Auto und Technik: Wie funktioniert eigentlich ein Wankelmotor?

Keine Hubbewegungen, kaum Vibrationen, dafür ein geschmeidiger Motorlauf: Der Wankelmotor bietet einige Vorzüge. Allerdings auch ein paar Nachteile.

Der Wankelmotor ist zurück: Im E-SUV MX-30 von Mazda fungiert er als Reichweitenverlängerer, erzeugt also Strom, der für den Antrieb genutzt wurde. In dem Hybridfahrzeug ganz besonderer Art treibt der Wankel mit konstanter Drehzahl einen Generator an und lädt damit je nach Fahrzustand die Batterie oder leitet die Energie direkt an den E-Motor. Damit fährt das SUV weiter rein elektrisch.

Für viele Jahre war das Prinzip aus modernen Autos verschwunden, nur die Japaner hielten mit Modellen wie dem RX-7 und RX-8 diesem ganz besonderen Motor lange die Treue. Doch was steckt hinter seinem Prinzip?

Die Erfindung des Wankelmotors

Der Name Wankel stammt vom Tüftler Felix Heinrich Wankel. In den 1930er-Jahren entwickelt er neue Motoren, konzipiert eine Drehkolbenmaschine und erfindet 1954 den Rotationskolben-Motor. Drei Jahre später konstruiert ein NSU-Mitarbeiter den heute als Wankel bekannten Kreiskolben-Wankelmotor.

Funktionsweise des Wankelmotors

Das Grundprinzip: Im Gegensatz zum Hubkolbenmotor verwendet der Wankel einen dreiecksförmigen Kreiskolben, der in einer ovalen Kammer rotiert und sich hierbei um die eigene Achse dreht. Ansaugen, Verdichten, Zünden und Auslassen sind wie beim Hubkolbenmotor die vier Schritte, um aus Kraftstoff Bewegung zu erzeugen: Die freiwerdende Energie wird hier gleich als Drehbewegung weitergegeben. Ein geschmeidiger, turbinenähnlicher Lauf entsteht. Zudem entfallen viele vom Hubkolbenmotor bekannte Bauteile wie die Ventile. Anfangs besitzen die Motoren eine Kammer, später zwei – der Hubraum liegt damit oft deutlich höher als bei Hubkolbenmotoren.

Nur wenige Modelle gehen in Serie

1960 läuft der Motor erstmals in einem NSU Prinz III, 1963 präsentiert NSU mit dem Wankel Spider den ersten Serienwagen mit Wankel. Im selben Jahr zeigt Mazda einen ersten Versuchswagen mit der Technik, ein Jahr später geht der NSU in Serie. Mehrere Hersteller entdecken den Wankel als Alternative für sich. NSU, Mazda, General Motors, Mercedes und Toyota experimentieren damit, aber auch MAN, Rolls-Royce, Porsche, Nissan, Suzuki, Ford, Kawasaki und Yamaha erwerben Lizenzen. Es folgen Experimentalfahrzeuge wie der Citroën M35 und der Mercedes C 111 Ende der 1960er. Der Vierscheiben-Wankelmotor im C 111 leistet 350 PS und beschleunigt das Versuchsfahrzeug auf bis zu 290 km/h.

Große Bekanntheit erreicht das Motorprinzip ab 1967 in Deutschland im NSU Ro 80 (Ro für Rotationskolbenmotor), in Japan mit dem Mazda 110 Cosmo Sport. Erfolg hat der Motor nur bei Mazda. Nach dem 110 Cosmo Sport folgt 1968 der R100, ein Jahr später der R130 – Fahrzeuge, die in Deutschland offiziell nicht angeboten werden.

Erst der RX-5 (ab 1975) und der RX-7 kommen mit der Technik zu uns. Mit dem RX-7 gelingt Mazda der Durchbruch außerhalb Japans. Das Sportcoupé verkauft sich gut, wird mehrfach überarbeitet und erhält mit dem RX-8 erst 2002 einen Nachfolger, der bis 2012 produziert wird. Die Leistung des Zweikammer-Motors reicht von 192 bis 231 PS. Bis vor Kurzem war es das letzte Serienauto mit dieser Technik – mit der Einführung der Euro-5-Abgasnorm endete diese Ära. zunächst.

Das sind die Vorteile des Wankelmotors

Die Technologie hat ihre Vorzüge. "Die Vorteile des Rotationskolben-Motors liegen in seiner kompakten Bauweise und seinem vibrationsfreien Lauf, da der Motor im Unterschied zum Hubkolbenmotor keine oszillierenden Massen und keine freien Massenkräfte besitzt", erklärt Professor Stefan Pischinger von der RWTH Aachen. Deshalb ist er prädestiniert als Range Extender für kleine und kompakte Elektrofahrzeuge, bei denen der Fahrer einen ruhigen Motorlauf erwartet – so wie beim Mazda MX-30.

