UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO

Marta PLIBERŠEK

FIZIKALNO MODELIRANJE WANKLOVEGA

MOTORJA

Diplomsko delo

univerzitetnega študijskega programa 1. stopnje

strojništvo

Maribor, avgust 2010

Fakulteta za strojništvo

FIZIKALNO MODELIRANJE WANKLOVEGA

MOTORJA

Diplomsko delo

Študentka: Marta PLIBERŠEK

Študijski program: Univerzitetni študijski program 1. stopnje Strojništvo

Smer: Konstrukterstvo

Mentor: izr. prof. dr. Bojan DOLŠAK

Somentorica: Urška SANCIN, univ. dipl. inž. str.

Maribor, 2010

II

I Z J A V A

Podpisana Marta PLIBERŠEK izjavljam, da:

je bilo predloţeno diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom izr. prof.

dr. Bojana DOLŠAKA in somentorstvom Urške SANCIN, univ. dipl. inţ. str.;

predloţeno diplomsko delo v celoti ali v delih ni bilo predloţeno za pridobitev

kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi;

soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjiţnici tehniških fakultet

Univerze v Mariboru.

Maribor, 2.9.2010 Podpis: ___________________________

III

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju izr. prof. dr. Bojanu

DOLŠAKU in somentorici Urški SANCIN, univ. dipl.

inţ. str. za pomoč in vodenje pri opravljanju

diplomskega dela.

Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili

študij.

IV

FIZIKALNO MODELIRANJE WANKLOVEGA MOTORJA

Ključne besede: reakcijski motorji, batni motorji, wanklov motor, plinski zakon, Ottov

kroţni proces

UDK: 621.45.011 (043.2)

POVZETEK

V diplomskem delu je prikazana podrobna preučitev wanklovega motorja, ter možnosti za

konstrukcijsko variiranje vplivnih parametrov, s katerimi lahko vplivamo na njegovo

delovanje z različnih vidikov, kot so učinkovitost, zanesljivost, vpliv na okolje, ipd. V ta

namen je bilo potrebno najprej definirati glavno funkcijo sistema, jo razčleniti v funkcijsko

strukturo ter posameznim delnim funkcijam poiskati ustrezne primarne in alternativne

fizikalne principe, iz katerih izhajajo vplivni parametri sistema, njihove medsebojne

odvisnosti in možnosti za variiranje.

V

DIE PHYSIKALISCHE MODELLIERUNG DES WANKELMOTORS

Stichworte: Reaction Engines, Kolbenmotoren, Wankel-Motor, die Gasgesetze, der Otto-

Kreisprozess

UDK: 621.45.011 (043.2)

ZUSAMMENFASSUNG

In der Diplomarbeit wird eine genaue Untersuchung des Wankelmotors dargestellt. Zugleich

wird die Möglichkeit für das Konstruktionsvariieren der Einflussparameter, mit welchen das

Wirken des Motors durch unterschiedliche Aspekte, wie Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit,

Umwelteinfluss, usw., beeinflusst werden kann, dargestellt. Aus diesem Grund sollte erst die

Hauptfunktion des Systems definiert werden, die später auch in die Funktionsstruktur

aufgegliedert werden sollte. Danach sollten einzelnen Teilfunktionen die entsprechenden

primären und alternativen physikalischen Prinzipien, aus welchen die Einflussparameter des

Systems hervorgehen, deren Interdependenz und Möglichkeiten zum Variieren, gesucht

werden.

