موتور چرخشی روتاری
نسل جديد موتور پرقدرت و کوچک وانکل بر روى خودروى مزدا تاکنون نظر بسيارى را به خود جلب کرده است، مزدا RX 8خودروئى است که با موتور پيستونى کار نمى‌کند.
موتورهای وانکل به خاطر اندازهٔ کوچک موتور و برخوردارى از موتور گردشى بدون پيستون يک نمونهٔ منحصربه‌فرد در صنعت خودرو هستند،البته اين موتورها پس از گذشت چهار دهه استفاده ازموتور وانکل اين سامانه دوباره درمزدا متولد شده است.
اين موتور از موتورهای قبلى خودروها بسيار کوچکتر است ولى توانائى کسب قدرت بالائى نسبت به موتورهای پيستونى را دارد. به‌عنوان مثال يک موتور۱۳۰۰سى‌سى حجم،قدرت ۲۵۰ اسب بخار را توليد مى‌کند و داراى دورى معادل ۸۵۰۰ دور دردقيقه است.
کارآئى گرمائى موتورهای وانکل به‌دليل هم‌زمانى سه مرحلهٔ مکش،تخليه و انفجار بسيار بالا است و اين عملکرد باعث مى‌شود در سرعت بالا نيز اين خودروها با حالت فقيرسوزى توانائى کارکرد داشته باشند. مکش بالا و سيستم انژکتورى در موتور وانکل باعث مى‌شود در هر سرعت، احتراق کامل صورت گيرد؛ اين موتورهابه‌صورتى ساخته شده‌اند که نسبت به موتورهای معمولى اکسيد نيتروژن کمترى توليدکنند.
اگزوزهاى کنارى اين موتورها، هيدروکربن‌هاى نسوخته را گرفته و آن را براى احتراق بعدى آماده مى‌کند. ويژگى اين موتور تبديل‌کنندهٔ کاتاليز و مانیفولد خاص اگزوز دو لايه آن است که دماى گازهاى خروجى را حفظ مى‌کند تا عمل کاتاليز هنگام روشن شدن موتور، حتى در شرايط سرد، عملکرد قابل قبولى داشته باشد.
اساس کار موتوروانکل مانند ساير موتورهای احتراق داخلى است که در آن، انرژى شيميائى به حرارتی وبعد به انرژى مکانيکى تبديل مى‌شود. در موتور وانکل مانند موتورهای بنزين ”چهارزمان“ وجود دارد که مخلوط هوا و بنزين وارد محفظه‌اى از موتور مى‌شود سپس با کوچک شدن حجم آن، مخلوط هوا و بنزين تحت فشار قرار گرفته و با ايجاد جرقه از طريق شمع انفجار حاصل مى‌شود. مولکول‌هاى گاز بر اثر احتراق منبسط مى‌شود بنابراين فشارمحفظهٔ تراکم به شدت بالا مى‌رود نيروى آن به روتور اعمال شده و به‌دليل اختلاف مرکز دوران بين روتور و ميل‌لنگ، نيروى چرخش در روتور توليد مى‌شود.
اين نيروى چرخشى به بادامک محور که در داخل روتور قرار دارد، وارد مى‌شود و باعث چرخش محورمتصل به چرخ‌ها مى‌شود. در موتورهای پيستونى چرخهٔ کامل در چهار زمان و يا در دوزمان انجام مى‌شود، در موتور وانکل نمى‌توان اين اصطلاح را به‌کار برد زيرا حرکت مشخصى در يک زمان مشخص، قابل تفکيک نيست تنها مى‌توان گفت عمليات انجام شده چرخه‌اى خودکار است.
اساسى‌ترين اختلاف بين موتور پيستونى و نوع روتورى در حرکت پيستون وروتور است. در موتور وانکل، پيستون به روتور تبديل مى‌شود که جسمى است معمولاً مثلثى شکل با وجوه محدّب که در داخل محفظهٔ مخصوص، حرکت دورانی مى‌کند. حذف قطعات متحرک يکى از مزاياى موتور وانکل از نظر صرفهٔ اقتصادى محسوب مى‌شود. در موتور وانکل محفظهٔ عمليات به شکل مخصوصى ساخته مى‌شود و همان وظيفه را دارد که سيلندر موتورهاى پيستونى عهده‌دار است يعنى با گردش روتور در داخل آن، تغيير حجم به‌وجود مى‌آيد و عمليات احتراق صورت مى‌گيرد، روتور جانشين پيستون مى‌شود و همان وظيفه را انجام مى‌دهد يعنى گاز را متراکم مى‌کند نيروى احتراق را تحمل مى‌کند و نيروى توليد خود را به بادامک انتقال نيرو، منتقل مى‌کند. در موتورهای خودرو معمولاً يک يا دو روتور وجود دارد، بنابراين محور موتور معمولاً يک بادامک يا دو بادامکى است. با مقايسه با چهار لنگ موجود بر روى ميل‌لنگ موتور هفت سيلندر، فضاى بسيار کمى در موتور وانکل اشغال مى‌شود. کشور ايران با توليد موتورهای وانکل سرى جديد ”مزدا“ در حال بازگشت به صنعت خودرو است که در صورت برطرف شدن معايب اين موتورها، صنعت خودرو جهان شاه درشد قابل توجهى در قيمت و قدرت خودروها خواهد بود.
