Κινητήρες Wankel

Πως λειτουργεί; δείτε την προσομοίωση


Κινητήρες Wankel (Auto Express 258, 1/1989)

Συντάκτης: Δ. Χατζηγιαννάκης

Μπορεί ο Φίλιξ Βάνκελ να πέθανε ο επαναστατικός κινητήρας του, όμως, εξακολουθεί να ζει ανάμεσά μας, ο γερμανός μηχανολόγος – μηχανικός γεννήθηκε το 1902 και πέθανε στις 9 Οκτωβρίου 1988. Ο δαιμόνιος αυτοδίδακτος μηχανικός δημιούργησε τον περίφημο περιστροφικό κινητήρα του το 1954. Ο κινητήρας χρησιμοποιήθηκε από την αυτοκινητοβιομηχανία το 1964, αλλά μόλις το 1967 στεγάστηκε κάτω από το καπό ενός αυτοκίνητου παράγωγης, του NSU Ro 80. Το αυτοκίνητο (115 ίππων) δε γνώρισε ιδιαίτερη επιτυχία, ίσως εξαιτίας της μεγάλης ευαισθησίας του κινητήρα του. Από τότε, ο κινητήρας Βάνκελ χρησιμοποιήθηκε σε αρκετές περιπτώσεις, σε επιβατικά αυτοκίνητα (Mazda RX7) αλλά και σε πρωτότυπα που παίρνουν μέρος σε αγώνες αντοχής. Η Μάζντα έχει δηλώσει ότι θα συνεχίσει να χρησιμοποιεί τους κινητήρες του Βάνκελ για δυο ακόμα χρόνια. Το μέλλον, λοιπόν, των περιστροφικών κινητήρων είναι αβέβαιο. Με την ευκαιρία του θανάτου του Βάνκελ, το «Α.Ε» δημοσιεύει στη συνέχεια ένα άρθρο του συνεργάτη του Δ. Χατζηγιαννάκη, για τους περιστροφικούς κινητήρες του ιδιοφυούς γερμανού.
ae0.jpg
O νέος τύπος κινητήρα πληροί τις περισσότερες προϋποθέσεις για να αντικαταστήσει τους παλινδρομικούς τετράχρονους κινητήρες των επιβατικών αυτοκινήτων.
Τόσο από τεχνικής όσο και από περιβαλλοντολογικής πλευράς ο νέος κινητήρας παρουσιάζει πλεονεκτήματα και δεν απομένουν παρά ελάχιστα προβλήματα ώστε να τοποθετηθούν τα σχέδια στις γραμμές παραγωγής. Πολλοί πιστεύουν ότι ο κινητήρας που κατασκεύασε ο Γερμανός μηχανικός Φέλιξ Βάνκελ θα επικρατήσει στο μέλλον ολοκληρωτικά.
Οι εμβολοφόροι κινητήρες εσωτερικής καύσης (ΚΕΚ) αποτελούν μια μεγάλη κατηγορία κινητηρίων θεσμικών μηχανών, οι οποίες έχουν το κοινό χαρακτηριστικό της παραγωγής μηχανικού έργου (μετακίνησης εμβόλων), από τη μετατροπή της θερμικής ενέργειας της καύσης, η οποία πραγματοποιείται εντός των κυλίνδρων.
Οι γνωστές μηχανές Otto και Diesel, οι οποίες χρησιμοποιούνται σήμερα στα αυτοκίνητα. ανήκουν στη μεγάλη αυτή ομάδα των εμβολοφόρων κινητήρων καύσης και ειδικότερα στην κατηγορία των παλινδρομικών κινητήρων. Το κοινό χαρακτηριστικό των μηχανών της κατηγορίας αυτής είναι η παλινδρομική κίνηση του εμβόλου εντός του κυλίνδρου και η στη συνέχεια μετατροπή της κίνησης αυτής μέσω του διωστήρα και του στροφαλοφόρου άξονα σε περιστροφική.
