How to design a Wankel engine?

Het ontwerpen van een Wankelmotor is een complexe, multidisciplinaire uitdaging die fundamenteel verschilt van het ontwerpen van een traditionele zuigermotor. In plaats van lineaire bewegingen om te zetten, draait het hier om de elegante, maar veeleisende geometrie van een roterende driehoek (de rotor) in een epitrochoïdevormige kamer (de huis). Dit vereist een diepgaand begrip van wiskundige krommen, thermodynamica, materiaalkunde en dynamica.

De kern van het ontwerp ligt in de definitie van de epitrochoïde, de vorm van de motorhuisboring. Deze curve, bepaald door de excentriciteit van de as en de straal van de rotor, is bepalend voor de compressieverhouding, de kamervolumina en de afdichtingspaden. Een minimale afwijking in deze geometrie kan leiden tot verlies van compressie, olieverbruik of mechanische storing. Het ontwerpproces begint dan ook altijd met de precieze berekening en modellering van deze basisvorm.

Vervolgens richt de aandacht zich op het driehoekige rotorprofiel en het kritische afdichtingssysteem. De apex-afdichtingen op de hoeken van de rotor en de zij-afdichtingen moeten bestand zijn tegen extreme temperaturen en slijtage, terwijl ze soepel over het motorhuisoppervlak glijden. De keuze van materialen, de koelkanalen in de rotor en de smering zijn hierbij van levensbelang. Een succesvol ontwerp moet de inherente voordelen van de Wankel – compactheid, hoog toerental en soepele werking – in evenwicht brengen met de uitdagingen op het gebied van verbrandingsefficiëntie en duurzaamheid.

Hoe ontwerp je een Wankelmotor?

Het ontwerpen van een Wankelmotor begint met het bepalen van de centrale parameters: het motorkamer- of epitrochoïde-vorm en de rotorafmetingen. De behuizing heeft een epitrochoïde kromme, meestal beschreven door de formule R = e * cos(3α) + a. Hierbij is 'R' de straal, 'e' de excentriciteit, en 'a' de offset-afstand. De vorm is kritisch voor een goede afdichting en compressieverhouding.

De driehoekige rotor met afgeronde zijden (Reuleaux-driehoek) wordt ontworpen om binnen deze behuizing te roteren. Het hart van het ontwerp is de excentrische as. De rotordraaiing wordt bepaald door de tandwielverhouding tussen een vast tandwiel op de behuizing en een rondsel op de rotor, met een verhouding van 3:1. Voor elke rotatie van de excentrische as voltooit de rotor één derde van een draai, waardoor drie arbeidsslagen ontstaan.

Afdichting is het meest complexe aspect. Het ontwerp moet een compleet afdichtingssysteem omvatten: apex-afdichtingsstrips in de hoeken van de rotor, zij- of kantplaatafdichtingen, en boog-afdichtingsstrips. De materiaalkeuze, vaak keramisch of gespecialiseerd koolstofcomposiet, is essentieel voor slijtvastheid en warmtegeleiding.

De koeling vereist een dual-circuit ontwerp. De rotor wordt vaak intern gekoeld met olie, terwijl de behuizing waterkanalen nodig heeft rond de verbrandingskamer en uitlaatpoort. De plaatsing van de inlaat- en uitlaatpoorten in de zijbehuizing of de epitrochoïde wand beïnvloedt het vullingsrendement en het toerengebied sterk.

Een succesvol ontwerp vereist geavanceerde computermodellering (CAD) en simulaties (CAE) voor thermische, structurele en stromingsanalyse. Prototype-testen is onmisbaar om de theoretische afdichtingsdruk, warmteafvoer en duurzaamheid van de unieke bewegende delen te valideren.

De geometrie van de epitrochoïde en de rotor bepalen

De kern van het Wankel-ontwerp ligt in de wiskundige relatie tussen de behuizing (stator) en de rotor. De vorm van de binnenkant van de behuizing is een epitrochoïde, een curve die ontstaat door een punt op (of binnen) een cirkel die rolt zonder glijden langs de buitenkant van een vaste cirkel. De rotor heeft een bijna driehoekige vorm met bolle zijden, een zogenaamde Reuleaux-driehoek.