تاريخچه موتور وانکل
موتورهای پیستون روتوری (دورانی) که به موتورهای وانکل معروف هستند براي اولين بار توسط مخترع آلماني فليکس وانکل (Felix Wankel ) در سال 1957 طراحي و ساخته ودر سال 1964 اولين نمونه اين نوع موتور به توليد انبوه رسيد، که از آن زمان تا کنون اين موتور دوزمانه، تحت پژوهش و تکامل قرار گرفته است.
موتورهای دورانی (وانکل) زير مجموعه موتورهای احتراق داخلی می باشند. اما شيوه کار آنها با موتورهای رايج پيستونی کاملاً متفاوت است. در موتورهای پيستونی يک حجم يکسان و مشخص (حجم سيلندر) بصورت پی در پی تحت تأثير چهار فرآيند, مکش, تراکم, احتراق و تخليه قرار مي گيرد؛ حال اينکه در موتورهای دورانی هر کدام از اين چهار فرآيند در نواحی خاصی از محفظه سيلندر که تنها متعلق به همان فرآيند می باشد صورت می پذيرد. درست مثل اينکه برای هر فرآيند سيلندر مربوط به خودش را اختصاص داده باشيم و پيستون بصورت پيوسته از يکی به ديگری حرکت مي کند تا چهار فرآيند سيکل اتو را کامل نمايد.
موتورهای دورانی همانند موتورهای پيستونی از انرژی فشار ايجاد شده بواسطه احتراق مخلوط سوخت و هوا استفاده می کنند؛ در موتورهای پيستونی فشار ناشی از احتراق به پيستونها نيرو وارد کرده و آنها را به عقب و جلو می راند. شاتون و ميل لنگ اين حرکت رفت و برگشتی پيستونها را به حرکت دورانی و قابل استفاده برای خودرو تبديل می کنند. در صورتيکه در موتورهای دورانی, فشار ناشی از احتراق، نيرويی را بر سطح يک روتور مثلث شکل که کاملاً محفظه احتراق را نشت بندی کرده است، وارد می کند. اين قطعه (روتور) همان چيزي است که بجای پيستون از آن استفاده می شود.
روتور در مسيری بيضی شکل حرکت می کند؛ بگونه ای که هميشه سه راس اين روتور را در تماس با محفظه سيلندر نگه داشته و سه حجم جداگانه از گازها, بين سه سطح روتور و محفظه سیلندر ایجاد می کند.
همچنان که روتور حرکت می کند هر کدام از اين سه حجم پی در پی منبسط و منقبض می شوند؛ و همين انقباض و انبساط است که مخلوط هوا و سوخت را به داخل سيلندر می کشد, آنرا متراکم می کند, در طول فرآيند انبساط توان مفيد توليد می کند و گازهای سوخته را بيرون می راند.
باتوجه به جديد بودن موتور وانکل پيشرفت نسبی مناسبی در آن بوجود آمده است، زيرا موتورهای پيستونی که از اختراع آن حدود130سال مي گذرد در سالهای اخير تکامل نسبی پيدا کرده اند. اولين موتور پيستونی احتراق داخلی درسال 1878 ميلادی بوسيله دکتر نيکلاس اتو، طرح گرديد ولی موتور وانکل مربوط به 50 سال اخير است .
امروزه کارخانه هاي NSU آلمان، ToyoKogyo ژاپن،و کرتيس رايت آمريکا از موتور وانکل در انواع خودروها،ايرکرافت،و ساير موتور های صنعتی و مسابقه ای استفاده مي کنند.
اختلاف ها و شباه ها در موتور های پيستونی و موتور های وانکل(روتوری)
1- اساسی ترين اختلاف بين موتور های پيستونی و نوع روتوری در حركت روتور است.