VI

KAZALO

1 UVOD ................................................................................................................................... 1

2 OPIS MOTORJA .................................................................................................................... 2

2.1 Zgodovina ..................................................................................................................... 2

2.2 Zgradba motorja .......................................................................................................... 6

2.3 Konstrukcija motorja .................................................................................................... 9

2.4 Materiali ..................................................................................................................... 10

2.5 Tesnjenje .................................................................................................................... 10

2.6 Poraba goriva in emisije ............................................................................................. 11

2.7 Prednosti .................................................................................................................... 12

2.8 Slabosti ....................................................................................................................... 14

3 FUNKCIJSKA STRUKTURA ................................................................................................... 16

4 FIZIKALNI PRINCIP.............................................................................................................. 18

4.1 Glavni fizikalni princip ................................................................................................ 18

4.1.1 Plinski zakon ....................................................................................................... 18

4.1.2 Ottov krožni proces ............................................................................................ 19

4.2 Uporaba istega fizikalnega principa v drugih sistemih .............................................. 22

4.2.1 Reakcijski motorji ............................................................................................... 22

4.2.2 Batni motorji ....................................................................................................... 26

4.3 Možnosti uporabe drugih fizikalnih principov za isti namen ..................................... 28

4.3.1 Elektromotor ...................................................................................................... 28

4.3.2 Pnevmatski motor .............................................................................................. 29

4.3.3 Hidromotor ......................................................................................................... 30

5 MOŽNOSTI ZA KONSTRUKCIJSKO OPTIMIRANJE SISTEMA ............................................... 31

5.1 Sestavljanje več wanklovih motorjev......................................................................... 31

5.2 Termodinamični izkoristek ......................................................................................... 31

5.3 Mehanična stopnja obratovanja ................................................................................ 32

5.4 Uporaba reduktorja ................................................................................................... 32

5.5 Izbira mesta vgradnje sesalnih in izpušnih odprtin ................................................... 33

5.6 Konstrukcijski parametri ............................................................................................ 33

6 SKLEP ................................................................................................................................. 34

VII

KAZALO SLIK

Slika 2.1: DKM 54, Drehkolbenmotor ....................................................................................... 2

Slika 2.2: KKM 57, Kreiskolbenmotor ...................................................................................... 2

Slika 2.3: Dvostopenjska diselska enačica wanklovega motorja ............................................... 3

Slika 2.4: DKW/Hercules W2000 .............................................................................................. 3

Slika 2.5: NSU Ro 80 ................................................................................................................. 4

Slika 2.6: Mazda Cosmo ............................................................................................................. 4

Slika 2.7: Motor Renesis ............................................................................................................ 5

Slika 2.8: Epitrohoida ................................................................................................................. 6

Slika 2.9: Sestavni deli ............................................................................................................... 6

Slika 2.10: Wanklov cikel .......................................................................................................... 7

Slika 2.11: Wanklov motor (Mazda 13B – REW) ..................................................................... 8

Slika 2.12: Mazda RX-8 ........................................................................................................... 11

Slika 3.1: Funkcijska struktura ................................................................................................. 16

Slika 3.2: Shema delovanja wanklovega motorja ..................................................................... 17

Slika 4.1: Indikatorski diagram Ottovega cikla ........................................................................ 19

Slika 4.2: Idealizirani indikatorski diagram za Ottov cikel ...................................................... 20

Slika 4.3: T – s diagram za Ottov cikel .................................................................................... 21

Slika 4.4: Shema turbinskega motorja ...................................................................................... 23

Slika 4.5: Kombinacija centrifugalnega in aksialnega kompresorja ........................................ 23

Slika 4.6: Pogonska turbina s kompresorjem ........................................................................... 25

Slika 4.7: Delovanje štiritaktnega motorja ............................................................................... 27

Slika 4.8: Različni elektromotorji ............................................................................................. 28

Slika 4.9: Pnevmatski rotacijski motor z lopaticami ................................................................ 29

Slika 4.10: Pnevmatski rotacijski motor z lopaticami in omejenim kotom zasuka .................. 30

Slika 4.11: Hidromotor ............................................................................................................. 30

Slika 5.1: Deli wanklovega motorja ......................................................................................... 33

