تبلیغات
وبلاگ مرجع برق بهمراه مطالب کاربردی فراوان - ساختار موتور های وانکل (Wankel)

ساختار موتور های وانکل (Wankel)

پنجشنبه 9 مهر 1394 09:55 ق.ظنویسنده : علیرضا عباسی

 

موتور وانكل

   موتورهای دورانی (وانکل) زیر مجموعه موتورهای احتراق داخلی می باشند. اما شیوه کار آنها با موتورهای رایج پیستونی کاملاً متفاوت است. در موتورهای پیستونی یک حجم یکسان و مشخص (حجم سیلندر) بصورت پی در پی تحت تأثیر چهار فرآیند, مکش, تراکم, احتراق و تخلیه قرار می گیرد؛ حال اینکه در موتورهای دورانی هر کدام از این چهار فرآیند در نواحی خاصی از محفظه سیلندر که تنها متعلق به همان فرآیند می باشد صورت می پذیرد. درست مثل اینکه برای هر فرآیند سیلندر مربوط به خودش را اختصاص داده باشیم و پیستون بصورت پیوسته از یکی به دیگری حرکت می کند تا چهار فرآیند سیکل اتو را کامل نماید.

      موتورهای دورانی که به موتورهای وانکل نیز معروف می باشند برای اولین بار به اندیشه مبتکرانه دکتر فلیکس وانکل (Felix Wankel) آلمانی در سال 1933 خطور یافت و در سال 1957 اولین نمونه این نوع موتور ساخته شد.

      در موتورهای دورانی, فشار ناشی از احتراق، نیرویی را بر سطح یک روتور مثلث شکل که کاملاً محفظه احتراق را نشت بندی کرده است، وارد می کند. این قطعه (روتور) همان چیزی است که بجای پیستون از آن استفاده می شود.

     روتور در مسیری بیضی شکل حرکت می کند؛ بگونه ای که همیشه سه راس این روتور را در تماس با محفظه سیلندر نگه داشته و سه حجم جداگانه از گازها, بین سه سطح روتور و محفظه سیلندر ایجاد می کند.

موتور دورانی

انواع طرحهای ارائه شده برای موتور وانكل

محفظة عملیات در طرحهای گوناگون ساخته شده است. ولی بهترین طرح  نوع اپی ترو كوئیدی است كه شبیه دو استوانه متداخل می باشد.

انواع طرح محفظه احتراق

قطعات یک موتور دورانی:

  •        موتور های دورانی دارای سیستم جرقه و سوخت رسانی مشابه با موتورهای پیستونی می باشند.

 قطعات وانكل

روتور:

  •       روتور یک قطعه مثلث شکل با سه سطح برآمده یا محدب می باشد که هر کدام از این سطوح همانند یک پیستون عمل می کند. همچنین هر کدام از این سطح ها دارای یک گودی یا تورفتگی می باشد که حجم موتور را بیشتر می کند.
  •       در راس هر وجه یک تیغه فلزی قرار گرفته که عمل نشت بندی سه حجم محبوس بین روتور و جداره سیلندر را بر عهده دارد. همچنین در هر طرف روتور ( سطح فوقانی و تحتانی) رینگ های فلزی قرار گرفته اند که وظیفه نشت بندی جانبی روتور را به عهده دارد.
  •        روتور دارای چرخدنده داخلی در مرکز یک وجه جانبی می باشد؛ این چرخدنده با یک چرخدنده دیگر که روی محفظه سیلندر بصورت ثابت قرار دارد درگیر می شود و این درگیری است که مسیر وجهت حرکت روتور را درون محفظه  تعیین می نماید.
  • محفظه سیلندر :
  •       محفظه سیلندر تقریباً بیضی شکل است و شکل محفظه احتراق نیز بگونه ای طراحی شده است که همواره سه لبه روتور در تماس با دیواره محفظه قرار گیرد و سه حجم نشت بندی شده را بسازد.هر قسمت از این محفظه به یکی از فرآیندهای موتور اختصاص خواهد داشت. ( مکش- تراکم - احتراق- تخلیه)
  •        پورتهای مکش و تخلیه هر دو، در دیواره محفظه تعبیه شده اند. و سوپاپی برای این پورتها وجود ندارد. پورت تخلیه مستقیماً به اگزوز راه دارد و پورت مکش به دریچه گاز.

