موتور های وانکل

          موتورهای پیستون روتوری یا وانکل

         موتور وانکل طرح جدیدی از موتورهای احتراق داخلی است که تفاوت اساسی با موتورهای پیستونی رفت و برگشتی داشته و به نام مخترع آن که المانی بوده و فیلکس  وانکل نامیده می شود مشهور گردیده است . این موتور در سال 1964اختراع گردید و از آن موقع تا کنون تحت پژوهش و تکامل قرار گرفت .

         اساس کار موتور وانکل مانند سایر موتور های احتراق  داخلی است که در آن تبدیل انرژی انجام می شود . یعنی انرژی شیمیایی سوخت ابتدا به انرژی حرارتی و سپس به انرژی مکانیکی تبدیل می گردد .

          در موتور وانکل مانند موتورهای بنزینی چهار زمانه مخاوط هوا وبنزین وارد  محفظه بزرگی از موتور می شود ، سپس با کوچک شدن حجم آن مخلوط هوا و بنزین تحت فشار قرار گرفته و با ایجاد جرقه به وسیله شمع انفجار حاصل می شود . ملکول های گاز در اثر احتراق منبسط می گردند و لذا فشار محفظه تراکم به شدت بالا می رود . نیروی حاصل از آن به روتور اعمال شده و به علت اختلاف مرکز دوران بین روتور و میل لنگ  نیروی چرخشی در روتور تولید می شود . این نیروی چرخشی ( گشتاور ) به بادامک محور ( لنگ ) که در داخل روتور به طور جذب با آن قرار گرفته وارد شده و به فلایویل و سیستم انتقال قدرت می رسد . با چرخش بیشتر روتور دودهای حاصل از احتراق از مجرای خروجی ، محفظه عملیات را ترک می کنند .

           در موتور های پیستونی سیکل کامل در چهار کورس یا در دو کورس انجام می شود ( چهار زمانه یا دو زمانه ) و هر مرحله کار را کورس ، ضربه یا زمان می گویند . در موتور وانکل نمی توان این اصطلاحات را به کار برد زیرا حرکت مشخصی در یک سیکل آن قابل تفکیک نمی باشد لذا بهتر است عملیات انجام شده راتحت  عنوان سیکل اتو مشخص نماییم .

          اختلاف بین موتور پیستونی و موتور روتوری

1-   اساسی ترین اختلاف بین موتور پیستونی و نوع روتوری در حرکت پیستون وروتور است .

2-در موتور وانکل پیستون به روتور تبدیل گردیده که جسمی است  مثلث شکل  با وجوه محدب و در داخل محفظه مخصوصی حرکت دورانی می کند .

3-درموتوروانکل اتون وجود ندارد بنابراین قدرت اعمال شده بر روتور بلافاصله بر محور موتور که هر دو حرکت دورانی هم جهت دارند      منتقل می شود.

4-درموتور وانکل قطعات زیاد دیگری حذف گردیده است مانند:پیستون،گژن پین،شاتون وسیستم مفصل فرمان سوپاپها به جای سیستم سوپاپ دریچه ای پیش بینی گردیده که در محیط محفظه عملیات و یا در روی درپوش های طرفین ایجاد شده است . 

        حذف شدن قطعات متحرک گفته شده یکی از مزایای موتور وانکل محسوب می گردد. به طورخلاصه می توان گفت که در موتور وانکل قطعات به کار برده شده به نصف تقلیل پیدا می کند  . بعلاوه حجم مونتاژ شده موتور وانکل خیلی کوچکتر است و فضای کمی از قسمت جلوی خودرو را اشغال می کند .