VIII

UPORABLJENI SIMBOLI

- Tlak

- Prostornina

- Temperatura

- Masa

- Specifična plinska konstanta

- Sesalni tlak

- Tlak okolice

- Gibni volumen

- Kompresijsko razmerje

- Izpušni tlak

- Dovedena toplota

- Odvedena toplota

- Mehanična stopnja obratovanja

- Toplota, ki je prevedena na ekscentrično os motorja

- Toplota, pretvorjena v delo, ki je oddana na spodnji del rotorja

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

1

1 UVOD

Stroji, ki spreminjajo energijo v mehansko delo, so motorji. Glede na vrsto energije in način

spremembe energije ločimo različne vrste motorjev, ki jih uporabljamo na vseh področjih

ţivljenja, pa naj gre za prometna sredstva v letalskem, vodnem, ţelezniškem, cestnem

prometu ali za delovne stroje.

Zelo razširjeni motorji so toplotni motorji, ki spreminjajo toploto v mehansko delo. V

njih se kot toplota uporablja energija pri zgorevanju goriva. V teh motorjih se torej kemična

energija goriva pretvarja v koristno mehansko delo.

Glede na to, ali je snovni tok, v katerem se izvršijo vse pretvorbe energij, isti, se

motorji delijo na motorje z zunanjim izgorevanjem in na motorje z notranjim zgorevanjem.

Wanklov motor je vrsta motorja z notranjim izgorevanjem, ki je izveden za vrtenje in

pretvarja tlak v vrtilno gibanje. Ta izvedba zagotavlja enakomerno moč pri visokih vrtljajih na

osnovi kompaktne velikosti.

Ţe od njegove uvedbe se ta motor imenuje rotacijski motor, čeprav se ta naziv

uporablja tudi za popolnoma druge tipe motorjev.

Motor je iznašel nemški inţenir Felix Wankel. Razvijati ga je začel v zgodnjih 1950-ih

letih v NSU Motorenwerke AG. NSU je nato podelil licence za koncept firmam po svetu, ki

so dalje izboljševale izvedbo.

Zaradi kompaktne izvedbe so wanklov motor vgrajevali v celo vrsto vozil in naprav,

na primer v avtomobile, vključno z dirkalnimi avtomobili, letala, gokarte, osebna vozila za

plovbo po vodi, veriţne ţage in pogonske mehanizme. Najobseţneje je wanklov motor v

avtomobilski industriji uporabljalo podjetje Mazda.

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

2

2 OPIS MOTORJA

2.1 Zgodovina

Leta 1957 je nemški inţenir Felix Wankel začel razvijati motor v NSU Moterenwerke AG,

kjer je prvič zasnoval rotacijski motor DKM 54, Drehkolbenmotor, slika 2.1.

Slika 2.1: DKM 54, Drehkolbenmotor

Tako imenovani KKM 57, Kreiskolbenmotor, ki je prikazan na sliki 2.2, je

skonstruiral NSU-jev inţenir Hanns Dieter Paschkein leta 1957, ne da bi poznal Felixa

Wankla, ki je pripomnil: »Mojega dirkalnega konja je spremenil v kobilo za oranje«. Prvi

uporabni prototip DKM 54 se je ţe delal leta 1957 v NSU-jevem razvojno raziskovalnem

oddelku (Versuchsabteilung TX).

Slika 2.2: KKM 57, Kreiskolbenmotor

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

3

V petdesetih in šestdesetih letih je bilo vloţeno mnogo naporov v projektiranje

rotacijskih motorjev. Bili so še posebej zanimivi zaradi gladkega in mirnega delovanja in

zaradi zanesljivosti, za kar je bila zasluţna njihova enostavnost. Ţe zgodaj se je pojavil

problem nastanka praskanja v ohišju, ki so ga rešili z namestitvijo svečk v ločen kovinski

komad, namesto da bi jih vijačili direktno v blok.