2-درموتور های وانكل پيستون به روتور تبديل گرديده كه جسمی است مثلثی شكل و با وجوه محدب در داخل محفظه مخصوصی حركت دورانی ميكند.
3- در موتور هاي وانكل شاتون وجود ندارد بنابراين قدرت اعمال شده بر روتور بلافاصله بر محور موتور كه هر دو حركت دورانی هم جهت دارند منتقل ميشود.
4-در موتور وانكل قطعات زيادی حذف شده است و حذف اين قطعات هم به جهت وزنی و هم به جهت اتلاف نشدن انرژی جز مزايای موتور وانكل محسوب ميشود. در حقيقت قطعات بكار رفته در موتور وانكل نصف موتور های رايج بودو بعلاوه حجم منتاژ شده موتور های وانكل خیلی كمتر از موتور های رايج بوده .
5-كيفيت كاری موتور وانكل به دليل هايی كه در بحث می آيد بيشتر از موتور هاي رايج است.
6- در موتور وانكل ميلنگ به فرم رايج U نيست و در واقع به شكل بادامك در آمده است كه در محفظه خالی وسط رتور قرار گرفته و با هم حركت ميكنند و به عبارت ديگر قسمت تو خالی وسط روتور ياتاقان بادامك محور موتور ميباشد و از همين ياتاقان نيروی روتور به بادامك و محور انتقال پيدا ميكند .
7-در وتور هاي خودرو معمولآ يك يا دو روتور وجود دارد ينابراين محور موتور معمولآ يك يا دو بادمكي ميباشد بنابراين با مقايسه با چهار لنگ موجود در ميلنگ موتور هشت سيلندر V شكل(از لحاظ توان خروجي برابرند) فضایی بسيار كمی در موتور وانكل اشغال ميشود.
بصورت جرئی تر :
1)دريک لحظه معين عمليات مختلفی در سه وجه روتور اتفاق می افتد، که هيچ گونه تشابهی با يکديگر ندارند.
2)بر حسب معمول عمليات احتراق با سيکل اتو مقايسه می شود که در موتور های پيستونی رفت و برگشتی معمول است،بنابراين بعلت هم زمانی عمليات سه گانه تجسم آن کمی دشوار است.
3)قطعات متحرک کمتر: همان طور که در مطالب قبلی هم ذکر شد، موتورهای دورانی در مقايسه با موتورهای چهار زمانه پيستونی قطعات متحرک کمتری دارند. يک موتور دورانی دو روتوره، سه قطعه متحرک اصلی يعنی “دو روتور و محور خروجی، درحالی که ساده ترين موتورهای پيستونی چهار سيلندر دست کم 30تا40 قطعه متحرک بيشتردارند،برای مثال” پيستونها، شاتونها، ميل لنگ، ميل بادامک، سيتم اهرم بندي سوپاپ ها، تسمه تايمينگ و … ،کم بودن قطعات متحرک مي تواند دليلي بر قابليت هاي موتورهای دورانی باشد.
در موتور دورانی تعداد قسمت هاي متحرک به مراتب کمتر از يک موتور پيستوني مشابه است.يک موتور دورانی دو روتوره سه قسمت متحرک دارد:دو روتور و يک شفت خروجي.حتي ساده ترين موتور پيستوني چهار سيلندر،حداقل 40 قسمت متحرک دارد:پيستون ها،ميل بادامک،سوپاپ ها،فنر سوپاپ ها،رقاصک ها،تسمه تايم،چرخ دنده ها و ميل لنگ،ميله هاي رابط.
اين تعداد کم قسمت هاي متحرک،قابليت اطمينان موتورهای درواني را بالا مي برد.به همين دليل است که بعضي از سازندگان فضاپيما،موتورهای دورانی را ترجيح مي دهند.
همه ی قسمت هاي موتور دورانی در يک جهت و به طور پيوسته مي چرخند و تغيير جهت هاي ناگهاني (مانند پيستون ها) وجود ندارد.
موتورهای دورانی از نظر داخلي به وسيله ی وزنه هاي تعادلي چرخان ،که براي از بين بردن ارتعاشات نصب شده اند، متعادل مي شوند.
