Ein dreiecksförmiger Rotor dreht sich in einem speziell geformten Gehäuse und übernimmt dabei die Aufgaben, die beim klassischen Ottomotor einer oder mehrere Kolben und eine Kurbelwelle erledigen. Während beim Hubkolbenmotor die Kolben ihre Richtung ständig wechseln, bewegt sich der Rotor kontinuierlich in eine Richtung. Ansaugen, Verdichten, Verbrennen und Ausstoßen finden dabei gleichzeitig in den drei Kammern des Rotorgehäuses statt.
Das macht den Wankel zu einem ungewöhnlichen Verbrennungsmotor – und erklärt einen großen Teil seiner Vorzüge. Gleichzeitig steckt in der Geometrie aber auch der Grund dafür, warum sich das Prinzip gegen den Hubkolbenmotor nie dauerhaft durchsetzen konnte.
Vorteil 1: Kompakte Bauweise
Der wohl größte Vorteil des Wankels ist seine kompakte Konstruktion. Für die gleiche Leistungsabgabe kann ein Wankelmotor deutlich kleiner ausfallen als ein vergleichbarer Hubkolbenmotor. Zylinder, Kolben, Pleuel, Ventiltrieb und Kurbelwelle entfallen in ihrer klassischen Form.
Das spart nicht nur Gewicht, sondern schafft auch Freiraum für die Konstruktion des Fahrzeugs. Der Motor kann tief und platzsparend eingebaut werden. Gerade im flachen Sportwagen ist das interessant: Ein kleiner und leichter Motor lässt sich weit hinten oder tief im Fahrzeug unterbringen und kann damit die Gewichtsverteilung und den Schwerpunkt positiv beeinflussen.
Auch der Mazda 787B demonstrierte diesen Vorteil eindrucksvoll. Der vierrotorige R26B brachte es in der Wettbewerbs-Abstimmung auf rund 700 PS bei etwa 9.000/min und wog nur ungefähr 122 Kilogramm. Ungedrosselt soll die Maschine sogar für rund 900 PS gut gewesen sein. Die Kombination aus Leistung, Drehzahl und geringem Gewicht war für einen Rennwagen besonders attraktiv.
Vorteil 2: Wenige bewegte Teile
Der Wankel benötigt wesentlich weniger bewegte Komponenten als ein klassischer Hubkolbenmotor. Es gibt keine auf- und ablaufenden Kolben, keine Pleuel und keinen herkömmlichen Ventiltrieb mit Nockenwellen, Ventilen und Federn. Das reduziert die Zahl der Bauteile und ermöglicht eine vergleichsweise einfache mechanische Grundkonstruktion. Gleichzeitig entfallen die hohen Massenkräfte, die bei schnell laufenden Hubkolbenmotoren durch die ständig wechselnde Bewegungsrichtung der Kolben entstehen.
Der Rotor läuft dagegen kontinuierlich um. Das macht den Wankel besonders laufruhig und ermöglicht hohe Drehzahlen. Mazda konnte diese Eigenschaft insbesondere bei seinen Sport- und Rennmotoren ausnutzen.
Vorteil 3: Hohe Drehzahl und Leistungsdichte
Der Wankel kann sehr hohe Drehzahlen erreichen, weil sich seine bewegten Komponenten kontinuierlich drehen. Der Motor muss nicht ständig die Bewegungsrichtung eines Kolbens umkehren. Das erklärt auch die charakteristische Leistungscharakteristik vieler Mazda-Wankel. Der RX-7 etwa kombinierte den kompakten Zweischeibenmotor mit Turboaufladung, während der Rennmotor des 787B bis 9.000/min drehen konnte.
Entscheidend ist dabei die Leistungsdichte: Viel Leistung lässt sich aus einem vergleichsweise kleinen und leichten Motor gewinnen. Genau diese Eigenschaft machte den Wankel für Rennsportanwendungen interessant. Immerhin: 1991 gewann der Mazda 787B als erstes japanisches Fahrzeug und als einziger Wagen mit einem Wankelmotor das 24-Stunden-Rennen von Le Mans.