Die Nachteile des Wankelmotors

Dabei bestätigten die Wissenschaftler einige Nachteile, wie eine komplexe Abdichtung des Kolbens zur Brennkammer und eine ungünstige Brennraumform. "Eine wirksame Abdichtung mittels Dichtleisten beim Wankelmotor bedeutet zwar eine technische Herausforderung, ist aber lösbar", sagt Professor Pischinger. Der Hauptnachteil des Wankels liege im langgezogenen Brennraum, in dem das Kraftstoff-Luftgemisch viel Kontakt mit der Brennraumwand habe und zu langsam verbrenne. Dadurch steigen der Kraftstoffverbrauch und damit die CO2-Emissionen in den Versuchen der RWTH um bis zu 15 Prozent. 14 bis 16 Liter pro 100 Kilometer sind die Regel.

"Mit Wasserstoff als Kraftstoff werden die Nachteile zum Teil aufgehoben, da Wasserstoff sechsmal schneller brennt als Benzin", sagt Professor Pischinger. Allerdings liegen die Herstellungskosten von Wankelmotoren deutlich höher als bei konventionellen Hubkolbenmotoren. "Es gibt durchaus Anwendungen, bei dem der Einsatz eines Wankelmotors sinnvoll erscheint, aber die Nachteile des höheren Kraftstoffverbrauchs bleiben bestehen."

So soll der Wankel endlich effizient arbeiten

Die Wirkungsgrad-Nachteile des Wankel-Prinzips will Mazda nun im MX-30 gelöst haben, indem der Motor nur im optimalen Last- und Drehzahlbereich betrieben wird. Mithilfe des 75 PS starken Wankels steigt die mögliche Gesamtreichweite auf rund 680 Kilometer. Im Gegenzug fällt die schwere Hochvolt-Batterie kleiner aus, sodass die rein elektrische Reichweite bei 85 Kilometern liegt.

NSU Ro 80: Beliebtes Wankel-Modell als Oldtimer

Matthias Steil kümmert sich als Technikreferent beim Ro 80 Club International um technische Fragen der mehr als 1.000 Mitglieder. Er kennt jede Schraube vom "Kreiskolbenmotor System NSU Wankel" mit Vornamen. "Auch wenn der Wankel mit seinen nur fünf beweglichen Teilen im Vergleich zum Hubkolbenmotor wenig bewegliche Teile bietet, so ist seine Abdichtungstechnik komplex und war in der Anfangszeit anfällig", sagt Steil. Es sei aber ein Gerücht, dass Wankelmotoren schnell verschleißen. Bei guter Pflege hielten die Motoren weit über 100.000 Kilometer. Nur die ersten Baujahre bis Mitte 1969 hätten ein Standfestigkeitsproblem und manchmal kaum 20.000 Kilometer geschafft, sagt Steil. "Die letzten Baujahre ab Sommer 1975 arbeiten hingegen zuverlässig, da sie haltbare Laufflächen und abriebfeste Dichtleisten aus Eisentitancarbid besitzen."

Für den Experten liegen die Vorteile des Wankels noch heute in der Laufruhe und Vibrationsarmut. "Beim Zweischeiben-Wankel wie dem Ro 80 bleibt bei laufendem Motor eine Zwei-Euro-Münze senkrecht auf dem Motor stehen, so geschmeidig läuft er", sagt Steil. "Dazu kann der Motor wegen seiner kompakten Bauweise tief sitzen, was eine niedrige Front für einen niedrigen Vorderwagen ermöglicht."

Der Ro 80 ist sehr durstig – das ist der Grund

Als Nachteil sieht er den höheren Verbrauch und den höheren Schadstoffausstoß, begründet in den flachen Brennräumen und deren großer Oberfläche und dem damit zusammenhängenden niedrigen Wirkungsgrad. Im Stadtverkehr benötigt der Ro 80 bis zu 16 Liter auf 100 Kilometer. Das liegt aber nur zum Teil am Motorenkonzept, es hat auch mit dem halbautomatischen Dreigang-Getriebe zu tun. Der lang übersetzte erste Gang reicht bis 85 km/h. Auf der Autobahn bei moderatem Tempo verbraucht der NSU um die elf Liter. Erfahrungen, die Felix Wankel nie machen konnte. Wankel besaß wegen seiner extremen Kurzsichtigkeit keinen Führerschein.