موتور های دوار

 جستاری  در موتور های دوار
(موتورهای وانکل)

تاریخچه:
این موتور در سال 1957 توسط مخترع آلمانی دکتر فلیکس وانکل اختراع شد.

ایده این موتور از یک رویا شروع شد! زمانی که فلیکس وانکل 17 ساله مشغول دیدین یک رویا بود و در رویای خود چنین موتوری را تجسم نمود. در آن زمان به علت نداشتن معلومات کافی نتوانست اقداماتی برای تکمیل رویای خود صورت دهد! اما در سن 22 سالگی با تشکیل یک آزمایشگاه کوچک شروع به پیگیری این رویا نمود. وانکل در جنگ جهانی دوم با علاقه بسیار آلمانها به طرح خودش مواجه شد. که این علاقه ناشی از توجه شدید آلمان ها برای بدست آوردن قدرت منطقه توسط ابزار آلات پیشرفته و جدید بود.
سالهای بعد وانکل موسسه مطالعات فنی و مهندسی(TES) را به راه انداخت تا طرح خود را به عرصه تولید اقتصادی برساند.
در سال 1951 بود که دکتر وانکل توسط همکاری با NSU ( کارخانه موتورسیکلت سازی آلمان) توانست فصل تازه ای در پژوهش های خود آغاز کند.که سرانجام این پژوهشها در اول فوریه سال 1957 منجر به تولید اولین موتور محرک شد.
در سالهای بین 1950 تا 1960 تلاشهای قابل ملاحظه ای برای ارتقا این موتور ها صورت گرفت.بیشتر به خاطر کم صدا بودن موتور، روان بودن، و سادگی آن بود که توانست نظر همگان را به خود جلب کند.
کمپانی های خودرو سازی بزرگی در پی ادامه این طرح فعالیت نمودند که شاید به جرئت بتوان گفت که کمپانی ژاپنی مزدا توانست وفاداری خود را نسبت به این طرح در بین کمپانی های معتبری همانند رولز رویس و جنرال موتورز و مرسدس بنز بیشتر از پیش ثابت نماید.
این کمپانی(Mazda Co) با مدل هایی همچون RX-7 و RX-8 توانست نظر مشتری را تا حدودی به این موتورها جلب نماید. ناگفته نماند که این کمپانی ژاپنی صاحب ابداعاتی هم در این موتور میباشد که در موتور Rensise که در مدل های جدید RX-8 سوار شده، قابل مشاهده است.

طراحی:
این موتورها همچنان که اشاره شد از 4 مرحله اصلی بهره گرفته و سبب انتقال قدرت از احتراق سوخت می شود.
همانند شکل مشاهده میکنید که تمام مراحل که در موتور های خطی انجام می شوند در این موتور ها هم صورت می پذیرند اما به گونه ای دیگر و در فضایی دیگر.با چرخش روتور از مقابل دریچه ورودی که فاقد یوپاپ است عملیات مکش صورت گرفته و این مخلوط مکیده شده با چرخش روتور در فضای مابین روتور و محفظه روتور محبوس شده ومتراکم می شود. این مخلوط متراکم توسط تعدادی شمع محترق شده و در در حین چرخش روتور محترق شده و نیرویی به روتور اعمال میکند که این نیرو از قسمت گودال های احتراق(Combustion Cavity) به خود روتور وارد می شود سپس در ادامه چرخش این مخلوط از قسمت پورت اگزوز به خارج انتقال پیدا می کند.

اجزای اصلی:
این موتور همانند موتور های خطی از قطعات زیاد و پر تنش شکل نگرفته است. بلکه با استفاده از طراحی ساده توانسته عملیات انتقال قدرت را انجام دهد.

محور اصلی:(محور خارج از مرکز)(E-Shaft)
این محور که برای روشن شدن وظیفه آن می توان آن را با میل لنگ در موتور های خطی به شباهت گرفت. این قطعه وظیفه انتقال قدرت از موتور به محور خروجی را بر عهده دارد.
بر روی این محور بادامک های (دایره ای شکل) گریز از مرکز نصب شده. این دایره ها در داخل روتور یاتاقان میشوند. به همین علت با نام Ecentric Shaft یا به طور خلاصه E-Shaft نام برده می شود. تعدادی وزنه برای حفظ تعادل یا بالانس کردن محور بر روی آن سوار شده است.