Vorteil 4: Wenig Vibrationen
Auch beim Laufverhalten besitzt das Prinzip Vorteile. Weil keine schweren Kolben ständig beschleunigt und abgebremst werden, entstehen andere und teilweise geringere Vibrationen als bei einem Hubkolbenmotor. Der Wankel kann deshalb sehr gleichmäßig laufen. Die kontinuierliche Drehbewegung des Rotors sorgt für eine charakteristische Laufruhe, die zu den konstruktiven Besonderheiten des Motors gehört.
Das bedeutet allerdings nicht, dass ein Wankel völlig vibrationsfrei wäre. Auch hier entstehen Kräfte und Unwuchten, die konstruktiv ausgeglichen werden müssen. Doch wo Licht ist, ist auch Schatten – und davon gibt es beim Wankel mindestens genauso viel.
Nachteil 1: Die Brennraumform
Der größte Nachteil des Wankels steckt paradoxerweise in seinem wichtigsten Konstruktionsmerkmal. Die Form des Brennraums ist für eine effiziente Verbrennung ungünstiger als beim modernen Hubkolbenmotor. Der Brennraum ist lang und schmal und besitzt im Verhältnis zum Volumen eine relativ große Oberfläche. Dadurch kann mehr Wärme über die Gehäusewand verloren gehen. Gleichzeitig ist der Weg der Flammenfront vergleichsweise lang.
Das erschwert eine schnelle und vollständige Verbrennung. Ein Teil der Energie des Kraftstoffs geht dadurch verloren, und die Voraussetzungen für einen niedrigen Verbrauch sind ungünstiger.
Nachteil 2: Hohe thermische Belastung
Die Brennräume wandern beim Wankel kontinuierlich entlang der Gehäusewand. Dadurch entstehen unterschiedliche thermische Belastungen an verschiedenen Stellen des Motors. Ein Teil des Gehäuses wird sehr heiß, während andere Bereiche deutlich kühler bleiben. Diese Temperaturunterschiede stellen hohe Anforderungen an Kühlung und Material.
Gerade bei hoher Leistung wird das zum Problem. Der Motor muss die entstehende Wärme zuverlässig abführen, ohne dass Gehäuse, Dichtungen oder andere Komponenten übermäßig belastet werden.
Nachteil 3: Die Abdichtung
Ein weiteres Kernproblem sind die Dichtleisten an den drei Spitzen des Rotors. Die sogenannten Apex-Seals müssen die Brennräume voneinander trennen und gleichzeitig entlang der Gehäusewand gleiten. Das ist eine anspruchsvolle Aufgabe. Die Dichtungen müssen hohen Temperaturen, Druck und Reibung standhalten und gleichzeitig dauerhaft eine ausreichende Abdichtung gewährleisten.
Mazda hat diese Technik über Jahrzehnte weiterentwickelt. Die Probleme verschwanden dadurch aber nicht vollständig. Die Abdichtung gehört bis heute zu den konstruktiven Herausforderungen des Wankelprinzips.
Nachteil 4: Ölverbrauch
Anders als beim klassischen Viertaktmotor lässt sich der Wankel nicht vollständig von der Schmierung der Dichtleisten trennen. Öl muss gezielt in den Ansaug- beziehungsweise Brennraum eingebracht werden, um die Dichtleisten ausreichend zu schmieren.
Ein Teil dieses Öls wird deshalb mitverbrannt. Das erhöht den Ölverbrauch und bringt zusätzliche Emissionen mit sich. Für einen modernen Verbrennungsmotor ist das ein erheblicher Nachteil. Die Abgasnachbehandlung muss nicht nur mit den Verbrennungsprodukten des Kraftstoffs umgehen, sondern auch mit den Produkten der Ölverbrennung.
