موتور دورانی چگونه کار می کند؟

موتور دورانی مثل موتور اتومبیل یک موتور احتراق داخلی است، ولی ساختار کاملاً متفاوت با موتورهای مرسوم پیستونی دارد. در یک موتور پیستونی، حجم مشخصی از فضا (سیلندر) به تناوب چهار کار متفاوت (مکش، تراکم، احتراق و خروج دود) را انجام می دهد. موتور دورانی همین کارها را در جای مخصوص خود انجام می دهد. یعنی، شبیه اینکه برای هر کدام از چهار مرحله، یک سیلندر جداگانه داشته باشیم و پیستون بطور پیوسته از یکی به بعدی حرکت کند.

موتور دورانی که مخترع آن دکتر فلیکس وانکل بود، موتور وانکل یا موتور دورانی وانکل نیز نامیده می شود.

در این مقاله شما می توانید با نحوه کار موتور دورانی آشنا شوید.

اصول موتور دورانی

مانند یک موتور پیستونی، موتور دورانی از فشار تولید شده هنگام احتراق مخلوط سوخت و هوا استفاده می کند. در موتور پیستونی، این فشار در سیلندر جمع می شود و پیستون را به جلو و عقب می راند. میل لنگ نیز حرکت رفت و برگشتی پیستون ها را به حرکت دورانی تبدیل می کند.

در یک موتور دورانی، فشار حاصل از احتراق، در یک اتاقک ایجاد می شود که این اتاقک قسمتی از فضای موتور است که بوسیله یکی از وجوه روتور (Rotor) مثلثی شکل پدید می آید و موتور دورانی از این اتاقک به جای پیستون استفاده می کند. این قسمت ها در اصل جایگزین پیستون، سیلندر، سوپاپ، میل سوپاپ و میل لنگ شده اند.

در موتور دورانی به جای استفاده از پیستون از یک روتور مثلثی استفاده می شود. فشار احتراق در فضای بین یک ضلع روتور مثلثی و استاتور (بدنه موتور) ایجاد می شود. حرکت روتور به نحوی است که هر سه گوش آن با بدنه در تماس باقی می ماند و به این ترتیب سه حجم جداگانه ایجاد می شود. وقتی روتور حرکت می کند، این سه حجم پیوسته منبسط و منقبض می شوند. همین انبساط و انقباض است که هوا و سوخت را به داخل می کشد، آن را فشرده می کند و انرژی مفید آن را می گیرد و دود را به خارج می راند.

قسمت های مختلف موتور دورانی

موتور دورانی یک سیستم جرقه و تحویل سوخت دارد که شبیه به قسمت های مشابه در موتور پیستونی هستند. در ادامه به معرفی بخش های اصلی موتور دورانی می پردازیم:

روتور: روتور سه سطح محدب دارد که هر کدام همانند یک پیستون عمل می کنند. هر سطح یک فرورفتگی دارد که حجم مخلوط هوا و سوخت را در موتور افزایش می دهد. در قسمت انتهایی هر سطح یک تیغه فلزی وجود دارد که اتاقک احتراق را آب بندی می کند و مانع خروج مواد از اتاقک احتراق می شود. همچنین حلقه های فلزی در هر طرف روتور وجود دارند که به اطراف اتاقک احتراق محکم می شوند. روتور همچنین یکسری دندانه های داخلی دارد که در مرکز یک لبه بریده شده اند. این دندانه ها با چرخ دنده هایی که به بدنه موتور محکم شده اند، درگیر می شوند. این درگیر شدن مسیر و جهت حرکت روتور در داخل بدنه را مشخص می کند.

بدنه: بدنه موتور دورانی تخم مرغی شکل است. شکل اتاقک احتراق به گونه ای طراحی شده است که سه راس روتور همواره در تماس با دیواره اتاقک بمانند و سه حجم جدای گاز را ایجاد کنند. هر قسمت بدنه به یک مرحله از عمل احتراق اختصاص دارد. این چهار مرحله عبارتند از: مکش، تراکم، احتراق و تخلیه.

مجراهای مکش و تخلیه نیز در بدنه طراحی شده اند. این مجراها سوپاپ ندارند. اگزوز خودرو مستقیماً به مجرای تخلیه وصل می شود. مجرای مکش هم مستقیماً به دریچه ورود سوخت متصل است.

محور خروجی: محور خروجی قطعه های گردی دارد که خارج از محور میله نصب شده اند. هر روتور روی یکی از این قطعات خارج از مرکز نصب می شود. این قطعه ها شبیه میل لنگ عمل می کنند. وقتی که روتور مسیر خود را درون بدنه طی می کند، به این قطعه ها فشار می آورد. از آنجا که قطعه ها خارج از مرکز هستند، نیروی اعمال شده از روتور به قطعه ها، گشتاوری بر میله وارد می کند و آن را می چرخاند.

اجزای یک موتور دورانی را در انیمیشن زیر می توانید مشاهده نمایید.

قدرت موتور دورانی

موتورهای دورانی چرخه چهار زمانه ای را طی می کنند که شبیه چرخه ای است که موتور پیستونی در آن کار می کند، ولی در موتور دورانی نحوه رسیدن به هدف کاملاً متفاوت است. قلب یک موتور دورانی، روتور آن است که معادل پیستون در موتورهای پیستونی می باشد. روتور روی یک پوسته بزرگ دایره ای روی شفت خروجی نصب می شود. این پوسته از خط مرکزی شفت انحراف دارد و مانند یک دسته اهرم در جرثقیل های کوچک عمل می کند و به روتور قدرت لازم برای چرخاندن شفت خروجی را می دهد.