روتور:
قطعه ای مثلثی شکل که همانند پیستون در موتور های خطی وظیفه دارد تا انرژی احتراق را به محور اصلی انتقال دهد.
در سه راس این روتور رینگهای تیغه ای(Apex Seals) قرار دارد که عمل نشتبندی 3 محفظه ی درگیر ایجاد شده بین روتور و محفظه روتور را بر عهده دارد.
از وجه جانبی نیز روتور دارای تعدادی رینگ روغنی(Face Seals) میباشید که وظیفه آبندی روغن موتور و محفظه های ایجاد شده را داراست.
گودال های احتراق(Combustion Cavity) بر روی سه سطح روتور ایجاد شده تا فضای محوطه احتراق را افزایش دهد و همچنین انقال بهتر انرژی احتراق به محور اصلی را صورت دهد.
روتور همچنین دارای یک چرخدنده داخلی است که برای هدایت و منظم کردن حرکت روتور قرار داده شده است.

محفظه روتور(Rotor Housing):
این محفظه بیضی شکل (بیشتر شبیه دو استوانه متداخل می باشد) در برگیرنده روتور میباشد و با این عمل همواره در یک زمان 4 مرحله را در درون فضای بین  خود و روتور جای میدهد.
بر روی محفظه روتور مجاری سیستم خنک کننده ، مجاری اگزوز و سوخت(البته در مدل جدید مکان این دو تغییر کرده و به صفحات جانبی انتقال یافته)، شمع های موتور بر روی همین محفظه بسته می شود.

صفحات جانبی(Housing Plates):
این صفحات موظفند از جانب محفظه روتور را آببندی کنند. همانطور که اشاره شد در مدل های جدید پورت های اگزوز و سوخت بر روی این صفحه قرار گرفته است.

چرخدنده ثابت(Stationary Gear):
این چرخدنده که بعضا با نام Synchronizing Gear خوانده میشود با درگیری با چرخدنده داخلی روتور سبب تنظیم دور 1 به 3 روتور و شفت خارج از مرکز میشود.

بررسی فنی:

قدرت خروجی:
این موتور ها در مقایسه با موتور های خطی دارای مزایای هستند که از جمله مهمترین آنها میتوان اشاره به توان خروجی آنها نمود.
همانطور که در شکل متحرک ملاحظه میفرمایید برای هر دور روتور که نقطه A بر روی آن مشخص شده، سه دور محور اصلی را خواهیم داشت که نقطه B  مشخص کننده آن است.

همانطور که میدانید در موتور وانکل برای هر وجه روتور یک عملیات احتراق صورت میگیرد، پس در 3 دور روتور ما سه احتراق خواهیم داشت که در مقایسه با موتور های خطی که برای هر احتراق دو دور میل لنگ دارند نشان دهنده قدرت خروجی بیشتری است. پشت سر هر دور محور اصلی موتور های وانکل یک احتراق خوابانده شده!!!
قدرت خروجی موتورهای وانکل نسبت به یک موتور خطی در حجم و اندازه مشابه در درجه بالاتری قرار دارد.
مخصوصا نسبت جرم موتور به قدرت این موتورها بسیار بیشتر از موتورهای خطی است.

خط قرمز بالاتر( Higher Redline):
خط قرمز در موتور چیست؟
آیا تا به حال به صفحه دور موتور ماشین خود نگاه کرده اید. مسلما نگاه کرده اید! آیا توجه به نهایت دور موتور ماشین خود داشته اید. خطوط قرمز رنگی که محدوده دور موتور ماکزیمم شما را مشخص کرده اند همان خط قرمز های موتور هستند.
در موتور های وانکل این خط قرمز با توجه به ظرفیت خود موتور بسیار بالاست. به طوری که برای موتور وانکل مزدا RX-8 حدود 9000 RPM میباشد!!!. این دور موتور بالا سبب انتقال قدرت بیشتر در موتور میگردد.

دلیل این برتری، ذاتی بودن حرکت دورانی روتور به جای حرکت خطی پیستون هاست که خود عدم لرزش را ناشی میشود و به دور بودن موتور از قطعات پر از تنش همانند میل لنگ، شاتون، میل سوپاپ و .... که باعث محدودیت در دور موتور میگردند....
این دور موتور در این نوع موتورها فقط با توجه به فرسودگی چرخدنده ثابت مهار شده اند.

