How does a rotary engine get lubricated?

De smering van een wankelmotor, of rotatiemotor, is een kritiek en complex systeem dat fundamenteel verschilt van conventionele zuigermotoren. Waar een zuigermotor relatief eenvoudige smeringskanalen in het motorblok heeft, moet de olie in een wankelmotor een zeer specifieke en dynamische route volgen. Het hart van de motor – de rotoren – voert immers geen lineaire, maar een excentrische roterende beweging uit binnen de epitrochoïdevormige huis.

Het primaire doel blijft hetzelfde: het creëren van een beschermende film tussen alle bewegende en wrijvende componenten. Dit omvat de lagers van de excentrische as, de zij- en apexafdichtingen van de rotor, en de inwendige wanden van het motorhuis. De uitdaging ligt in het garanderen van smering op de juiste plaatsen, terwijl excessieve olieverbranding wordt voorkomen, wat tot rookvorming en verhoogde emissies zou leiden.

Het smeersysteem is daarom een nauwkeurig afgestemd compromis. Motorolie wordt op twee hoofdmanieren toegevoerd: via een druksmeringssysteem voor de kritieke lagers van de excentrische as, vergelijkbaar met een zuigermotor, en via een gemengde smering voor de rotorvlakken en afdichtingen. Bij deze laatste methode wordt een kleine, gecontroleerde hoeveelheid olie rechtstreeks in de inlaatpoorten of de luchtinlaat gesproeid, waardoor een olienevel ontstaat die de rotorholtes binnendringt.

Deze olienevel smeert de zijvlakken van de rotor en de gevoelige apexafdichtingen – de cruciale segmenten die de verbrandingskamers afsluiten. Deze ontwerpkeuze betekent dat een kleine hoeveelheid olie onvermijdelijk in de verbrandingsruimte terechtkomt en wordt verbrand. Vandaar dat wankelmotoren specifieke tweetakt-smeerolie of hoogwaardige synthetische olie vereisen die geschikt is voor dit doel, aangezien de olie een integraal onderdeel van het verbrandingsproces wordt.

Hoe wordt een wankelmotor gesmeerd?

De smering van een wankelmotor is een kritiek en uniek systeem, omdat het twee volledig gescheiden circuits moet bedienen: de rotorhuizen en de draaiende rotor zelf. Het systeem is een combinatie van druksmering en precisie-olie-injectie.

Het primaire circuit lijkt op dat van een zuigermotor. Een oliepomp circuleert motorolie onder druk naar de hoofdlagerlagers, de excentrische as en de tandwielen in het olie-sproeistelsel. Deze componenten worden dus continu door een oliefilm beschermd.

De grootste uitdaging is het smeren van de drie apex-afdichtingsstrips op de hoeken van de driehoekige rotor. Deze strips glijden met hoge snelheid over de epitrochoïdevorm van de huiswand. Hiervoor gebruikt het systeem een metertinjectie. Kleine olie-injectoren, vaak mechanisch aangestuurd door de gaspedaal, spuiten precieze hoeveelheden motorolie rechtstreeks in de inlaatpoort of het inlaatspruitstuk.

Deze olie vermengt zich met het lucht-brandstofmengsel en bereikt als een olienevel alle verbrandingskamers. Hierdoor worden de apexstrips, zijafdichtingen en de binnenzijde van de rotorhuizen gelijkmatig gesmeerd. Een deel van deze olie verbrandt mee, wat karakteristiek is voor de wankelmotor en bijdraagt aan het specifieke verbruik en de uitlaatkenmerken.

Moderne wankelmotoren, zoals die van Mazda's RX-8, gebruiken vaak een geavanceerde elektronisch geregelde olie-injectie. Een aparte elektrische oliepomp doseert olie op basis van toerental en belasting, wat de efficiëntie optimaliseert en de uitstoot minimaliseert, terwijl de essentiële smering gewaarborgd blijft.