Πέρα απ' αυτές τις δύο γνωστές παλινδρομικές μηχανές εσωτερικής καύσης και τις παραλλαγές τους, υπάρχει και η κατηγορία των μηχανών περιστρεφομένων εμβόλων, των οποίων ο κύριος εκπρόσωπος είναι ο κινητήρας Βάνκελ. Ο κινητήρας αυτός πρωτοπαρουσιάστηκε από τον Γερμανό μηχανικό Βάνκελ στον οποίο οφείλει και το όνομα του. Το έμβολο (ή καλύτερα ο ρότορας) του κινητήρα αυτού είναι περιστροφικό δηλαδή δεν παλινδρομεί, αλλά περιστρέφεται και προσδίδει μηχανικό έργο απευθείας στον άξονα χωρίς την παρεμβολή διωστήρα και στροφάλων.
Οι κύλινδροι και τα έμβολα αυτών των μηχανών δεν έχουν κυκλική διατομή, αλλά εντελώς άλλα ιδιαίτερα σχήματα, η επιλογή των οποίων θα γίνει αντιληπτή από τον τρόπο της λειτουργίας των. Οι νέες μηχανές εσωτερικά έχουν ελάχιστα κοινά σημεία με τους κινητήρες Otto και Diesel παρ' όλο που εξωτερικά δε φαίνεται να διαφέρουν πολύ, καθώς είναι παρόμοιες οι βοηθητικές διατάξεις (οι οποίες είναι και εμφανείς) όπως για παράδειγμα το ψυγείο, το ηλεκτρικό σύστημα (διανομέας, σπινθηριστές), εξατμίσεις κ.λπ. Οι κινητήρες Wankel χρησιμοποιούν ως καύσιμο τη βενζίνη όπως ακριβώς και οι τετράχρονοι κινητήρες των περισσοτέρων αυτοκινήτων.
Ας δούμε όμως αναλυτικά τα μέρη των νέων μηχανών: Το έμβολο έχει σχήμα διάτρητου ισοπλεύρου τριγωνικού πρίσματος, του οποίου οι τριγωνικές βάσεις αποτελούνται από κυρτές καμπύλες (και όχι ευθείες) και οι παράπλευρες επιφάνειες έχουν στο μέσον εσωτερικές κοιλότητες. Στο κέντρο της τριγωνικής βάσης υπάρχει κυκλική τρύπα με εσωτερικές οδοντώσεις, οι οποίες συνεργάζονται με τις οδοντώσεις του κεντρικού άξονα που περνάει μέσα από την τρύπα.
Mazda-RX-7-1983-vehicle.jpg
Σχήμα 1a: Το μέλλον του επαναστατικού κινητήρα του Βάνκελ είναι άγνωστο. Φαίνεται ότι το RX7 θα συνεχίσει να παράγεται, αλλά δε θα είναι εφοδιασμένο για πολύ καιρό ακόμα με περιστροφικό κινητήρα.
mazdarx7.jpg
Σχήμα 1b: Το Mazda RX7 το 1992

Η σχέση μετάδοσης που επιτυγχάνεται μ' αυτό το σύστημα οδοντωτών τροχών είναι 3:1. δηλαδή για κάθε περιστροφή του εμβόλου επιτυγχάνονται 3 περιστροφές του άξονα. Αυτό σημαίνει επίσης ότι η διάμετρος της εσωτερικής οδόντωσης της τρύπας του εμβόλου είναι τριπλάσια από τη διάμετρο της οδόντωσης του κεντρικού άξονα.
Η ιδιόμορφη αυτή οδόντωση αναγκάζει κάθε ακμή του τριγωνικού πρίσματος (η κορυφή της τριγωνικής Βάσης) να διαγράφει μια τροχιά που έχει σχήμα φασολιού και η οποία ονομάζεται στα μαθηματικά επιτροχιοειδής καμπύλη. Οι συντεταγμένες κάθε σημείου της καμπύλης αυτής είναι αρκετά εύκολο να υπολογιστούν με τη βοήθεια της αναλυτικής γεωμετρίας.