V Zdruţenih drţavah je leta 1959 Curtiss-Wright po NSU-jevi licenci naredil manjše

izboljšave osnovne izvedbe motorja. V Britaniji je v šestdesetih letih Rolls Royce Motor Car

Division v Crewe, Chesire skonstruiral dvostopenjsko dieselsko enačico wanklovega motorja,

ki je prikazan na sliki 2.3.

Slika 2.3: Dvostopenjska diselska enačica wanklovega motorja

Tudi v Britaniji je Norton Motorcycles razvil rotacijski motor za motorna kolesa, ki je

poganjal motorno kolo DKW/Hercules W-2000 (slika 2.4) in je bil vključen v njihovega

Commanderja in F1.

Slika 2.4: DKW/Hercules W2000

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

4

Suzuki je izdelal serijsko motorno kolo z wanklovim motorjem in sicer RE-5, pri

katerem je uporabil koničasta tesnila iz ţelezove zlitine in NSU-jev rotor z namenom, da bi

podaljšal ţivljenjsko dobo motorja, kar mu je tudi uspelo. Leta 1971 in 1972 je Arctic Cat

izdelal sneţne avtomobile. Poganjali so jih wanklovi motorji 303 cc, ki jih je izdelal nemški

Sachs. Deere & Company je sprojektiral varianto, ki je lahko uporabljala celo vrsto različnih

goriv. Ta izvedba je bila predlagana za izvor moči za bojna vozila ameriške mornarice in za

drugo opremo v poznih osemdesetih.

Po občasni uporabi za avtomobile, na primer NSU-jev Ro 80 (slika 2.5) in Citroën, ki

sta uporabljala motorje znamke Comotor z njihovim M35 in GS Birotor, je najobseţneje v

avtomobilski industriji uporabljala wanklove motorje Mazda. Poleg tega sta neuspešno

poskušala projektirati avtomobile z wanklovimi motorji Mercedes Benz in General Motors,

ki je, kot se zdi zaključil, da je motor draţji za gradnjo kot enakovreden batni motor.

Slika 2.5: NSU Ro 80

Po letih razvoja je Mazda izdelala prvi avtomobil Cosmo, ki je prikazan na sliki 2.6 z

wanklovim motorjem in sicer leta 1967.

Slika 2.6: Mazda Cosmo

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

5

Mazda je nadaljevala s celo vrsto vozil z wanklovim motorjem, vključno z enim

avtobusom in dostavnim vozilom. Kupci so se pogosto strinjali, kako gladko delujejo ti

avtomobili. Vendar je Mazda ubrala pot, da bi izpolnila standarde glede izpustov

ogljikovodika, kar pa je povečalo porabo goriva. Pozneje je Mazda opustila wanklove motorje

pri večini tipov avtomobilov, vendar ga je še naprej uporabljala pri svojem športnem

avtomobilu RX-7 in sicer do leta 2002.

Mazda je uporabljala izvedbo z dvojnim rotorjem, vendar je Eunos Cosmo 1991

uporabljal dvojni-turbo trirotorski motor. Leta 2003 je Mazda vpeljala motor Renesis, ki je

prikazan na sliki 2.7, pri RX-8. Na motorju Renesis so bile odprtine za izpuh in vstop iz

periferije vrtečega ohišja premeščene k stranem, kar je dopuščalo večje celotne odprtine,

boljši pretok zraka in nadaljnje prihranke pri moči. Zgodnji wanklovi motorji so tudi imeli

vstopne in izpušne odprtine na straneh, toda to izvedbo so opustili zaradi tvorbe ogljika v

odprtinah in v strani rotorja. Na motorju Renesis je bil ta problem rešen z uporabo strgalnega

stranskega T-tesnila [3].

