan eindelijk de eerste auto met rotatiemotor in Noord-Amerika op de markt brengen, de R100 .
Andere innovaties, zoals ontstekingssystemen met hoge intensiteit en reactieve uitlaatspruitstukken, stellen Mazda in staat het brandstofverbruik tot 40% te verminderen, waardoor de levensvatbaarheid van de Noord-Amerikaanse rotatiemotor wordt gegarandeerd.
Als resultaat van zijn succes bij het verminderen van de uitstoot van vervuilende stoffen en het brandstofverbruik, zet Mazda zijn onderzoek voort om de prestaties van zijn rotatiemotoren te maximaliseren. Een van de eerste verbeteringen was het ontwerp van een inlaat met zes poorten voor de 12A-rotatiemotor (twee kamers van 573 cc). Elke rotor is uitgerust met drie inlaatpoorten waarvan de opening in twee fasen wordt geregeld. Dit mechanisme verbetert het brandstofverbruik zonder concessies te doen aan hoogwaardige prestaties. Een van de eerste auto's – en zeker een van de bekendste – die profiteert van deze motor is de allereerste versie van de RX-7, de FB3S, geboren in maart 1982. Het zal echter nodig zijn om tot 1983 te wachten voordat de eerste RX-7 met turbolader te zien is. -7.
Turbolader en rotatiemotoren hebben altijd goed gewerkt. Dit komt voornamelijk omdat rotatiemotoren de neiging hebben om meer energie uit de uitlaatpoort vrij te maken in vergelijking met traditionele motoren. Deze karaktereigenschap kan worden toegeschreven aan de plotselinge opening van de uitlaatpoorten die indirect in lijn zijn met de rotoruitdrijfbeweging. En natuurlijk zorgt er meer energie uit de uitlaat voor een beter gebruik van een turbolader.
De tweede generatie van de RX-7, de FC3S, is waarschijnlijk beter bekend bij neofieten van rotatiemotoren. Er zijn destijds vier versies beschikbaar, namelijk de SE, GTU, GLX en Turbo II. De eerste drie worden aangedreven door een atmosferische versie en hebben de elektronische injectie van de 13B-motor (twee kamers van 672cc). De FC3S, geïntroduceerd in 1985 als modeljaar 1986, is de eerste RX-7 met schijfremmen op alle vier de wielen. Het basismodel SE is uitgerust met 14-inch wielen en remklauwen met twee zuigers voor. De GTU, die wordt beschouwd als de sportversie van de groep, heeft een aluminium motorkap, remklauwen met vier zuigers en de transmissie van de Turbo II-versie. De GLX is voorzien van de elektrische groep en 15 inch wielen. Ten slotte is de Turbo II-versie de krachtigste met zijn 13B-T-mechanica. Mazda beweerde dat de turboversie van de 13B 180 pk aan de krukas ontwikkelde.
In 1988 heeft de FC3S recht op wat esthetische retouches en heeft hij qua prestaties een goede trap naar de achterkant. De cavalerie van de 13B nam toe van 145 pk naar 160 pk, terwijl de 13B-T ongeveer 200 pk levert. De visuele verschillen zijn subtiel; wat de twee generaties onderscheidt, zijn de nieuwe achterlichten van het model uit 1988, rond aan elk uiteinde in plaats van de rechthoekige van voorgaande jaren.
De laatste editie van de RX-7 komt onder de codenaam FD3S. Deze sportwagen van hoog kaliber werd in 1992 geïntroduceerd als een model uit 1993. Hoewel de auto zelf vandaag de dag nog steeds wordt beschouwd als de mooiste interpretatie van de roterende motor, is dat te danken aan de wonderen die zich onder de motorkap verbergen. De motor genaamd 13B-REW (REW voor Rotary Engine Twin Turbo) gebruikt twee turbo's in sequentiële modus en bereikt een behoorlijk behoorlijke 255 pk met een rode zone vanaf 8000 tpm!
De sequentiële modus is in theorie vrij eenvoudig. Bij lage toeren wordt er maar één turbo gebruikt. Het is natuurlijk makkelijker om een enkele turbo te bedienen dan twee. Dit verbetert de respons van de motor bij lage snelheid. De lucht die door de eerste turbo wordt onder druk gezet, zorgt ervoor dat de motor voldoende vermogen kan produceren om de tweede turbo aan te drijven zonder de vermogensband bij lage snelheid te beschadigen, terwijl extrapony's bij hoge snelheid worden verkregen.