5-در موتور وانکل محفظه عملیات به شکل مخصوصی ساخته می شود و همان وظیفه را دارد که سیلندر در موتور های پیستونی عهده دار است. یعنی با گردش روتور در داخل آن تغییر حجم به وجود آمده و عملیات احتراق حاصل می شود . روتور  جانشین پیستون می گردد و همان وظیفه را انجام می دهد یعنی گاز را متراکم می کند ، نیروی احتراق را تحمل می نمایید ف بلاخره نیروی تولید شده را ( بدون انکه شاتون داشته باشد ) به گشتاور مورد نیاز روی میل لنگ تبدیل می نماید و وظیفه شاتون را هم انجام می دهد . با آنکه پیستون و روتور هر دو کار مشابه ای را انجام می دهند اما کیفیت حرکت آن دو متفاوت می باشد .

6- در موتور وانکل میل لنگ  به فرم رایج ان دارای محورهای لنگ Uشکل نمی باشد . محور لنگ به صورت بادامک در آمده است که در محفظه خالی وسط روتور قرار گرفته و با هم حرکت می کنند . به عبارت دیگر قسمت خالی وسط روتور یاتاقان بادامک محور موتور می باشد و از همین یاتاقان نیروی روتور به بادامک و محور انتقال پیدا می کند .

7- در موتور های خودرو معمولا یک یا دو روتور وجود دارد بنابراین محور موتور معمولا یک بادامکی یا دو بادامکی می باشد . بنابراین با مقایسه با چهار لنگ موجود در روی میل لنگ موتور هشت سیلندر Vشکل فضای بسیار کمی در موتور وانکل اشغال می شود .

           شباهت موتور های وانکل وپیستونی

1-   هر دو نوع موتور سوخت یکسانی مصرف می کنند ( بنزین )

2-   در هر دو موتور احتیاج به سیستم جرقه زنی دارند .

3-   برای هر دو موتور می توان سیستم کاربراتوری یا انژکتوری را انتخاب نمود .

4-   وسیله خنک کاری هر دو موتور می تواند ابی یا هوایی باشد .

         مراحل احتراق در موتور وانکل

         بیان دقیق عمل احتراق در موتور روتوری به دو دلیل مشکل است :

1-در یک لحظه معین عملیات مختلفی در سه وجه روتور اتفاق می افتد که هیچ گونه تشابهی با هم ندارند

2-بر حسب معمول عملیات احتراق و سیکل اتو مقایسه می شود که در موتور های پیستونیرفت و برگشتی معمول است . بنابراین به علت هم زمان بودن عملیات سگانه تجسم مراحل احتراق دشوار است .

         برای ساده شدن درک مراحل احتراق می توان محفظه عملیات را به دو سیلندر کم عمق تشبه کرد که در یکدیگر ادغام گردیده اند . در داخل این محفظه روتور مثلث شکلی که وجوه محدب دارد طوری می چرخد که در هر لحظه هر سه راس آن با محیط داخلی محفظه در تماس باشد .

        روتور ضمن چرخش به دور خود حرکت انتقالی هم  انجام می دهد . عینا مانند گردش زمین به دور خورشید که در حال گردش به دور خود حول خورشید هم می گردد.

          مرحله مکش

         بزرگترین مقدار حجم قسمت مکش می باشد . این حالت را می توان با موتور پیستونی در هنگامی که  پیستون در نقطه مرگ پایین کورس مکش قرار دارد مقایسه نمود . که  به علت ازدیاد ناگهانی حجم ، فشار داخل محفظه کاهش یافته و جریان سوخت و هوا وارد محفظه می شود .  دریچه های موتور وانکل گاهی در محیط محفظه و گاهی در روی درپوش های جانبی ساخته  میشود و یا ممکن است یکی در روی در پوش و دیگری در روی محیط محفظه باشد .

          مرحله تراکم گاز

         با چرخش روتور حجم محصور و محفظه کوچک می شود وبا کوچک شدن آن ، گاز تحت فشار قرار می گیرد . نسبت تراکم موتور که نسبت کوچک شدن حجم در زمان تراکم را بیان می کند برابر است  با حجم حداکثر زمان مکش به حجم حداقلی محفظه ایجاد می شود .

