فرادرسموتور وانکل – از صفر تا صد
تاریخچه ساخت اولین نمونه موتور وانکل به سال 1957 میلادی بازمی‌گردد. کارخانه NSU، در سال 1873 و برای تولید ماشین‌های خیاطی آغاز به کار کرده بود. ولی در فاصله کمتر از یک قرن و پس از قراردادی که با «فلیکس وانکل» (Felix Wankel) مهندس و مخترع آلمانی امضا کرد، موفق شد از اولین نمونه ساخته شده موتور وانکل پرده‌برداری کند. وانکل که در خلال جنگ جهانی دوم، در صنایع هوایی آلمان و کارخانه BMW مشغول به کار بود و پس از جنگ، مدتی را در زندان‌های فرانسه گذراند، موتوری اختراع کرد که بعدها توسط شرکت‌های بزرگ خودروسازی از قبیل مزدا، فورد، مرسدس بنز، پورشه و تویوتا مورد استفاده قرار گرفت. شماتیک عملکرد موتور وانکل در تصویر متحرک زیر نشان داده شده است.
پیکربندی موتور وانکل
موتور وانکل، نمونه‌ای از موتورهای احتراق داخلی است که پیکربندی متفاوتی از موتورهای سیلندر-پیستونی دارد. در موتور وانکل، تمام چهار مرحله چرخه اتو در فضای بین یک روتور متقارن سه‌گوش و یک محفظه رخ می‌دهد.
در طراحی این موتور از یک محور (Shaft) غیرهم‌مرکز استفاده شده که قادر است انرژی تولید شده از احتراق گاز را به صورت مستقیم به حرکت چرخشی در محور محرک تبدیل کند. قسمت‌های مختلف موتور وانکل را در شکل زیر مشاهده می‌کنید.
روتور: روتور دارای سه وجه محدب است که کار پیستون را انجام می‌دهند. کار آب‌بندی در فضای بیرون محفظه احتراق، به عهده سه گوشه روتور است. همچنین، روتور دارای دندانه‌هایی در قسمت درونی است که به آن اجازه می‌دهد مانند چرخدنده، حول محور بچرخد.
محفظه: محفظه (Housing) به شکل یک اپیتروکوئید (Epitrochoid) است که می‌توان آن را مانند بیضی در نظر گرفت. طراحی محفظه به گونه‌ای است که سه گوشه روتور همیشه با آن در تماس باشد. دریچه ورودی و اگزوز، مستقیم به داخل محفظه باز می‌شوند. هر قسمت از محفظه به یکی از مراحل چهارگانه موتور احتراق داخلی، اختصاص داده شده است. این مراحل عبارتند از ورود سوخت و هوا، تراکم، احتراق و خروج دود.
محور خروجی: محور خروجی، دارای برآمدگی‌های گردی است که به صورت غیرهم‌مرکز روی محور قرار گرفته‌اند. روتورهای مختلف را می‌توان روی هر یک از این برآمدگی‌ها قرار داد. این برآمدگی‌ها مانند میل‌لنگ در موتور پیستونی عمل می‌کنند. بنابراین، نیروی هر روتور، تبدیل به گشتاوری می‌شود که این محور را به چرخش درمی‌آورد.
چرخه موتور وانکل
چرخه موتور وانکل از قوانین سایر موتورهای احتراق داخلی پیروی میکند. در این بخش، چهار مرحله اصلی فرآیند احتراق را در این موتور مرور خواهیم کرد. شکل زیر، شماتیک این چهار مرحله و تناظر یک به یک آنها را با مراحل موتور پیستونی نشان می‌دهد.
ورود سوخت: هنگامی که یکی از گوشه‌های روتور از مقابل دریچه ورودی عبور میکند، مخلوط سوخت و هوا، وارد اولین محفظه (بین گوشه‌های ۱ و ۲) می‌شود. این کار ادامه دارد تا وقتی که گوشه دوم به آن برسد و دریچه را مسدود کند. در این هنگام، مخلوط سوخت و هوا در این محفظه، آب‌بندی شده و برای مرحله تراکم مهیا می‌شود.
تراکم: با چرخش روتور و به دلیل شکل ظاهری آن، مخلوط موجود در محفظه اول متراکم شده و به شمع جرقه‌زن می‌رسد. همزمان با این مرحله، مخلوط جدید سوخت و هوا به محفظه دوم وارد می‌شود. محفظه دوم، بین گوشه‌های ۲ و ۳ قرار دارد.
