موتور وانکل

[HaMeD-GibsoN 1859]

یک موتور دورانی،یک موتور احتراق داخلی است درست مثل موتور اتومبیل ولی کاملا متفاوت با موتور های مرسوم پیستونی کار می کند.در یک موتور پیستونی حجم مشخصی از فضا (سیلندر) متناوبا چهار کار متفاوت را انجام می دهد.مکش،تراکم،احتراق،و خروج دود.موتور دورانی همین کار را انجام می دهد اما هر کدام در جای مخصوص خوذ انجام می شود و این شبیه این است که برای هر کدام از چهار مرحله یک سیلندر جداگانه داشته باشیم و پیستون به طور پیوسته از یکی به بعدی حرکت کند.

موتور دورانی که مخترع آن دکتر فلیکس وانکل بود، گاهی موتور وانکل یا موتور دورانی وانکل نامیده می شود.در این مقاله می آموزیم که موتور دورانی چگونه کار می کند.

 

مانند یک موتور پیستونی،موتور دورانی از فشار تولید شده هنگام احتراق مخلوط سوخت و هوا استفاده می کند.در موتور پیستونی،این فشار در سیلندر جمع می شود و پیستون را به جلو و عقب می راند.میل لنگ حرکت رفت و برگشتی پیستون ها را به حرکت دورانی تبدیل می کند.

 

در یک موتور دورانی،فشار حاصل از احتراق،در یک اتاقک ایجاد می شود که این اتاقک قسمتی از فضای موتور است که به وسیله ی وجه روتور مثلثی شکل پدید می آید و موتور دورانی از این اتاقک به جای پیستون استفاده می کند.

 

روتور و محفظه ی یک موتور دورانی در Mazda RX-7

 

این قسمت ها جایگزین پیستون ها،سیلندر ها،سوپاپ ها،میل سوپاپ و میل لنگ در موتور پیستونی می شود.روتور مسیری را طی می کند که در این مسیر هر سه گوش روتور با محفظه در تماس باقی می ماند و سه حجم مجزای گاز را ایجاد می کند.وقتی روتور می چرخد،این سه حجم متناوبا منبسط و منقبض می شوند.همین انقباض و انبساط است که هوا و سوخت را به داخل موتور می کشد،آن را متراکم می کند و انرژی قابل استفاده آن را می گیرد و سپس دود را خارج می کند.

 

در ادامه به داخل موتور دورانی خواهیم پرداخت تا قسمت هایش را بشناسیم اما اینک به مدل تازه ی موتور دورانی نگاهی می اندازیم:

 

مزدا RX-8 :

 

شرکت مزدا در تولید و توسعه ی خودرو هایی که از موتور دورانی استفاده می کنند سابقه ی طولانی دارد. مزدا RX-7 که در 1978 به فروش رسید موفق ترین خودرو با موتور دورانی بوده است. ولی قبل از آن خودرو ها،کامیون ها و حتی اتوبوس هایی با موتور دورانی تولید شده بودند.سرآغاز آن ها نیز Cosmo sportدر 1967 بود.آخرین سالی که RX-7 در آمریکا فروخته شد سال 1995 بود ولی موتور دورانی در آینده ی نزدیک به بازار برمی گردد .

 

مزدا RX-8 خودرو جدیدی از شرکت مزدا است که یک موتور دورانی جدید و برتر به نام Renesis را عرضه کرده است.این موتور که موتور بین المللی سال 2003 نامیده شد،به صورت طبیعی مکش دارد و یک موتور 2 روتوره می باشد که قدرت آن 250 اسب بخار است.

 

موتور دورانی یک سیستم جرقه و تحویل سوخت دارد که شبیه به قسمتهای مشابه در موتور پیستونی هستند.در ادامه به معرفی بخش های اصلی موتور دورانی می پردازیم:

 

روتور:

 

روتور سه سطح محدب دارد که هر کدام همانند یک پیستون عمل می کند.هر سطح یک فرورفتگی دارد که حجم مخلوط هوا و سوخت را در موتور افزایش می دهد.

 

 

در قسمت انتهایی هر سطح یک تیغه ی فلزی وجود دارد که اتاقک احتراق را آب بندی می کند و مانع خروج مواد از اتاقک احتراق می شود.همچنین حلقه های فلزی در هر طرف روتور وجود دارند که به اطراف اتاقک احتراق محکم می شوند.

 

روتور یک سری دندانه های داخلی دارد که در مرکز یک لبه بریده شده اند.این دندانه ها با چرخ دنده هایی که به بدنه ی موتور محکم شده اند درگیر می شوند.این در گیر شدن مسیر و جهت حرکت روتور در داخل بدنه را مشخص می کند.

 

بدنه:

 

بدنه تخم مرغی شکل است.شکل اتاقک احتراق به گونه ای طراحی شده است که سه راس روتور همواره در تماس با دیواره ی اتاقک خواهند بود و سه حجم جدای گاز را ایجاد می کنند.

