Τι είναι ένας κινητήρας Wankel και πώς λειτουργεί;

Ο κινητήρας Wankel είναι ένας ειδικός τύπος περιστροφικού κινητήρα που χρησιμοποιεί έναν μηχανισμό έκκεντρης κίνησης για την παραγωγή ισχύος για ένα αυτοκίνητο.

Ο παλινδρομικός κινητήρας εσωτερικής καύσης είναι μια πανταχού παρούσα πηγή περιστροφικής ισχύος εδώ και πολλές δεκαετίες. Ωστόσο, ήρθε με το δικό του σύνολο επιπλοκών που το έκαναν αρκετά μη ικανοποιητικό για έναν συγκεκριμένο κύριο που θεώρησε ότι ήταν σπάταλο να χρησιμοποιεί παλινδρομική κίνηση για να δημιουργήσει περιστροφική κίνηση. Η απογοήτευσή του είχε ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη του κινητήρα Wankel.

Τι είναι ένας κινητήρας Wankel;

Ένας κινητήρας Wankel παράγει ισχύ με έκκεντρη περιστροφική κίνηση (Πιστωτική φωτογραφία :HDP/Wikimedia Commons)

Ένας κινητήρας Wankel είναι ένας τύπος κινητήρα εσωτερικής καύσης που παράγει ισχύ στροφάλου με περιστροφική κίνηση, αντί για παλινδρομική κίνηση. Ο κινητήρας πήρε το όνομά του για να τιμήσει τον εφευρέτη του, Felix Wankel, ο οποίος σκέφτηκε αυτή την ιδέα όταν ήταν μόλις 17 ετών.

Ο σχεδιασμός προοριζόταν να είναι μια απλή και πιο συμπαγής μονάδα με λιγότερα κινούμενα μέρη και μεγαλύτερη απόδοση, ενώ παράλληλα θα περιστρέφεται προς μία μόνο κατεύθυνση. Αυτό ήταν πολύ διαφορετικό από τους συμβατικούς παλινδρομικούς κινητήρες, οι οποίοι είχαν πολλά κινούμενα μέρη και περιλάμβαναν τη σχεδόν στιγμιαία αντιστροφή της κίνησης αυτών των εξαρτημάτων.

Κατασκευή κινητήρα Wankel

Κάθε περιστροφική κίνηση που συμβαίνει γύρω από ένα σημείο διαφορετικό από το κέντρο του περιστρεφόμενου αντικειμένου είναι γνωστή ως έκκεντρη κίνηση. Ένας κινητήρας Wankel θεωρείται κινητήρας έκκεντρης κίνησης, καθώς οι δυνάμεις περιστροφής που δημιουργούνται στον στροφαλοφόρο άξονα οφείλονται στην έκκεντρη κίνηση των κινούμενων μερών. Είναι απλό στην κατασκευή του, καθώς χρησιμοποιεί λιγότερα κινούμενα μέρη σε σύγκριση με έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης.

1. Rotor

Ρότορας κινητήρα Wankel στο περίβλημά του (Φωτογραφία :Roman Belogorodov/Shutterstock)

Ο ρότορας είναι το πιο κρίσιμο μέρος ενός κινητήρα Wankel. Είναι μια τρισδιάστατη δομή χαλαρά διαμορφωμένη γύρω από το τρίγωνο Releaux, το οποίο είναι ένα ισόπλευρο τρίγωνο με ελαφρώς στρογγυλεμένες πλευρές. Ο ρότορας αποτελείται από θαλάμους ενσωματωμένους στις πλευρές για την καύση. Διαθέτει επίσης στεγανοποιητικές επιφάνειες στις κορυφές και στην όψη για την αποφυγή απωλειών από τη διαρροή ενέργειας που παράγεται λόγω καύσης.

2. Στέγαση

Το περίβλημα έχει επιτροχοειδές σχήμα, το οποίο μοιάζει περίπου με ένα επίμηκες ωοειδές (Photo Credit :BigAlBaloo/Shutterstock)

Το περίβλημα στο οποίο κινείται ο ρότορας είναι σχεδιασμένο σε ένα κατά προσέγγιση επίμηκες οβάλ σχήμα, γνωστό και ως επιτροχοειδής. Το πλεονέκτημα ενός τέτοιου σχήματος είναι ότι όλες οι κορυφές του ρότορα παραμένουν σε επαφή με το περίβλημα ανά πάσα στιγμή. Είναι επίσης σημαντικό να σημειωθεί ότι υπάρχει πάντα ένα μικρό κενό μεταξύ της όψης του ρότορα και της εσωτερικής επιφάνειας του περιβλήματος.
Το περίβλημα διαθέτει επίσης οπές για τις θύρες εισόδου και εξαγωγής για την επαγωγή και την εκκένωση αερίων.