Slika 2.7: Motor Renesis

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

6

2.2 Zgradba motorja

Pri wanklovem motorju (slika 2.9) se štirje takti tipičnega Ottovega cikla vršijo v prostoru

med tristraničnim simetričnim rotorjem in notranjo stranjo ohišja. Wanklov cikel se razlikuje

od Ottovega cikla po trajanju razteznega dela cikla, ki je mnogo daljši. Pri osnovnem

enorotorskem wanklovem motorju ovalno epitrohoidno ohišje, katerega krivulja je prikazana

na sliki 2.8, obdaja rotor, ki je trikoten in ima ločne boke (pogosto ga pomešamo z

Reuleauxovim trikotnikom, to je krivulja s tremi konicami konstantne širine, ki pa ima

izboklino v sredini vsake stranice nekoliko bolj sploščeno).

Slika 2.8: Epitrohoida je krivulja, ki nastane, če se točka v krogu, polmera r, od katerega je oddaljena za

dolžino d, kotali po zunanji strani kroga, polmera R

Gledano teoretično je izbrana oblika rotorja med fiksnimi konicami v bistvu rezultat

minimiranja volumna geometrične izgorevalne komore oz. maksimiranja kompresijskega

razmerja. Tako je simetrična krivulja, ki povezuje dve poljubni konici rotorja, maksimirana v

smeri oblike notranjega ohišja z omejitvijo, da se ne sme dotikati ohišja pri nobenem kotu

vrtenja.

Slika 2.9: Sestavni deli

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

7

Centralna pogonska gred, imenovana ekscentrična gred ali E-gred, gre skozi center

rotorja in je podprta s fiksnimi leţaji. Rotorji se vozijo na ekscentrih, ki so integrirani v

ekscentrično gred. Vrtijo se okoli ekscentrov in tudi kroţijo okoli ekscentrične gredi. Tesnila

na vogalih rotorja tesnijo proti periferiji ohišja in ga delijo v tri premične izgorevalne komore.

Par sinhronih zobnikov izvaja in regulira vrtenje vsakega rotorja na njegovi lastni osi. Fiksni

zobnik, nameščen na strani ohišja rotorja, vprijema v kroţnikasto kolo, pritrjeno na rotor, in

omogoča, da se rotor premakne za točno 1/3 obrata, za vsak obrat ekscentrične gredi. Moč

motorja se ne prenaša preko sinhronih zobnikov. Sila tlaka plina na rotorju (k prvi

aproksimaciji) gre direktno k centru ekscentra, ki je del izstopne gredi.

Wanklov motor je dejansko sistem variabilnega volumna in napredujočega vmesnega

praznega prostora. Imamo tri prazne prostore v ohišju, kar je prikazano na sliki 2.10.

Upoštevati je potrebno, da se točki A in B na rotorju in ekscentrična gred vrtijo pri različni

hitrosti; točka B se premika trikrat hitreje kot točka A, tako da je en polni krog (kroţna pot)

rotorja enak trem vrtljajem ekscentrične gredi.

Slika 2.10: Wanklov cikel

Ko se rotor vrti in giblje v kroţnici, se vsaka stran rotorja pribliţa steni ohišja in

oddalji od nje ter pri tem stisne in raztegne izgorevalno komoro podobno hodom bata pri

batnem motorju. Vektor moči izgorevalne faze gre skozi center zamaknjenega reţnja.

Medtem ko štiritaktni batni motor naredi en izgorevalni hod (takt) na vsaka dva obrata

ročične gredi, vsaka izgorevalna komora generira en izgorevalni hod po vsakem vrtljaju

pogonske gredi, to je en delovni hod po kroţnem (orbitalnem) vrtljaju rotorja in tri delovne

hode po vrtljaju rotorja. Tako je oddana moč wanklovega motorja na splošno višja kot oddana

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

8

moč štiritaktnega motorja s podobnim izpodrivom v podobnem stanju nastavitev; in višja kot

oddana moč štiritaktnega batnega motorja podobnih dimenzij in teţe.

