موتورهای وانکل و استرلینگ و دلایل عدم موفقیتشان در صنعت خودرو

موتورهای وانکل یا دوّار (Wankel):

  ایده ساخت موتورهای دورانی که به موتورهای وانکل نیز معروف می باشند، برای اولین بار در سال ۱۹۳۳ توسط دانشمند آلمانی دکتر فلیکس وانکل(Felix Wankel) مطرح گردید و در سال ۱۹۵۷ اولین نمونه از این موتور ساخته شد. اصول عملکرد موتور دوار شبیه به موتور پیستونی است. موتورهای دوار مانند موتورهای پیستونی، برای کارکرد خود از فشار حاصل از سوختن سوخت و هوا استفاده می کنند.

در موتورهای پیستونی فشار ایجاد شده در سیلندرها به پیستونها نیرو وارد می کند و باعث حرکت آنها به جلو و عقب یا به بالا و پایین می شود. میل شاتون و میل لنگ حرکت رفت و برگشتی پیستون را به حرکت دورانی تبدیل می کند که از آن می توان برای تولید نیرو و به حرکت در آوردن خودرو استفاده کرد.

در موتورهای دوار نیز فشار حاصل از احتراق که در محفظه آب بندی شده تشکیل شده، نیرویی بر سطح مثلثی شکل روتور(Rotor) وارد می کند و این همان چیزی است که در موتورهای دوار از آن به عنوان پیستون استفاده شده است. موتور دوار یک موتور احتراق داخلی است، اما روش کار آن کاملاً متفاوت با موتورهای پیستونی معمولی است.

در موتور پیستونی یک حجم یکسان از فضا(سیلندر) چهار عمل مکش، تراکم، احتراق و تخلیه را به طور متناوب انجام می دهد. در موتور های دوار(وانکل) نیز همین چهار کار انجام می شود. اما هر کدام از این چهار فرآیند در قسمت مربوط به خود در محفظه مربوطه اتفاق می افتد. این شبیه آن است که هر فرآیند یک سیلندر اختصاصی داشته باشد و با حرکت مداوم پیستون این چهار فرایند انجام شود.

تصویر یک موتور وانکل

 موتور استرلینگ (Sterling):

    موتور استرلینگ یک موتور حرارتی است که اختلاف زیادی با موتورهای احتراق داخلی در اتومبیل دارد و در سال 1816 توسط «رابرت استرلینگ»(Robert Stirling) مهندس اسکاتلندی اختراع شد. موتور استرلینگ قابلیت بازدهی بیشتری نسبت به موتورهای درونسوز بنزینی و دیزلی دارد، ولی امروزه موتورهای استرلینگ فقط در برخی از موارد خاص مانند زیردریایی ها و یا ژنراتورهای کمکی در قایقها که عملکرد بی صدای موتور اهمیت زیادی دارد، استفاده می شوند. اگر چه موتور استرلینگ به تولید انبوه نرسید، اما برخی اختراعات پرقدرت با این موتور کار می کند.

موتورهای استرلینگ از چرخه استرلینگ استفاده می کنند که با چرخه های استفاده شده در موتورهای احتراق داخلی متفاوت است. گاز استفاده شده در داخل موتورهای استرلینگ، هیچوقت محفظه موتور را ترک نمی کند و مانند موتورهای پیستونی و یا وانکل سوپاپ خروج دود برای تخلیه گازهای پرفشار ندارد. همچنین در این موتور محفظه احتراق وجود ندارد، به همین علت موتورهای استرلینگ بسیار بی صدا هستند. چرخه استرلینگ از یک منبع حرارتی خارجی شامل بنزین، گازوئیل، انرژی خورشیدی و یا حتی حرارت ناشی از پوسیدگی گیاهان استفاده می کند و هیچ احتراقی داخل سیلندرهای موتور رخ نمی دهد.

تصویر یک موتور استرلینگ

طرز کار موتورهای وانکل (دوار):

    روتور و محفظه در موتورهای دوار، جایگزین پیستونها، سیلندرها، سوپاپها، شاتونها و میل بادامک در موتورهای پیستونی شده است. روتور مسیر بیضی شکلی طی می کند. در طول این مسیر هر سه راس روتور با سطح محفظه در تماس می باشند و چرخش روتور در این محفظه سه حجم مجزا از گازها را به وجود می آورد و حجم گازها متناوباً منبسط و منقبض می شود. این انبساط و انقباض، هوا و سوخت را به داخل موتور می کشد، آنرا متراکم می کند و توان مفیدی از گازهای منبسط شده تولید می نماید و سپس بعد از احتراق آنرا تخلیه می کند.