محور خروجی:

      محور خروجی دارای یک برآمدگی مدور (بادامک) می باشد که خروج از مرکز نسبت به خط مرکزی دارد. هر روتور روی یکی از این بادامکها سوار خواهد شد.این بادامک همانند یک میل لنگ در موتورهای پیستونی عمل می کند. از آنجاییکه این بادامکها دارای یک خروج از مرکز می باشند نیروی وارد از طرف روتور به این بادامکها گشتاوری در محور ایجاد میکند که باعث چرخیدن آن میگردد.

رینگها:

اگر رینگهای پیشانی را كه در رئوس روتور قرار دارند سخت بسازند تا سائیدگی كمتری داشته باشند در اینصورت محیط محفظه را خراش داده و ایجاد خطوط ناصافی می كند.

البته راه حلهای مختلفی برای مشكل فوق پیشنهاد گردیده است. مثلاً بعضی از كارخانه های اتومبیل سازی محیط محفظه را با پوشش سختی اندود می كنند و برخی دیگر از رینگهای سخت و كم اصطكاك استفاده می نمایند.

رینگهای روی روتور در معرض نیروهای مختلفی قرار دارند. مثلاً نیروهای گریز از مركز و جذب به مركز، نیروی فشار گاز و نیروی اصطكاك ناشی از مقاومت مسیر حركت. از طرف دیگر موقعیت رینگهای پیشانی دائماً در حال تغییر می باشد. وقتی رأس روتور در روی بزرگترین و كوچكترین محور قرار دارد رینگ پیشانی عمود بر محیط محفظه می باشد و در مواضع دیگر رینگها با زاویة غیر 90 حركت می كنند.

اخیراً مواد مختلفی برای ساختن رینگها به كار می برند كه خاصیت روانكاری بهتری دارند مثلاً شركت مزدا از رینگهای كربنی استفاده نموده است و یا اخیراً مواد تركیبی بدست آورده اند كه با تزریق پودر آلومینیوم در مجاورت گرما پخته شده و جسم محكم كم اصطكاكی بوجود می آید( Sintering ) بعضی موقع هم از رینگ های سرامیكی استفاده می شود.

شكل وجایگاه رینگها درموتور

رینگ وانكل

نحوه قرار گیری اجزاء کنار هم :

  •       موتور دورانی بصورت لایه لایه مونتاژ میگردد. یک موتور دو روتوره به پنج لایه اصلی تقسیم بندی میشود که با یک ردیف دایروی از پیچ های بلند کنار هم نگه داشته شده اند. آب خنک کاری درراهگاههای دورتادور قطعات جریان دارد.
  •       لایه های اول و آخر دارای نشت بندی و یاتاقانهای مناسب جهت محور خروجی می باشد. آنها همچنین دو مقطع محفظه روتور را نشت بندی می کنند. سطح داخلی این قطعات بسیار هموار است که این خود به نشت بندی روتور متناسب با کارش کمک می کند. روی هر یک از قطعات دو انتها یک پورت ورودی تعبیه شده است.
  • یکی از دو قسمت انتهایی موتور وانکل دو روتوره

محفظه در بر دارنده روتورها. (به موقعیت پورت خروجی توجه کنید)

  •      لایه بعدی محفظه بیضی شکلی است که قسمتی از محفظه کل روتور می باشد این لایه که در شکل زیر نشان داده شده است دارای پورت خروجی می باشد.
  •    در مرکز هر روتور یک چرخدنده داخلی بزرگ قرار دارد که حول یک چرخدنده کوچک ثابت روی محفظه موتور می چرخد. این دو چرخدنده مسیر حرکتی روتور را تعیین می کنند. همچنین روتور روی بادامک دایروی محور خروجی واقع شده و آن را به گردش در می آورد.

