150376106-1-Motorul-Wankel

2. Motorul Wankel

Conf.dr.ing. Dănuţ Gabriel Marinescu

1MOTOARE ŞI TRANSMISII NECONVENŢIONALE

PENTRU AUTOMOBILE

SISTEME NECONVENŢIONALE

DE PROPULSIE ŞI TRANSPORT

2. MOTORUL WANKEL


PENTRU AUTOMOBILE



2. MOTORUL WANKEL

Cuprins

2.1. Introducere2.2. Construcţia generala a motorului Wankel2.3. Funcţionarea motorului Wankel2.4. Construcţia componentelor motorului Wankel2.5. Parametri specifici şi performanţe2.6. Variante constructive realizate


PENTRU AUTOMOBILE



2. MOTORUL WANKEL

2.1. Introducere

Motorul cu piston rotativ aplicabil în propulsia automobilelor a fost inventat de Felix Wankel (1) în Germania şi a fost brevetat în anul 1954.

El reprezintă una din soluţiile remarcabile in domeniul motoarelor pentruautomobile si a constituit obiectul unor ample cercetări ale unor firme de prestigiu din Germania (NSU, Mercedes), Franţa (Citroen) şi Japonia (Mazda) în anii 60´-70.

Acest motor este o variantă de motor termic neconvenţional, la care mecanismul motor este înlocuit de un mecanism excentric cu piston triunghiular echilateral, cu laturi curbilinii, în care sunt practicate camerele de ardere.

El aparţine familiei de motoare termice rotative, motoare la care elementele mobile ale mecanismului motor au numai mişcare de rotaţie sau roto-translaţie în jurul unor axe fixe.

Felix Wankel, inventatorul variantei de motor

rotativ fabricat în serie

1. Felix Wankel a inventat ansamblul format din mantaua- stator de formă epitrohoidală şi rotorul triunghiular curbiliniu. Ulterior firma germană NSU condusă de Walter G. Frobe a adus perfecţionări motorului propus de Wankel prin introducerea mişcării de roto-translaţie a pistonului-rotor, impusă acestuia de un excentric de pe arborele motor şi un mecanism de roţi dinţate cu angrenare interioară.


PENTRU AUTOMOBILE



2. MOTORUL WANKEL

2.1. Introducere

Deoarece axele de rotaţie ale organului de putere (pistonul-rotor) şi ale elementului de închidere după direcţie radială (mantaua-stator) nu sunt concentrice, la mişcarea pistonului se creează spaţii de lucru cu volum variabil.

Deşi mişcarea rotativă este preferabilă mişcării alternative a pistonului, motoarele rotative nu s-au afirmat cu o largă aplicabilitate astăzi în domeniul automobilelor.

Apariţia lor pe scară largă s-a făcut într-un moment “de cumpănă” pentru automobil, criza energetică de la începutul anilor 70’ când au devenit prioritare nu performanţele dinamice, ci:

• economia de combustibil;• depoluarea.


PENTRU AUTOMOBILE



2. MOTORUL WANKEL

2.2. Construcţia generala a motorului Wankel

Construcţia motorului Wankel şi schema cinematică sunt prezentate în figura alaturata.

Motorul este construit din trei părţi principale:

-arborele motor 1 cu excentricul 6, în jurul căruia rotorul execută o mişcare complexă (în jurul axei sale şi în jurul axei arborelui);

- rotorul 2, care într-o sectiune transversala este de formă triunghiulară, cu laturi curbilinii în care sunt practicate degajările 8, corespunzătoare camerelor de ardere;

- statorul carterul sau blocul motorului 3, în interiorul căreia este prelucrată suprafaţa interioară, al cărei profil geometric se realizează după o epitrohoidă (o formă particulară a cicloidelor).

Schema de principiu (a) şi părţile constructive principale ale motorului

Wankel (b) : 1-arborele motor; 2-rotorul triunghiular; 3-carcasa; 4-

coroana dinţată fixă; 5-dantura interioară a rotorului; 6-excentric; 7-

manta de răcire; 8-camera de ardere din rotor; 9-bujii; 10-garnitură de

etanşare de vârf; 11-orificiu de admisie; 12-orificiu de evacuare.


PENTRU AUTOMOBILE



2. MOTORUL WANKEL


Geometria suprafeţei interioare şi mişcarea complexă a rotorului sunt astfel corelate, încât vârfurile rotorului triunghiular să etanşeze trei spaţii de lucru distincte în timpul funcţionării.