Slika 2.11: Wanklov motor (Mazda 13B – REW)

Wanklovi motorji (slika 2.11) imajo na splošno tudi mnogo višjo ţivljenjsko dobo kot

batni motor podobne moči, deloma zaradi mirnosti kroţnega gibanja, zlasti pa, ker nimajo

visoko napetih delov kot je ročična gred ali vezni drogovi. Ekscentrične gredi nimajo

notranjih vogalov ročičnih gredi, ki bi povečali napetost. Ţivljenjska doba motorja je omejena

z obrabo sinhronih zobnikov. Kaljeni jekleni zobniki sluţijo za podaljšano obratovanje pri več

kot 7000 ali 8000 vrtljajih na minuto. Mazdini wanklovi motorji v dirkalnih avtomobilih

obratujejo pri več kot 10000 vrtljajih na minuto. Na letalih se uporabljajo bolj previdno, do

6500 ali 7500 vrtljajev na minuto. Vendar, ker tlak plina prispeva k učinkovitosti tesnil, ne

more delovanje wanklovega motorja pri visokih vrtljajih v nobenih pogojih obremenitve

uničiti motorja [10].

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

9

2.3 Konstrukcija motorja

Felix Wankel je prebrodil večino problemov, zaradi katerih prejšnji motorji niso uspeli, tako

da je razvil izvedbo s krilnimi tesnili, ki so lahko bila izdelana iz bolj trajnega material kot

batni obroči.

Rotacijski motorji imajo termodinamični problem, ki se ne pojavi pri batnih

štiritaktnih motorjih in sicer, da njihov cilindrični blok deluje v stabilnem, enakomernem

stanju s tem, da se tok kompresorja, izgorevanje in izpuh vršijo na fiksnih mestih ohišja.

Nasprotno pa batni motorji vršijo te štiri takte v eni komori, tako da se ekstremi

»zmrzujočega» vtoka in »gorečega« izpuha izravnajo v povprečje in so zaščiteni z robno

plastjo od pregrevajočih se delovnih delov.

Ščitki robne plasti in oljni film delujejo kot toplotna izolacija, kar pripelje do nizke

temperature mazalnega filma (maks. 200 °C) na vodno hlajenem wanklovem motorju. To

omogoči bolj konstantno temperaturo površine. Temperatura okoli svečke je pribliţno enaka

kot temperatura v izgorevalni komori batnega motorja.

Pri hlajenju z obodnim ali aksialnim pretokom ostane temperaturna razlika

sprejemljiva.

Štiritaktni batni motorji so manj primerni za vodik. Vodik ima lahko slepi vţig na

vročih delih, kot so izpušni ventil in svečke. Drugi problem je hidriranje mazalnega filma v

batnih motorjih. Pri wanklovem motorju je ta problem rešen z uporabo keramičnega

koničastega tesnila ob keramično površino: ni oljnega filma, ki bi se hidriral. Plašč bata mora

biti mazan in hlajen z oljem. To znatno poveča porabo mazalnega olja v štiritaktnem

vodikovem motorju [10].

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

10

2.4 Materiali

Drugače kot pri batnem motorju, kjer je cilinder hlajen z vstopajočo polnitvijo, potem ko se

ogreje z izgorevanjem, so ohišja wanklovega motorja konstantno ogrevana na eni strani in

hlajena na drugi, kar privede do visokih lokalnih temperatur in neenakomernega termičnega

raztezanja. Medtem ko to materialom postavlja visoke zahteve, pa preprostost wanklovega

motorja olajšuje uporabo alternativnih materialov kot so zlitine in keramika. Pri vodnem

hlajenju v smeri radialnega in aksialnega pretoka, pri čemer vroča voda iz vročega loka

ogreva hladni lok, termično raztezanje ostane sprejemljivo [10].