احتراق: روتور، یک مرحله دیگر می‌چرخد. اکنون مخلوط سوخت و هوا در محفظه اول با فشار بسیار زیادی متراکم شده است. هنگامی که شمع جرقه می‌زند، این مخلوط با وقوع انفجار، منبسط می‌شود. فشار ناشی از این انبساط، نیرویی در جهت پیش‌روی روتور به آن وارد میکند. در نتیجه، روتور یک مرحله دیگر می‌چرخد و به مرحله خروج دود می‌رسد.
خروج دود: به محض اینکه گوشه شماره ۱ از مقابل دریچه خروج دود عبور میکند، گازهای داغ حاصل از احتراق، با فشار زیاد از این دریچه خارج می‌شوند. با ادامه چرخش روتور، رفته رفته از حجم محفظه مورد نظر کاسته می‌شود. بدین طریق، گازهای باقیمانده هم از دریچه خروج دود، بیرون می‌روند. بلافاصله پس از اینکه گوشه شماره ۲، دریچه خروج دود را مسدود کند، گوشه شماره ۱ از مقابل دریچه ورودی عبور میکند و چرخه تکرار می‌شود.
به این نکته توجه کنید که همزمان با تخلیه دود از محفظه اول، محفظه دوم در مرحله تراکم قرار دارد و مخلوط سوخت و هوا وارد محفظه سوم می‌شود. بنابراین، این چهار مرحله همواره به صورت پشت سر هم در حال وقوع است تا عملکرد یکنواخت موتور را در پی داشته باشد.
مزیت‌های موتور وانکل
- تعداد قطعات متحرک در موتور وانکل در مقایسه با موتور چهار زمانه پیستونی، بسیار کمتر است. همین موضوع موجب می‌شود طراحی این موتور، ساده‌تر و قابلیت اطمینان آن، بالاتر باشد.
- اندازه و وزن این موتور، در حدود یک‌سوم موتور پیستونی است. در حالی که می‌تواند همان توان خروجی را فراهم کند. از این رو، نسبت توان به وزن افزایش یافته است.
معایب موتور وانکل
- در این موتور، هریک از محفظه‌ها دمای متفاوتی دارد. در نتیجه، انبساط نقاط مختلف محفظه اصلی، متفاوت خواهد بود. از این رو در برخی شرایط، روتور نمی‌تواند محفظه را به طور کامل آب‌بندی کند.
- مرحله احتراق، طولانی و در حال حرکت اتفاق می‌افتد. همین امر باعث می‌شود این مرحله به کندی انجام شود. به عبارت دیگر، ممکن است گاهی اوقات بدون اینکه احتراقی صورت بگیرد، مخلوط سوخت و هوا از اگزوز خارج شوند.
- با توجه به احتمال خروج سوخت تازه از اگزوز، این موتور نمی‌تواند در برخی از بندهای استانداردهای بین‌المللی نمره قبولی کسب کند.
در صورت علاقه‌مندی به مباحث مرتبط در زمینه مهندسی مکانیک حرارت و سیالات، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:
- مجموعه آموزش‌های دروس مهندسی مکانیک
- آموزش مکانیک سیالات
- مجموعه آموزش‌های مهندسی مکانیک
- آنتروپی — از صفر تا صد
- فرآیند آدیاباتیک — به زبان ساده
- سیکل رانکین (Rankine Cycle) — یادگیری با مثال
- سیکل ترمودینامیکی اتو (Otto Cycle) و موتور احتراق داخلی — یادگیری با مثال
- چرخه کارنو – به زبان ساده
^^
نمیشه برای قسمت خارجی رتور مثل پیستون رینگ گذاشت تا از ساییدگی و فرسایش جلوگیری کنه ؟
الان موتور 6 زمانه (محفظه احتراق جدا است) رو با موتور وانکل ترکیب کردن شده موتور (omega 1)
ممنون از سایت خوب و کاملتون
میشه موتور شبه توربين كالسكه اي رو با موتور وانکل ترکیب کرد اینجوری درصد تراکم و قدرت هم بالا میره شاید حتی بشه به عنوان موتور دیزلی هم ازش استفاده کرد
با درود
من درآپارات فیلمی از موتور وانگل چگونه کار میکند دیدم
که نوع طرح متفاوتی بود میخوام بدونم آیا معایبی که برای این نوع موتور بر شمردید در این مدل هم هست
مستدام باشید
نظرم مثبت می باشد