In Noord-Amerika werden vier versies aangeboden, namelijk het basismodel, Touring, PEP en R1/R2. De Touring, een luxe uitvoering, is voorzien van opties als leren stoelen, Bose audiosysteem, elektrisch schuifdak en cruisecontrol. De Touring is ook de enige versie die als optie wordt geleverd met de automatische versnellingsbak. Het PEP of “Popular Equipment Package” is, zoals de naam al zegt, de meest populaire van allemaal en wordt standaard geleverd met het zonnedak, lederen stoelen en cruisecontrol. De R1, de meest interessante versie voor liefhebbers van high-performance auto's, krijgt een sportonderstel, een dubbele oliekoeler, een veerpootbrug voor, met suède beklede stoelen en een achterspoiler. In 1994 wordt de R1 vervangen door de R2. Helaas haalt Mazda ook de FD3S van de Amerikaanse markt.
Als je goed naar de draaiende motor kijkt, zul je merken dat deze uit meerdere platen bestaat die als een sandwich in elkaar zijn gezet. Bij een traditionele rotatiemotor, dat wil zeggen een 2-rotor (in ons geval een 13B), merken we de aanwezigheid van zes van deze platen op. Van de voorkant de uitzondering makend, concentreren we ons voorlopig op de andere vijf.
De twee grotere platen worden rotorhuizen genoemd. Zoals hun naam al doet vermoeden, bevatten ze beiderotors. Het interieur van de behuizing vertegenwoordigt het werkoppervlak of, als je wilt, de verbrandingskamer. Dit oppervlak is in atrochoïdale vorm. Met andere woorden, stel je een cirkel voor waarvan de uiteinden op een verticale as zouden zijn uitgerekt om het een langwerpige vorm te geven. Voeg twee kleine uitstulpingen naar binnen toe aan elk uiteinde van de horizontale as en je krijgt een trochoïdale vorm.
Als u naar de behuizing kijkt, ziet u dat er twee enveloppen zijn, één aan de binnenkant en één aan de buitenkant. Tussen de twee zijn er tientallen verschillend gevormde doorgangen. De kleinste cirkels op de contour zijn de gaten voor de spanbouten. Dit is wat de platen verbindt. Grotere cirkels vertegenwoordigen de interne oliedoorgangen. De andere openingen van verschillende vormen zijn de leidingen voor de koelvloeistof.
Aan de binnenkant van de behuizing zijn twee kleine openingen te zien. Dit is de plaats van de bougies. De bovenste heet de slepende bougie en de onderste de leidende bougie. Daarover later meer. Laten we nu eens kijken naar de grote opening aan de zijkant van de behuizing. Het is de uitlaatpoort van de rotor die wordt gebruikt om de resten van het verbrandingsproces te verwijderen. Het laatste element dat van belang is, is de doorgang linksboven in de behuizing, die wordt gebruikt om de benodigde olie naar de topverbindingen te brengen via een kleine opening aan de binnenkant. In tegenstelling tot conventionele viertaktmotoren waarbij zuigerveren worden gebruikt, is het onmogelijk om de verbindingen te smeren met een oppervlak dat niet aan verbranding is blootgesteld. De apex-afdichtingen fungeren inderdaad als afdichtingsringen en zijn te allen tijde blootgesteld. De olie wordt daarentegen rechtstreeks geïnjecteerd om de componenten te smeren, wat het overmatige olieverbruik van rotatiemotoren verklaart.
De andere drie platen worden zijbehuizing en tussenliggende zijbehuizing genoemd. Naast hun afdichtende rol in het rotorhuis, bevatten ze ook de inlaatpoorten van de motor. De inlaatpoorten op de tussenplaat, dat wil zeggen die in het midden van de twee rotorhuizen, worden primaire poorten genoemd. Boven deze poorten zitten twee openingen in de tussenplaat voor de injectoren. Hierbij moet worden opgemerkt dat de inlaat zijdelings met de rotor is geplaatst en niet naar de rotor is gericht, zoals de uitlaatpoorten. Zijplaten bevatten ook zogenaamde secundaire poorten. Na 1984 hebben de 13B-rotatiemotoren zonder turbo op hun zijplaten nog een paar openingen voor in totaal zes poorten. Deze twee extra poorten worden "hulpmiddelen" genoemd. Ze worden geopend door snelle activatoren om de prestaties te maximaliseren en worden gesloten bij lage snelheden om het koppel te bevorderen.