Η καμπύλη αυτή αποτελεί το περίγραμμα της βάσης του κυλίνδρου του κινητήρα Wankel, ο οποίος έχει ακριβώς αυτό το σχήμα ώστε πάντα και οι τρεις παράπλευρες ακμές του τριγωνικού πρίσματος του εμβόλου να εφάπτονται στην εσωτερική επιφάνεια του κυλίνδρου. Εξαιτίας των σχημάτων του εμβόλου και του κυλίνδρου και της περιστροφικής κίνησης του εμβόλου γύρω από τις οδοντώσεις του άξονα, οι παράπλευρες επιφάνειες του εμβόλου άλλοτε πλησιάζουν και άλλοτε απομακρύνονται από τα τοιχώματα του κυλίνδρου, μεταβάλλοντας διαρκώς τον όγκο των τριών θαλάμων που δημιουργούνται μεταξύ της παράπλευρης επιφάνειας του εμβόλου (που περιλαμβάνει και τις κοιλότητες) και του εσωτερικού του κυλίνδρου. Η μεταβολή αυτή των όγκων των θαλάμων, λόγω της υψηλής στεγανότητας που επιτυγχάνουν οι ειδικά διαμορφωμένες ακμές του εμβόλου, έχει σαν αποτέλεσμα τη συμπίεση και την εκτόνωση των αερίων που έχουν εγκλωβιστεί σ' αυτούς.
Αυτή ακριβώς η παρατήρηση αποτελείτο ουσιαστικότερο τμήμα της μεγαλοφυούς σύλληψης του γερμανού μηχανικού. Τα υπόλοιπα δηλαδή, η τοποθέτηση των διόδων εισαγωγής του μίγματος του καυσίμου και εξαγωγής των καυσαερίων καθώς και ενός σπινθηριστή ήταν μικρές απλές λεπτομέρειες, οι οποίες λύθηκαν σε πολύ μικρό χρόνο. Έτσι σε τρεις θέσεις του κυλίνδρου, οι οποίες απέχουν γωνιακά (από τον άξονα) περίπου το ίδιο (δηλ. περίπου 120 μοίρες) τοποθετήθηκαν περιφερειακά στη σειρά η δίοδος εισαγωγής του μίγματος, ο σπινθηριστήρας (μπουζί) και η δίοδος εξαγωγής των καυσαερίων. Οι δίοδοι αυτές δεν περιέχουν βαλβίδες καθώς ανοιγοκλείνουν με καλύψεις και αποκαλύψεις προς κάθε θάλαμο από την παράπλευρη επιφάνεια του εμβόλου. Εφόσον λοιπόν δεν υπάρχουν βαλβίδες δεν απαιτείται ούτε εκκεντροφόρος άξονας, ούτε κώδικες ούτε κοκοράκια.
Ας δούμε όμως αναλυτικά τον τρόπο λειτουργίας του κινητήρα αυτού: Η περιστροφή του εμβόλου εντός του κυλίνδρου δημιουργεί τρεις χώρους, οι οποίοι συνεχώς συμπιέζουν και εκτονώνουν τα παρασυρόμενα από το έμβολο αέρια.
Η θέση των διόδων εισαγωγής και εξαγωγής και του σπινθηριστή είναι τέτοια ώστε να δημιουργούνται κατάλληλες υποπιέσεις και αποκαλύψεις των θυρίδων για την αναρρόφηση του μίγματος από το σωλήνα εισαγωγής, στη συνέχεια να επιτυγχάνεται συμπίεση του μίγματος ακριβώς μπροστά στο σπινθηριστή, κατόπιν να πραγματοποιείται η έναυση του μίγματος και στη συνέχεια η εκτόνωση και εξαγωγή των καυσαερίων δια της διόδου διαφυγής.
Αυτή η διαδικασία γίνεται ταυτόχρονα για κάθε έναν από τους τρεις θαλάμους που δημιουργούνται μεταξύ εμβόλου και λειτουργίας, οπότε επιτυγχάνεται ταυτόχρονη εξέλιξη τριών κύκλων λειτουργίας, οι οποίοι ολοκληρώνονται σε τρεις διαφορετικούς χρόνους (έχουν διαφορά φάσης).