         نسبت تراکم موتور های وانکل در حدود موتور های پیستونی جدید و بین 5/8: 1 تا 5/10: 1 است و محدودیت استفاده بنزین با اکتان بالا همانند موتورهای پیستونی با افزایش نسبت تراکم در وانکل مطرح نمی باشد در موتور وانکل Auda-Nsuمدل RO80  با حجم مفید 87/994 سانتمتر مکعب در دور 5500RPMقدرت موتور 130HPو نسبت تراکم آن 9:1 می باشد .

        در موتور مزدا مدل R100جم مفید موتور 4/983 سانتیمتر مکعب با نسبت تراکم 1: 4/9 تولید می کند .

        مرحله قدرت

        کمی قبل از آنکه حجم محصور به کوچکترین مقدار برسد ( حجم تراکم ) شمع جرقه می زند و مخلوط هوا و سوخت متراکم شده منفجر می گردد . این حالت را می توان در موتورهای پیستونی به موقعی تشبه کرد که در کورس تراکم پیستون در حال بالا رفتن بوده و کمی قبل از نقطه مرگ بالا شمع جرقه می زند پس از حرکت بیشتر روتور ، گاز محترق شده  منبسط می گردد و فشار محفظه احتراق را به شدت افزایش می دهد .نیروی فشار تولید شده که اثر نیرو در بازوی اهرم ( برآیند نیرو ، در مقدار خارج از مرکز روتور و محور الی ) گشتاور متوسط متور را به وجود می آورد .

        وقتی که متور وانکلی دو شمع داشته باشد یکی قبل از برجستگی محفظه و و دیگری بعد از آن بسته می شود . در موتور وانکل دلکو وجود داشته و به وسیله آن عملیات جرقه زنی و تایمینگ جرقه انجام می شود .

        مرحله تخلیه

        پس از مرحله انبساط گاز وایجاد قدرت راس آن از مقابل دریچه خروجب که در محیط محفظه قرار دارد می گذرد و دودهای حاصل ازسوختن هیدروکربور به اگزوز انتقال می یابد .

         در یک موتور پیستونی مقدار فرصت تخیه دود را طرح بادامک های میل سوپاپ معین می کند اما در موتورهای دو زمانه  و وانکل این عمل به وسیله موقعیت دریچه ها روی محفظه عملیات مشخص می گردد .

        در وتور وانکل دریچه ورودی و خروجی بطور دایم باز هتند و هر وجهی که در مقابل این دریچه ها واقع شود عملیاتورود وخروج گاز ودود فقطدر آن وجه تحقق می یابد یکی  از مزایای وانکل آن است که هر مرحله از عملیات چهار زمان سیکل اتو زیادتر ودر حدود 270 درجه است . بنابراین راندمان حجمی موتور وانکل نسبت به به موتور اتو که معادل هر مرحله آن 180 درجه می باشد بیشتراست .

        ساختمان موتور وانکل

       جنس ساختمان موتور وانکل شبیه همان موادی است که موتورهای پیستونی با آن ساخته می شود و نیاز به آلیاژ مخصوص و غیر عادی نمی باشد . در ان متور هم آلیاژ آلمینیوم ،چدن و فولاد به کار می رود .در یک  موتور یک واحدی شش یا هشت قطعه اصلی به کار رفته است :

         1- یک محور اصلی وجود دارد که جانشین میل لنگ در موتورهای پیستونی بوده و در آن محور لنگ حذف گردیده و بجای آن بادامک گرد  خارج از مرکز ساخته شده است .  این قسمت بادامک خارج از مرکز که استوانه ای شکل است در داخل روتور به صورت یاتاقان قرار می گیرد .

        2- در وسط روتور استوانه ای تو خالی ایجاد شده که با داشتن تکیه گاه یاتاقانی ( بابیتی یا رولرینگ ) روی بادامک محور اصلی قرار می گیرد . بین مرکز بادامک استوانه ای و مرکز محور اصلی فاصله ای وجود دارد که به آن شعاع خارج از مرکز گفته می شود که جانشین شعاع لنگ در میل لنگ متورهای پیستونی می باشد . بنابراین گشتاور موتور عبارت است از نیروی وارد شده بر روتور ضربدر فاصله خارج از مرکز .

