موضوع: موتور های دورانی - Wankel engine

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 می کند تا چهار فرآيند سيکل اتو را کامل نمايد.

موتورهای دورانی که به موتورهای وانکل نيز معروف می باشند برای اولين بار به انديشه مبتکرانه دکتر فليکس وانکل (Felix Wankel) آلمانی در سال 1933 خطور يافت و در سال 1957 اولين نمونه اين نوع موتور ساخته شد.

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 چيزی 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 سيلندر ايجاد 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.





قطعات يک موتور دورانی:

موتور های دورانی دارای سيستم جرقه و سوخت رسانی مشابه با موتورهای پيستونی می باشند.



روتور:

روتور يک قطعه مثلث شکل با سه سطح برآمده يا محدب می باشد که هر کدام از اين سطوح همانند يک پيستون عمل می کند. همچنين هر کدام از اين سطح ها دارای يک گودی يا تورفتگی می باشد که حجم موتور را بيشتر می کند.

در راس هر وجه يک تيغه فلزی قرار گرفته که عمل نشت بندی سه حجم محبوس بين روتور و جداره سيلندر را بر عهده دارد. همچنين در هر طرف روتور ( سطح فوقانی و تحتانی) رينگ های فلزی قرار گرفته اند که وظيفه نشت بندی جانبی روتور را به عهده دارد.

روتور دارای چرخدنده داخلی در مرکز يک وجه جانبی می باشد؛ اين چرخدنده با يک چرخدنده ديگر که روی محفظه سيلندر بصورت ثابت قرار دارد درگير می شود و اين درگيری است که مسير وجهت حرکت روتور را درون محفظه تعيين می نمايد.


محفظه سيلندر :

محفظه سيلندر تقريباً بيضی شکل است و شکل محفظه احتراق نيز بگونه ای طراحی شده است که همواره سه لبه روتور در تماس با ديواره محفظه قرار گيرد و سه حجم نشت بندی شده را بسازد.هر قسمت از اين محفظه به يکی از فرآيندهای موتور اختصاص خواهد داشت. ( مکش- تراکم - احتراق- تخليه)

پورتهای مکش و تخليه هر دو، در ديواره محفظه تعبيه شده اند. و سوپاپی برای اين پورتها وجود ندارد. پورت تخليه مستقيماً به اگزوز راه دارد و پورت مکش به دريچه گاز.

محور خروجی:

محور خروجی دارای يک برآمدگی مدور (بادامک) می باشد که خروج از مرکز نسبت به خط مرکزی دارد. هر روتور روی يکی از اين بادامکها سوار خواهد شد.اين بادامک همانند يک ميل لنگ در موتورهای پيستونی عمل می کند. از آنجاييکه اين بادامکها دارای يک خروج از مرکز مي باشند نيروی وارد از طرف روتور به اين بادامکها گشتاوری در محور ايجاد ميکند که باعث چرخيدن آن ميگردد.

نحوه قرار گيری اجزاء کنار هم :

موتور دورانی بصورت لايه لايه مونتاژ ميگردد. يک موتور دو روتوره به پنج لايه اصلی تقسيم بندی ميشود که با يک رديف دايروی از پيچ های بلند کنار هم نگه داشته شده اند. آب خنک کاری درراهگاههای دورتادور قطعات جريان دارد.

يکی از دو قسمت انتهايی موتور وانکل دو روتوره


لايه بعدی محفظه بيضی شکلی است که قسمتی از محفظه کل روتور می باشد اين لايه که در شکل زير نشان داده شده است دارای پورت خروجی می باشد.


محفظه در بر دارنده روتورها. (به موقعيت پورت خروجی توجه کنيد)




در مرکز هر روتور يک چرخدنده داخلی بزرگ قرار دارد که حول يک چرخدنده کوچک ثابت روی محفظه موتور می چرخد. اين دو چرخدنده مسير حرکتی روتور را تعيين می کنند. همچنين روتور روی بادامک دايروی محور خروجی واقع شده و آن را به گردش در می آورد.