Η ιδιομορφία αυτή του κύκλου λειτουργίας του κινητήρα Wankel τον φέρνει να αντιστοιχεί πλήρως με τον κύκλο λειτουργίας του τετράχρονου παλινδρομικού κινητήρα Otto. Επειδή όμως σε κάθε περιστροφή του εμβόλου του Wankel ο άξονας κάνει 3 στροφές, κάθε πλήρης κύκλος ενός θαλάμου αντιστοιχεί σε μια στροφή του άξονα (εφόσον υπάρχουν τρεις θάλαμοι σε κάθε έμβολο). Στους παλινδρομικούς τετράχρονους κινητήρες όμως ένας κύκλος λειτουργίας αντιστοιχεί σε 2 στροφές του άξονα, άρα με βάση τους κινητήριους χρόνους (κύκλους μηχανής) ο μονοκύλινδρος κινητήρας Wankel αντιστοιχεί σε δικύλινδρο κινητήρα Otto ίδιου κυλινδρισμού (όγκου κυλίνδρων). Γενικότερα κάθε κινητήρας Wankel αντιστοιχεί με έναν διπλασίων κυλίνδρων και ίδιου κυβισμού κινητήρα Otto. Για παράδειγμα ένας δικύλινδρος κινητήρας Wankel κυβισμού ενός θαλάμου 500 κ.εκ. αντιστοιχεί σε τετρακύλινδρο κινητήρα Otto κυβισμού 2.000 κ.εκ.
ae2.jpg
Σχήμα 2: Ό περιστροφικός κινητήρας του Βάνκελ συνεχίζει να υπάρχει ανάμεσά μας, κάτω από το καπό του RX7 της Μάζντα: δύο ρότορες, 105 ίπποι στις 6.000στρ./λεπτό, 17,4χλγμ. στις4.000στροφές, αλλά μεγάλη η κατανάλωση βενζίνης.

Αυτή η αντιστοιχία αποτελεί την κύρια προϋπόθεση σύγκρισης των επιδόσεων των δύο τύπων κινητήρων. Τα μέχρι στιγμής αποτελέσματα, τα οποία έχουν εξαχθεί με βάση τεχνικοοικονομικά κριτήρια (στα οποία έχουν συνυπολογιστεί και τα κόστη αλλαγής τεχνολογίας), εξακολουθούν να αναδεικνύουν νικητή τους τετράχρονους κινητήρες, οι οποίοι και καταφέρνουν να κατέχουν τη μερίδα του λέοντος σ’ όλες τις αυτοκινητοβιομηχανίες, αλλά παράλληλα επισημαίνουν την αναμφισβήτητη τεχνολογική υπεροχή των κινητήρων Wankel και τη σχεδόν βέβαια υιοθέτησή τους από τους κατασκευαστές στο μέλλον, αφού βέβαια επιτευχθούν μερικές ακόμη βελτιώσεις. Για παράδειγμα, ένα από τα πιο ευαίσθητα τμήματα του κινητήρα Wankel, το οποίο αναμένεται να βελτιωθεί είναι η μορφοποίηση των ακμών του εμβόλου και η δημιουργία καταλλήλων στεγανωτικών παρεμβυσμάτων έτσι ώστε να επιτευχθεί μεγαλύτερη στεγανότητα και απομόνωση των θαλάμων, με σκοπό τον υψηλότερο βαθμό συμπίεσης του μίγματος του καυσίμου για μεγαλύτερη απόδοση μηχανικού έργου.
Οι κινητήρες Wankel επιτυγχάνουν σχεδόν ίδιες επιδόσεις με τους αντίστοιχους τετράχρονους παλινδρομικούς κινητήρες (π.χ. όσον αφορά τη μέγιστη ιπποδύναμη και τη ροπή στρέψης) αλλά έχουν πολύ μικρότερο βάρος ανά αποδιδόμενο ίππο και ιδιαίτερα μικρότερο όγκο. Το γεγονός αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό καθώς όλοι γνωρίζουμε τη σύγχρονη τάση για ολοένα πιο ελαφρά και πιο ευέλικτα αυτοκίνητα.
Οι κινητήρες Wankel παρουσιάζουν πολύ μικρότερους κραδασμούς κατά τη λειτουργία τους και αυτό διότι οι περιστρεφόμενες μάζες των εμβόλων επιτυγχάνουν καλύτερη δυναμική συμπεριφορά στο σύστημα της μηχανής από τις παλινδρομούμενες. Λόγω ακριβώς των χαμηλών κραδασμών λειτουργούν με πολύ χαμηλότερο θόρυβο από τις παλινδρομικές μηχανές και πιστεύεται ότι στο μέλλον αυτό θα αποτελέσει ένα σημαντικότατο κριτήριο για την εξάπλωση τους.
