En rotationsmotor är en förbränningsmotor, som motorn i din bil, men den fungerar på ett helt annat sätt än den konventionella kolvmotorn.
I en kolvmotor gör samma volym utrymme (cylindern) växelvis fyra olika jobb - insug, kompression, förbränning och avgas. En roterande motor gör samma fyra jobb, men var och en sker i sin egen del av huset. Det är ungefär som att ha en dedikerad cylinder för vart och ett av de fyra jobben, där kolven rör sig kontinuerligt från det ena till det andra.
Den roterande motorn (ursprungligen utformad och utvecklad av Dr. Felix Wankel) kallas ibland en Wankelmotor , eller Wankel roterande motor .
I den här artikeln kommer vi att lära oss hur en roterande motor fungerar. Låt oss börja med de grundläggande principerna i arbetet.
Innehåll
Precis som en kolvmotor använder rotationsmotorn det tryck som skapas när en kombination av luft och bränsle förbränns. I en kolvmotor finns det trycket i cylindrarna och tvingar kolvarna att röra sig fram och tillbaka. Vevstängerna och vevaxeln omvandlar kolvarnas fram- och återgående rörelse till rotationsrörelse som kan användas för att driva en bil.
I en roterande motor är förbränningstrycket inneslutet i en kammare som bildas av en del av huset och tätas av en sida av den triangulära rotorn, vilket är vad motorn använder istället för kolvar.
Rotorn följer en bana som ser ut som något du skulle skapa med en Spirograph. Denna väg håller var och en av rotorns tre toppar i kontakt med huset, vilket skapar tre separata volymer gas. När rotorn rör sig runt kammaren expanderar och drar var och en av de tre gasvolymerna växelvis ihop sig. Det är denna expansion och sammandragning som drar in luft och bränsle i motorn, komprimerar den och ger användbar kraft när gaserna expanderar och sedan driver ut avgaserna.
Vi kommer att ta en titt inuti en roterande motor för att kolla in delarna, men låt oss först ta en titt på en ny modellbil med en helt ny roterande motor.
Mazda har varit en pionjär när det gäller att utveckla produktionsbilar som använder roterande motorer. RX-7, som började säljas 1978, var förmodligen den mest framgångsrika rotationsmotordrivna bilen. Men det föregicks av en serie bilar med roterande motorer, lastbilar och till och med bussar, från 1967 års Cosmo Sport. Det senaste året som RX-7 såldes i USA var 1995, men den roterande motorn kommer att göra comeback inom en snar framtid.
Mazda RX-8 , en ny bil från Mazda, har en ny, prisbelönt roterande motor som heter RENESIS . Utnämnd till International Engine of the Year 2003, kommer denna naturligt sugande tvårotorsmotor att producera cirka 250 hästkrafter. För mer information, besök Mazdas RX-8-webbplats.
En roterande motor har ett tändsystem och ett bränsletillförselsystem som liknar dem på kolvmotorer. Om du aldrig har sett insidan av en roterande motor, var beredd på en överraskning, för du kommer inte känna igen mycket.
Rotorn har tre konvexa ytor, som var och en fungerar som en kolv. Varje sida av rotorn har en ficka i sig, vilket ökar motorns slagvolym, vilket ger mer utrymme för luft/bränsleblandning.
I spetsen av varje yta finns ett metallblad som bildar en tätning mot utsidan av förbränningskammaren. Det finns också metallringar på varje sida av rotorn som tätar mot sidorna av förbränningskammaren.
Rotorn har en uppsättning invändiga kuggar som skärs in i mitten av ena sidan. Dessa tänder parar sig med ett kugghjul som är fixerat i huset. Denna växelpassning bestämmer vägen och riktningen som rotorn tar genom huset.
Höljet är ungefär ovalt till formen (det är faktiskt en epitrochoid -- kolla in den här Java-demonstrationen av hur formen härrör). Formen på förbränningskammaren är utformad så att rotorns tre spetsar alltid kommer att vara i kontakt med kammarens vägg och bildar tre förseglade volymer gas.
Varje del av huset är tillägnad en del av förbränningsprocessen. De fyra avsnitten är:
Inlopps- och avgasportarna är placerade i huset. Det finns inga ventiler i dessa portar. Avgasporten ansluts direkt till avgasröret och insugsporten ansluts direkt till gasreglaget.
Den utgående axeln har runda lober monterade excentriskt, vilket innebär att de är förskjutna från axelns mittlinje. Varje rotor passar över en av dessa lober. Loben fungerar ungefär som vevaxeln i en kolvmotor. När rotorn följer sin väg runt huset trycker den på loberna. Eftersom loberna är monterade excentrisk till den utgående axeln, skapar kraften som rotorn applicerar på loberna vridmoment i axeln, vilket får den att snurra.
Låt oss nu ta en titt på hur dessa delar är sammansatta och hur de producerar kraft.
En roterande motor är sammansatt i lager. Tvårotorsmotorn vi tog isär har fem huvudlager som hålls samman av en ring av långa bultar. Kylvätska strömmar genom passager som omger alla delar.
De två ändskikten innehåller tätningar och lager för den utgående axeln. De tätar också i de två sektionerna av huset som innehåller rotorerna. De invändiga ytorna på dessa bitar är mycket släta, vilket hjälper tätningarna på rotorn att göra sitt jobb. En inloppsport finns på var och en av dessa ändstycken.
Nästa lager in från utsidan är det ovala rotorhuset, som innehåller avgasportarna. Detta är den del av huset som innehåller rotorn.