تولید توان:

    موتورهای دورانی همانند موتورهای رایج پیستونی از سیکل چهار زمانه استفاده می کند. که به شکل کاملاٌ متفاوتی به خدمت گرفته شده است. قلب یک موتور دورانی روتور آن است، که بصورت کلی معادل پیستون در موتورهای پیستونی می باشد. روتور روی یک بادامک دایروی روی بزرگ محور خروجی سوار شده است. این بادامک از خط مرکزی محور خروجی فاصله داشته و همانند یک میل لنگ عمل می کند. چرخش روتور نیروی لازم جهت چرخش محور خروجی را تامین می کند. همزمان با چرخش روتور در محفظه, این قطعه, بادامک را در یک مسیر دایروی 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 روی موتورهای وانكل از روش انژكتوری استفاده می كند. درنوع كاربراتوری از كاربراتورهای دودهانه سولكس، وبر و هیتاچی استرامبورگ استفاده می شود.

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

در حالیكه كارخانه های ژاپنی مانند: Toyo Kogyo و مزدا نوع جانبی را ترجیح می دهند و معتقدند كه دور آرام موتور با دریچه های روش درپوش، و نیز بازدهی در دوره های كم و تحت بار زیاد بهتر انجام می باشد.

بطور كلی دریچه محیطی برای موتور با دور زیاد و دریچه جانب برای موتور با بار زیاد مناسب است. سوخت موتورهای وانكل مانند موتورهای بنزینی است كه با 87 تا 91 درصد اكتان می باشد.

این موتور نیاز به بنزین اصلاح شده با تترااتیل سرب كه محیط را آلوده می سازد ندارد. آزمایش انجام شده در روی موتور مزدا نشان می دهد كه بنزین با 67% اكتان راندمان بهتری را برای موتور بوجود می آورد. در بعضی از موتورهای وانكل سوخت گازوئیل نتیجة خوبی را نشان داده است.

حجم مفید موتور وانكل مانند موتورهای پیستونی یكی از عوامل مؤثر در قدرت محسبو می شود. در موتور پیستونی حجم بالای پیستون ها وقتیكه در نقطة مرگ پائین قرار دارند معادل حجمموتور محاسبه می شود. البته برخی از طراحان حجم جابجائی محدود بین نقطة مرگ بالا و پائین را مبنای محاسبه قدرت به حساب می آورند و عقیده دارند كه موتور بطور كامل از هوا و سوخت پر نمی شود لذا حجم مفید مبنای عملی تری را ارائه می دهد.

قدرت خروجی موتور وانكل مانند موتورهای دوزمانه محاسبه می شود. البته محاسبه حجم مفید موتور وانكل پیچیده تر است.

میدانیم كه در هر دور محور اصلی یك كار مفید انجام می شود مانند موتورهای دوزمانه.

بنابراین در هر دور محور یك احتراق بوجود می آید.

قدرت یك موتور دو روتوری وانكل برابر یك موتور چهار سیلندر چهارزمانه مشابه از نظر حجم فید می باشد. انجمن مهندسین طراح معقد است كه حجم كل سیلندر موتو وانكل برابر است با دو برابر حجم یك محفظه ضربدر تعداد روتور. مثلاً هر گاه حجم یك محفظه 983 باشد، حجم مفید كل موتور دو روتوری برابر است با:

3932=(تعداد روتور)2*983*2

مکش:

       فاز مکش از زمانی شروع می شود که یکی از تیغه های روتور از روی پورت مکش عبور کند و پورت مکش در معرض محفظه سیلندر و روتور واقع شود, در این لحظه حجم محفظه کمترین مقدار خود می باشد. با حرکت روتور حجم محفظه منبسط شده و فرآیند مکش اتفاق می افتد و در پی آن مخلوط سوخت و هوا به داخل محفظه کشیده می شود.

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

موتور دورانی

تراکم:

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

طریقة محاسبة نسبت تراكم در موتور وانكل:

در موتور وانكل نسبت تراكم با تغییر شكل هندسی محفظه، روتور و میل لنگ و تجربه های گوناگون بدست می آید. نسبت تراكم موتور وانكل بر اساس طراحی مقدر شعاع روتور و مقدار خارج از مركز بین محول میل لنگ و محور روتور می باشد.                             

این نسبت تراكم در حدود موتورهای پیستونی جدید و بین 1: 5/8 تا 5/10 است و محدودیت استفاده از بنزین با اكتان بالا همانند موتورهای پیستونی با افزایش نسبت تراكم در وانكل مطرح نمی باشد.

