Wankel motor
Poslato: 24 Jan 2012, 00:11
Istorijat
Počev od 16 stoleća nove ere, ova ideja bila je polazište za mnogobrojne intelektualne pustolove koji hode neistraženim oblastima znanja, zamisao vredna polaganja života na žrtvenik nauke. Istorija bele-ži pokušaje koje je, u tom pravcu, načinio Rameli (Ramelli) još davne 1588. godine. Čuveni Džejms Vat, koji je konstruisao i prvi primenio motorni mehanizam sa klipnjačama i kolenastim vratilom, takođe je radio na razvoju rotacionog koncepta motora SUS. Godine 1759. on je sačinio svoj parni rotacioni motor.
Najpoznatiji od istraživača na ovom polju ipak je Feliks Vankel (Felix VVankel) pre svega jer je ovakvom motoru podario život i uveo ga u vode serijske proizvodnje. Po njegovim navodima, on je još kao sedamnaestogodišnjak, jedne letnje noći 1919. godine usnuo san koji će odrediti ceo njegov dalji život. U tom snu dotični tinejdžer odlazi na koncert u automobilu koji je svojeručno izradio. "Moj auto ima novi tip motora: poluturbinski - poluklipni motor. Ja sam ga izmislio!" bile su reči kojimaje odgovorio na zbunjene poglede svojih drugova. Taj san postao je putokaz ka rođenju motora kakvog svet još nije video.
U to vreme, mladi Feliks nije raspolagao znanjima potrebnim za prodor u ovoj grani nauke ali već tada on je čvrsto verovao da je to izvodljivo. A trebalo je četiri osnovna procesa (usisavanje, sabijanje, sagorevanje i izduvavanje) izvesti tokom rotacije... Razvojni put rotacionog motora do njegove spremnosti za serijsku ugradnju u automobile trajao je od 1924. godine do 1959. godine, kada su na poziv VVankela i NSU-a blizu 100 kompanija iz celog sveta ponudile svoje kapacitete u funkciji saradnje.
svetu automobila danas suvereno vladaju cilindarski klipni motori sa unutrašnjim sagorevanjem. Na tržištu se vodi borba oko toga koje će pogonsko gorivo biti najzastupljeni-je (benzin, dizel, prirodni ili tečni naftni gas...), pa sve deluje kao da je oscilator-ni klipni mehanizam optimalno rešenje za ovu namenu i da dileme oko toga više nema. Međutim, izvesti ovakav zaključak bilo bi sasvim pogrešno.
Koliko je oscilatorni klipni mehanizam po svojoj prirodi suštinski kompromisno rešenje, govori podatak da se kod njega mehanička energija najpre javlja kao pravolinijsko kretanje, pa se tek potom vrši transformacija u obrtno. Da bi ovakav klipni motor bio postojan izvor energije neophodno je da klip osciluje između dva granična položaja što znači da ga unutar svakog radnog ciklusa treba iz krajnjeg položaja vraćati u početni. Dakako, ovo podrazumeva njegovo neprestano ubrzavanje i usporavanje u suprotnim smerovima! Nimalo idiličan slučaj sa stanovišta fizike gde caruju iner-cijalne sile.
Staviše, termička i mehanička naprezanja unutar motora su ekstremno prome-njiva, pre svega jer se proces oslobađanja energije odvija samo u jednom delu radnog ciklusa. Zapravo, kod četvorotaknog motora tek je četvrtina puta koji prevali klip plodonosna sa stanovišta pogona. Iz tog razloga javljaju se gubici, snažne vibracije, konstruktivni i proizvodni problemi, ali ostaje činjenica da, bar naizgled, čovečanstvo do danas nije bilo u stanju da osmisli i osposobi ništa pogodnije sa stanovišta upotrebe.
Na ovom mestu, nameće se pitanje kakav bi zapravo bio idealan klipni motor? Navedene mane konvencionalnih motora pre svega upućuju na zaključak da bi bilo odlično direktno dobiti obrtno koje nam, na kraju, i treba za pogon točkova. lako krajnje logičan put ka motorima superiornih karakteristika ispostavilo se da to nije nimalo lak zadatak. Uporni i pronicljivi umovi dugo su bez konačne kon-kretizacije pokušavali da logikom probiju koru problema i svetu podare novu, efikasniju koncepciju pogona.