در موتورهای پیستونی یک حجم یکسان و مشخص (برابر 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. موتور 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 معادل پیستون در موتورهای درونسوز پیستونی می باشد. روتور روی یک بادامک دایره ای شکل بزرگ بر روی 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، بادامک در یک مسیر دایره ای به حرکت در آورده می شود، به صورتی که هر دور کامل روتور منجر به سه دور چرخش محور خروجی می گردد. در هنگامی که روتور درون محفظه حرکت می کند, اندازه سه حجم ایجاد شده توسط روتور نیز تغییر می کند. این تغییر حجم، فرآیند پمپ کردن را ایجاد می کند. در زیر به شرح مراحل سیکل چهار زمانه موتور وانکل پرداخته می شود:

1. 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، محفظه دارای کمترین مقدار حجم خود می باشد و با حرکت روتور حجم محفظه منبسط شده و فرآیند مکش اتفاق می افتد که در پی آن ترکیب سوخت و هوا به داخل محفظه کشیده می شود. هنگامی که تیغه بعدی روتور از جلوی پورت ورودی می گذرد، محفظه بصورت کامل آب بندی شده و فرآیند تراکم آغاز می گردد.
2. تراکم:
   با ادامه حرکت روتور درون محفظه, حجم سوخت و هوا فشرده تر می گردد. وقتی سطح روتور در این حجم به طرف شمع می چرخد، حجم مخلوط سوخت و هوا به کمترین مقدار خود می رسد و این درست هنگامی است که با جرقه زدن شمع، فرایند احتراق مخلوط سوخت و هوا شروع می گردد و اشتعال صورت می گیرد.
3. احتراق:
   حجم محفظه احتراق گسترده و طولانی است، بنابراین با وجود تنها یک عدد شمع، سرعت پخش شعله بسیار کم است و احتراق ناقصی حاصل می گردد. 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 عمل چرخش روتور می گردد. فشار احتراق، روتور را وادار به حرکت می کند و حجم ناحیه محترق شده، رفته رفته زیاد می شود. در اینجاست که فرآیند انبساط و در نتیجه افزایش توان خروجی موتور ایجاد می گردد تا جایی که تیغه روتور به پورت خروجی برسد و فرایند تخلیه انجام گردد.
4. تخلیه گاز:
   هرگاه تیغه روتور از پورت خروجی عبور می کند، گازها با فشار بالا رها شده و به سمت پورت خروجی جریان می یابند. با ادامه حرکت روتور، حجم محبوس فشرده می گردد و گازها را به طرف پورت خروجی می راند.

مراحل عملکرد یک موتور وانکل

طرز کار موتورهای استرلینگ :

    قاعده اصلی طرز کار موتور استرلینگ، «چرخه استرلینگ» یا «سیکل استرلینگ» می باشد و مبنای این چرخه این است که مقداری گاز در داخل موتور محفوظ شده است و یک سری رویداد باعث تغییر فشار گاز داخل موتور گردیده و سبب ایجاد نیرو می شود. دو خاصیت مهم برای گازها وجود دارد که برای عملکرد موتورهای استرلینگ مهم است:

1.  اگر مقداری گاز محبوس در یک حجم ثابت از فضا داشته باشیم و آن را حرارت بدهیم, فشار گاز افزایش خواهد یافت.
2. اگر مقداری گاز محبوس داشته باشیم و آن را فشرده کنیم(حجم آن را کاهش دهیم)، دمای آن افزایش خواهد یافت.

    موتور استرلینگ از دو سیلندر استفاده می کند که یک سیلندر به وسیله یک منبع خارجی مانند آتش گرم می شود و سیلندر دیگر به وسیله یک منبع سرد خارجی مانند یخ سرد می گردد. محفظه گاز این دو سیلندر به هم متصل هستند و پیستونها نیز به طور مکانیکی توسط یک اتصال به هم متصل می باشند. موتور استرلینگ فقط در طی مرحله اول سیکل، تولید نیرو می کند. در اینجا دو روش برای افزایش قدرت خروجی از سیکل استرلینگ وجود دارد:

افزایش قدرت خروجی در مرحله اول سیکل:

در مرحله اول سیکل، فشار گاز گرم باعث رانده شدن پیستون می شود و کار انجام می دهد. به همین علت افزایش فشار در این قسمت از سیکل، قدرت خروجی موتور را افزایش می دهد که یک راه افزایش فشار، افزایش دمای گاز است.