Motorul funcţionează după ciclul convenţional în patru timpi. Cei patru timpi se realizează prin mişcarea complexă a rotorului, astfel încât volumul spaţiului de lucru se modifică periodic, crescând şi descrescând pentru a asigura:

• admisia;• compresia;• arderea-destinderea;• evacuarea.

Pentru a obţine mişcarea complexă a rotorului arborelui motor este prevăzut cu un excentric circular 6 cu centrul uşor deviat de la axa arborelui.







PENTRU AUTOMOBILE



2. MOTORUL WANKEL


În centrul rotorului, în partea laterală a acestuia (vezi secţiunea longitudinală), este practicat un alezaj prin intermediul căruia rotorul se adaptează la excentricul de pe arbore.

Între rotor şi excentric este inserat un rulment cu ace. Prin urmare, când arborele se roteşte, rotorul va efectua o mişcare pe orbită relativă faţă de axa arborelui motor în conformitate cu poziţia excentricului.

Pentru a asigura transmiterea mişcării de la rotor la arborele motor, pe unul din carcasele laterale în jurul lagărului arborelui motor este fixată o coroană dinţată cu dantură exterioară 4 .

În interiorul rotorului este montată o coroană dinţată cu dantură interioară 5 , în aşa fel încât alezajul din interiorul rotorului să se adapteze perfect la excentricul de pe arborele motor.







PENTRU AUTOMOBILE



2. MOTORUL WANKEL


Pentru a sincroniza mişcarea excentricului cu mişcarea rotorului, astfel încât cele trei colţuri ale acestuia să fie permanent în contact cu pereţii carcasei, raportul de transmitere este de 2/3, ceea ce înseamnă că dantura rotorului trebuie să aibă trei dinţi la fiecare doi pe coroana fixă.

Acest raport va determina ca la rotirea completă a rotorului arborele motor să facă trei rotaţii.

Orificiul de admisie 11 este practicat deasupra zonei mediane a carcasei în capacele laterale, iar orificiul de evacuare 12 sub zona mediană în peretele carcasei.

Bujiile se introduc în orificii filetate pe partea opusă a orificiilor de admisie şi evacuare a gazelor 9.







PENTRU AUTOMOBILE



2. MOTORUL WANKEL


1 - carter lateral2 - carterul rotorului (stator) 3 - rotor 4 - arbre motor (excentric) 5 - pinion fix6 - volant motor7 - segmenti axiali si laterali8 – galerie de admisie9 – colector de evacuare10 – suruburi de fixare a carterelor11 - turbocompresor

Componentele motorului Mazda RX-7


PENTRU AUTOMOBILE



2. MOTORUL WANKEL

2.3. Funcţionarea motorului Wankel

Fazele ciclului în patru timpi la motorul Wankel: a) admisia 1-2-3-4; b)

compresia şi aprinderea 5-6-7; c) arderea şi destinderea 8-9-10; d) evacuarea

11-12 (Doc. Daimler Chrysler)

a b

c d

Fenomenele gazodinamice şi termodinamice ce însoţesc desfăşurarea ciclului la motorul Wankel prezintă unele particularităţi faţă de cele de la motorul cu piston convenţional deşi ciclul de funcţionare este ciclul motorului în patru timpi, cu aprindere prinscanteie.

Diagrama indicata a motorului Wankel

1

2

3

4


PENTRU AUTOMOBILE



2. MOTORUL WANKEL





a b

c d

Fazele realizării ciclului motorului Wankel sunt prezentate în figura alaturata în care se consideră că rotorul are o mişcare în sens orar.


PENTRU AUTOMOBILE



2. MOTORUL WANKEL


Admisia

Procesul admisiei este este marcat pe diagrama indicată prin evolutia 1-2


1

2

3

4


PENTRU AUTOMOBILE



2. MOTORUL WANKEL


Admisia




a b

c d

Procesul începe cu volumul minim între flancurile rotorului şi peretele carcasei cu segmentul de etanşare A la o mică distanţă dincolo de orificiul de admisie (fig.a).

La miscarea rotorului volumul camerei de lucru se măreşte (evoluţia 1-2-3-4).

Admisia se încheie după ce segmentul următor, care etanşează camera de lucru, a depăşit orificiul de

admisie (fig.d).