3. Άξονας εξόδου

Άξονας εξόδου με εκκεντρικούς λοβούς που ταιριάζουν σε ρότορες (Φωτογραφία :Jurgis Mankauskas/Shutterstock)

Ο άξονας εξόδου είναι ένα βασικό εξάρτημα του οποίου ο σχεδιασμός είναι κρίσιμος για την κίνηση των ρότορων εντός του περιβλήματος κατά την καύση. Αποτελείται από κυκλικούς λοβούς που μετατοπίζονται από τον άξονα του κύριου άξονα και εφαρμόζουν στον ρότορα. Αυτοί οι κυκλικοί λοβοί μετατρέπουν την έκκεντρη κίνηση των δρομέων μέσω της καθαρής περιστροφικής κίνησης του άξονα εξόδου.

Λειτουργία κινητήρα Wankel

Ο κινητήρας Wankel σε δράση (Προσφορά φωτογραφίας:Y_tambe/Wikimedia Commons)

Κάθε κινητήρας έχει ένα μέσο εργασίας, γνωστό και ως εύφλεκτο φορτίο. Ένα εύφλεκτο φορτίο αποτελείται από αέρα και καύσιμο που αναμιγνύονται σε μια συγκεκριμένη αναλογία για να επιτευχθεί η βέλτιστη καύση. Ένας κινητήρας Wankel λειτουργεί σε έναν θερμοδυναμικό κύκλο γνωστό ως Otto Cycle. Αυτός ο κύκλος έχει τα ακόλουθα βήματα και μπορεί να γίνει κατανοητός σε συνδυασμό με το παρακάτω διάγραμμα:

Σταδιακή ανάλυση του κύκλου Otto σε έναν κινητήρα Wankel (Προσφορά φωτογραφίας :Fred the Oyster/Wikimedia Commons)

Υποθέτοντας δεξιόστροφη περιστροφή του ρότορα:

1. Εισαγωγή (Ανάληψη φόρτισης σε ατμοσφαιρική πίεση)

Καθώς η κορυφή 1 διασχίζει τη θύρα εισόδου, ενώ η κορυφή 2 εξακολουθεί να βρίσκεται μεταξύ της θύρας εισόδου και εξαγωγής, νέο εύφλεκτο φορτίο τραβιέται στο θάλαμο.

2. Συμπίεση (Μείωση όγκου φόρτισης σε σταθερή ενέργεια)

Καθώς η κορυφή 2 διασχίζει τη θύρα εισόδου, το εύφλεκτο φορτίο μεταξύ 1 και 2 «συμπιέζεται» μεταξύ του ρότορα και του περιβλήματος, με αποτέλεσμα τη συμπίεση.

3. Ανάφλεξη (Προσθήκη θερμότητας σε σταθερό όγκο)

Ενώ το φορτίο συμπιέζεται, αναφλέγεται μέσω ενός σπινθήρα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή θερμότητας σε σταθερό όγκο. Εξαιτίας αυτού, η πίεση στη ζώνη που περικλείεται από το 1 και το 2 αρχίζει επίσης να αυξάνεται, αναγκάζοντας τον ρότορα να μετακινηθεί και να «απαλύνει».

4. Εξάτμιση (Διέκταση όγκου σε σταθερή θερμότητα)

Λόγω της τεράστιας πίεσης που προκύπτει από την ανάφλεξη, ο ρότορας κινείται για να επιτρέψει τη διαστολή. Ενώ το 1 και το 2 έχουν μετακινηθεί προς επέκταση, η κορυφή 3 παίρνει μια θέση κατάλληλη για επαγωγή. Εν τω μεταξύ, η θύρα εξάτμισης μεταξύ 1 και 2 επιτρέπει την αποβολή των χρησιμοποιημένων αερίων, καθιστώντας αυτόν έναν συνεχή κύκλο.

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα ενός κινητήρα Wankel

Όταν αναπτύχθηκε ο κινητήρας Wankel, περίπου 100 κατασκευαστές έσπευσαν να εφαρμόσουν τις δικές τους εκδόσεις του σχεδίου. Ο περιστροφικός κινητήρας Wankel θριάμβευσε έναντι του παλινδρομικού κινητήρα για πολλούς λόγους.