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

در موتور مزدا مدل R100 حجم مفید موتور 4/983 است كه در دور RPM 7000 قدرتی معادل hp 100 با نسبت تراكم 1 : 4/9 تولید می كند.

احتراق:

     حجم محفظه احتراق گسترده و طولانی است بنابراین سرعت پخش شعله تنها با وجود یک شمع بسیار کم است و احتراق ناقصی بدست می دهد. از این رو در اکثر موتورهای دورانی از دو شمع در طول این ناحیه استفاده می شود. هنگامی که شمعها جرقه می زنند مخلوط سوخت و هوا محترق شده و فشار بسیار بالایی را ایجاد می کنند که باعث تداوم چرخش روتور می گردد. فشار احتراق، روتور را در جهت خودش وادار به حرکت می کند و حجم ناحیه محترق شده، رفته رفته زیاد می شود. در اینجاست که فرآیند انبساط و در نتیجه توان تولید می گردد تا جاییکه تیغه روتور به پورت خروجی برسد.

. در موتور وانكل، روتور ضمن چرخش بدور محور خود حركت انتقالی هم انجام می دهد، عیناً مانند گردش زمین بدور خورشید كه در حال گردش بدور خود حول خورشید هم می گردد. مركز محور موتوربا مركز محفظه بر هم منطبق است. ولی مركز بادامكهای محور به اندازة e نسبت به مركز آن دو، خارج از مركز می باشد. در حقیقت وجود اختلاف مركز e باعث حركت انتقالی روتور در محفظه و ایجاد تغییر حجم در آن می شود. در حالیكه روتور یك دور كامل در محفظه گردش می كند محوراصلی را سر دور می چرخاند. این نسبت حركت ناشی از تأثیر در حركت چرخشی و انتقالی روتور می باشد. برای اصلاح حركت صحیح انتقالی روتور در محفظه داخلی از سیستم چرخ دندانة هادی استفاده می شود. چرخ دنده كوچك ثابت بوده و در روی درپوش جانبی قرار می گیرد و كوچكترین تأثیری در تغییر نسبت حركت بین روتور و محور ایجاد نمی كند. چرخ دندانه روتور كه داخل می باشد با نسبت 3 و چرخ دندانة روی درپوش كه خارجی است با نسبت 2 ساخته می شود. بنابراین نسبت چرخ دندانه ها  است.

همانطور كه گفته شد چرخ دندانه ها فقط به عنوان راهنمای روتور طرح گردیده است و اگر وجود نداشته باشد روتور تمایل دارد در محلی از تماس با محفظه دوری كرده ودر موضعی دیگر در دیوارة سیلندر فرو رود. بهتر است بدانیم كه بادامك خارج از مركز روی محور اصلی، روتور را به دور خود می چرخاند اما نمی تواند حركت مطلوبی به آن بدهد تا در تمام لحظات رئوس روتور  با محیط محفظه تماس داشته باشد.

تخلیه:

      هرگاه تیغه روتور از پورت خروجی عبور می کند، گازهای با فشار بالا رها شده و به سمت پورت خروجی جریان می یابند. با ادامه حرکت روتور حجم محبوس فشرده می گردد و گازهای باقیمانده را به طرف پورت خروجی می راند. وقتی این حجم به کمترین مقدار خود نزدیک می شود، تیغه روتور در حال گذار از پورت ورودی است و در این زمان سیکل جدید شروع می گردد.

    یک مورد بسیار جالب در رابطه با موتورهای دورانی اینست که هر یک از سه سطح روتور همیشه در یک قسمت سیکل درگیر است. به عبارتی بهتر در هر دور کامل روتور، سه بار احتراق خواهیم داشت. اما به یاد داشته باشید که در هر دور کامل روتور محور خروجی سه دور می چرخد و در نتیجه یک احتراق برای هر دور محور خروجی.

در یك موتور پیستونی مقدار فرصت تخلیه دود را طرح بادامكها میل سوپاپ معین می كند اما در موتورهای دوزمانه وانكل این عمل بوسیلة موقعیت دریچه های روی محفظه عملیات مشخص می گردد.

در موتور وانكل دریچه های ورودی و خروجی بطور دائم باز هستند و هر وجهی كه در مقابل این دریچه ها واقع شود عملیات ورود و خروج گاز و دود فقط در آن وجه تحقق می یابد.