Als je naar de illustraties kijkt, zul je zien dat er olie op het oppervlak van deze platen circuleert. Wanneer de rotor draait, ontstaat er inderdaad wrijving op het zijoppervlak, dat moet worden gesmeerd om voortijdige slijtage van de interne componenten te voorkomen. Er moet ook worden opgemerkt dat deze oliepassages de grootte van de inlaatpoorten beperken. Bij het afstellen van een rotatiemotor is het doel om een ingenieuze manier te vinden om deze poorten groter te maken om lucht en brandstof efficiënter naar de motor te brengen, terwijl de limieten van de motor worden gerespecteerd.
De belangrijkste onderdelen zijn zeker de rotoren en de excentrische aandrijfas. Als je naar het midden van de rotoren kijkt, zie je een gekarteld en glad oppervlak. Dit laatste deel stelt het lager van de rotor voor. Het getande gedeelte is gekoppeld aan een ander gekarteld gedeelte dat stationaire tandwielen wordt genoemd. Deze zijn bevestigd aan de zijplaten. De excentrische aandrijfas glijdt door alle elementen, van de platen tot de rotoren en door de stationaire tandwielen.
De rotoren roteren niet alleen op een vaste as. Hun beweging is de som van twee zeer verschillende bewegingen. De eerste is eenvoudige rotatie. De rotoren bereiken dit door hun lagers (glad oppervlak) die constant in contact staan met de twee lobben van de excentrische as. Omdat deze lobben ten opzichte van de asrotatie-as zijn verschoven, voorkomen ze dat de rotoren op hetzelfde niveau roteren. De lobben zorgen ervoor dat de rotoren rond de rotatie-as van de excentrische as draaien. De uiteindelijke beweging is dus een combinatie van een rotatie en een baan van de rotoren.
Om het fundamentele principe van de werking van rotatiemotoren beter te begrijpen, zullen we enkele termen gebruiken die bij traditionele viertaktmotoren worden gebruikt. Het BDC (bovenste dode punt) is het punt waar de zuiger zijn maximale hoogte bereikt, waardoor de beschikbare ruimte in de verbrandingskamer wordt geminimaliseerd. Het BDC (onderste dode punt) is het punt waar de zuiger zich op het laagste punt bevindt, waardoor de maximale ruimte wordt geboden . We zullen de termen TDC en BDC gebruiken volgens de maximale of minimale ruimte die de rotor zal bieden.
Als u begint vanaf het BDP, waarbij u de linkerbovenhoek van de rotor neemt en met de klok mee draait, start hier de inlaatcyclus. Dit eindigt wanneer hetzelfde uiteinde de BDC bereikt. Hierbij moet worden opgemerkt dat de rotor met de klok mee roteert met een derde van de snelheid van de excentrische as. Tussen de BDC en de BDC zal de excentrische as 270° zijn gedraaid. Dat is 90° meer dan de 180° die nodig is voor een viertaktmotor voor dezelfde operatie.
Nogmaals, van de BDC tot de TDC is 270 ° nodig om de compressiecyclus te voltooien. Merk op hoe het lucht/brandstofmengsel tegen de muur wordt gecomprimeerd. Op dit moment gaat de bougie branden om de verbranding te creëren. Nog 270 ° meer en je bereikt de BDC en beëindigt de verbrandingscyclus. Vervolgens verdrijft de rotor de uitlaatgassen via de uitlaatpoort van de rotorbehuizing, waarbij de laatste 270 ° wordt afgelegd om terug te keren naar het startpunt.
Elk van de rotorvlakken is 120° van elkaar gescheiden en voert tegelijkertijd een andere cyclus uit dan de andere. Op deze manier dragen de drie vlakken van de rotor over 360° bij aan ÉÉN vermogenscyclus voor ÉÉN omwenteling van de excentrische as. Op een traditionele viertaktmotor zijn twee omwentelingen van 360° vereist. Als gevolg hiervan heeft een rotatiemotor de capaciteiten van een viertaktmotor die twee keer zo groot is als zijn cilinderinhoud. Een 13B-motor van 1.3L is gelijk aan een 2.6L-motor. Hier ligt de kracht van de rotatiemotoren. Hoewel ze extreem compact zijn, hebben ze het potentieel van een veel grotere motor.