هر قسمت بدنه به یک مرحله از عمل احتراق اختصاص دارد.این چهار مرحله عبارتند از:

 

1-مکش

 

2-تراکم

 

3-احتراق

 

4-تخلیه

 

 

 

مجراهای مکش و تخلیه در بدنه طراحی شده اند. این مجرا ها سوپاپ ندارند.اگزوز خودرو مستقیما به مجرای تخلیه وصل می شود. مجرای مکش هم مستقیما به دریچه ی ساسات وصل می شود.

 

محور خروجی:

 

محور خروجی قطعه های گردی دارد که خارج از مرکز(خارج از محور میله) نصب شده اند. هر روتور روی یکی از این قطعات خارج از مرکز نصب می شود.این قطعه ها تقریبا شبیه میل لنگ عمل می کنند.هنگامیکه روتور مسیر خودش را درون بدنه طی می کند،به این قطعه ها فشار می آورد و از آن جاییکه قطعه ها خارج از مرکز اند،نیروی اعمال شده از روتور به قطعه ها گشتاوری بر میله وارد می کند و آن را می چرخاند.

 

 

 

اکنون بیایید ببینیم این قسمت ها چگونه به هم متصل می شوند و چگونه نیروی حرکتی را ایجاد می کنند.

 

 

یک موتور دورانی به صورت لایه ای سر هم می شود.موتور دو روتوره که ما بررسی کردیم 5 لایه اصلی دارد که به وسیله حلقه ای از غلاف های دراز کنار هم نگه داشته شده اند و سیال خنک کننده که در راههای مخصوص خود جریان دارد همه ی قطغات را در بر می گیرد.

 

دو لایه ی انتهایی شامل مهره ها ، یاتاقان ها و شفت خروجی می باشد.آن ها همچنین دو قسمت اتاقک را که شامل روتور ها می شوند را به هم متصل می کنند.سطح داخلی این قطعات خیلی صاف و صیقلی می باشد که کمک می کند مهره های روی روتور کار خود را به خوبی انجام دهند.یک دریچه ورودی بر روی هر کدام از این قطعات انتهایی وجود دارد.

 

یکی از دو قطعه انتهایی از یک موتور دو روتوره ی ونکل

 

لایه ی بعدی (از بیرون به داخل) اتاقک تخم مرغی شکل روتور است که دریچه های اگزوز را شامل می شود.

 

 

 

قسمتی از اتاقک روتور(به مکان مجرای تخلیه توجه کنید)

 

قطعه میانی شامل دو دریچه ورودی می باشد که هر کدام از آن ها برای یکی از روتور هاست.این قطعه علاوه بر این دو روتور را از یکدیگر مجزا می کند لذا سطوح خارجی آن بسیار صاف است.

 

 

قطعه ی میانی برای هر روتور یک دریچه ورودی دیگر فراهم می کند.

 

در مرکز هر روتور یک چرخ دنده ی بزرگ داخلی وجود دارد که روی یک چرخ دنده ی کوجک تر حرکت می کند که این چرخ دنده ی کوچک به اتاقک موتور متصل شده است. این قسمت آن چیزی است که چرخش روتور را ایجاد می کند.روتور همچنین روی پوسته بزرگ و دایروی شفت خروجی حرکت می کند.

 

در ادامه خواهیم دید که موتور چگونه نیروی محرک تولید می کند.

 

موتورهای دورانی چرخه ی چهار زمانه ای را طی می کنند که شبیه چرخه ایست که موتور پیستونی در آن کار می کند.ولی در موتور دورانی نحوه ی رسیدن به هدف کاملا متفاوت است.

 

قلب یک موتور دورانی،روتور آن است که معادل پیستون در موتورهای پیستونی می باشد.

 

روتور روی یک پوسته ی بزرگ دایروی روی شفت خروجی نصب می شود.این پوسته از خط مرکزی شفت انحراف دارد و مانند یک دسته اهرم در جرثقیل های کوچک عمل می کند و به روتور قدرت لازم برای چرخاندن شفت خروجی را می دهد.هنگامی که روتور درون اتاقک می چرخد،پوسته را حول دایره هایی می چرخاند که به ازای هر دور روتور،پوسته 3 دور می چرخد.

 

 

هنگامی که روتور درون اتاقک می چرخد سه قسمتی که توسط روتور در فضای اتاقک از هم جدا می شوند،حجمشان تغییر می کند(مطابق شکل بالا) این تغییر حجم باعث ایجاد عملیاتی شبیه به پمپ کردن می شود.حال به بررسی هر کدام از چهار مرحله ی موتور دورانی می پردازیم.

 

1-مکش:

 

فاز مکش هنگامی آغاز می شود که نوک روتور از دریچه ی ورودی عبور می کند.وقتی که دریچه مکش باز می شود در ابتدا حجم این قسمت در حداقل مقدار خود است و با ادامه حرکت روتور حجم افزایش می یابد و هوا به داخل کشیده می شود.

 

وقتی راس دیگر روتور از دریچه مکش عبور می کند دیگر هوایی وارد این قسمت نمی شود و مرحله تراکم آغاز می شود.