        3- یک محفظه با شکل مخصوصی دارد که ما نند سیلندر در موتورهای پیستونی عمل می کند . این محفظه مانند دو استوانهمتداخل می باشد که در دو قسمت وسط کمی برجستگی دارد . در اطراف محفظه مجرای آبی برای خنک کاری موتور ف دریچه ورودی و خروجی و جای شمع وجود دارد .

         4- دو درپوش در طرفین محفظه قرار دارد که به ویسیله پیچ های بلند به یکدیگر متصل شده و با محفظه اصلی  یک مجموعه کامل را تشکیل می دهند .

        5- دو وزنه تعادل وجود دارد که در روی محور اصلی و در مقابل بادامک خارج از مرکز نصب شده است و تعادل دینامیکی به محور می دهد .

         6- دنده در روی محور اصلی نصب می شود که برای در گیری با دنده موتور استارت می باشد .

         قطعات حساس موتور عبارت است از:

1-   محفظه عملیات 2- روتور  3- رینگ ها 4- محور اصلی

          محفظه عملیات در طرح های گوناگونی ساخته می شود ولی بهترین طرح نوع اپی تروکوئیدی است که شبیه دو استوانه متداخل می باشد .

         از نظر طراحان هر یک از محفظه های موتور که عملی جدا از مححفظه دیگر انجام می دهد باید نسبت به هم کاملا" جدا سازی و گاز بندی باشد. تحقق این خواسته مهم ترین دشواری موتور وانکل محسوب می شود  و عمل گاز بندی محفظه عملیاتی مشکل تر از موتور پیستونی است .

         روغنکاری در موتور وانکل

         از آنجا که روغن موتور در موتور وانکل بطور مستقیم در معرض دود و گاز قرار ندارد لذا بندرت آلوده شده و تعویض مرتب روغن چندان ضروری نمی باشد . روغنکاری یاتاقان ها ی موتور عینا" مانند موتور پیستونی بوده و با روغن تحت فشار اویل پمپ انجام می شود . ولی روغنکاری رینگ ها بصورت اختلاطی با بنزین می باشد عینا" مانند موتور های دو زمانه بنزینی .

       روش دیگری بای روغنکاری رینگ ها وجود دارد . در این روش روغن از وسط محور اصلی به قسمت خالی روتور رسیده و در اثر نیروی گریز از مرکز و حرکت پرتابی رینگ ها را روغنکاری می کند .

       روش سوم روغنکاری رینگ ها تزریقی بوده و روغن از دریچه ورودی گاز به موتور تریق می شود در این روش روغن تنظیم شده ای به محفظه عملیاتی ارسال می گردد .

       

            خنک کاری موتور وانکل

         موتور وانکل مانند موتور های پیستونی در دو نوع هوا خنک وآ ب خنک ساخته می شود روش آب خنک آن رایج می باشد . آب خنک برای خنک کاری محفظه در مجرای اطراف آن جریان دارد و روتور را روغن خنک می کند .  

        در موتور وانکل کریتیس رایت مجرا خنک کاری طوری ساخته شده است که آب خنک کاری در بین دیواره ها و محفظه ها حرکت رفت و برگشتی می کند و در مسیر حرکت اطراف شمع را که عمل جرقه زدن و تولید قدرت در آن جا انجام می شود و گرم ترین موضع موتور است خنک می کند .

        اصطلاحات تازه موتورهای وانکل

        کارخانه مرسدس بنز در روی موتورهای وانکل از روش انژکتوری استفاده می کند . در نوع کاربراتوری از کاربراتورهای دودهانه سولکس ، وبر وهیتاچی استامبورک استفاده می شود .

        محل قرار گرفتن دریچه های ورودی وخروجی اثر مهمی در راندمان موتور دارد . کارخانه اتومبیل سازی آلمانی مانند NSUو بنز معتقد به دریچه های محیطی هستند که در محیط محفظه ایجاد می شود .

