Een rotatiemotor is een verbrandingsmotor, net als de motor in uw auto, maar deze werkt op een heel andere manier dan de conventionele zuigermotor.
In een zuigermotor doet hetzelfde ruimtevolume (de cilinder) afwisselend vier verschillende taken:inlaat, compressie, verbranding en uitlaat. Een rotatiemotor doet dezelfde vier taken, maar elk gebeurt in zijn eigen deel van de behuizing. Het is net alsof je een speciale cilinder hebt voor elk van de vier banen, waarbij de zuiger continu van de ene naar de andere gaat.
De rotatiemotor (oorspronkelijk bedacht en ontwikkeld door Dr. Felix Wankel) wordt soms een Wankelmotor genoemd. , of Wankel-rotatiemotor .
In dit artikel zullen we leren hoe een rotatiemotor werkt. Laten we beginnen met de basisprincipes op het werk.
Inhoud
Net als een zuigermotor gebruikt de rotatiemotor de druk die ontstaat wanneer een combinatie van lucht en brandstof wordt verbrand. In een zuigermotor zit die druk in de cilinders en worden de zuigers gedwongen heen en weer te bewegen. De drijfstangen en krukas zetten de heen en weer gaande beweging van de zuigers om in een roterende beweging die kan worden gebruikt om een auto aan te drijven.
In een rotatiemotor zit de verbrandingsdruk in een kamer die wordt gevormd door een deel van de behuizing en wordt afgedicht door één zijde van de driehoekige rotor, wat de motor gebruikt in plaats van zuigers.
De rotor volgt een pad dat eruitziet als iets dat je zou maken met een spirograaf. Dit pad houdt elk van de drie pieken van de rotor in contact met de behuizing, waardoor drie afzonderlijke gasvolumes ontstaan. Terwijl de rotor door de kamer beweegt, zet elk van de drie gasvolumes afwisselend uit en samen. Het is deze uitzetting en samentrekking die lucht en brandstof in de motor trekt, deze comprimeert en nuttige kracht levert als de gassen uitzetten, en vervolgens de uitlaat verdrijft.
We nemen een kijkje in een rotatiemotor om de onderdelen te bekijken, maar laten we eerst eens kijken naar een nieuw modelauto met een geheel nieuwe rotatiemotor.
Mazda is een pionier geweest in het ontwikkelen van productieauto's met rotatiemotoren. De RX-7, die in 1978 op de markt kwam, was waarschijnlijk de meest succesvolle auto met rotatiemotor. Maar het werd voorafgegaan door een reeks auto's met rotatiemotor, vrachtwagens en zelfs bussen, te beginnen met de Cosmo Sport uit 1967. Het laatste jaar dat de RX-7 in de Verenigde Staten werd verkocht, was 1995, maar de rotatiemotor zal in de nabije toekomst een comeback maken.
De Mazda RX-8, een nieuwe auto van Mazda, heeft een nieuwe, bekroonde rotatiemotor genaamd de RENESIS . Deze atmosferische motor met twee rotoren, uitgeroepen tot International Engine of the Year 2003, zal ongeveer 250 pk produceren. Ga voor meer informatie naar Mazda's RX-8-website.
Een rotatiemotor heeft een ontstekingssysteem en een brandstoftoevoersysteem dat vergelijkbaar is met dat van zuigermotoren. Als je nog nooit de binnenkant van een rotatiemotor hebt gezien, wees dan voorbereid op een verrassing, want je zult niet veel herkennen.
De rotor heeft drie convexe vlakken, die elk als een zuiger werken. Elk vlak van de rotor heeft een zak erin, die de cilinderinhoud vergroot, waardoor er meer ruimte is voor het lucht/brandstofmengsel.
Aan de top van elk vlak bevindt zich een metalen blad dat een afdichting vormt naar de buitenkant van de verbrandingskamer. Er zijn ook metalen ringen aan elke kant van de rotor die de zijkanten van de verbrandingskamer afdichten.
De rotor heeft een set interne tandwieltanden die in het midden van één kant zijn gesneden. Deze tanden passen in een tandwiel dat aan de behuizing is bevestigd. Deze tandwieloverbrenging bepaalt het pad en de richting die de rotor door de behuizing neemt.
