امروز: یکشنبه 02 ارديبهشت 1397 برابر با 22 آوریل 2018

ساختار موتور های وانکل (Wankel)

موتور وانكل

   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.

      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.

موتور دوراني

انواع طرحهاي ارائه شده براي موتور وانكل

محفظة عمليات در طرحهاي گوناگون ساخته شده است. ولي بهترين طرح  نوع اپي ترو كوئيدي است كه شبيه دو استوانه متداخل مي باشد.

انواع طرح محفظه احتراق

قطعات يک موتور دورانی:

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

 قطعات وانكل

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.

رينگها:

اگر رينگهاي پيشاني را كه در رئوس روتور قرار دارند سخت بسازند تا سائيدگي كمتري داشته باشند در اينصورت محيط محفظه را خراش داده و ايجاد خطوط ناصافي مي كند.

البته راه حلهاي مختلفي براي مشكل فوق پيشنهاد گرديده است. مثلاً بعضي از كارخانه هاي اتومبيل سازي محيط محفظه را با پوشش سختي اندود مي كنند و برخي ديگر از رينگهاي سخت و كم اصطكاك استفاده مي نمايند.

رينگهاي روي روتور در معرض نيروهاي مختلفي قرار دارند. مثلاً نيروهاي گريز از مركز و جذب به مركز، نيروي فشار گاز و نيروي اصطكاك ناشي از مقاومت مسير حركت. از طرف ديگر موقعيت رينگهاي پيشاني دائماً در حال تغيير مي باشد. وقتي رأس روتور در روي بزرگترين و كوچكترين محور قرار دارد رينگ پيشاني عمود بر محيط محفظه مي باشد و در مواضع ديگر رينگها با زاوية غير 90 حركت مي كنند.

اخيراً مواد مختلفي براي ساختن رينگها به كار مي برند كه خاصيت روانكاري بهتري دارند مثلاً شركت مزدا از رينگهاي كربني استفاده نموده است و يا اخيراً مواد تركيبي بدست آورده اند كه با تزريق پودر آلومينيوم در مجاورت گرما پخته شده و جسم محكم كم اصطكاكي بوجود مي آيد( Sintering ) بعضي موقع هم از رينگ هاي سراميكي استفاده مي شود.

شكل وجايگاه رينگها درموتور

رينگ وانكل

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.
  •       لايه های اول و آخر دارای نشت بندی و ياتاقانهای مناسب جهت محور خروجی می باشد. آنها همچنين دو مقطع محفظه روتور را نشت بندی می کنند. سطح داخلی اين قطعات بسيار هموار است که اين خود به نشت بندی روتور متناسب با کارش کمک می کند. روی هر يک از قطعات دو انتها يک پورت ورودی تعبيه شده است.
  • يکی از دو قسمت انتهايی موتور وانکل دو روتوره

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

  •      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.
  •    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.

كارخانة مرسدس بنز در روي موتورهاي وانكل از روش انژكتوري استفاده مي كند. درنوع كاربراتوري از كاربراتورهاي دودهانه سولكس، وبر و هيتاچي استرامبورگ استفاده مي شود.

محل قرار گرفتن دريچه هاي ورودي وخروجي اثر مهمي در راندمان موتور دارد. كارخانه هاي اتومبيل سازي آلماني مانند NSU و بنز معتقد به دريچه هاي محيطي هستند كه در محيط محفظه ايجاد مي شود.

در حاليكه كارخانه هاي ژاپني مانند: Toyo Kogyo و مزدا نوع جانبي را ترجيح مي دهند و معتقدند كه دور آرام موتور با دريچه هاي روش درپوش، و نيز بازدهي در دوره هاي كم و تحت بار زياد بهتر انجام مي باشد.

بطور كلي دريچه محيطي براي موتور با دور زياد و دريچه جانب براي موتور با بار زياد مناسب است. سوخت موتورهاي وانكل مانند موتورهاي بنزيني است كه با 87 تا 91 درصد اكتان مي باشد.

اين موتور نياز به بنزين اصلاح شده با تترااتيل سرب كه محيط را آلوده مي سازد ندارد. آزمايش انجام شده در روي موتور مزدا نشان مي دهد كه بنزين با 67% اكتان راندمان بهتري را براي موتور بوجود مي آورد. در بعضي از موتورهاي وانكل سوخت گازوئيل نتيجة خوبي را نشان داده است.

حجم مفيد موتور وانكل مانند موتورهاي پيستوني يكي از عوامل مؤثر در قدرت محسبو مي شود. در موتور پيستوني حجم بالاي پيستون ها وقتيكه در نقطة مرگ پائين قرار دارند معادل حجمموتور محاسبه مي شود. البته برخي از طراحان حجم جابجائي محدود بين نقطة مرگ بالا و پائين را مبناي محاسبه قدرت به حساب مي آورند و عقيده دارند كه موتور بطور كامل از هوا و سوخت پر نمي شود لذا حجم مفيد مبناي عملي تري را ارائه مي دهد.

قدرت خروجي موتور وانكل مانند موتورهاي دوزمانه محاسبه مي شود. البته محاسبه حجم مفيد موتور وانكل پيچيده تر است.

ميدانيم كه در هر دور محور اصلي يك كار مفيد انجام مي شود مانند موتورهاي دوزمانه.

بنابراين در هر دور محور يك احتراق بوجود مي آيد.

قدرت يك موتور دو روتوري وانكل برابر يك موتور چهار سيلندر چهارزمانه مشابه از نظر حجم فيد مي باشد. انجمن مهندسين طراح معقد است كه حجم كل سيلندر موتو وانكل برابر است با دو برابر حجم يك محفظه ضربدر تعداد روتور. مثلاً هر گاه حجم يك محفظه 983 باشد، حجم مفيد كل موتور دو روتوري برابر است با:

3932=(تعداد روتور)2*983*2

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.