Mittstycket innehåller två inloppsportar, en för varje rotor. Den separerar också de två rotorerna, så dess yttre ytor är mycket släta.
I mitten av varje rotor finns en stor invändig växel som åker runt en mindre växel som är fäst vid motorhuset. Det är detta som bestämmer rotorns bana. Rotorn åker också på den stora cirkulära loben på utgående axel.
Därefter ska vi se hur motorn faktiskt ger kraft.
Roterande motorer använder fyrtaktsförbränningscykeln, vilket är samma cykel som fyrtaktskolvmotorer använder. Men i en roterande motor åstadkoms detta på ett helt annat sätt.
Om du tittar noga kommer du att se den förskjutna loben på den utgående axeln snurra tre gånger för varje fullständigt varv av rotorn.
Hjärtat i en roterande motor är rotorn. Detta är ungefär motsvarigheten till kolvarna i en kolvmotor. Rotorn är monterad på en stor cirkulär lob på utgående axel. Denna lob är förskjuten från axelns mittlinje och fungerar som vevhandtaget på en vinsch, vilket ger rotorn den hävstång den behöver för att vrida den utgående axeln. När rotorn kretsar inuti huset, trycker den runt loben i snäva cirklar och vrider sig tre gånger för varje rotorvarv.
När rotorn rör sig genom huset ändrar de tre kamrarna som skapas av rotorn storlek. Denna storleksändring ger en pumpande verkan. Låt oss gå igenom vart och ett av motorns fyra slag och titta på en sida av rotorn.
Cykelns inloppsfas startar när spetsen på rotorn passerar inloppsporten. I det ögonblick då inloppsporten exponeras för kammaren är volymen av den kammaren nära sitt minimum. När rotorn rör sig förbi inloppsporten, expanderar kammarens volym och drar in luft/bränsleblandningen i kammaren.
När toppen av rotorn passerar inloppsporten, stängs kammaren av och kompressionen börjar.
När rotorn fortsätter sin rörelse runt huset, blir volymen av kammaren mindre och luft/bränsleblandningen komprimeras. När rotorns yta har kommit runt tändstiften är kammarens volym återigen nära sitt minimum. Det är då förbränningen startar.
De flesta roterande motorer har två tändstift. Förbränningskammaren är lång, så lågan skulle spridas för långsamt om det bara fanns en plugg. När tändstiften antänder luft/bränsleblandningen byggs trycket snabbt upp, vilket tvingar rotorn att röra sig.
Förbränningstrycket tvingar rotorn att röra sig i den riktning som får kammaren att växa i volym. Förbränningsgaserna fortsätter att expandera, flyttar rotorn och skapar kraft, tills toppen av rotorn passerar avgasporten.
När toppen av rotorn passerar avgasporten, är högtrycksförbränningsgaserna fria att strömma ut ur avgaserna. När rotorn fortsätter att röra sig börjar kammaren dra ihop sig, vilket tvingar ut det återstående avgaserna ur porten. När kammarens volym närmar sig sitt minimum passerar toppen av rotorn inloppsporten och hela cykeln börjar igen.
Det snygga med den roterande motorn är att var och en av de tre ytorna på rotorn alltid arbetar på en del av cykeln -- i ett helt varv av rotorn kommer det att finnas tre förbränningsslag. Men kom ihåg att den utgående axeln snurrar tre gånger för varje fullständigt varv av rotorn, vilket innebär att det finns ett förbränningsslag för varje varv på den utgående axeln.
Det finns flera definierande egenskaper som skiljer en roterande motor från en typisk kolvmotor.
Den roterande motorn har mycket färre rörliga delar än en jämförbar fyrtakts kolvmotor. En roterande motor med två rotorer har tre huvudsakliga rörliga delar:de två rotorerna och den utgående axeln. Även den enklaste fyrcylindriga kolvmotorn har minst 40 rörliga delar, inklusive kolvar, vevstakar, kamaxel, ventiler, ventilfjädrar, vippor, kamrem, kugghjul och vevaxel.
Denna minimering av rörliga delar kan leda till bättre tillförlitlighet från en roterande motor. Det är därför vissa flygplanstillverkare (inklusive tillverkaren av Skycar) föredrar roterande motorer framför kolvmotorer.
Alla delar i en roterande motor snurrar kontinuerligt i en riktning, snarare än att våldsamt ändra riktning som kolvarna i en konventionell motor gör. Roterande motorer är internt balanserade med snurrande motvikter som är fasade för att eliminera eventuella vibrationer.
Kraftleveransen i en roterande motor är också mjukare. Eftersom varje förbränningshändelse varar genom 90 grader av rotorns rotation, och den utgående axeln snurrar tre varv för varje varv av rotorn, varar varje förbränningshändelse genom 270 grader av den utgående axelns rotation. Det betyder att en motor med en rotor levererar kraft under tre fjärdedelar av varje varv på den utgående axeln. Jämför detta med en encylindrig kolvmotor, där förbränning sker under 180 grader av två varv, eller bara en fjärdedel av varje varv på vevaxeln (utgående axeln på en kolvmotor).
Eftersom rotorerna snurrar med en tredjedel av den utgående axelns hastighet, rör sig de huvudsakliga rörliga delarna av motorn långsammare än delarna i en kolvmotor. Detta hjälper också till med tillförlitligheten.
Det finns några utmaningar med att designa en roterande motor:
För mer information om roterande motorer och relaterade ämnen, kolla in länkarna på nästa sida.
Ursprungligen publicerad:29 mars 2001