Nachteil 5: Hoher Verbrauch
Die ungünstige Brennraumgeometrie, die Wärmeverluste und die notwendige thermische Kontrolle wirken sich auf den Wirkungsgrad aus. Besonders problematisch ist der Betrieb unter hoher Last. Um die Temperaturen im Griff zu behalten, kann ein fetteres Gemisch notwendig sein. Dabei wird mehr Kraftstoff eingespritzt, als für eine stöchiometrische Verbrennung eigentlich erforderlich wäre.
Das schützt den Motor, verschlechtert aber den Verbrauch. Genau hier liegt einer der Gründe, warum der Wankel im Alltag gegenüber modernen Hubkolbenmotoren ins Hintertreffen geraten ist.
Nachteil 6: Abgasemissionen
Der Verbrauch ist nicht das einzige Problem. Auch die Abgasnachbehandlung ist beim Wankel anspruchsvoll. Die besondere Verbrennungssituation kann die Bildung bestimmter Schadstoffe begünstigen. Hinzu kommt der bereits erwähnte Ölverbrauch. Gleichzeitig muss die Abgasnachbehandlung mit hohen Abgastemperaturen und unterschiedlichen Abgasströmen zurechtkommen.
Das neue Mazda-Patent zeigt, wie eng diese Probleme miteinander verbunden sind. Die Japaner versuchen, durch Abgasrückführung die Verbrennungstemperatur zu senken und damit insbesondere die Stickoxidbildung zu reduzieren. Gleichzeitig soll das System so kompakt sein, dass der zusätzliche Platzbedarf möglichst gering bleibt.
Der Wankel ist nicht grundsätzlich ineffizient
Trotz dieser Nachteile wäre es falsch, den Wankel pauschal als schlechte Motorenkonstruktion zu bezeichnen. Seine Schwächen sind nicht überall gleich relevant. Im Rennsport etwa können geringes Gewicht, kompakte Abmessungen und hohe Leistungsdichte wichtiger sein als der Kraftstoffverbrauch. Der 787B ist dafür das beste Beispiel. Sein R26B war kein sparsamer Alltagsmotor, aber ein leistungsfähiges Renntriebwerk. Auch als Range Extender kann der Wankel interessante Eigenschaften besitzen. Mazda nutzte im MX-30 R-EV einen kleinen Einscheibenmotor mit 830 cm³, der nicht direkt die Räder antreibt, sondern einen Generator versorgt. Dadurch lässt sich der Motor stärker auf einen bestimmten Betriebsbereich optimieren.
Das neue Patent zeigt, dass Mazda die bekannten Schwächen des Prinzips nicht ignoriert. Im Gegenteil: Die Ingenieure versuchen, sie mit neuen Lösungen gezielt zu entschärfen. Der entscheidende Ansatz ist diesmal die Abgasrückführung. Mazda trennt die Abgasströme, nutzt das heißere Abgas für einen Turbolader und führt das kühlere Abgas über einen in das Motorgehäuse integrierten Kanal zur AGR-Kühlung. Dadurch soll die Verbrennungstemperatur sinken, während der zusätzliche Bauraum für die Abgasnachbehandlung begrenzt bleibt.
Damit versucht Mazda, ausgerechnet eine der größten Schwächen des Wankels – seine schwierige thermische und emissionsseitige Situation – mit den konstruktiven Besonderheiten des Motors zu lösen.
Wankel gegen Hubkolbenmotor
Der Vergleich fällt deshalb nicht eindeutig aus. Der Hubkolbenmotor ist bei Verbrauch, Emissionen und Alltagstauglichkeit überlegen und lässt sich dank jahrzehntelanger Entwicklung sehr effizient betreiben.
Der Wankel punktet dagegen bei Gewicht, Baugröße, Laufruhe und Leistungsdichte. Er besitzt weniger bewegte Teile und kann sehr hohe Drehzahlen erreichen. Seine Vorteile liegen also vor allem dort, wo geringes Gewicht und kompakte Abmessungen besonders wichtig sind.