De behuizing is ruwweg ovaal van vorm (het is eigenlijk een epitrochoid -- bekijk deze Java-demonstratie van hoe de vorm is afgeleid). De vorm van de verbrandingskamer is zo ontworpen dat de drie punten van de rotor altijd in contact blijven met de wand van de kamer, waardoor drie afgesloten gasvolumes worden gevormd.
Elk deel van de behuizing is gewijd aan een deel van het verbrandingsproces. De vier secties zijn:
De in- en uitlaatpoorten bevinden zich in de behuizing. Er zijn geen kleppen in deze poorten. De uitlaatpoort wordt rechtstreeks op de uitlaat aangesloten en de inlaatpoort wordt rechtstreeks op de gasklep aangesloten.
De uitgaande as heeft ronde lobben die excentrisch zijn gemonteerd, wat betekent dat ze versprongen zijn ten opzichte van de hartlijn van de as. Elke rotor past over een van deze lobben. De kwab werkt een beetje als de krukas in een zuigermotor. Terwijl de rotor zijn baan rond de behuizing volgt, duwt hij op de lobben. Omdat de lobben excentrisch op de uitgaande as zijn gemonteerd, creëert de kracht die de rotor op de lobben uitoefent koppel in de as, waardoor deze gaat draaien.
Laten we nu eens kijken hoe deze onderdelen worden geassembleerd en hoe het stroom produceert.
Een rotatiemotor wordt in lagen geassembleerd. De motor met twee rotoren die we uit elkaar hebben gehaald, heeft vijf hoofdlagen die bij elkaar worden gehouden door een ring van lange bouten. Koelvloeistof stroomt door gangen die alle onderdelen omringen.
De twee eindlagen bevatten de afdichtingen en lagers voor de uitgaande as. Ze dichten ook de twee delen van de behuizing af die de rotors bevatten. De binnenoppervlakken van deze stukken zijn erg glad, wat de afdichtingen op de rotor helpt hun werk te doen. Op elk van deze eindstukken bevindt zich een inlaatpoort.
De volgende laag van buitenaf is het ovaalvormige rotorhuis, dat de uitlaatpoorten bevat. Dit is het deel van de behuizing dat de rotor bevat.
Het middenstuk bevat twee inlaatpoorten, één voor elke rotor. Het scheidt ook de twee rotoren, dus de buitenoppervlakken zijn erg glad.
In het midden van elke rotor bevindt zich een groot intern tandwiel dat rond een kleiner tandwiel rijdt dat aan de behuizing van de motor is bevestigd. Dit bepaalt de baan van de rotor. De rotor rijdt ook op de grote ronde lob op de uitgaande as.
Vervolgens zullen we zien hoe de motor daadwerkelijk vermogen levert.
Rotatiemotoren gebruiken de viertaktverbrandingscyclus, dezelfde cyclus die viertaktzuigermotoren gebruiken. Maar in een rotatiemotor gebeurt dit op een heel andere manier.
Als je goed kijkt, zie je de offset-lob op de uitgaande as drie keer ronddraaien voor elke volledige omwenteling van de rotor.
Het hart van een rotatiemotor is de rotor. Dit is ongeveer het equivalent van de zuigers in een zuigermotor. De rotor is gemonteerd op een grote ronde lob op de uitgaande as. Deze lob is verschoven ten opzichte van de middellijn van de as en werkt als de kruk op een lier, waardoor de rotor de hefboomwerking heeft die nodig is om de uitgaande as te draaien. Terwijl de rotor in de behuizing draait, duwt hij de lob rond in kleine cirkels en draait drie keer voor elke omwenteling van de rotor.
Terwijl de rotor door de behuizing beweegt, veranderen de drie kamers die door de rotor worden gecreëerd, van grootte. Deze verandering van grootte produceert een pompende actie. Laten we elk van de vier slagen van de motor doornemen, kijkend naar één zijde van de rotor.
De inlaatfase van de cyclus begint wanneer de punt van de rotor de inlaatpoort passeert. Op het moment dat de inlaatpoort wordt blootgesteld aan de kamer, is het volume van die kamer dichtbij het minimum. Als de rotor voorbij de inlaatpoort beweegt, wordt het volume van de kamer groter, waardoor het lucht/brandstofmengsel in de kamer wordt gezogen.