توليد توان:

موتورهای دورانی همانند موتورهای رايج پيستونی از سيکل چهار زمانه استفاده می کند. که به شکل کاملاٌ متفاوتی به خدمت گرفته شده است. قلب يک موتور دورانی روتور آن است، که بصورت کلی معادل پيستون در موتورهای پيستونی می باشد. روتور روی يک بادامک دايروی روی بزرگ محور خروجی سوار شده است. اين بادامک از خط مرکزی محور خروجی فاصله داشته و همانند يک ميل لنگ عمل می کند. چرخش روتور نيروی لازم جهت چرخش محور خروجی را تامين می کند. همزمان با چرخش روتور در محفظه, اين قطعه, بادامک را در يک مسير دايروی به حرکت در می آورد به قسمی که هر دور کامل روتور منجر به سه دور چرخش محور خروجی می گردد.

همچنان که روتور درون محفظه حرکت می کند, سه حجم جداگانه ايجاد شده توسط روتور، نيز تغيير می کند. اين تغيير سايز فرآيند پمپ کردن را ايجاد می کند. اجازه دهيد روی هر کدام از چهار فرآيند سيکل چهار زمانه بحث کنيم. در ضمن برنامه انيميشن بخش اول ۱۶ تير ماه شما را در درک اين مطلب کمک می کند.



مکش:

فاز مکش از زمانی شروع می شود که يکی از تيغه های روتور از روی پورت مکش عبور کند و پورت مکش در معرض محفظه سيلندر و روتور واقع شود, در اين لحظه حجم محفظه کمترين مقدار خود می باشد. با حرکت روتور حجم محفظه منبسط شده و فرآيند مکش اتفاق می افتد و در پی آن مخلوط سوخت و هوا به داخل محفظه کشيده می شود.

هنگامی که تيغه بعدی روتور از جلوی پورت ورودی می گذرد محفظه بصورت کامل نشت بندی می شود تا فرآيند تراکم آغاز گردد.



تراکم:

با ادامه حرکت روتور درون محفظه, حجم محبوس شده سوخت و هوا کوچکتر و فشرده تر می گردد. وقتی سطح روتور در اين حجم بطرف شمع می چرخد حجم مربوطه به کمترين مقدار خود نزديک می شود و اين درست هنگامی است که با جرقه شمع احتراق شروع می گردد.



احتراق:

حجم محفظه احتراق گسترده و طولانی است بنابراين سرعت پخش شعله تنها با وجود يک شمع بسيار کم است و احتراق ناقصی بدست می دهد. از اين رو در اکثر موتورهای دورانی از دو شمع در طول اين ناحيه استفاده می شود. هنگامی که شمعها جرقه می زنند مخلوط سوخت و هوا محترق شده و فشار بسيار بالايي را ايجاد می کنند که باعث تداوم چرخش روتور می گردد. فشار احتراق، روتور را در جهت خودش وادار به حرکت می کند و حجم ناحيه محترق شده، رفته رفته زياد می شود. در اينجاست که فرآيند انبساط و در نتيجه توان توليد می گردد تا جاييکه تيغه روتور به پورت خروجی برسد.



تخليه:

هرگاه تيغه روتور از پورت خروجی عبور می کند، گازهای با فشار بالا رها شده و به سمت پورت خروجی جريان می يابند. با ادامه حرکت روتور حجم محبوس فشرده می گردد و گازهای باقيمانده را به طرف پورت خروجی می راند. وقتی اين حجم به کمترين مقدار خود نزديک می شود، تيغه روتور در حال گذار از پورت ورودی است و در اين زمان سيکل جديد شروع می گردد.

يک مورد بسيار جالب در رابطه با موتورهای دورانی اينست که هر يک از سه سطح روتور هميشه در يک قسمت سيکل درگير است. به عبارتی بهتر در هر دور کامل روتور، سه بار احتراق خواهيم داشت. اما به ياد داشته باشيد که در هر دور کامل روتور محور خروجی سه دور می چرخد و در نتيجه يک احتراق برای هر دور محور خروجی.



تفاوتها با موتور معمولی:

چند مورد زير، موتورهای دورانی را از موتورهای پيستونی متمايز می کند.



قطعات متحرک کمتر:

موتورهای دورانی در مقايسه با موتورهای چهار زمانه پيستونی قطعات متحرک کمتری دارند. يک موتور دورانی دو روتوره سه قطعه متحرک اصلی دارد: دو روتور و محور خروجی. اين در حاليست که ساده ترين موتورهای پيستونی چهار سيلندر دست کم 40 قطعه متحرک دارد: پيستونها، شاتونها، ميل لنگ، ميل بادامک، سوپاپها، فنر سوپاپها، اسبکها، تسمه تايمينگ و ... . کم بودن قطعات متحرک می تواند دليلی بر قابليت اعتماد و اعتبار موتورهای دورانی باشد و به همين دليل است که کارخانه های سازنده وسايل هوانوردی ( هواپيما و کايت های با موتور احتراق داخلی) موتورهای دورانی را به موتورهای پيستونی ترجيح می دهند.