De rol van mengsmering en aparte olie-injectie

De smering van een wankelmotor is een kritiek ontwerpvraagstuk, omdat de rotor rechtstreeks in contact staat met de lageroppervlakken van het huis en de zijdelings afdichtingsstroken constante wrijving ondergaan. Hiervoor bestaan twee primaire methoden: traditionele mengsmering en moderne aparte olie-injectie.

Bij mengsmering, karakteristiek voor oudere motoren zoals de Mazda RX-7 FB en vele motorfietsen met wankelmotor, wordt een kleine hoeveelheid tweetaktmotorolie direct aan de brandstof toegevoegd. Dit mengsel komt via de inlaatpoorten in de verbrandingskamers terecht. De olienevel smerert de kritieke contactvlakken van de rotorafdichtingen, de apex- en zijafdichtingen, en de interne lagers tijdens de compressie- en verbrandingsslag.

Een apart olie-injectiesysteem, zoals het 'Oil Metering System' (OMS) in latere Mazda-modellen, biedt een geavanceerder en efficiënter alternatief. Hierbij wordt schone motorolie vanuit een apart reservoir door kleine injectoren gepompt, direct in de inlaatmanifold of de verbrandingskamer. Een elektronische besturing moduleert de olietoevoer op basis van toerental en belasting, wat zorgt voor precieze smering.

Het cruciale voordeel van aparte injectie is de significante reductie van olieverbruik en uitstoot. Bij mengsmering wordt alle olie verbrand, wat leidt tot meer rook en afzettingen. Het OMS minimaliseert dit door alleen de noodzakelijke hoeveelheid olie toe te dienen. Bovendien kan bij dit systeem dezelfde hoogwaardige motorolie worden gebruikt als voor het smeren van de rest van het motorblok, in tegenstelling tot speciale tweetaktolie.

Ongeacht de methode vervult de olie niet alleen een smerende, maar ook een koelende functie voor de apexafdichtingen en helpt het deze af te dichten tegen de huiswand. De keuze tussen de systemen weerspiegelt de evolutie van de wankelmotor, waarbij mengsmering staat voor eenvoud en robuustheid, en olie-injectie voor geavanceerde controle en milieubewustzijn.

Oliecirkulatie en koeling in het motorblok

De smering van een rotatiemotor verschilt fundamenteel van een zuigermotor. Waar een zuigermotor een uitgebreid netwerk van oliekanalen in het blok heeft, ontbreekt dit bij een Wankelmotor. Het motorblok, of de behuizing, heeft geen bewegende zuigers of lagers die onder druk gesmeerd moeten worden.

De oliepomp, aangedreven door de krukas, zuigt motorolie uit het carter. Een deel van deze olie wordt onder druk naar de rotorlagers gestuurd. Dit zijn de kritieke lagers waar de excentrische as in draait. Zij krijgen hun smering via interne kanalen in de excentrische as zelf.

Het unieke smeringssysteem voor de rotorzijvlakken en de binnenwand van de behuizing is het metertelsysteem. Kleine meetertjes, of olie-injectoren, spuiten onder druk precies gedoseerde hoeveelheden motorolie rechtstreeks in de inlaatmanifold of de verbrandingskamer. Deze olie mist zich met de inlaatlucht en brandstof.

Deze olienevel smeert de vitale afdichtingslagen: de apex-, zij- en hoekafdichtingen. Zij glijden tegen de epitrochoïdevorm van de behuizing. De olie circuleert hier niet, maar verbrandt mee tijdens het verbrandingsproces. Daarom verbruikt een rotatiemotor actief olie.

Koeling van het motorblok gebeurt primair door het koelmiddel. De behuizing heeft grote watermantels waar koelvloeistof doorheen stroomt om de intense warmte van de verbranding af te voeren. De motorolie draagt bij aan de koeling door wrijvingswarmte van de lagers op te nemen en deze via de oliekoeler af te geven.