 

2-تراکم:

 

همچنانکه روتور به حرکت خود ادامه می دهد، حجم هوا کاهش می یابد و مخلوط هوا و سوخت متراکم می شود.زمانی که وجه روتور به مقابل شمع ها می رسد،حجم این قسمت به حداقل مقدار خود نزدیک می شود. در این هنگام عملیات احتراق آغاز می شود.

 

3-احتراق:

 

اکثر موتور های دورانی دو شمع دارند.زیرا اگر تنها یک شمع وجود داشت به خاطر اینکه اتاقک احتراق نسبتا دراز است،جرقه نمی توانست به خوبی و با سرعت مناسب گسترش پیدا کند.

 

وقتی شمع ها جرقه می زنند،مخلوط هوا و سوخت آتش می گیرد و افزایش فشار روتور را به حرکت در می آورد.

 

فشار حاصل از احتراق باعث می شود که روتور در جهتی حرکت کند که حجم افزایش یابد.گازهای احتراق منبسط می شوند و با حرکت دادن روتور نیروی محرکه تولید می کنند تا هنگامی که نوک روتور به دریچه تخلیه برسد.

 

4-تخلیه:

 

هنگامی که نوک روتور از دریچه ی تخلیه عبور می کند،گازهای احتراق که فشار بالایی دارند از اگزوز خارج می شوند.همچنانکه روتور به حرکت خود ادامه می دهد،اتاقک منقبض می شود و گازهای باقی مانده را به بیرون هدایت می کند.زمانی که حجم به حداقل مقدار خود نزدیک می شود، نوک روتور از کنار دریچه ی مکش عبور می کند و چرخه دوباره تکرار می شود.

 

نکته ی ظریف در مورد موتور دورانی این است که هر کدام از سه وجه روتور همواره در حال طی کردن یک قسمت چرخه هستند (در یک دور چرخش کامل روتور،سه بار مرحله احتراق وجود دارد). ولی به خاطر داشته باشید که شفت خروجی به ازای هر دور چرخش روتور سه دور می زند که این یعنی به ازای هر دور چرخش شفت خروجی یک مرحله احتراق داریم.

 

ویژگی های متعددی وجود دارد که موتور دورانی را از یک موتور پیستونی معمولی متمایز می کند:

 

● قسمتهای متحرک کمتر:

 

در موتور دورانی تعداد قسمت های متحرک به مراتب کمتر از یک موتور پیستونی مشابه است.یک موتور دورانی دو روتوره سه قسمت متحرک دارد:دو روتور و یک شفت خروجی.حتی ساده ترین موتور پیستونی چهار سیلندر،حداقل 40 قسمت متحرک دارد:پیستون ها،میل بادامک،سوپاپ ها،فنر سوپاپ ها،رقاصک ها،تسمه تایم،چرخ دنده ها و میل لنگ،میله های رابط.

 

این تعداد کم قسمت های متحرک،قابلیت اطمینان موتورهای دروانی را بالا می برد.به همین دلیل است که بعضی از سازندگان فضاپیما،موتورهای دورانی را ترجیح می دهند.

 

● یکنواختی حرکت:

 

همه ی قسمت های موتور دورانی در یک جهت و به طور پیوسته می چرخند و تغییر جهت های ناگهانی (مانند پیستون ها) وجود ندارد.

 

موتورهای دورانی از نظر داخلی به وسیله ی وزنه های تعادلی چرخان ،که برای از بین بردن ارتعاشات نصب شده اند، متعادل می شوند.

 

تحویل نیرو در موتورهای چرخان نیز یکنواخت تر انجام می شود.از آنجاکه هر مرحله احتراق در چرخس روتور به اندازه ی 90 درجه پایان می یابد و شفت خروجی به ازای هر دور روتور، سه دور می زند، بنابراین هر مرحله احتراق پس از 270 درجه چرخش شفت خروجی پایان می یابد. این بدان معنی است که یک موتور تک روتوره،برای 4/3 از هر دور چرخش شفت خروجی ، نیروی محرکه تولید می کند. این را مقایسه کنید با یک موتور تک سیلندر پیستونی که در آن احتراق در 180 درجه از دو دوران کامل اتفاق می افتد (یعنی 4/1 از هر چرخش میل لنگ)

 

● آرامتر بودن حرکت:

 

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 پیستونی حرکت می کنند. که این موضوع قابلیت اطمینان موتور های دورانی را افزایش می دهد.

 

چالش ها:

 

● معمولا ساختن یک موتور چرخان سخت تر از موتور پیستونی است.

 

● هزینه های تولید بالاتر می باشد زیرا تعداد موتورهای دورانی که تولید می شوند به اندازه تعداد موتورهای پیستونی نیست.

 

● موتورهای دورانی معمولا سوخت بیشتری مصرف می کنند زیرا بازده ترمودینامیکی موتور دورانی کم است.(به دلیل اتاقک احتراق بزرگ و دراز و ضریب تراکم پایین)