مشکلات های موتور وانکل:
در این قسمت سه نمونه از مشکلات اصلی موتور ها که توسط مبتکرین برطرف شد را اشاره میکنم.
اولین مشکل این موتور ها عایق بندی 3 وجه روتور بود که توسط رینگهای تیغه ای انجام میشد.این رینگها به علت تماس مستقیم با بدنه محفظه روتور درای فرسودگی بسیار بالا هستند که در ابتدای تولید این موتور ها مشکلات فراوانی را برای آنها ایجاد میکردند از جمله سائیدن محفظه روتور و خش دار کردن سطح آن که باعث می شد آبندی موتور از بین رفته و بازده آن به شدت کاهش یابد.از طرفی دیگر جنس آن طوری نبود که دوام بالایی داشته باشد و سریعا با شکست مواجه میشد.

دکتر فلیکس وانکل به شخصه برای حل این مشکل عمده زحمات فراوانی کشید و تا حدودی توانست این مشکل را برطرف نماید. وی با به کار بردن مواد با ماندگاری بالا توانست عمر این رینگ ها را افزایش دهد تا به واسطه آن عمر موتور و بازده آن بالا رود.

مشکل دیگر مشکل ترمودینامیکی بود که ناشی از یکسان نبودن دمای بدنه محفظه روتور بود. همانطور که میدانید در این موتور ها همواره احتراق در سمت خاصی از این موتور و مکش در سمتی دیگر صورت میگیرد و این سبب میشود دمای احتراق در سمتی دیگر واقع شود و دمای سوخت هم در قسمتی دیگر از محفظه اعمال شود. ولی برعکس در موتور های خطی که همواره در یک محفظه به نام  بلوک سیلندر چهار مرحله صورت می پذیرد ، دمای محفظه به صورت خودکار در یک تعادل دمایی قرار میگیرد.
برای حل این مشکل هم جریان مایع خنک کننده که همان آب می باشد را هم به صورت محوری و هم به صورت شعاعی گردش دادند تا دمای قسمت هی مختلف محفظه روتور یکسان شده و از تنش های حرارتی به دور ماند.

و در نهایت یکی دیگر از این مشکل ها احتراق ناقص بود که ناشی از فرصت کافی نداشتن سوخت برای محترق شدن بود و دیگر اینکه محفظه احتراق در حال حرکت بود! این حرکت با عث ایجاد جریانی از سوخت در حال احتراق به سمت اگزوز می شد که فرصت کافی به شعله برای پخش شدن نمی داد. این مشکل را هم توسط به کار زدن چند شمع(2 یا 3) در قسمت جرقه تا حدودی رفع نمودند تا جلوگیری از خروج هیدروکربن های نسوخته کنند. در مواردی هم شرکت مزدا با انتقال پورت های سوخت و اگزوز به صفحات جانبی زمان بیشتری را برای احتراق و مکش سوخت به این موتور داد که بدین سان مصرف سوخت و آلودگی این موتور بهینه شود.

مزایا:
از مزایای قایل توجه این موتور ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:

--سبک و جمع وجور بودن:
این مهم ناشی از طراحی ساده این موتور بوده.

--قطعات کمتر:
مهمترین ویژگی موتورهای وانکل تعداد قطعات به کار رفته در این موتور است به خصوص قطعات متحرک. این موتور از وجود هرگونه قطعات پر تنش همانند سوپاپ،میل سوپاپ، میل لنگ،شاتون،وزنه های تعادل میل لنگ و تسمه تایم... عاری بوده. این ویژگی سبب نرم کار کردن موتور و سادگی بیش از پیش آن میشود.

--لرزش کمتر:
هنگامی که موتور از وجود قطعات پر تحرک و پر تنش که ذکر شد عاری شود صلبیت بیشتری به هنگام انتقال قدرت به خصوص در دورهای بالا پیدا خواهد کرد.

--اسب بیشتر:
در مقایسه با یک موتور خطی در حجم و ظرفیت یکسان این موتور قدرت بیشتری تولید میکند به طوری که در موتور 13B مزدا RX-8 با حجم 1300 سی سی قدرت خروجی 232 اسب بخار !! را شاهد هستیم که به نوبه خود بسیار قابل توجه میباشد.

--آلودگی نیتروژن کمتر

--عدم "مرگ ناگهانی":
عمل مرگ ناگهانی یا قفل کردن موتور، که در موتورهای خطی به واسطه ی قفل کردن پیستون در سیلندر شایع است و به اصطلاح "گیرپاژ" معروف است در این موتور ها رخ نمی دهد. علت این امر به دلیل طراحی دوار روتور این موتور می باشد که در صورت هر گونه خرابی به حرکت خود ادامه داده با این تفاوت که شاهد افت بازده خواهیم بود این افت بازده ادامه خواهد داشت تا این که موتور عملا از کار افتاده شود.
این ویژگی در صنعت هوا و فضا بسیار قابل توجه بوده و باعث استفاده در بسیاری از محصولات شده است.