کاهش قدرت استفاده شده در مرحله سوم سیکل:

در مرحله سوم سیکل، پیستون روی گاز کار انجام می دهد و از قسمتی از کار ایجاد شده در مرحله اول استفاده می کند. کاهش فشار در طول این مرحله از سیکل، می تواند قدرت استفاده شده در این مرحله را کاهش دهد و به طور موثر قدرت خروجی موتور را افزایش دهد. یک راه کاهش فشار، سرد کردن گاز در دمای پایین تر است.

مراحل عملکرد یک موتور استرلینگ

چرخه استرلینگ: سیکل استرلینگ دارای چهار مرحله اصلی است:

1. حرارت به گاز داخل سیلندر گرم(چپ) منتقل می شود و سبب ایجاد فشاری می گردد که پیستون را به سمت پایین حرکت می دهد و این قسمتی از سیکل استرلینگ است که کار انجام می دهد.
2. هنگامی که پیستون راست به طرف پایین حرکت می کند، پیستون چپ بالا می آید. این جابجایی گاز داغ را به داخل سیلندر سرد می راند، که به سرعت گاز داخل منبع سرد را سرد می کند و فشار آن کاهش می یابد. این عمل، فشرده کردن گاز را در قسمت بعدی سیکل ساده تر می نماید.
3. پیستون داخل سیلندر سرد(راست) شروع به فشرده کردن گاز می کند و گرمای تولید شده توسط این متراکم سازی به وسیله منبع سرد حذف می شود.
4. هنگامی که پیستون چپ پایین می رود، پیستون سمت راست بالا می آید. این عمل گاز را به داخل سیلندر گرم می راند که به سرعت گرم شده و ایجاد فشار می کند. در این هنگام سیکل تکرار می شود.

قطعات یک موتور وانکل(دورانی):

موتورهای دورانی دارای سیستم جرقه و سوخت رسانی مشابه با موتورهای پیستونی می باشند. قسمتهای مختلف یک موتور دورانی به شرح زیر می باشند:

1. 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 سطوح 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 آب بندی سه حجم محبوس در بین روتور و جداره سیلندر را بر عهده دارد. همچنین در هر طرف روتور(سطح فوقانی و تحتانی) رینگهای فلزی قرار گرفته اند که وظیفه آب بندی جانبی روتور را به عهده دارند. روتور دارای یک چرخ دنده داخلی در مرکز یک وجه جانبی می باشد که این چرخ دنده با چرخ دنده دیگری که به صورت ثابت روی محفظه سیلندر قرار دارد، درگیر می شود و این درگیر شدن، مسیر و جهت حرکت روتور را درون محفظه تعیین می نماید.
2. محفظه سیلندر:
   محفظه سیلندر تقریباً بیضی شکل است و شکل محفظه احتراق نیز به گونه ای طراحی شده که همواره سه لبه روتور در تماس با دیواره محفظه قرار گیرند و سه حجم آب بندی شده را بسازند. هر قسمت از این محفظه به یکی از چهار فرآیند موتور(مکش، تراکم، احتراق، تخلیه) اختصاص دارد. پورتهای مکش و تخلیه هر دو در دیواره محفظه تعبیه شده اند که هیچگونه سوپاپی برای این پورتها وجود ندارد. پورت تخلیه مستقیماً به اگزوز خودرو راه دارد و پورت مکش به دریچه گاز.
3. محور خروجی:
   محور خروجی دارای یک برآمدگی مدور(بادامک) می باشد که نسبت به خط مرکزی محور، خروج از مرکز دارد. هر روتور روی یکی از این بادامکها سوار خواهد شد. این بادامک همانند یک میل لنگ در موتورهای پیستونی عمل می کند. از آنجا که این بادامکها دارای یک خروج از مرکز می باشند، نیروی وارد از طرف روتور به این بادامکها گشتاوری در محور ایجاد می کند که باعث چرخیدن آن می گردد.

نحوه استقرار اجزاء موتور وانکل(دوار):

موتور دورانی به صورت لایه لایه مونتاژ می گردد. یک موتور دو روتوره به پنج لایه اصلی تقسیم بندی می شود که با یک ردیف دایره ای از پیچهای بلند کنار هم نگه داشته شده اند. آب خنک کاری در مسیرهای دور تا دور قطعات جریان دارد. لایه های اول و آخر دارای آب بندی و همچنین یاتاقانهای مناسب جهت محور خروجی می باشد و همچنین دو محفظه روتور را آب بندی می کنند. سطوح داخلی این قطعات بسیار صاف و هموار هستند که این خود به آب بندی روتور کمک می کند. روی هر یک از قطعات یک پورت ورودی تعبیه شده است.