تحويل نيرو در موتورهای چرخان نيز يکنواخت تر انجام مي شود.از آنجاکه هر مرحله احتراق در چرخس روتور به اندازه ی 90 درجه پايان مي يابد و شفت خروجي به ازاي هر دور روتور، سه دور مي زند، بنابراين هر مرحله احتراق پس از 270 درجه چرخش شفت خروجي پايان مي يابد. اين بدان معني است که يک موتور تک روتوره،براي 4/3 از هر دور چرخش شفت خروجي ، نيروي محرکه توليد مي کند. اين را مقايسه کنيد با يک موتور تک سيلندر پيستوني که در آن احتراق در 180 درجه از دو دوران کامل اتفاق مي افتد (يعني 4/1 از هر چرخش ميل لنگ)
4 )کارکرد نرم و بدون لرزه : تمام قطعات موتور دورانی بطور پيوسته در حال چرخش اند، آن هم در يک جهت،که در مقايسه با تغيير جهت شديد قطعات متحرک در موتورهای پيستونی از جايگاه خاصی برخوردارند.
موتورهای دورانی بدليل تقارن خاص قطعات گردنده داراي بالانس داخلی می باشند که هرگونه ارتعاشي را از بين می برد، همچنين انتقال قدرت در موتورهای دورانی نيز نرم تر است، زيرا هر احتراق در طول 90درجه چرخش روتور حاصل مي شود.
از آنجايي که چرخش محور خروجي سه برابر چرخش روتور است پس هر احتراق در طول 270درجه چرخش محورخروجي حاصل مي گردد، اين يعني يک موتور تک روتوره در سه بار،يک سوم گردش محورخروجي خود، قدرت انتقال مي دهدکه در مقايسه با موتور تک سيلندر پيستوني که احتراق در طول 180درجه از دو دور گردش ميل لنگ يا يک سوم گردش محور خروجي آن صورت مي گيرد.
تمام قطعات موتور دورانی بطور پيوسته در حال چرخش آن هم در يک جهت مي باشد که در مقايسه با تغيير جهت شديد قطعات متحرک در موتورهای پيستوني از ارجحيت خاصي برخوردار است.موتورهای دورانی بدليل تقارن خاص قطعات گردنده داراي بالانس داخلي است که هرگونه ارتعاشي را از بين مي برد. همچنين انتقال قدرت در موتورهای دورانی نيز نرم تر است ؛ زيرا هر احتراق در طول 90 درجه چرخش روتور حاصل مي شود. از آنجاييکه چرخش محور خروجي سه برابر چرخش روتور است پس هر احتراق در طول 270 درجه چرخش محورخروجي حاصل مي گردد.اين يعني يک موتور تک روتوره در سه ربع گردش محورخروجي خود قدرت انتقال مي دهد؛ در مقايسه با موتور تک سيلندر پيستوني که احتراق در طول 180 درجه از دو دور گردش ميل لنگ يا يک ربع گردش محور خروجي آن رخ مي دهد.
5) کار آهسته تر : بدليل گردش روتور در يک سوم گردش محور خروجی آن، قطعات اصلی موتور آهسته تر از قطعات موتورهای پيستونی حرکت می کنند،واين مزيت قابليت اطمينان به اين موتور را بالا می برد.
از آن جا که روتور ها با سرعتی به اندازه 3/1 سرعت شفت خروجی می چرخند، قسمت های متحرک موتور دورانی آرامتر از قسمت های موتور پيستونی حرکت می کنند. که اين موضوع قابليت اطمينان موتور هاي دورانی را افزايش مي دهد.
از آنجاييکه گردش روتور يک سوم گردش محور خروجي آن است, قطعات اصلي موتور آهسته تر از قطعات موتورهای پيستوني حرکت مي کنند. که اين موضوع قابليت اطمينان به اين موتور را بالا مي برد.
6) از آنجا که روغن موتور در موتور وانکل بطور مستقيم در معرض دودها و گازها قرار ندارد لذا به ندرت آلوده شده و تعويض مرتب روغن چندان ضروری نيست.
7 ) روغنکاری ياتاقان های موتور دقيقا مانند موتور های پيستونی بوده و با روغن تحت فشار اويل پمپ انجام ميگيرد،ولي روغنکاری رينگ ها بصورت اختلاتی بابنزين می باشد (مانند موتورهای دوزمانه بنزينی).
8 ) هر دو نوع موتور سوخت يکسانی را مصرف مي کنند(بنزين).
9 ) هر دو نوع موتور نياز به سيستم جرقه زنی دارند.
10 ) برای هر دو موتور می توان سيستم کاربراتور يا انژکتور را انتخاب نمود.
11 ) وسيله خنک کاری هر دو موتور مي تواند آبی يا هوايی باشد.
ساختمان موتور وانکل و اصلاحات انجام شده
جنس ساختمانی موتور وانکل از همان موادی است که در موتورهای پيستوني با آن ساخته مي شوند، در اين موتور هم از آلياژ آلومينيوم ، چدن و فولاد بکار می رود.در يک موتور وانکل تک واحدي، ازشش تا هشت قسمت اصلي تشکيل شده است که به آنها اشاره ميکنم.