PENTRU AUTOMOBILE



2. MOTORUL WANKEL


Admisia




a b

c d

Deschiderea completă a orificiilor de admisie Ia motorul Wankel se realizează foarte rapid (pe o durată de 20 … 30 °RAC) după care se păstrează un timp îndelungat aceeaşi secţiune de trecere şi în final se închid la fel de rapid.

La motorul clasic cu piston în mişcare alternativă secţiunea maximă de trecere prin supape se atinge pentru scurt timp abia după 120 ... 150 °RAC de la începerea deschiderii admisie.

Din aceste motive vitezele încărcăturii proaspete din orificiile de admisie ale motorul Wankel sunt mult mai mici decât la trecerea pe sub supape cu motorul cu piston convenţional, umplerea fiind mult mai bună.

+ -


PENTRU AUTOMOBILE



2. MOTORUL WANKEL


Admisia




a b

c d

Umplerea mai este favorizată în plus de faptul că în conducta de admisie a motorului, Ia sarcină şi turaţie determinată, se stabileşte un curent continuu deoarece amestecul (sau aerul in cazul injectiedirecte de benzina) este admis printr-un singur orificiu de admisie.

La motorul convenţional cu mai mulţi cilindri se stabileşte un astfel de curent numai pe primul tronsonal conductei de admisie, respectiv de la carburator (corpul clapetei) până la ramificarea conductei.

+ -


PENTRU AUTOMOBILE



2. MOTORUL WANKEL


Admisia




a b

c d

Datorită continuităţii curentului în conducta de admisie şi a vitezei relativ ridicate acesteia, trecerea amestecului în spaţiul de lucru al motorului la începutul deschiderii orificiului de admisie se face foarte rapid, favorizând umplerea.

Pentru intensificarea acestui fenomen se deschide orificiul de admisie mai târziu decât la motorul convenţional.

Întârzierea la închiderea admisiei este mai mică decât

la motorul convenţional, deoarece postumplerea la motorul Wankel este mult mai dificilă, curentul de amestec fiind puternic deviat de de etanşare de pe vârfurile rotorului.

+ -


PENTRU AUTOMOBILE



2. MOTORUL WANKEL


Comprimarea

Procesul comprimarii este este marcat pe diagrama indicată prin evolutia 2-3


1

2

3

4


PENTRU AUTOMOBILE



2. MOTORUL WANKEL


Comprimarea




a b

c d

După ce segmentul posterior al camerei de lucru depăşeşte orificiul de admisie, încărcătura proaspătă este reţinută între flancul rotorului, elementele de etanşare şi peretele carcasei.

In spaţiul de lucru următor prin orificiul de admisie care este deschis pătrunde încărcătura proaspătă pentru umplere.

In continuare, prin mişcarea rotorului se reduce uniform spaţiul de lucru închis realizându-se progresiv procesul comprimării (evolutia 5-6-7).


PENTRU AUTOMOBILE



2. MOTORUL WANKEL


Comprimarea




a b

c d

Comprimarea amestecului are loc în condiţiile unui contact al încărcăturii cu pereţii carcasei mult mai recidecât pereţii motorului convenţional.

De aceea, temperatura amestecului creşte mai puţinîn timpul comprimării, iar raportul de comprimare poate fi mai mare decât la motorul convenţional (pentru acelaşi combustibil).

+ -


PENTRU AUTOMOBILE



2. MOTORUL WANKEL


Comprimarea




a b

c d

Pe de altă parte raportul de comprimare poate fi măritdeoarece amestecul comprimat nu mai primeşte căldura de la organele de evacuare puternic încălzite ca la motorul convenţional. Valoarea acestuia este de ordinul 8 ... 11.

Se ajunge la finalul procesului de comprimare la temperaturi de ordinul 500 ... 600K .

În timpul comprimării presiunea creşte de la 2 ... 3 bar, la 8 ... 14 bar la sarcina totala.

+ -


PENTRU AUTOMOBILE



2. MOTORUL WANKEL


Arderea şi destinderea

Procesul arderii si destinderii este este marcat pe diagrama indicată prin evolutia 3-4


1

2

3

4


PENTRU AUTOMOBILE



2. MOTORUL WANKEL






a b

c d

Spre sfârşitul procesului comprimării, volumul minim al spaţiului de lucru (volumul camerei de ardere) se realizează atunci când segmentul A a trecut de bujie şi poziţia medie a flancului rotorului şi este adiacent porţiunii de mijloc a peretelui carcasei (fig. 2.4,c).