هنگامی که روتور درون اتاقک می چرخد، سه قسمتی که توسط روتور در فضای اتاقک از هم جدا می شوند، حجم شان تغییر می کند. این تغییر حجم باعث ایجاد عملیاتی شبیه به پمپ کردن می شود. حال به بررسی هر کدام از چهار مرحله موتور دورانی می پردازیم.

چرخه موتورهای دورانی

1) مکش: فاز مکش هنگامی آغاز می شود که نوک روتور از دریچه ورودی عبور می کند. وقتی که دریچه مکش باز می شود، در ابتدا حجم این قسمت در حداقل مقدار خود است و با ادامه حرکت روتور حجم افزایش می یابد و به این ترتیب خلاء ایجاد شده، باعث می شود هوا به داخل کشیده شود. وقتی راس دیگر روتور از دریچه مکش عبور کرد، دیگر هوایی وارد این قسمت نمی شود و مرحله تراکم آغاز می شود.

2) تراکم: همچنان که روتور به حرکت خود ادامه می دهد، حجم هوا کاهش می یابد و مخلوط هوا و سوخت متراکم می شود. زمانی که وجه روتور به مقابل شمع ها رسید، حجم این قسمت به حداقل مقدار خود نزدیک می شود. در این هنگام عملیات احتراق آغاز می شود.

3) احتراق: اکثر موتورهای دورانی دو شمع دارند. زیرا اگر تنها یک شمع وجود داشت به خاطر اینکه اتاقک احتراق نسبتاً دراز است، جرقه نمی توانست به خوبی و با سرعت مناسب گسترش پیدا کند. وقتی شمع ها جرقه می زنند، مخلوط هوا و سوخت آتش می گیرد و افزایش فشار روتور را به حرکت در می آورد. فشار حاصل از احتراق نیز باعث می شود که روتور در جهتی حرکت کند که حجم افزایش یابد. در این حالت، گازهای احتراق منبسط شده، با حرکت دادن روتور نیروی محرکه تولید می کنند تا هنگامی که نوک روتور به دریچه تخلیه برسد.

4) تخلیه: زمانی که نوک روتور از دریچه تخلیه عبور می کند، گازهای احتراق که فشار بالایی دارند از اگزوز خارج می شوند. همچنان که روتور به حرکت خود ادامه می دهد، اتاقک منقبض می شود و گازهای باقی مانده را به بیرون هدایت می کند. زمانیکه حجم به حداقل مقدار خود نزدیک شد، نوک روتور از کنار دریچه مکش عبور می کند و چرخه دوباره تکرار می شود. نکته ظریف در مورد موتور دورانی این است که هر کدام از سه وجه روتور همواره در حال طی کردن یک قسمت چرخه هستند؛ به عبارت دیگر در یک دوره چرخش کامل روتور، سه بار مرحله احتراق وجود دارد.

مزایای موتورهای دورانی

ویژگی های متعددی وجود دارد که موتور دورانی را از یک موتور پیستونی معمولی متمایز می کند:

1) قسمت های متحرک کمتر: در موتور دورانی تعداد قسمت های متحرک به مراتب کمتر از یک موتور پیستونی مشابه است. یک موتور دورانی دو روتوره سه قسمت متحرک دارد، در حالی که حتی ساده ترین موتور پیستونی چهار سیلندر، حداقل 40 قسمت متحرک اعم از پیستون، میل بادامک، سوپاپ ها، فنر سوپاپ ها، چرخ دنده ها، میل لنگ، میله های رابط و… دارد.

کم بودن تعداد قسمت های متحرک، قابلیت اطمینان موتورهای دورانی را بالا می برد. به همین دلیل است که بعضی از سازندگان فضاپیما، موتورهای دورانی را ترجیح می دهند.

2) یکنواختی حرکت: همه قسمت های موتور دورانی در یک جهت و بطور پیوسته می چرخند و تغییر جهت های ناگهانی مانند پیستون ها ندارند. موتورهای دورانی از نظر داخلی بوسیله وزنه های تعادلی چرخانی متعادل می شوند که برای از بین بردن ارتعاشات نصب شده اند.

3) آرام تر بودن حرکت: از آنجا که روتورها با سرعتی به اندازه 3.1 سرعت شفت خروجی می چرخند، قسمت های متحرک موتور دورانی آرام تر از موتور پیستونی حرکت می کنند که این موضوع قابلیت اطمینان موتورهای دورانی را افزایش می دهد.

معایب موتورهای دورانی

1) معمولاً ساختن یک موتور چرخان سخت تر از موتور پیستونی است.

2) هزینه های تولید نیز بالاتر می باشد، زیرا تعداد موتورهای دورانی که تولید می شوند به اندازه تعداد موتورهای پیستونی نیست.

3) موتورهای دورانی معمولاً سوخت بیشتری مصرف می کنند، زیرا بازده ترمودینامیکی آنها به دلیل اتاقک احتراق بزرگ و ضریب تراکم پایین، کم است.

منابع

مقاله علمی و آموزشی «موتور دورانی چگونه کار می کند؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله وب سایت HowStuffWorks ترجمه شده توسط بهنام زاده به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.