1 ) يک محور اصلی وجود دارد که جانشين ميل لنگ در موتورهای پيستونی بوده و محور لنگ حذف گرديده وبجاي آن بادامک گرد خارج از مرکز ساخته شده است.اين قسمت بادامک خارج از مرکزکه استوانه اي شکل است، در داخل روتور بصورت ياتاقاني قرار می گيرد.
2 ) يک روتور ديده مي شود که منشوری شکل است،و وجوه جانبی آن محدب می باشد.در وسط روتور، استوانه ای توخالي ايجاد شده که باداشتن تکيه گاه ياتاقانی (بابيتی يا رولبرينگی) روی بادامک محور اصلی قرار می گيرد. بين مرکز بادامک استوانه ای و مرکز محور اصلی فاصله ای وجود دارد که به آن شعاع خارج از مرکز گفته می شود، که جانشين شعاع لنگ ميل لنگ،در موتور های پيستونی می باشد.به عبارت ديگر گشتاور موتور عبارتست از نيروی واردشده بر روتور، ضربدر فاصله خارج از مرکز .
3 ) يک محفظه که شکل مخصوصي دارد، که کار سيلندر را در موتور وانکل را انجام می دهد. اين محفظه مانند دو استوانه متداخل مي باشد که در دوقسمت وسط دو برجستگی وجود دارد. در اطراف محفظه مجاری آب براي خنک کاری موتور ، دريچه ورودی و خروجی ( اگر دريچه ها در محيط محفظه باشند ) و جای شمع وجود دارد.
4 ) دو درپوش در دوطرف محفظه قرار داردکه بوسيله پيچ های بلند به يکديگر متصل وبا محفظه اصلی يک مجموعه را تشکيل مي دهند.
ياتاقان بندی محور اصلی، درخارج از هر درپوش تکيه گاه ياتاقان بندی شده تا با اين طراحی، بار موتور از روي آنها حذف گردد.
5 ) دو وزنه تعادل که در روی محور اصلی قرار گرفته، در مقابل بادامک خارج از مرکز نصب شده، و تعادل ديناميکی به محور می دهد.
6 ) نصب دنده ای بر روی محور اصلي برای درگيری با دنده موتور استارت .
واحد های روتور در موتور وانکل
براي افزودن واحد های روتور کافی است عوامل زير اضافه شوند
روتور، محفظه، ديواره واسطه، محور جديد
قطعات حساس موتور وانکل
محفظه عمليات، روتور، رينگها و محور اصلی.
محفظه عمليات در طرحهاي گوناگون ساخته می شود اما از بهترين طرحها می توان به نوع، اپی تروکوئيد اشاره کرد که شبيه دواستوانه متداخل می باشد.
از نظر طراحان هر يک از محفظه های موتور که عملی جدا از محفظه ديگر انجام ميدهد بايد نسبت به هم کاملا جداسازی و گاز بندی باشند. تحقق اين خواسته مهمترين دشواری موتور وانکل محسوب می شود. اگر رينگ های پيشانی که در رئوس روتور قرار دارند سخت تر بسازند تا ساییدگی کمتری داشته باشند، در اينصورت محيط محفظه را خراش داده و ايجاد خطوط ناصاف می کند. اخيرا مواد مختلفی براي ساختن رينگ هابکار می برند که خاصيت روانکاری بهتری دارند. شرکت مزدا از رينگهای کربنی استفاده کرده و يا اخيرا مواد ترکيبی بدست آورده اند که از تزريق پودر آلومينيوم در مجاورت گرما ، پخته شده و جسم محکم کم اسطکاکی بوجود آوردند ويا در از موارد از رينگهاي سراميکی استفاده ميشود.
قدرت موتور وانکل
قدرت خروجی موتوروانکل مانند موتورهای دوزمانه محاسبه می شود،(البته محاسبه حجم مفيد موتور وانکل پيچيده تر است).
قدرت يک موتور دو روتوری وانکل، برابر يک موتور چهار سيلندر چهار زمانه مشابه از نظر حجم مفيد می باشد(چون در هر دور يک احتراق خواهيم داشت يعنی در هر سيکل که شامل سه دور محور است، سه احتراق در سه دور محور)، انجمن مهندسين طراح معتقدند که حجم کل سيلندر موتور وانکل برابر است با دو برابر حجم يک محفظه ضربدر تعداد روتور.
بدون دیدگاه