De ontwerpparameters die deze vormen bepalen, zijn:

• Excentriciteit (E): De afstand tussen het middelpunt van de rotor en het middelpunt van de uitgaande as (eccentrische as). Dit is de straal van de "baan" die de rotor beschrijft.



• Genererende straal (R): De straal van de rollende cirkel die de epitrochoïde genereert. Dit bepaalt de grootte van de behuizing.



• Rotorstraal (A): De afstand van het middelpunt van de rotor naar de top (apex). Dit bepaalt de grootte van de rotor zelf.

De fundamentele formule die deze parameters verbindt en ervoor zorgt dat de rotor constant contact houdt met de behuizing, is: R = 3E. Dit betekent dat de genererende straal driemaal de excentriciteit is. De rotorstraal (A) wordt dan typisch bepaald door: A = 2E.

Het ontwerpproces verloopt in deze volgorde:

1. Kies de excentriciteit (E) op basis van gewenste motorafmetingen en slagvolume.



2. Bereken de genererende straal (R = 3E) om de basisgrootte van de behuizing vast te leggen.



3. Construeer de epitrochoïde met behulp van de parametrische vergelijkingen:
   
   
   
   
   
   • X = R * cos(θ) + E * cos(3θ)
   
   
   
   • Y = R * sin(θ) + E * sin(3θ)
   
   
   
   
   
   

   Hier is θ de hoek van de roterende eccentrische as.

   
   
   



4. Vorm de rotor als een gelijkzijdige driehoek met afgeronde, bolle zijden. De hoekpunten (apexen) bewegen exact langs de geconstrueerde epitrochoïde. De zijden van de rotor zijn geen rechte lijnen, maar krommen die parallel lopen aan de epitrochoïde, op een afstand bepaald door de apex-afdichting.

De verhouding tussen R en E bepaalt ook de excentriciteitsverhouding (K = R/E). Voor een Wankelmotor is K altijd gelijk aan 3. Dit resulteert in een epitrochoïde met twee lobben, wat overeenkomt met de drie kamers die door de rotor worden gevormd. De vorm van de rotorzijde is de wiskundige omhullende van alle mogelijke posities van de epitrochoïde, gezien vanuit het bewegende rotorcentrum.

Het smerings- en koelsysteem voor de rotorhuizen plannen

De rotorhuizen vormen de primaire verbrandingskamers en ondergaan extreme thermische en mechanische belasting. Een robuust smerings- en koelsysteem is essentieel voor duurzaamheid en vermogen.

Het koelsysteem vereist een zorgvuldig ontworpen watermantel rond elk rotorhuis. Deze mantel moet een gelijkmatige stroming garanderen, met speciale aandacht voor de hete uitlaatzijde en de apex-zone waar de afdichtingssegmenten hitte concentreren. Thermosifon-effecten moeten worden vermeden door strategische inlaat- en uitlaatplaatsing.

Smering van de rotorhuizen is indirect maar cruciaal. Olie wordt geïnjecteerd in de inlaatluchtstroom of rechtstreeks in de brandstof. Deze olienevel smeert de apex-afdichtingen en de trochoïde-oppervlakken op het binnenoppervlak van het huis. De dosering moet precies zijn: te weinig olie leidt tot slijtage, te veel veroorzaakt rook en verhoogde emissies.

Een apart oliekanaalsysteem in het motorblok is nodig voor de lagers en tandwielen van de eccentrische as. Dit gesloten systeem moet strikt gescheiden blijven van het motorkamer-smeersysteem om olievervuiling en verbrandingsproblemen te voorkomen.

Materialen spelen een sleutelrol. Het rotorhuis, vaak van aluminium met een harde chroom- of nikasil-coating, moet optimale warmtegeleiding combineren met slijtvastheid. Het koelmiddel en de motorolie moeten specifieke additieven bevatten om tegen hoge temperaturen en mengselvorming met brandstof bestand te zijn.