        در حالیکه کارخانه های ژاپنی مانند :   Toyo Kogyoو مزدا نوع جانبی را ترجیح می دهند و معتقداند که دورآرام موتوربا دریچه های روی درپوش ، ونیز بازدهی در دور های کم و تحت بار زیاد بهتر می باشد .

        به طور کلی دریچه های محیطی برای موتور با دور زیاد و دریچه های جانبی برای موتورها با بار زیاد مناسب است . سوخت موتور وانکل مانند موتورهای بنزینی است که با 87 تا 91 درصد اکتان می باشد .

       مشخصات موتور وانکل

        حجم مفید موتور وانکل مانند موتورهای پیستونی یکی از عوامل موثر در قدرت محسوب می شود . در موتورهای پیستونی حجم بالای پیستون ها وقتی که در نقطه مرگ پایین قرار دارند معادل حجم موتور محسوب می شود . البته برخی از طراحان حجم جابجای بین نقطه مرگ بالا و پایین را مبنای محاسبه قدرت به حساب می اورند و عقیده دارند که موتور بطور کامل از هوا و سوخت پر نمی شود لذا حجم مفید مبنای عمل تری را ارائه می کند . قدرت خروجی موتور وانکل مانند موتورهای دو زمانه محاسبه می شود . البته محاسبه حجم مفید موتور وانکل پیچیده تر است .

        میدانیم که در هر دور محور اصلی یک کار مفید انجام می شود مانند موتورهای دو زمانه .

سه احتراق در سه دور محور _ 3دور محور _ سه بار احتراق در هر دور موتور

        قدرت یک موتور دو روتوری وانکل برابر یک موتور چهار سیلندر چهار زمانه مشابه از نظر حجم مفید می باشد انجمن مهندسین طراح معتقد است که حجم کل سیلندر موتور وانکل برابر است با دو برابر حجم یک محفظه ضبدر تعداد روتور . مثلا هرگاه حجم یک محفظه 983 سانتیمتر مکعب باشد حجم مفید کل موتور دو روتوری برابر است با :

2vhk=VH                      2 *983*2=3932CM3

البته همه سازندگان موتور از این روش استفاده نمی کنند و قدرت خروجی موتور را تابع عوامل دیگری هم چون راندمان حرارتی و راندمان مکانیکی می دانند.                  

        راندمان حرارتی یک موتور با نسبت تراکم آن نسبت مستقیم دارد . درموتور وانکل افزایش دادن نسبت تراکم نیاز به بنزین با اکتان بالا ندارد لذا می توان نسبت تراکم را بالا برد تا راندمان حرارتی آن افزاش یابد . عامل دیگری که روی راندمان حرارتی تاثیر می گذارد سرعت موتور می باشد . از آنجا که اینرسی مقاومتی موتور وانکل به علت حذف شدن قطعات متحرک زائد مانند شاتون ، گژن پین ، دستگاه سوپاپ و غیره کمتر می باشد لذا سرعت موتور وانکل بیشتر بوده و در نتیجه راندمان حرارتی موتور هم از این نظر افزایش می یابد .

        ساخت و تولید موتور وانکل

        با توجه به جدید بودن متور وانکل پیشرفت نسبی مناسبی تا کنون در آن به وجود آمده است . زیرا موتور های پیستونی که از اختراع آن حدود 100 سال می گذرد در سال های اخیر تکامل نسبی پیدا کرده اند . اولین متور پیستونی احتراق داخلی در سال1878 میلدی بوسیله نیکلاس اتو طرح گردیده ولی موتور وانکل مربوط  به 50 سال اخیر است و اولین بار در سال 1957 میلادی به مرحله تولید در آمد .

        اولین موتور وانکل بوسیله کارخانه NSUآلمانی با حجم جابجائی 125 سانتیمتر مکعب و قدرت 29 اسب بخار با دور RPM17000 ساخته شد و به مدت 100 ساعت تحت آزمایش قرار گرفت .

                                   منابع و ماخذ

1- ضمیمه درس فنی – محمد محمدی بوساری – (1369)