- 2011-03-26
- 423
- 1,667
موتورهای دورانی (وانکل)
n 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.
n 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.
n 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.
n 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.
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.
قطعات يک موتور دورانی:
n موتور های دورانی دارای سيستم جرقه و سوخت رسانی مشابه با موتورهای پيستونی می باشند.
روتور:
n 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.
n 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.
n 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 :
n 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)
n 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:
n 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
نحوه قرار گيری اجزاء کنار هم :
n 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.
n 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)
n 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.
n 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:
n 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.
n 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.
n 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.
n 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.
n 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.
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.
قطعات يک موتور دورانی:
n موتور های دورانی دارای سيستم جرقه و سوخت رسانی مشابه با موتورهای پيستونی می باشند.
روتور:
n 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.
n 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.
n 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 :
n 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)
n 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:
n 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
نحوه قرار گيری اجزاء کنار هم :
n 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.
n 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)
n 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.
n 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:
n 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.