یكی از مزایای وانكل آن است كه فرصت هر مرحله از عملیات چهار زمان سیگل اتو زیادتر و در حدودة 270 درجه است. دور محور اصلی مرحله عملیات

روغنكاری در موتور وانكل

از آنجا كه روغن موتور در موتور وانكل بطور مستقیم در معرض دود و گاز قرار ندارد لذا بندرت آلوده شده و تعویض مرتب روغن چندان ضروری نمی باشد.

روغنكاری یاتاقانهای موتور عیناً مانند موتورهای پیستونی بوده و با روغن تحت فشار اویل پمپ انجام می شود. شكل 207. ولی روغن كاری رینگها بصورت اختلاطی با بنزین می باشد، عیناً مانند موتورهای دوزمانه بنزینی.

روش دیگری برای روغن كاری رینگها وجود دارد. در این روش روغن از وسط محور اصلی به قسمت خالی روتور رسیده و در اثر نیروی گریز از مركز و حركت پرتابی رینگها را روغنكاری می كند.

در روش سوم روغنكاری رینگها تزریقی بوده و روغن از دریچه ورودی گاز به موتور  تزریق می شود ( مانند نوع اختلاطی ). در این روش روغن تنظیم شده ای به محفظه عملیاتی ارسال می گردد.

تفاوتها با موتور معمولی:

 1.کارکرد نرم و بدون لرزه:

     تمام قطعات موتور دورانی بطور پیوسته در حال چرخش آن هم در یک جهت می باشد که در مقایسه با تغییر جهت شدید قطعات متحرک در موتورهای پیستونی از ارجحیت خاصی برخوردار است.موتورهای دورانی بدلیل تقارن خاص قطعات گردنده دارای بالانس داخلی است که هرگونه ارتعاشی را از بین می برد. همچنین انتقال قدرت در موتورهای دورانی نیز نرم تر است ؛ زیرا هر احتراق در طول 90 درجه چرخش روتور حاصل می شود. از آنجاییکه چرخش محور خروجی سه برابر چرخش روتور است پس هر احتراق در طول 270 درجه چرخش محورخروجی حاصل می گردد.این یعنی یک موتور تک روتوره در سه ربع گردش محورخروجی خود قدرت انتقال می دهد؛ در مقایسه با موتور تک سیلندر پیستونی که احتراق در طول 180 درجه از دو دور گردش میل لنگ یا یک ربع گردش محور خروجی آن رخ می دهد.

 2.آهسته تر:

       از آنجاییکه گردش روتور یک سوم گردش محور خروجی آن است, قطعات اصلی موتور آهسته تر از قطعات موتورهای پیستونی حرکت می کنند. که این موضوع قابلیت اطمینان به این موتور را بالا می برد.

چالشها در طراحی موتورهای دورانی:

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

2.هزینه ساخت آنها معمولاً بالاتر از موتورهای رایج پیستونی است؛ بیشتر به این دلیل که تیراژ تولید آنها نسبت به موتورهای پیستونی پایینتر است.

 3.نوعاً مصرف سوخت این گونه موتورها بالاتر از مصرف سوخت موتورهای پیستونی است زیرا مشکل کشیده و طولانی بودن محفظه احتراق و نسبت تراکم پایین این موتورها راندمان ترمودینامیکی آنها را محدود می کند.


آخرین ویرایش: پنجشنبه 9 مهر 1394 09:56 ق.ظ

 
چهارشنبه 21 تیر 1396 01:42 ب.ظ
My brother recommended I may like this blog. He was entirely right.
This put up actually made my day. You can not consider simply how a lot time I had spent for this info!

Thank you!
پنجشنبه 24 فروردین 1396 12:34 ق.ظ
Pretty! This has been an extremely wonderful article.
Many thanks for providing these details.
جمعه 18 فروردین 1396 06:33 ق.ظ
Exceptional post however , I was wondering if you could write a litte more on this topic?
I'd be very thankful if you could elaborate a little bit more.

Appreciate it!
 
لبخندناراحتچشمک
نیشخندبغلسوال
قلبخجالتزبان
ماچتعجبعصبانی
عینکشیطانگریه
خندهقهقههخداحافظ
سبزقهرهورا
دستگلتفکر