معایب:
با وجود چنین مزایای اما چرا این از این موتورها آنچنان که باید استقبال نشد. برای اینکه متوجه عدم استقبال شویم میبایست معایب آن را نیز مطالعه کنیم.

--رینگ های مشکل ساز:
این مورد همیشه گریبان گیر موتور وانکل بوده است واین به خاطر طراحی خاص خود موتور بوده که می بایست دارای رینگهای تیغه ای در رئوس روتور باشد. انبساط این رینگها بسته به جنسی که دارند همیشه مشکل ساز بوده و باعث بروز مشکلاتی در این موتور ها گشته. این عوامل سبب شده تا بازده موتور و عمر موتور توسط همین رینگها دستخوش تغییر قرار گرفته و از آنچه عالی است به دور باشد.

--احتراق "کند":
اگر چه در محیط احتراق به دلیل متحرک بودن،  هوا و سوخت با هم بهتر ترکیب می شوند ولی به دلیل این که محیط احتراق(Combustion Chamber) بزرگ می باشد و از همه مهمتر اینکه در حال حرکت است، از گسترش شعله جلوگیری می نماید مخصوصا در دور بالای روتور و جریان ایجاد شده از اگزوز به سرعت خارج می شود.

--آلودگی و مصرف سوخت:
موتور وانکل با وجود اینکه کمپانی مزدا زحمات فراوانی برای گرفتن مدرک محیط زیست برای این موتور ها کشید، متاسفانه نتوانست لقب "سبز" را به خود اختصاص دهد و در کل یک موتور وانکل نسبت به همپای خطی خود مصرف بالایی از سوخت را خواستار است. که این سبب افت محبوبیت این موتور ها شده است.

کاربرد ها:
این موتور فقط صرفا در اتومبیل ها استفاده نمی شود بلکه در هر صنعتی که مزایای این موتور ها نسبت به معایبش برتر بوده، مورد استفاده قرار گرفته است.

--مسابقات اتومبیل رانی:مخصوصا شرکت مزدا که با کسب موفقیت با موتور های 2،3،4 روتور در ماشین های مسابقه خود توانست مزایای این موتورها را پر رنگ تر کند.

--موتور سیکلت ها: جمع و جور بودن و سبکی و سادگی این موتور سبب استفاده در موتور سیکلت ها گشت.

--هواپیما ها و سفینه ها:
به خاطر ویژگی عدم مرگ ناگهانی در این صنعت بیش از پیش مورد توجه قرار گرفت.

--استفاده های دیگر:
مسابقات کارت(اتومبیل های کوچک)
موتورهای آبی(Water Craft)
واحد کمکی قدرت(صنعت هوا و فضا)
این مورد که با نام Auxiliary Power Unit - APU معروف است برای تهیه قدرت برای راه اندازی واحد اصلی مورد استفاده قرار میگیرد.به عنوان مثال در هواپیمای AIRBUS-A380 اگزوزی از انتهای دم این هواپیما خارج نمودند که این اگزوز مربوط به همین موتور میباشد که به عنوان APU مورد استفاده قرار گرفته. این موتور ها به خاطر ویژگی های به خصوصشان در استفاده به عنوان قدرت کمکی از ارجحیت برخوردار هستند.

یکی از استفاده های نامربوط این موتور ها!! توسط دو کمپانی بزرگ مرسدس بنز و فولکس واگن به کار گرفته شد!! این دو کمپانی برای تامین نیروی پیش کشش کمربند های ایمنی قبل از تصادف خودرو ، از این موتور ها که در ابعاد بسیار کوچک تولید شد، بهره گرفتند.

برای درک بهتر این موتور ها شما را به دیدن این فیلم 3 دقیقه دعوت میکنم.


نتیجه:
با تمام حرفهایی که گفته شد و موانعی که شرح داده شد در حال حاضر کمپانی مزدا دست از تلاش برنداشته و هر روز در پی بهبود و بهینه کردن طرح این موتور هاست.
امید است تا با برطرف کردن معایب عمده این موتور ها بتوان در آینده نه چندان دور شاهد استفاده از مزایای خوب و مفید این خودرو ها بود.

پایان