Πλεονεκτήματα

Ένας κινητήρας Wankel είναι πιο συμπαγής από τον παλινδρομικό του αντίστοιχο (Photo Credit :Flickr)

1. Λιγότερα μηχανικά εξαρτήματα, που οδηγούν σε λιγότερη φθορά.
2. Ένας κινητήρας Wankel μπορεί να παράγει ισοδύναμη ισχύ στο 1/3 του μεγέθους ενός παλινδρομικού κινητήρα, έχοντας έτσι καλύτερη αναλογία ισχύος προς βάρος.
3. Οι επικαλυπτόμενοι κύκλοι καύσης εξασφαλίζουν ανώτερη και ομαλή παροχή ισχύος, ενώ επιτρέπουν στον κινητήρα να λειτουργεί σε υψηλότερες στροφές ανά λεπτό.
4. Ένας κινητήρας Wankel είναι φυσικά ισορροπημένος και δεν αντιμετωπίζει προβλήματα που προκύπτουν λόγω μη ισορροπημένων δυνάμεων, κάτι που είναι σημαντικό πρόβλημα στους παλινδρομικούς κινητήρες.
5. Ένας κινητήρας Wankel, σε αντίθεση με έναν κινητήρα με παλινδρομικό έμβολο, δεν μπορεί να πιάσει.

Ωστόσο, παρά το γεγονός ότι είχαν πολλές μηχανικές ανωτερότητες, οι κινητήρες Wankel απέτυχαν να γίνουν κύρια επιλογή.

Μειονεκτήματα

1. Σε αντίθεση με τους παλινδρομικούς κινητήρες, όπου ένα έμβολο απευθύνεται μόνο σε έναν κύκλο, ο ρότορας σε έναν κινητήρα Wankel έχει τρεις ζώνες που λειτουργούν σε διαφορετικές θερμοκρασίες, με αποτέλεσμα την ανομοιόμορφη διαστολή και κατά συνέπεια την κακή ενεργειακή απομόνωση.
2. Ο θάλαμος καύσης δεν έχει ομοιόμορφη διατομή, αλλά είναι απλωμένος μεταξύ δύο επιφανειών. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια αργή και ημιτελή διαδικασία που αυξάνει την αναποτελεσματικότητα λόγω του άκαυστου φορτίου που αποβάλλεται από το σύστημα.
3. Σε αντίθεση με τους παλινδρομικούς κινητήρες, οι οποίοι σφραγίζονται με κυκλικούς δακτυλίους εμβόλου, είναι δύσκολο να σφραγιστούν οι ρότορες, καθώς τα στοιχεία στεγανοποίησης στις κορυφές δεν μπορούν να αντέξουν την τεράστια πίεση για παρατεταμένες χρονικές περιόδους.

Εφαρμογές μιας μηχανής Wankel

Το Mazda RX-8 χρησιμοποιεί κινητήρα Wankel (Photo Credit :joeborg/Shutterstock)

1. Μηχανοκίνητα αθλήματα – Οι κινητήρες Wankel με πολλαπλούς ρότορες έχουν χρησιμοποιηθεί σε αγώνες αυτοκινήτων και μοτοσικλετών με μεγάλη επιτυχία στο παρελθόν. Έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως από κατασκευαστές όπως η Mazda, η Citroen, η Rolls Royce, η Norton και η MZ.
2. Αεροπορία – Λόγω των υψηλών λειτουργικών δυνατοτήτων και της συμπαγούς τους RPM, είναι κατάλληλα για ελαφρά αεροσκάφη. Οι κινητήρες Wankel δεν χρειάζονται πολύ χρόνο για να ακινητοποιηθούν και να ζεσταθούν, επομένως μπορούν να μειώσουν τους χρόνους αναμονής για τα αεροσκάφη κατά τη διάρκεια των δοκιμών επιθεώρησης πριν από την πτήση.

Τι επιφυλάσσει το μέλλον για τους κινητήρες Wankel

Ενώ οι κινητήρες Wankel έχουν κάποια εγγενή πλεονεκτήματα έναντι των παλινδρομικών κινητήρων, οι αναποτελεσματικότητες που σχετίζονται με την καύση τους καθιστούν δυσμενείς για εφαρμογές αυτοκινήτων. Ωστόσο, η συμπαγής φύση τους τα καθιστά ευνοϊκά για βοηθητική υποστήριξη ισχύος σε ηλεκτρικά οχήματα, εάν εξαντληθούν στη μέση της διαδρομής. Εκτός από εφαρμογές που σχετίζονται με την καύση, οι κινητήρες Wankel διερευνώνται επίσης για χρήση σε συμπιεστές και αντλίες όπου οι απώλειες που σχετίζονται με τη σφράγιση δεν επηρεάζουν πραγματικά την απόδοση των συσκευών.