Glavni delovi rotacionog motora su
cauras-to kućište i trouglasti rotor koji je smešten unutar njega. Sagorevanje se odvija unutar prostora koji se formira između ove dve komponente, i to je zapravo mesto nastanka sila koje pogone rotor da se obrće unutar kućišta.
Princip na kom se zasniva rad vankelo-vog motora je oto ciklus. Radna materija prolazi kroz tipična 4 "takta" koji su odvojeni i raspoređeni po zonama unutrašnje ovalne površine kućišta. Za razliku od cilindarskih klipnih motora gde su taktovi određeni kretanjem klipa između mrtvih tačaka, rotor se prilikom radnog ciklusa neprestano obrće u istom smeru. Unutrašnja površina kućišta motora koja je izvedena u obliku epitrohoide okružuje trouglasti rotor koji se unutar nje obrće. Stranice rotora (gornja i donja) naležu na stranice kućišta, dok su na bokovima rotora samo ivice u kontaktu sa ovalnom površinom kućišta te formiraju tri komore.
Kada se rotor obrće, odnosi njegovog oblika i oblika kućišta dovode do toga da se njihove površine međusobno približavaju i udaljuju smanjujući i povećavajući zapremine komora što nalikuje odvijanju taktova kod cilindarskih motora. Međutim, dok se u cilindru konvencionalnog četvorotaktnog motora odvija jedan radni takt na svaka 2 obrtaja kolenastog vratila (pola radnog takta po obrtaju), svaka komora u vankel motoru generiše po jedan radni "takt" (ukupno 3 radna takta) po obrtaju rotora. Kako je izlazno vratilo vankel motora "uzublje-no" tako da se 3 puta brže od rotora
ra, ovo znači da se izvede 1 radni takt pri svakom obrtaju pogonskog vratila motora (kao kod dvotaktnog motora) što je 2 puta više od onog što ostvaruje četvorotaktni cilindarski motor. Iz ovog razloga izlazna snaga vankelovog motora je generalno veća od četvorotaktnog motora iste zapremine i veća od četvorotaktnog motora sličnih gabarita i mase.
Usled ove činjenice, pri kategorizaciji motora po zapremini (radi utvrđivanja poreza, učešća na takmičenjima...) uzima se da je vankelov motor ekvivalent četvorotaktnog cilindarskog motora 1,5 do 2 puta veće zapremine. Ne retko, upotreba vankelovog motora na takmičenima se smatra tolikom prednošću da se njegova upotreba pravilima zabranjuje.
Prednosti
Pored pomenute veće specifične snage, vankelove motore odlikuju još neke prednosti. Rotacioni motori su jednostavnije konstrukcije i imaju manje delova. Na primer, kako je razvod radne materije izveden pomoću jednostavnih otvora u kućištu, nema potrebe za kompleksnim ventilskim mehanizmom. Takođe, kako je rotor povezan direktno sa izlaznim vratilom motora nema klipnjača, kolena kolenastog vratila sa tegovima za uravnoteženje itd. Eliminacija ovih delova ne samo da agregat čini gotovo upola lakšim, već potpuno oslobađa motor od inercionih sila i vibracija, te donosi mek rad motora i sposobnost generisan-ja veće snage na višim obrtajima.
Još jedna prednost leži u obliku komore sagorevanja i vihorenja punjenja koje nastaje usled kretanja rotora što sprečavaju nastanak vrelih tačaka koje bi poslužile kao izvor preranog paljenja i detonacije. Na kraju, za razliku od cilindarskog motora, sagorevanje i širenje gasova odvijaju se u zoni odvojenoj od mesta formiranja smeše (sa druge strane kućišta). Iz tog razloga, moguća je upotreba goriva sa manjim oktanskim brojem, što je posebno bitno kod eksplozivnog vodonika.
