Αρχή λειτουργίας Wankel κινητήρων

[Stefanos_Cool]

Σε πρόσφατο θρεντ συζητήθηκε το θέμα Wankel κινητήρων και μου ζητήθηκε
από μέλη η δημιουργία νέου θρεντ για τους κινητήρες Wankel.
Κάνω την αρχή και ποστάρω μερικά πραγματάκια και καλώ επίσης συναδέλφους
να προσθέσουν τις δικές τους πληροφορίες για την ενημέρωση των μελών.

Αρχή λειτουργίας Wankel κινητήρων



Ο περιστροφικός κινητήρας (rotary ή wankel από το επίθετο του εφευρέτη του Felix Wankel) είναι ένας τετράχρονος κινητήρας εσωτερικής καύσης. Η βασική αρχή παραγωγής ισχύος είναι ίδια με του κλασικού τετράχρονου παλινδρομικού εμβολοφόρου, αφού χρησιμοποιεί την ισχύ από την καύση του μείγματος βενζίνης/αέρα για να παράγει έργο. Ομως σε αντίθεση με τον παλινδρομικό κινητήρα, ο περιστροφικός κινητήρας wankel δεν έχει πιστόνια, μπιέλες, βαλβίδες και εκκεντροφόρους αλλά ρότορες που περιστρέφονται μέσα στους στάτορες (θαλάμους) και περιστρεφόμενο έκκεντρο άξονα για τη μετάδοση της ισχύος.


Ένας τυπικός κινητήρας wankel (π.χ. ο 13Β ή ο πιο σύγχρονος Renesis) έχει δύο «θαλάμους» ή στάτορες ή housings, δύο τριγωνικούς ρότορες (ένα σε κάθε στάτορα), τρία side housings (ένα μεσαίο και δύο πλαϊνά) και φυσικά...

Τον έκκεντρο άξονα (eccentric shaft) πάνω στον οποίο αναρτώνται και περιστρέφονται οι ρότορες. Τα παραπάνω σχηματίζουν το σύνολο του κινητήρα.



Ο θάλαμος ενός περιστροφικού κινητήρα wankel έχει επιτροχιοειδή μορφή, και η περιφέρειά του θυμίζει χοντρικά αυγό. Μέσα σε αυτόν περιστρέφεται με πλανητοειδή κίνηση ο ρότορας, ο οποίος κατά την περιστροφή του σχηματίζει τους αντίστοιχους θαλάμους και φάσεις του παλιδρομικού κινητήρα σε κάθε μία από τις τρεις πλευρές του. Με λίγα λόγια, οι «θάλαμοι» του περιστροφικού κινητήρα δεν είναι σταθεροί, αλλά κάθε πλευρά του τριγωνικού ρότορα σχηματίζει από έναν θάλαμο που περιστρέφεται μαζί με αυτόν. Για τον αεροστεγή σχηματισμό των θαλάμων, ο κινητήρας wankel διαθέτει τρία apex seals ανά ρότορα (τα «καρβουνάκια» ή «μαχαίρια» ή «λεπίδες» στις κορυφές του κάθε ρότορα που έρχονται σε επαφή με την εσωτερική επιφάνεια του θαλάμου), έξι side seals και έξι corner seals ανά ρότορα (τα «ελατήρια» που βρίσκονται σε κάθε πλευρά του ρότορα και εφάπτονται με τα side housings που αποτελούν τις «φέτες» από τις οποίες σχηματίζεται το σύνολο του κινητήρα).


Οι φάσεις λειτουργίας του περιστροφικού κινητήρα είναι ίδιες με αυτές ενός παλινδρομικού:



1) Φάση εισπνοής: μία από τις πλευρές του ρότορα περνάει επάνω από τα intake ports, τις θυρίδες εισαγωγής από όπου εισέρχεται το προς καύσιν μείγμα βενζίνης/αέρα. Όταν η επόμενη κορυφή του ρότορα κλείσει εντελώς τις θυρίδες εισαγωγής, έχουμε πλήρωση του πρώτου «θαλάμου» με μείγμα.