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

مزایای موتور وانکل در مقایسه با موتور پیستونی:

1. قطعات متحرک کمتر:
   موتورهای دورانی در مقایسه با موتورهای چهار زمانه پیستونی، قطعات متحرک کمتری دارند. یک موتور دورانی دو روتوره، مجموعا سه قطعه متحرک اصلی دارد:دو روتور و محور خروجی. این در حالی است که ساده ترین موتورهای پیستونی چهار سیلندر، حداقل ۴۰ قطعه متحرک دارد، مانند پیستونها، شاتونها، میل لنگ، میل بادامک، سوپاپها، فنر سوپاپها، اسبکها، تسمه تایمینگ و . . . .کم بودن قطعات متحرک می تواند دلیلی بر قابلیت اعتماد و اعتبار موتورهای دورانی باشد و به همین دلیل است که کارخانه های سازنده وسایل هوانوردی(هواپیما و کایتهای با موتور احتراق داخلی)، موتورهای دورانی را به موتورهای پیستونی ترجیح می دهند.
2. کارکرد نرم و بدون لرزش:
   موتور دورانی به دلیل تقارن خاص قطعات گردنده، دارای یک نوع بالانس داخلی است که هرگونه ارتعاش و لرزشی را از بین می برد. همچنین انتقال قدرت در موتورهای دورانی نرم تر است، زیرا هر احتراق در طول ۹۰ درجه چرخش روتور حاصل می شود و از آنجایی که چرخش محور خروجی سه برابر چرخش روتور است، پس هر احتراق در طول ۲۷۰ درجه چرخش محورخروجی حاصل می گردد.
3. حرکت آهسته:
   از آنجا که 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 و قطعات آن استهلاک کمتری خواهند داشت.

کاربرد موتورهای وانکل:

از جمله مصارف این موتور می توان در صنایع نظامی به عنوان پیشرانه وسایل پرنده سبک و همچنین در موارد متعددی صنایع خودرو فقط در مزدا (مدلهای RX8 وRX7 ) و بنز C111 کانسپت نام برد. شرکت مزدا در تولید و توسعه خودروهایی که از موتور دورانی استفاده می کنند، سابقه طولانی دارد. مزدا RX-7 که در ۱۹۷۸ به بازار خودرو آمد، موفق ترین خودرو با موتور دورانی بوده است، ولی قبل از آن خودروها، کامیونها و حتی اتوبوسهایی با موتور دورانی تولید شده بودند.

سرآغاز آنها نیز Cosmo Sport در ۱۹۶۷ بود. آخرین سالی که7RX– در آمریکا فروخته شد، سال ۱۹۹۵ بود، ولی پیش بینی می گردد که موتورهای دورانی در آینده ای نزدیک به بازار خودرو بازگردند. مزدا RX-8 خودرو جدیدی از شرکت مزدا است که یک موتور دورانی جدید و برتر به نام «رنه سیس»(Renesis) را عرضه کرده است. این موتور که موتور بین المللی سال ۲۰۰۳ نامیده شد، به صورت طبیعی مکش دارد و یک موتور دو روتوره می باشد که قدرت آن ۲۵۰ اسب بخار است.

انواع موتور استرلینگ:

الف) موتور استرلینگ جابجا شونده(نوع گاما):

نوع جابجا شونده، به جای داشتن دو پیستون، یک پیستون دارد که جابجا می شود. این نوع موتور استرلینگ اغلب به صورت نمایشی در کلاسهای درس و کارگاههای مکانیک استفاده می شود. این موتور حتی با استفاده از حرارت کف دست می تواند حرکت کند. به عبارتی حرکت موتور، مستلزم یک اختلاف دما بین بالا و پایین سیلندر است. در این مورد، اختلاف بین دمای دست و هوای اطراف آن برای چرخش موتور کافی است.

موتور استرلینگ نوع گاما (جابجا شونده)

اجزاء این موتور به شرح ذیل می باشند:

1.  پیستون قدرت:
   که پیستون کوچکتر در موتور است و به طور محکم محفوظ شده است و به علت انبساط گاز داخل موتور بالا می آید.
2. پیستون جابجا کننده:
   پیستون بزرگی است که در داخل سیلندر بسیار آزاد است، بنابراین هنگامی که پیستون بالا و پایین می رود، هوا می تواند به سادگی بین قسمتهای گرم و سرد موتور حرکت کند. جابجا کننده بالا و پایین می رود تا گاز داخل موتور گرم و سرد شود.

