W silniku spalinowym Wankla główny element roboczy- tłok- wykonuje ruch obrotowy, podobnie jak w turbinowym silniku spalinowym wirnik turbiny. Jednak zasady działania tych silników są różne. W turbinowych silnikach spalinowych energia kinetyczna rozprężających się gazów działając na łopatki wprawia w ruch obrotowy wirnik silnika. Zasada działania silnika Wankla jest natomiast taka jak tradycyjnego silnika czterosuwowego.
Cykl pracy silnika spalinowego Wankla obejmuje następujące procesy:
napełnienie komory roboczej świeżym ładunkiem;
sprężenie ładunku;
rozprężanie gazów spalinowych powstałych w komorze roboczej w wyniku spalania sprężonego ładunku;
usuwanie spalin z komory roboczej.
Ponieważ tłok w silniku Wankla nie wykonuje ruchu postępowo-zwrotnego poszczególne fazy cyklu pracy nie nazywają się tu suwami lecz taktami. W silniku Wankla wymienione wyżej procesy zamykają się w czterech taktach: dolotu, sprężania, rozprężania (pracy) i wylotu.
Cztery suwy w jedny obrocie: na rys.(1) następuje właśnie zasysanie mieszanki paliwowo-powietrznej przez kanał dolotowy, w czasie którego to procesu tłok wykonuje jedną trzecią obrotu. Teraz następuje sprężania (2), kończące się zapłonem mieszanki(3)-poniżej.
Wirujący element silnika Wankla ma kształt trójkąta o krzywoliniowych bokach. Przejmuje on nacisk gazów i dlatego, przez analogię z silniami suwowymi, nazywany jest tłokiem. Tłok tego silnika porusza się w zamkniętej obudowie stanowiącej kadłub silnika nazywanej (również przez analogię) cylndrem. Cylinder ma kształt niskiego walca o podstawie niekołowej prostopadłej do osi. Zarys podstawy cylindra stanowi krzywa zwana trochoidą.
Tłok jest osadzony na mimośrodzie wału silnika. Dzięki temu podczas pracy silnika środek tłoka porusza się po kole o promieniu równym promieniowi mimośrodu. Jednocześnie tłok silnika obraca się dookoła swej osi w tym samym kierunku co wał, lecz z prędkością kątową trzykrotnie mniejszą. Przełożenie takie zapewnia przekładnia zębata, której jeden element stanowi wewnętrzny wieniec zębaty tłoka, a drugi zewnętrzny wieniec zębaty mimośrodowego wału silnika. Za pomocą tej przekładni tłok napędza wał silnika.
Mimośrodowy ruch tłoka oraz odpowiedni kształt powierzchni bocznej cylindra silnika sprawiają, że krawędzie tłoka dzielą przestrzeń między tłokiem a ściankami cylindra na trzy części (komory robocze), których położenie, kształt i objętość są zmienne w czasie pracy silnika. Podczas jednego pełnego obrotu tłoka objętość każdej komory roboczej roboczej osiąga dwa razy wartość największą i dwa razy najmniejszą. Podobnym zmianom w tradycyjnym silniku tłokowym ulega objętość przestrzeni roboczej cylindra. Dzięki temu w każdej komorze roboczej podczas jednego obrotu tłoka jest realizowany pełny czterotaktowy cykl pracy.
Dalej wszystko przebiega jak w silniku dwusuwowym: Obracający sie tłok wypycha spaliny kanałem wydechowym. Najciekawsze w tym silniku jest to, że wszystkie cztery suwy odbywają się jednocześnie w trzech blokach trójkątnego (w przybliżeniu) tłoka, a więc każdy obrót o 360 stopni to trzy suwy pracy. I to jest właśnie tajemnica równości pracy wankil - szczególnie jesli w silniku są dwie komory i dwa tłoki.
Z opisanego przebiegu pracy silnika w Wankla wynika, że podczas jednego obrotu tłoka i odpowiadających mu trzech obrotów wału silnika zachodzą trzy takty pracy, kolejno w każdej komorze. Na jeden obrót wału przypada więc w tym silniku jeden takt pracy, podobnie jak w klasycznym jednocylindrowym silniku dwusuwowym. Jest to bardzo korzystne, gdyż równomierny bieg silnika uzyskuje się bez potrzeby stosowania dużych kół zamachowych, jak to ma miejsce w silniku suwowym.
Drugą zaletą silnika Wankla, wypływającą korzystnie na jego sprawność, jest niemal całkowite oczyszczanie komory roboczej ze spalin. Zawartość resztek spalin w świeżym ładunku jest w tym silniku minimalna. Rozpędzona w przewodzie dolotowym mieszanka wpływa z dużą energią kinetyczną do komory roboczej, co zapewnia wysoką sprawność napełnienia.
Należy jeszcze wspomnieć, że silnik Wankla, podobnie jak większość silników dwusuwowych, mają rozrząd bezzaworowy. Łączą wiec one w sobie zalety klasycznych silników dwu i czterosuwowego.