Wanneer de piek van de rotor de inlaatpoort passeert, wordt die kamer afgesloten en begint de compressie.
Terwijl de rotor zijn beweging rond de behuizing voortzet, wordt het volume van de kamer kleiner en wordt het lucht/brandstofmengsel gecomprimeerd. Tegen de tijd dat het oppervlak van de rotor de bougies heeft bereikt, is het volume van de kamer weer dicht bij het minimum. Dit is wanneer de verbranding begint.
De meeste rotatiemotoren hebben twee bougies. De verbrandingskamer is lang, dus de vlam zou zich te langzaam verspreiden als er maar één plug zou zijn. Wanneer de bougies het lucht/brandstofmengsel ontsteken, wordt er snel druk opgebouwd, waardoor de rotor gedwongen wordt te bewegen.
De druk van de verbranding dwingt de rotor om in de richting te bewegen waardoor de kamer in volume groeit. De verbrandingsgassen blijven uitzetten, bewegen de rotor en creëren kracht, totdat de piek van de rotor de uitlaatpoort passeert.
Zodra de piek van de rotor de uitlaatpoort passeert, kunnen de hogedrukverbrandingsgassen vrij uit de uitlaat stromen. Terwijl de rotor blijft bewegen, begint de kamer samen te trekken, waardoor de resterende uitlaatgassen uit de poort worden gedrukt. Tegen de tijd dat het volume van de kamer zijn minimum nadert, passeert de piek van de rotor de inlaatpoort en begint de hele cyclus opnieuw.
Het leuke van de rotatiemotor is dat elk van de drie vlakken van de rotor altijd aan één deel van de cyclus werkt - in één volledige omwenteling van de rotor zullen er drie verbrandingsslagen zijn. Maar vergeet niet dat de uitgaande as drie keer ronddraait voor elke volledige omwenteling van de rotor, wat betekent dat er één verbrandingsslag is voor elke omwenteling van de uitgaande as.
Er zijn verschillende bepalende kenmerken die een rotatiemotor onderscheiden van een typische zuigermotor.
De rotatiemotor heeft veel minder bewegende delen dan een vergelijkbare viertaktzuigermotor. Een rotatiemotor met twee rotoren heeft drie bewegende hoofdonderdelen:de twee rotoren en de uitgaande as. Zelfs de eenvoudigste viercilinderzuigermotor heeft minstens 40 bewegende delen, waaronder zuigers, drijfstangen, nokkenas, kleppen, klepveren, tuimelaars, distributieriem, distributietandwielen en krukas.
Deze minimalisering van bewegende delen kan zich vertalen in een betere betrouwbaarheid van een rotatiemotor. Dit is de reden waarom sommige vliegtuigfabrikanten (waaronder de maker van Skycar) de voorkeur geven aan rotatiemotoren boven zuigermotoren.
Alle onderdelen in een rotatiemotor draaien continu in één richting, in plaats van gewelddadig van richting te veranderen zoals de zuigers in een conventionele motor doen. Rotatiemotoren zijn intern gebalanceerd met draaiende contragewichten die gefaseerd zijn om trillingen op te heffen.
De vermogensafgifte in een rotatiemotor is ook soepeler. Omdat elke verbrandingsgebeurtenis 90 graden van de rotatie van de rotor duurt, en de uitgaande as drie omwentelingen draait voor elke omwenteling van de rotor, duurt elke verbrandingsgebeurtenis 270 graden van de rotatie van de uitgaande as. Dit betekent dat een motor met één rotor vermogen levert voor driekwart van elke omwenteling van de uitgaande as. Vergelijk dit met een eencilinderzuigermotor, waarbij de verbranding 180 graden van de twee plaatsvindt. omwentelingen, of slechts een kwart van elke omwenteling van de krukas (de uitgaande as van een zuigermotor).
Omdat de rotoren met een derde van de snelheid van de uitgaande as draaien, bewegen de belangrijkste bewegende delen van de motor langzamer dan de delen in een zuigermotor. Dit helpt ook bij de betrouwbaarheid.
Er zijn enkele uitdagingen bij het ontwerpen van een rotatiemotor:
Bekijk de links op de volgende pagina voor meer informatie over rotatiemotoren en aanverwante onderwerpen.
Oorspronkelijk gepubliceerd:29 maart 2001