موتور دوراني

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.

طريقة محاسبة نسبت تراكم در موتور وانكل:

در موتور وانكل نسبت تراكم با تغيير شكل هندسي محفظه، روتور و ميل لنگ و تجربه هاي گوناگون بدست مي آيد. نسبت تراكم موتور وانكل بر اساس طراحي مقدر شعاع روتور و مقدار خارج از مركز بين محول ميل لنگ و محور روتور مي باشد.                             

اين نسبت تراكم در حدود موتورهاي پيستوني جديد و بين 1: 5/8 تا 5/10 است و محدوديت استفاده از بنزين با اكتان بالا همانند موتورهاي پيستوني با افزايش نسبت تراكم در وانكل مطرح نمي باشد.

در موتور وانكل Audi – Nsu مدل R080 با حجم مفيد  87/994 در دور RPM 5500 قدرت hp 130 و نسبت تراكم آن /1 : 9 مي باشد.

در موتور مزدا مدل R100 حجم مفيد موتور 4/983 است كه در دور RPM 7000 قدرتي معادل hp 100 با نسبت تراكم 1 : 4/9 توليد مي كند.

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.

. در موتور وانكل، روتور ضمن چرخش بدور محور خود حركت انتقالي هم انجام مي دهد، عيناً مانند گردش زمين بدور خورشيد كه در حال گردش بدور خود حول خورشيد هم مي گردد. مركز محور موتوربا مركز محفظه بر هم منطبق است. ولي مركز بادامكهاي محور به اندازة e نسبت به مركز آن دو، خارج از مركز مي باشد. در حقيقت وجود اختلاف مركز e باعث حركت انتقالي روتور در محفظه و ايجاد تغيير حجم در آن مي شود. در حاليكه روتور يك دور كامل در محفظه گردش مي كند محوراصلي را سر دور مي چرخاند. اين نسبت حركت ناشي از تأثير در حركت چرخشي و انتقالي روتور مي باشد. براي اصلاح حركت صحيح انتقالي روتور در محفظه داخلي از سيستم چرخ دندانة هادي استفاده مي شود. چرخ دنده كوچك ثابت بوده و در روي درپوش جانبي قرار مي گيرد و كوچكترين تأثيري در تغيير نسبت حركت بين روتور و محور ايجاد نمي كند. چرخ دندانه روتور كه داخل مي باشد با نسبت 3 و چرخ دندانة روي درپوش كه خارجي است با نسبت 2 ساخته مي شود. بنابراين نسبت چرخ دندانه ها  است.

همانطور كه گفته شد چرخ دندانه ها فقط به عنوان راهنماي روتور طرح گرديده است و اگر وجود نداشته باشد روتور تمايل دارد در محلي از تماس با محفظه دوري كرده ودر موضعي ديگر در ديوارة سيلندر فرو رود. بهتر است بدانيم كه بادامك خارج از مركز روي محور اصلي، روتور را به دور خود مي چرخاند اما نمي تواند حركت مطلوبي به آن بدهد تا در تمام لحظات رئوس روتور  با محيط محفظه تماس داشته باشد.

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.

در يك موتور پيستوني مقدار فرصت تخليه دود را طرح بادامكها ميل سوپاپ معين مي كند اما در موتورهاي دوزمانه وانكل اين عمل بوسيلة موقعيت دريچه هاي روي محفظه عمليات مشخص مي گردد.

در موتور وانكل دريچه هاي ورودي و خروجي بطور دائم باز هستند و هر وجهي كه در مقابل اين دريچه ها واقع شود عمليات ورود و خروج گاز و دود فقط در آن وجه تحقق مي يابد.

يكي از مزاياي وانكل آن است كه فرصت هر مرحله از عمليات چهار زمان سيگل اتو زيادتر و در حدودة 270 درجه است. دور محور اصلي مرحله عمليات

روغنكاري در موتور وانكل

از آنجا كه روغن موتور در موتور وانكل بطور مستقيم در معرض دود و گاز قرار ندارد لذا بندرت آلوده شده و تعويض مرتب روغن چندان ضروري نمي باشد.

روغنكاري ياتاقانهاي موتور عيناً مانند موتورهاي پيستوني بوده و با روغن تحت فشار اويل پمپ انجام مي شود. شكل 207. ولي روغن كاري رينگها بصورت اختلاطي با بنزين مي باشد، عيناً مانند موتورهاي دوزمانه بنزيني.

روش ديگري براي روغن كاري رينگها وجود دارد. در اين روش روغن از وسط محور اصلي به قسمت خالي روتور رسيده و در اثر نيروي گريز از مركز و حركت پرتابي رينگها را روغنكاري مي كند.

در روش سوم روغنكاري رينگها تزريقي بوده و روغن از دريچه ورودي گاز به موتور  تزريق مي شود ( مانند نوع اختلاطي ). در اين روش روغن تنظيم شده اي به محفظه عملياتي ارسال مي گردد.

تفاوتها با موتور معمولی:

 1.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.

 2.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:

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

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

 3.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.

خواندن 1272 دفعه
این مورد را ارزیابی کنید
(0 رای‌ها)
منتشرشده در آموزش
خواندن کد خبر: 508

نظرسنجی رویان

معرفی مدیر، مربی و مهارت جو به اموزشگاههای آزاد سراسر ایران

videoAd

 

banksoal

diganim

 

 

ylo

با تخفیف 3 درصد ویژه سایت رویان

logo-samandehi

zopdroid
 
qrcodegif

با ما در تماس باشید

عضویت در خبرنامه