În acest moment se declanşează scânteia si are loc o creştere rapidă a presiunii determinând procesul destinderii cu mişcarea rotorului, mărirea spaţiului de lucru şi scăderea presiunii

Ca rezultat se aplică rotorului şi danturii interioare oforţă de apăsare în sensul de rotaţie, care prin lobul excentric şi reacţiunea danturii exterioare fixe forţează arborele excentric să se rotească cu o viteză triplă faţă de viteza rotorului.


PENTRU AUTOMOBILE



2. MOTORUL WANKEL






a b

c d

După cum se poate observa camera de ardere a motorului Wankel are o formă alungită şi nu se poate modifica decât în limite restrânse deoarece este delimitată de pereţii rotorului şi carcasei.

În zona de ardere a amestecului temperatura amestecului este mai ridicată, însă datorită lungimii camerei de ardere durata arderii se măreşte.

Bujia nu este spălată de încărcătura proaspătă în timpul admisiei şi comprimării, deci temperatura sa este mai mare decât la motorul convenţional.

+ -


PENTRU AUTOMOBILE



2. MOTORUL WANKEL






a b

c d

Procesul de ardere poate fi îmbunătăţit, în general, prin montarea a două bujii: una în zona anterioarăcamerei de ardere şi a doua în zona posterioara a acesteia.

Poziţionarea unei bujii în zona posterioară de presiune ridicată a camerei de ardere tinde să mărească lucrul mecanic indicat şi să contribuie la reducerea consumului de combustibil, în timp ce dacă bujia este plasată în zona anterioară a camerei de ardere se obţine o pornire mai uşoară şi o mai bună funcţionare la mers în gol.

+ -


PENTRU AUTOMOBILE



2. MOTORUL WANKEL


Evacuarea

Procesul evacuarii este este marcat pe diagrama indicată prin evolutia 4-1


1

2

3

4


PENTRU AUTOMOBILE



2. MOTORUL WANKEL


Evacuarea




a b

c d

În continuarea rotirii rotorului segmentul deschide orificiul de evacuare, permiţând golirea spaţiului de lucru 10 (fig.b) de gazele de ardere sub influenţa propriei energii cinetice şi a modificării volumului spaţiului de lucru, evolutia 11-12 (fig. c,d).

Presiunea scade de la 3 … 4 bar până la presiunea atmosferică. Se asigură evacuarea completă a spaţiului de lucru de gazele de ardere.

Procesul de evacuare se caracterizează prin viteza mare de curgere a gazelor în conducta de evacuare de Ia începutul până la sfârşitul acestui proces.

+ -


PENTRU AUTOMOBILE



2. MOTORUL WANKEL


Evacuarea




a b

c d

Din această cauză la sfârşitul evacuării dintr-o spatiude lucru, când debitul de gaze evacuate scade, în aval de orificiu de evacuare se creează o depresiune de scurtă durată care favorizează eliminarea gazelor arse de la spatiul de lucru ce vine succesiv în comunicaţie cu orificiul de evacuare.

De un astfel de fenomen nu beneficiază motorul convenţional.

+ -


PENTRU AUTOMOBILE



2. MOTORUL WANKEL


Evacuarea




a b

c d

Descriind principiul de funcţionare, se constată că motorul realizează trei cicluri de funcţionare în patru timpi la o rotaţie a rotorului şi trei rotaţii ale arborelui motor.


PENTRU AUTOMOBILE



2. MOTORUL WANKEL


Evacuarea




a b

c d

Temperaturile pereţilor cilindrului la motorul convenţional sunt mult diferite de temperaturile pereţilor interiori ai carterului motorului Wankel, ceea ce se explică prin condiţiile diferite de funcţionare.

La motorul Wankel pereţii interiori indiferent de puncte sunt spălaţi cu gaze ale căror temperaturi sunt specifice proceselor ce se desfăşoară în spaţiile de lucru respective.

Spre exemplu la spaţiul în care se produce admisia şi începutul compresiei pereţii interiori ai carcasei au cele mai scăzute temperaturi (sub 100 °C), valori confirmate de datele experimentale.

Diferenţele de temperaturi influenţează asupra stării termodinamice a gazelor şi prin urmare asupra caracterului desfăşurării proceselor de lucru în aceste motoare.