ب) موتور استرلینگ دو پیستونه(نوع آلفا):

    در این موتور، سیلندر به وسیله مشعل خارجی گرم می شود. سیلندر سرد با جریان هوا سرد شده و در آن بالا و پایین می رود تا به فرایند سرد شدن کمک کند. میله رابط هر پیستون به یک دیسک کوچک متصل است که در حال چرخیدن به یک فلایویل(Fly Wheel) بزرگ وصل می گردد و هنگامی که نیرویی توسط موتور تولید نمی شود، باعث تداوم حرکت پیستون می شود. مشعل دائما انتهای سیلندر را گرم می کند.

موتور استرلینگ نوع آلفا (دوپیستونه)

مراحل کارکرد این موتور به شرح ذیل است:

1. در قسمت اول سیکل، فشار تولید می شود و پیستون را به حرکت وادار می کند و کار صورت می گیرد. پیستون سرد چون در موقعیتی است که در حرکت خود تغییر جهت خواهد داد، تقریباً ساکن باقی می ماند.
2. در مرحله بعدی، هر دو پیستون حرکت می کنند. پیستون گرم به سمت راست و پیستون سرد به سمت بالا حرکت می کند. این عمل گاز را بیشتر به سمت «ریژنراتور»(Regenerator) و پیستون سرد حرکت می دهد. «ریژنراتور» وسیله ای است که می تواند به طور موقت حرارت را ذخیره کند و از یک شبکه سیمی ساخته شده است که گاز گرم از بین آن عبور می کند. سطح بزرگ شبکه سیمی، حرارت را جذب می کند وآن را به آرامی به محیط سرد می دهد.
3. پیستون در سیلندر سرد شروع به متراکم کردن گاز می کند. گرمای ایجاد شده توسط این تراکم به واسطه سطح سرد از بین می رود و در آخرین مرحله سیکل، هر دو پیستون حرکت می کنند. هنگامی که پیستون گرم به سمت چپ حرکت می کند، پیستون سرد به سمت پایین حرکت می کند. این عمل گاز اطراف ریژنراتور(که در طول سیکل قبلی گرما را ذخیره کرده بود) را به داخل سیلندر گرم می راند. در این لحظه سیکل دوباره تکرار می شود.

چرا موتورهای استرلینگ و وانکل در صنعت خودرو موفق نبودند؟

    شاید این سئوال پیش بیاید که چرا با وجود مزایایی مانند قطعات کمتر، کارکرد نرم و حرکت آهسته که موتور وانکل نسبت به موتور احتراق داخلی دارد، این موتور در صنعت خودرو موفق نبوده است و چرا هیچگاه جایگزین مناسبی برای موتور احتراق داخلی پیستونی نبوده است؟ حقیقت این است که ساخت موتورهای دورانی که بتواند استانداردهای آلودگی را پوشش دهد، بسیار مشکل است.

همچنین هزینه ساخت موتورهای وانکل یا دورانی معمولاً بالاتر از موتورهای رایج پیستونی است، شاید بیشتر به این دلیل که تیراژ تولید آنها نسبت به موتورهای پیستونی پایین تر است. همچنین 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.

    همچنین ممکن است از اینکه تا به حال هیچ درخواستی از طرف خودروسازان معروف جهان، برای تولید انبوه موتور استرلینگ صورت نگرفته است، تعجب کرده باشید. به دلایلی ساخت موتورهای استرلینگ برای خودروها و کامیونها غیر عملی می باشد. چون منبع حرارتی در موتورهای استرلینگ در خارج از محفظه موتور است، مقداری طول می کشد تا موتور به تغییرات گرمایی داخل سیلندر عکس العمل نشان دهد. همچنین برای انتقال حرارت بین دیواره های سیلندر و گاز داخل موتور، زمانی نیاز بوده تا موتور شود. یعنی قبل از اینکه موتور کار مفیدی انجام دهد، زمان زیادی نیاز دارد تا گرم شود و از طرف دیگر موتور نمی تواند نیروی خروجی اش را به سرعت تغییر دهد.

این نقایص باعث شده است که این موتور با موتورهای احتراق داخلی پیستونی جایگزین نشود. البته امروزه با ساخت موتورهای هیبریدی، استفاده از موتور استرلینگ برای دادن نیروی اولیه به موتور خودروهای هیبریدی امکان پذیر است. همچنین کاربرد موتور وانکل در خودروی پیشرفته ای مانند «مزدا RX8» دور از ذهن نبوده و این امر اتفاق افتاده است. شاید با پیشرفت تکنولوژی و تحقیقات بیشتر در کوچک کردن موتورهای وانکل  و یا بهبود موتورهای استرلینگ در آینده ای نزدیک شاهد کاربرد اینگونه موتورها در محصولات خودروسازان جهانی باشیم.