کارکرد نرم و بدون لرزه:

تمام قطعات موتور دورانی بطور پيوسته در حال چرخش آن هم در يک جهت می باشد که در مقايسه با تغيير جهت شديد قطعات متحرک در موتورهای پيستونی از ارجحيت خاصی برخوردار است.موتورهای دورانی بدليل تقارن خاص قطعات گردنده دارای بالانس داخلی است که هرگونه ارتعاشی را از بين می برد. همچنين انتقال قدرت در موتورهای دورانی نيز نرم تر است ؛ زيرا هر احتراق در طول 90 درجه چرخش روتور حاصل می شود. از آنجاييکه چرخش محور خروجی سه برابر چرخش روتور است پس هر احتراق در طول 270 درجه چرخش محورخروجی حاصل می گردد.اين يعنی يک موتور تک روتوره در سه ربع گردش محورخروجی خود قدرت انتقال می دهد؛ در مقايسه با موتور تک سيلندر پيستونی که احتراق در طول 180 درجه از دو دور گردش ميل لنگ يا يک ربع گردش محور خروجی آن رخ می دهد.



آهسته تر:

از آنجاييکه گردش روتور يک سوم گردش محور خروجی آن است, قطعات اصلی موتور آهسته تر از قطعات موتورهای پيستونی حرکت می کنند. که اين موضوع قابليت اطمينان به اين موتور را بالا می برد.





چالشها در طراحی موتورهای دورانی:



نوعاً ساخت موتورهای دورانی که بتواند استانداردهای آلودگی را پوشش دهد بسيار مشکل است. ( اما نه امکان ناپذير)


هزينه ساخت آنها معمولاً بالاتر از موتورهای رايج پيستونی است؛ بيشتر به اين دليل که تيراژ توليد آنها نسبت به موتورهای پيستونی پايينتر است.


نوعاً مصرف سوخت اين گونه موتورها بالاتر از مصرف سوخت موتورهای پيستونی است زيرا مشکل کشيده و طولانی بودن محفظه احتراق و نسبت تراکم پايين اين موتورها راندمان ترموديناميکی آنها را محدود می کند.

از دير باز كه استفاده از نيروي بخار به صورت موتور هاي پيستوني و به نام احتراق خارجي مرسوم شد همواره يك يك عملكرد سد راه افزايش دادن بازده موتور بود و آن چيزي جز سرعت متوسط پيستون نبود !بله سرعت متوسط پيستون چون در زماني كه پيستون از نقطه مرگ بالا به طرف نقطه مرگ پايين حركت ميكند داراي سرعت هاي خطي متفاوت ميباشد كه در محاسبات با گرفتن ميانگين در فرمول از آن با سرعت متوسط پيستون ياد ميشود براي درك بهتر به اين مورد توجه كنيد فرض ميكنيم كهع در حال دويدن بر روي يك خط صاف هستيم حال ناگهان تصميم مگيريم كه در همان مسير كه آمديم برگرديم پس اول بايد سرعت خود را كم كنيم و سپس در يك آن به ايست كامل برسيم و بعد تغيير جعت داده و در همان راستا به عقب برگرديم.اين دقيقآ مانند اتفاقي است كه در موتور پيستوني اتفاق ميافتد يعني پيستون در زامني كه به نقطه مرگ بالا ميرسد بايد براي يك آن(كمترين واحد زماني كه ميتونيد تجسم كنيد)سرعت خطي خود را صفر كند و بعد در جهت مخالف با سرعت خطي به طرف نقطه مرگ پايين حركت كند و در نقطه مرگ پايين دوباره همين روال تكرار ميشود.(توجه كنيد كه ما موتور هاي ريج پيستوني را در نظر گرفتيم و هستنند موتور هاي پيستوني كه up & down ندارند)
مكن در اول كمي عجيب به نظر برسد ولي خود عيب يعني تغيير دادن جهت سرعت خطي خودش يك محدوديت در راندمان مكانيكي ميشود.
در موتور هاي دوراني مهمترين امتياز در درجه اول وجود نداشتن پيستون(حذف حركت خطي و استفاده از حركت دوراني) و در درجه دوم استفاده نكردن از سيستم سوپاپ است.