Όσον αφορά τα οικονομικά κριτήρια, εδώ τα πράγματα είναι αρκετά μπερδεμένα καθώς με την απόφαση της τοποθέτησης στα αυτοκίνητα κινητήρων Wankel πρέπει ένας σημαντικότατος βιομηχανικός τομέας (αυτός των κατασκευών των κινητήρων) να αντικαταστήσει τον εξοπλισμό του ώστε να παράγει τις νέες μηχανές. Η διαδικασία αυτή δεν είναι καθόλου εύκολη καθώς πρέπει να κατασκευαστούν κατάλληλες εργαλειομηχανές, να καθοριστούν νέες γραμμές παραγωγής και να σχεδιαστούν εκ νέου όλες οι επιμέρους παραγωγικές εργασίες, φυσικά με τεράστια απασχόληση εργατικού δυναμικού και βέβαια με αρκετό κόστος.
Από την άλλη μεριά όμως είναι δεδομένη η απλούστερη κατασκευή των μηχανών Wankel, οι οποίες περιέχουν σαφώς μικρότερο αριθμό μερών καθώς δεν περιέχουν βαλβίδες, διωστήρες, στρόφαλα, εκκεντροφόρους άξονες κ.λπ., τα οποία αποτελούν και το μεγαλύτερο κόστος των παλινδρομικών κινητήρων. Το γεγονός αυτό έχει άμεση σχέση με τη συντήρηση των μηχανών Wankel, η οποία είναι προφανώς απλούστερη, καθώς απαιτούνται ελάχιστες ρυθμίσεις και λιγότερες αντικαταστάσεις μερών.
Βέβαια, αν σε όλα αυτά προστεθεί και το κόστος εκπαίδευσης των ειδικών των συνεργείων που θα κάνουν αυτή τη δουλειά, καθώς και το κόστος της δημιουργίας των νέων εργαλείων και των νέων οργάνων που θα απαιτούνται ίσως να υπάρχουν πραγματικά αρκετά προβλήματα προς επίλυση, κύρια σε σχέση με την ομαλή αποδοχή των νέων μηχανών από τον κόσμο που ασχολείται με τα αυτοκίνητα. Ας μην ξεχνάμε, για παράδειγμα, τα προβλήματα που έχουν δημιουργήσει τα νέα εξελιγμένης τεχνολογίας αυτοκίνητα στα «παραδοσιακά» συνεργεία της χώρας μας. Αυτό που όμως είναι σίγουρο στο μέλλον είναι η επιμονή των αυτοκινητοβιομηχανιών στην έρευνα καθώς και η σταθερή επιλογή της συνεχούς ανάπτυξης και της διαρκούς εξέλιξης των αυτοκινήτων.
Δεν είναι σίγουρο αν οι κινητήρες των αυτοκινήτων του 2000 θα είναι Wankel ή κεραμικοί ή κάτι άλλο. Αυτό όμως που είναι σίγουρο είναι ότι θα είναι διαφορετικοί από τους σημερινούς κινητήρες και θα εξυπηρετούν προβλήματα και καταστάσεις εκείνης της εποχής που δε θα είναι άλλα από την ασφαλή αυτοκίνηση, την προστασία του περιβάλλοντος και την οικονομία.

NSU Ro 80

ΗΤΑΝ ΠΟΛΥ ΚΑΛΟ ΓΙΑ ΝΑ ΕΙΝΑΙ ΑΛΗΘΙΝΟ
Ένα αυτοκίνητο που άφησε εποχή: Το NSU Ro80.
nsuRo80.jpg Created by schlenzig
nsu_ro80.jpg
Το πρώτο αυτοκίνητο παραγωγής που χρησιμοποίησε τον κινητήρα του Βάνκελ, έναν κινητήρα ελαφρύ, με χαμηλό κόστος κατασκευής (90% μικρότερο από έναν κλασικό τετρακύλινδρο κινητήρα), μικρό κόστος συντήρησης και θαυμάσιες ροπές χαμηλά. Το NSU Ro 80 έγραψε τη δική του ιστορία από το 1967, που άρχισε να παράγεται, δεν έμελλε όμως να ζήσει περισσότερο από 10 χρόνια.