Nedostaci
Dizajn vankelovog motora zahteva upotrebu brojnih kliznih zaptivača, a kućište se obično izrađuje kao sendvič delova od livenog gvozda i aluminiju-ma koji se različito šire i skupljaju kada su izloženi zagrevanju i hlađenju tokom
rada (različiti koeficijenti toplotnog širenja). Ovakva konstrukcija dovodi do gubitka zaptivanja između rotora i kućišta, ali isto tako i između samih delova kućišta.
Baš kao što komore vankelovog motora sprečavaju pojavu prevremenog paljenja smeše, isto tako uspešno povećavaju rizik od nepotpunog sagorevanja smeše. Ovo znači da izduvni gasovi sadrže određenu količinu nesagorelih ili deli-mično sagorelih ugljovodonika koji su dokazano štetni po životnu sredinu.
Još jedna konstrukciona mana vankelovog koncepta jeste njegova otežana primena na motore sa više od dva rotora. Komplikovni oblici delova i povećanje kompleksnosti njihove montaže, kod takvih motora iziskuju upotrebu izlaznog vratila koje se sastoji iz više delova. lako se ovakva rešenja uspešno primenju-ju kod trkačkih automobila, to definitivno umanjuje dobar deo prednosti jednostavne izrade i niže cene motora vankelovog koncepta.
U svakom slučaju četri decenije istraja-vanja na usavršavanju rotacionog motora u Iaboatorijama Mazde donose svoje plodove. Intezivna primena novih materijala i tehnologija donose nove odgovore na stara pitanja pa najnoviji izdanak evolucije vankelovog motora pod imenom Renesis očigledno ne pati od nabrojanih glavnih nedostataka. Interesantna je i promena lokacije otvora razvodnih kanala. Na početku serijske proizvodnje oni su bili smešteni na ovalnoj površini. Potom je usisni otvor pome-ren na ploču sa strane, dok su unutar Renesis-a svi otvori smešteni sa strane pa ovalna površina ostaje nenarušena. Staviše, Renesis ima dva usisna otvora po rotoru i značajno povećan protočni pre-sek... Rezultat ovakvih izmena je impresivan - potrošnja goriva je unutar normalnih granica (oko 11 I/T00 km) a sastav izduvnih gasova zadovoljava stroge Kali-fornijske regulative.
Ono što je još uvek na strani klipnih motora jeste jednostavnost održavanja. Naime, kada se dodirne površine kućišta sa zaptivačima rotora pohabaju, njihovo dovođenje u ispravno stanje nije ni izbliza tako jednostavno kao što je to slučaj kod motora klasične koncepcije. Nepravilan oblik ovalnog zida kućišta daleko je kompleksnije za reparaciju, pa i cena njenog tretmana daleko prevazilazi proširivanje cilindara na narednu speci-jalu.
Sve u svemu, vankelov koncept još uvek čeka svoju eru.
dipl.ing. PredragĐukić
Princip rada
Kod vankel motora, trouglasti rotor je u kontaktu sa ovalnim kućištem preko zaptivača koji se nalaze na njegovim ivicama. Na ovaj način formirane su tri nezavisne komore koje pri obrtanju rotora menjaju svoju zapreminu. Princip rada objasnićemo posmatranjem jedne od njih.
Proces usisavanja svežeg punjenja otpočinje sa otvaranjem posmatrane komore prema usisnom ventilu (slika 1). Usled obrtanja rotora, zapremina komore se povećava što stvara neophodan potpritisak (vakuum). Zaptivač koji ograničava komoru sa druge strane potom usled obrtanja rotora hermetički zatvara komoru, a zapremina komore diktirana geometrijom kućišta počinje da se smanjuje (slika 2). Na taj način se smeša sabija i priprema za paljenje koje izvodi svećica (slika 3) locirana sa suprotne strane kućišta u odnosu na razvodne kanale. Veoma brzo posle skoka var-nice dolazi do početka sagorevanja smeše i širenja produkata sagorevanja što potiskuje rotor i generiše mehaničku energiju za pokretanje izlaznog vratila (slika 4). Nakon prelaska prednjeg zaptivača komore preko izduvnog ventila, ona se otvara prema izdu-vnom vodu i produkti sagorevanja odlaze u atmosferu.