اين موتور در سال 1964 توسط مخترع با ذوق فليكس وانكل اختراع ميشود و همانند موتور هاي قبلي تابع چرخه اتو ميباشد.
اساس كار موتور هاي وانكل همانند ساير موتور هاي احتراق داخلي تبديل انرژي است يعني انرژي شميايي سوخت ابتدا به انرژي حرارتي و سپس به انرژي مكانيكي تبديل ميشود.
در موتور هاي پيستوني سيكل كامل در چهار كورس يا در كورس انجام ميشود (چهار زمانه يا دو زمانه)و هر مرحله كار را كورس ضربه يا زمان ميگويند در موتور هاي وانكل نيمتوان اين اصطلاحات را به كار برد زيرا حركت مشخصي در يك سيكل آن قابل تفكيك نميباشد و لذا عمليات انجام شده را تحت عنوان سيكل اتو مشخص ميكنيم.
1-مكش-با عبور رآس روتور از مقابل دريچه ورودي حجم محفظه افزايش يافته و سوخت و هوا آن را پر ميكنند.
2-تراكم-با ادامه چرخش روتور حجم محفظه كوچك شده و سوخت و هوا تحت فشار واقع ميشود.
3-توليد قدرت-در موقعي كه حجم به حداقل برسد شمع جرقه ميزند و گاز را ميسوزاند و لذا ملوكولهاي منبسط ميگردند و فشار افزايش مي يابد.روتور با نيروي فشار گاز به سرعت بدور دنده ثابت ميچرخد.
4-تخليه-با عبور رآس روتور از مقابل دريچه تخليه دود ها سيلندر را ترك ميكنند.

اختلاف اساسي بين موتور هاي پيستوني و موتور هاي وانكل
1- اساسي ترين اختلاف بين موتور هاي پيستوني و نوع روتوري در حركت روتور است.
2-درموتور هاي وانكل پيستون به روتور تبديل گرديده كه جسمي است مثلثي شكل و با وجوه محدب در داخل محفظه مخصوصي حركت دوراني ميكند.
3- در موتور هاي وانكل شاتون وجود ندارد بنابراين قدرت اعمال شده بر روتور بلافاصله بر محور موتور كه هر دو حركت دوراني هم جهت دارند منتقل ميشود.
4-در موتور وانكل قطعات زيادي حذف شده است و حذف اين قطعات هم به جهت وزني و هم به جهت اتلاف نشدن انرژي جز مزاياي موتور وانكل محسوب ميشود. در حقيقت قطعات بكار رفته در موتور وانكل نصف موتور هاي رايج بودو بعلاوه حجم منتاژ شده موتور هاي وانكل خيلي كمتر از موتور هاي رايج بوده .
5-كيفيت كاري موتور وانكل به دليل هايي كه در بحث مي 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 خالي وسط رتور قرار گرفته و با هم حركت ميكنند و به عبارت ديگر قسمت تو خالي وسط روتور ياتاقان بادامك محور موتور ميباشد و از همين ياتاقان نيروي 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 مكوتور هشت سيلندر V شكل(از لحاظ توان خروجي برابرند) فضلي بسيار كمي در موتور وانكل اشغال ميشود.

مقدمه اي بر نحوه عمل موتورهاي دوراني (Rotary)
موتور دوراني يك موتور احتراق داخليست همانند موتور فعلي خودروي شما، اما با نحوه عملي كه به طور كامل متفاوت با موتورهاي معمول پيستوني مي باشد.
در موتورهاي پيستوني، فضاي يكساني در داخل سيلندر به طور متناوب چهار عمل مختلف را انجام ميدهد، ورود هوا، فشرده سازي هوا، احتراق و خروج دود. يك موتور روتاري نيز اين اعمال را انجام ميدهد اما با اين تفاوت كه هر كدام از اين اعمال در فضاي خاصي كه براي آن تعبيه شده انجام مي پذيرد. ميتوان گفت كه همانند حالتي است كه براي هركدام از اين اعمال يك سيلندر وجود دارد و با حركت پيستون از روي يك عمل به روي عمل بعدي ميرويم ...
موتور روتاري در ابتدا توسط Dr. Felix Wankel طراحي و ساخته شد كه به همين دليل با نام Wankel engine يا Wankel Rotary Engine نيز شناخته ميشود.
حال درمورد اصول و قواعد كلي نحوه كار موتورهاي روتاري:
همانند موتورهاي پيستوني، موتورهاي روتاري از فشاري كه توسط احتراق هوا و سوخت در محفظه احتراق بوجود ميايد استفاده ميكند. در موتورهاي پيستوني فشار در داخل سيلندر باعث بالا و پايين رفتن سيلندر ميگردد، ميل لنگ و شاتونها باعث تبديل حركت بالا و پاييني پيستونها به حركت دوراني ميگردند.
در موتور هاي دوراني، فشار حاصل از احتراق در محفظه اي بيضوي و توسط قطعه اي مثلثي كه همانند پيستون عمل ميكند محار ميگردد.