PENTRU AUTOMOBILE



2. MOTORUL WANKEL


Generarea momentului motor

Oricare ar fi tipul motorului termic, momentul motor este creat de exercitareapresiunii gazelor arse rezultate prin arderea amestecului aer -combustibil asupraunei suprafete a echipamentului mobil.

La motorul termic cu piston in miscare alternativa aceasta presiune se exercitaasupra partii superioare a pistonului.

Forta dezvoltata (B)este transmisa prin intermediul bielei arborelui cotit; ea are doua componente: una (V) ce se exercita in directia palierului si o a II-aperpendiculara pe raza manetonului (r).

Aceasta din urma creaza momentul motor.

La motorul termic cu piston rotativ aceasta presiune se exercita asupra uneia dinfetele rotorului.

Forta rezultata (B) se pate descompune si ea in doua componente: una (V) ce se exercita in directia palierului si o a II-a perpendiculara pe raza excentricului (r).

Aceasta din urma creaza momentul motor.

Rotativ

Alternativ


PENTRU AUTOMOBILE



2. MOTORUL WANKEL


Comparatia functionarii motor alternativ- motor rotativ

Eliminarea elementelor cu gabarit sporit: biela si arborele cotit la motorul rotativinduce si alte particularitati in ciclul de functionare.

Astfel, daca la motorul alternativ necesita 2 rotatii arbore cotit pentru a realiza un ciclude functionare in 4 timpi complet, motorulrotativ are nevoie de o rotatie in plus a arborelui de iesire.

De fapt arborele de iesire la motorul rotativefectueaza trei rotatii pentru o rotatiecompleta a rotorului


PENTRU AUTOMOBILE



2. MOTORUL WANKEL



Pistonul sau are, de fapt, trei suprafete de lucru, spre deosebire de motorul alternativcare nu are decat una.

Ca urmare la o rotatie a rotorului au loc treicicluri complete.

Coroborand aceste doua aspecte constatam ca motorul rotativ realizeaza 6 cicluri la 6 rotatii ale arborelui de iesire pecand motorul alternativ numai trei pentruacelasi numar de rotatii.

Altfel spus, motorul rotativ efectueaza un ciclu pe rotatie pe cand motorul alternativ o jumatate de ciclu pe rotatie.


PENTRU AUTOMOBILE



2. MOTORUL WANKEL



Putem astfel concluziona ca un motorrotativ birotor este echivalent unui motoralternativ cu 4 cilindri, un trirotor cu un 6 cilindri.

Mazda precizeaza si un alt avantaj tehnic: nivelul redus al variatiilor de moment motorca urmare a efectuarii a trei cicluri pe rotatiedetermina restrictii mecanice mai redusepentru piesele motorului si transmisiei.


PENTRU AUTOMOBILE



2. MOTORUL WANKEL

2.4. Constructia componentelormotorului Wankel

Geometria suprafeţei interioare a carterului motorului Wankel

Suprafaţa interioară a carcasei motorului Wankel se realizează după o curbă numită epitrohoidă (o formă particulară a cicloidelor).

Această curbă reprezintă traiectoria descrisă de un punct (P) situat pe un cerc de raza R/4 (cu centrul in O) cand un cerc concentric cu el si de raza R/2ruleaza fără alunecare pe un alt cerc stationar cu raza R, numit cerc de baza.

Dupa o rostogolire completa curba generată va fi o epitrohoidă cu doi lobi. Acest profil este ales pentrusuprafata interioara a statorului in care se va afla in miscare de roto-translatie un rotor cu trei laturicubilinii.


PENTRU AUTOMOBILE



2. MOTORUL WANKEL

2.6. Variante constructive realizate

Motorul Wankel NSU M35 Motorul Wankel Comotor 624


PENTRU AUTOMOBILE



2. MOTORUL WANKEL


Grupul motopropulsor Citroen GS birotor cu motor Wankel Comotor 624 (doc. Citroen)(doc. Citroen)


PENTRU AUTOMOBILE



2. MOTORUL WANKEL


Motorul rotativ cu patru rotoare Mercedes M950


PENTRU AUTOMOBILE



2. MOTORUL WANKEL


Motorul Wankel RENESIS RX-8 produs de Mazda (Doc. Mazda)

150376106-1-Motorul-Wankel

Documents

Transcript of 150376106-1-Motorul-Wankel