Zoals eerder vermeld, zijn er twee bougies per plaat. De onderste is de leidende en de bovenste is de achterblijvende bougie. Als we er rekening mee houden dat het voorste rotorhuis het nummer 1 draagt en dat van de achterkant het nummer 2, dan is de naam van elke bougie L1, L2, T1 en T2. Wanneer de verbrandingskamer (het convexe deel op het rotoroppervlak) tijdens de compressiecyclus het BDP nadert, ontsteken de voorste bougies het mengsel als eerste. Slepende bougies worden dan ongeveer 10 ° tot 15 ° later geactiveerd. Het is belangrijk om te specificeren dat de bougies een derde keer in de cyclus worden geactiveerd. Dit fenomeen wordt “wastepark” genoemd. Om het ontstekingssysteem te vereenvoudigen, gebruiken de bougies dezelfde spoel, dus hetzelfde signaal. De bougies L1 en L2 worden dan tegelijkertijd geactiveerd. Moderne rotatiemotoren gebruiken een excentrische aspositiesensor en drie spoelen, één voor beide voorste pluggen en één voor elke achterste plug.
De Renesis-motor van de RX-8 zou een grote verbetering moeten zijn in vergelijking met zijn oudere broer, de 13B-REW. TheRenese is ook compacter en 30% lichter. Het concept van de zes inlaatpoorten is deja-vu, maar de locatie van de uitlaatpoorten is een echte innovatie. In vergelijking met eerdere motoren heeft de Renesis zijn uitlaatpoorten niet aan de rand van het rotorhuis. Itrather gebruikt twee poorten, één direct op de tussenplaat en de andere op de zijplaat. Ingenieurs zeggen dat de klepoverlap is verminderd, waardoor het brandstofverbruik bij stationair toerental met 40% is verbeterd in vergelijking met de 13B-REW. Kortom, de Renesis produceert minder uitstoot, verbruikt minder brandstof en de verbranding is sterk verbeterd.
Er zijn enkele verborgen schatten in de wereld van rotatiemotoren waarvan maar weinig mensen zich bewust zijn. Een voorbeeld hiervan is de 20B-REW, een biturbo-tri-rotor die wordt aangeboden in de Eunos Cosmo, een Japanse auto die werd verkocht van januari 1990 tot maart 1996. Met een cilinderinhoud van 1962 cm³ heeft de 20B-REW nagenoeg dezelfde mogelijkheden als een kleine V8. Met een druk van 10,29 psi afkomstig van de turbo's, reikt het vermogen tot 280 pk, waarschijnlijk allemaal beperkt door de beperkingen opgelegd door Japanse wetten. Om u een idee te geven, deze motor ontwikkelt in atmosferische modus 250 pk, 320 pk indien dienovereenkomstig gefabriceerd. Moeilijk te geloven dat een druk van 10 psi slechts 50 pk meer oplevert. In werkelijkheid is het met een eenvoudige drukregelaar mogelijk om gemakkelijk de 400 pk-grens te bereiken. Met een beetje meer zorg en toewijding zou 700 pk helemaal niet onmogelijk zijn om te bereiken.
Als zo'n vermogen haalbaar is met een tri-rotormotor, stel je dan eens voor wat er mogelijk zou zijn met vier! Dit type motor is helaas niet beschikbaar, behalve in de racerij. Een van de bekendste is de 26B waarmee de Mazda 787B werd uitgerust, de eerste Japanse raceauto die de 24 uur van Le Mans won. Voor degenen die geïnteresseerd zijn, ontwikkelt deze motor niet minder dan 700 pk bij 9000 tpm en 448 lb-ft koppel bij 6500 tpm, allemaal in atmosferische modus. Omdat de motor verschillende onderdelen gemeen heeft met de 13B, zeggen sommigen dat het mogelijk is om een aangepaste motor met vier rotors te maken met behulp van twee 13B.
Als zo'n idee zeker interessant lijkt, is het niet moeilijk voor te stellen hoe groot het budget zou zijn om een opstelling te bouwen!