2) Φάση συμπίεσης: συνεχίζοντας την περιστροφή του, ο ρότορας –λόγω της μορφής του στάτορα- συμπιέζει το μείγμα βενζίνης/αέρα σύμφωνα με τον λόγο συμπίεσης που έχει ο κινητήρας wankel. Στην περίπτωση του Renesis αυτός ο λόγος είναι 10:1, δηλαδή το μείγμα συμπιέζεται στο 1/10 του αρχικού του όγκου.


3) Φάση ανάφλεξης: στην τρίτη φάση περιστροφής του ρότορα το συμπιεσμένο μείγμα οδηγείται πάνω από τα δύο μπουζί (ανά θάλαμο) ώστε να αναφλεγεί και να μετατραπεί η χημική ενέργεια του σε κινητική, η οποία πρακτικά «σπρώχνει» τον ρότορα ώστε να συνεχίσει την περιστροφή του. Οι κινητήρες wankel, λόγω του ιδιόμορφου και σχετικά μακρύ «θαλάμου» που σχηματίζουν δεν έχουν καλή και πλήρη καύση, γιΆαυτό και πάντα χρησιμοποιούν δύο μπουζί ανά θάλαμο.


4) Φάση εκτόνωσης: η ίδια πλευρά του ρότορα πλέον περνάει πάνω από τα exhaust ports (θυρίδες εξαγωγής), μέσα από τα οποία τα καυσαέρια οδηγούνται προς την εξάτμιση. Και εδώ έχουμε το ίδιο φαινόμενο μικρής σχετικά ταχύτητας καυσαερίων στις χαμηλές στροφές, που οδηγεί σε μερική πλήρωση του ιδίου θαλάμου, και άρα σε σχετικά χαμηλή παραγόμενη ροπή.




Τα μόλις τρία κινούμενα μέρη του wankel (ρότορες και έκκεντρος άξονας), η λογική λειτουργίας του (η περιστροφική κίνηση παράγεται από περιστροφική κίνηση, σε αντίθεση με τον παλινδρομικό κινητήρα), και η συχνότητα παραγωγής έργου (μία φορά σε κάθε περιστροφή του ρότορα, ο οποίος με την σειρά του περιστρέφεται τρεις φορές πιο αργά από τον άξονα), οδηγούν σε μερικά πολύ σημαντικά πλεονεκτήματα:


- Πολύ μικρότερο μέγεθος, πράγμα που σημαίνει μικρότερο χώρο κάτω από το καπώ, και πολύ καλύτερη τοποθέτηση του κινητήρα για την καλύτερη κατανομή βάρους.

- Πολύ λιγότερες τριβές, μειωμένες απώλειες ισχύος, μικρότερο βάρος, και κυρίως μικρότερη αδράνεια των κινούμενων μερών του κινητήρα, η οποία εξασφαλίζει στον Wankel κορυφαία ευστροφία.

- Εξάλειψη των κραδασμών στον περιστροφικό κινητήρα και έτσι δεν απαιτούνται αντικραδασμικοί άξονες.

- Η απουσία βαλβίδων οδηγεί σε καλύτερη αναπνοή, άρα και καλύτερη απόδοση στις μεσαίες και υψηλές στροφές


Μερικά από τα μειονεκτήματα –που φυσικά υπάρχουν- έχουν ήδη αναφερθεί:

- Ο μακρύς και στενός θάλαμος καύσης μειώνει το θερμοδυναμικό βαθμό απόδοσης του κινητήρα, κι αυτό συνεπάγεται αύξηση της κατανάλωσης.

- H απουσία βαλβίδων σημαίνει μικρή ταχύτητα του αέρα στις χαμηλές στροφές, με αποτέλεσμα την χαμηλή ροπή.

- Η κατάναλωση δεν αντιστοιχεί στην ονομαστική χωρητικότητα του κινητήρα (1,3lt) αλλά περισσότερο σε κατανάλωση παλινδρομικού κινητήρα 2,5lt.

- Λόγω της αρχής λειτουργίας του wankel, είναι απαραίτητος ο ψεκασμός λαδιού στο
εσωτερικό των θαλάμων για λίπανση των rotors και των apex seals. Αυτό φυσικά οδηγεί
σε κατανάλωση λαδιού, και άρα απαιτείται από τον οδηγό η παρακολούθηση της στάθμης
του λιπαντικού.