http://www.badongo.com/pic.php?file=rot ... if&s=black

گردشگر (rotor) مسيري همانند دستگاههاي تنفس نگار در طب طي ميكند. اين مسير بگونه ايست كه در هر لحظه هر سه راس مثلث در تماس با محفظه ميباشند. كه باعث بوجود آمدن سه محفظه جداگانه براي هر سه نوع گاز (هواي اوليه، مخلوط كمپرس شده و هواي سوخته) مي شود. وقتي كه گردشگر به حركت خود ادامه ميدهد هر كدام از اين محفظه ها از حجمشان كم يا به حجم آنها زياد مي گردد، همين انبساط و انقباض فضاست كه باعث ورود و خروج (تنفس) گازها به موتور، فشرده سازي آن و توليد قدرت مي گردد.
حال پيش از بررسي اجزاي تشكيل دهنده موتورهاي روتاري، نگاهي به جديدترين مدل اين موتورهاي روي اتومبيل هاي Mazda RX-8 مي اندازيم.
كمپاني مزدا پيشگام در توليد انبوه اتومبيلهاييست كه از موتور روتاري استفاده مي كنند، RX-7 كه در سال 1978 توليد گرديد تقريبا موفقترين موتور روتاري بود كه مورد استفاده قرار گرفت و از فروش خوبي برخوردار بود اما اين موتورها دوباره در آينده نزديك بازگشتند.
مزدا RX-8 محصول جديد مزدا داراي موتور روتاري جديدي بود تحت عنوان Renesis كه توانست جوايزي را به خود اختصاص دهد و عنوان موتور بين المللي سال 2003 را به خود اختصاص داد، اين دستاورد به طور طبيعي با استفاده از موتوري دو روتوري توانست به 250 اسب قدرت دست يابد.

اين موتور خيلي باحاله فقط چرا متداول نشده. من مي خوام بدونم چرا بنگاههاي بزرگ موتورهاي احتراق داخلي رو با همون سسيستم چهار زمانه گسترش دادند و در نهايت جديدا با يه سيستم برقي موازيش مي كنند كه ميشه هيبريدي. شايدم خيلي هنر كنند موتور رو وي شكل مي سازنند. پس چرا اين گونه موتور ها يا گريبكس هاي ژيوسته كه مصرف خودرو رو به شكل قابل توجهي كاهش مي ده در دستور كار بنگاههاي تجاري(نه بخشهاي تحقيقاتي) قرار نگرفته؟
اين هم انيميشن نحوه كار موتور براي درك بهتر:
http://static.howstuffworks.com/flash/rotary-engine-animation.swf

عكس زير هم مي تونه تا حدودي نحوه عملكرد رو نشون بده:

ولي مهمترين عيب كه تقريبا عامل همه گير نشدن اين نوع موتور هاست و علت اينكه شركت هاي كمي به ساخت اين موتور ها اقدام كردن عدم آب بندي مناسب بين روتور و محفظه احتراقه.يك عيب ساده و در عين حال پيچيده .مثلا در گيربكس هاي پيوسته همون طور كه در تاپيكش گفتم ناخالصي حتي به ميزان خيلي كم در اجزا سبب شكستن قطعه ميشد و براي رفع اين مشكل به ظاهر ساده 20 سال وقت صرف شد .

يا مثلا موتور هاي دو زمانه كه بازدهي و قدرت بيشتري از موتور هاي 4 زمانه دارن به علت مشكل آلودگي و مصرف سوخت نتونستن به جايگاه اصليشون دست پيدا كنن.