Cechy charakterystyczne i perspektywy rozwoju silników Wankla.
Silnik Wankla ma następujące zalety:
jest to jedyny silnik czterosuwowy (właściwiej czterotaktowy) o rozrządzie bezzaworowym.
konstrukcja silnika zapewnia możliwość pełnego wyrównoważenia dynamicznego za pomocą przeciwciężarów związanych z wałem mimośrodowym, ponieważ środek masy tłoka pokrywa się z osią mimośrodu.
silniki Wankla mają możliwość uzyskania dużej mocy jednoskowej.
prostota budowy tych silników stanowi gwarancję ich niezawodności oraz trwałości.
istniej możliwość unifikacji części silników Wankla o różnej liczbie cylindrów.
benzynowy silnik Wankla można zasilać paliwem o niższej licznie oktanowej niż w przypadku silnika klasycznego o tym samym stopniu sprężania.
Wszystko to, a także fakt, że produkcję silników Wankla na skalę przemysłową pierwsze podjęły fimy samochodowe, sprawia, że najszersze zastosowanie znalazły one do napędu samochodów osobowych.
W 1971 r. W wytwórni NSU produkowane były seryjne dwa typy silników Wankla, a w wytwórni Toyo-Kogyo - trzy typy do samochodów Mazda. Ponadto firma Daimler-Benz zastosował silnik Wankla do napędu doświadczalnego samochodu sportowego.
Silnik Wankla jest również z powodzeniem stosowany do napedu motocykli i sań motorowych. Nad silnikami do motocykli pracuje obecnie japońska firma Suzuki oraz wytwórnia Fischtek-Sachs (motocykl Herkules).
Do sań motorowych zastosowano silnika Wankla głównie ze względu na łatwość rozruchu w niskiej temperaturze. Silniki Wankla zastosowano także do napędu urządzeń przemysłowych oraz w lotnictwie i w transporcie wodnym.
W 1971 r. firma Fischtel-Sachs uruchomiła produkcję czterech typu silników Wankla do napędu pił, szlifierek, zespołów prądotwórczych, pomp itp. Aby jednak silnik mógł w przyszłości jednocylindrowymi silnikami dwusuwowymi z zapłonem iskrowym, zarówno pod względem kosztu produkcji jak i prostoty obsługi, konstruktorzy i technolodzy muszą jeszcze pokonać wiele trudności. Przede wszystkim chodzi o zapewnienie możliwość zastosowania:
chłodzenie kadłuba powietrzem, a tłoka mieszanką,
olejenia za pomocą oleju dodawanego do paliwa,
typowego gaźnika i świec zapłonowych,
typowego rozruchu konwencjonalnego,
tanich metod wytwarzania.
Od wielu lat są prowadzone prace nad zbudowaniem silnika Wankla z zapłonem samoczynnym. Prace te zeszły jednak początkowo w niewłaściwym kierunku. Zakładano bowiem konstrukcję silnika w układzie pojedynczym, a więc takim, jak w dotychczasowych silnikach z zapłonem iskrowym. W tym przypadku w celu uzyskania dostatecznego stopnia sprężania należy zastosować takie parametry geometryczne silnika, przy których:
długość komory spalania oraz powierzchnia jej ścian w odniesieniu do pojemności skokowej są większe niż w silniku zapłonem iskrowym.
czopy główne wału mimośrodowego mają małą średnicę.
Warunki te uniemożliwiają uzyskanie wysokiego stopnia sprężania w układach pojedynczych. Wymienione trudności nie spowodowały jednak przerwania prowadzonych prac. Właściwą drogą okazało się zachowanie niskiego stopnia sprężania i zastosowanie układu zdwojonego.
W silniku Wankla pracującym w układzie zwojowym zastosowano wstępne sprężanie powietrza w cylindrze pierwszego stopnia. Wstępnie sprężone powietrze przepływa następnie do cylindra drugiego stopnia, gdzie następuje wtrysk paliwa i spalanie mieszanki. Rozprężanie gazów odbywa się najpierw w stopniu drugim, a następnie - w pierwszym.
Dzięki takiemu rozwiązaniu, zastosowaniu przez firmę Rolls-Rojce, uzyskano zwartą komorę spalania o małej powierzchni ścian oraz, co jeszcze ważniejsze, małe obciążenie łożysk i wałów mimośrodowych obu stopni. Tłoki obu stopni obracają się z tą samą prędkością kątową, a moc wytwarzana w każdym ze stopni jest proporcjonalna do wymiarów odpowiednich cylindrów.
Opisane przykłady świadczą o tym, że zarówno konstrukcja silnika Wankla, jak i jego zastosowanie mogą być rozwijane w wielu różnych kierunkach. Przyszłość tych silników nie budzi już wątpliwości. Sprawą otwartą jest natomiast zakres, w jakim zastąpią ona klasyczne silniki tłokowe.