2.5 Tesnjenje

Pri zgodnjih motorjih se je pogosto pojavljala izguba tesnjenja, tako med rotorjem in ohišjem

kot tudi med raznimi deli, ki so tvorili ohišje. Prav tako so se pri zgodnjih modelih wanklovih

motorjev lahko ogljikovi delci ujeli med tesnilo in ohišje, zaradi česar je motor zablokiral in

je bila potrebna delna obnova.

Pri zelo zgodnjih Mazdinih motorjih je bilo pogosto, da je bila potrebna obnova po

80.000 km. Pri starejših Mazdinih motorjih lahko to preprečimo tako, da vedno dovolimo, da

motor doseţe obratovalno temperaturo. Moderni wanklovi motorji ţe leta nimajo teh

problemov. Nadaljnji problemi s tesnjenjem se pojavijo zaradi neenakomerne termične

razdelitve znotraj ohišij, kar povzroči deformacije in izgubo tesnjenja ter kompresije. Ta

toplotna deformacija povzroča tudi neenakomerno obrabo med koničastim tesnilom in

ohišjem rotorja, kar je zlasti očitno na motorjih z več prevoţenimi kilometri. Bili so poskusi,

da bi normalizirali temperaturo ohišij, s čimer bi minimirali deformacijo, z različnimi vzorci

cirkulacije hladilne tekočine in debelinami stene ohišja [10].

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

11

2.6 Poraba goriva in emisije

Kot je oblika izgorevalne komore odporna proti predvţigu in bo delala z niţjimi oktani

bencina kot primerljiv batni motor, tako tudi privede do relativno nepopolnega izgorevanja

polnitve zrak – gorivo in se več nezgorelih ogljikovodikov sprosti v izpuh.

Vendar ima izpuh relativno nizko vrednost emisij; to je omogočilo Mazdi, da je leta

1973 izpolnila ameriški zakon o čistem zraku iz leta 1970 s preprostim in poceni »termičnim

reaktorjem« (povečana odprta komora v izpuhu), tako da je paradoksalno obogatila razmerje

zrak – gorivo do te mere, da nezgoreli ogljikovodik (HC) v izpuhu podpira popolno

izgorevanje v termičnem reaktorju, medtem ko so avtomobili z batnim motorjem zahtevali

drage katalitske pretvornike. To je povečalo porabo goriva (šibka točka ţe pri wanklovem

motorju) in to prav v času, ko je naftna kriza leta 1973 dvignila cene bencina. Do uvedbe RX-

7 leta 1978 je Mazda izboljšala učinkovitost goriva pri termičnem reaktorju za 40%, vendar je

nazadnje prešla na sistem katalitskega pretvornika.

Raziskava v Curtiss-Wrightu kaţe, da temperatura površine rotorja v najvišji meri

regulira količino nezgorelega HC v izpuhu, s tem da višje temperature proizvedejo manj HC.

Raziskovalci v Curtiss-Wrightu so pokazali, da je moţno rotor razširiti. Hitra močna ohladitev

je glavni izvor HC pri visokih hitrostih, pri majhnih hitrostih pa netesnjenje. Oblika in poloţaj

rotorske niše – zgorevalne komore vpliva na emisije in porabo goriva.

Pri Mazdinem RX-8, ki je prikazan na sliki 2.12, ki ima motor Renesis, je sedaj

potrošnja goriva v normalnih mejah. Izpušne odprtine, ki so se pri Mazdinih motorjih nahajala

v rotorskih ohišjih, so sedaj premestili na strani izgorevalne komore. Na ta način je bilo

odstranjeno prekrivanje vstopnih in izpušnih odprtin in istočasno povečana površina izpušne

odprtine [3].

Slika 2.12: Mazda RX-8

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

12

2.7 Prednosti

Wanklovi motorji so znatno enostavnejši, laţji in vsebujejo manj gibljivih delov kot batni

motorji enakovredne moči. Na primer, ker so ventili izvedeni kot navadne odprtine, vrezane v

stene rotorskega ohišja, poleg tega, ker se rotor giblje direktno na velikih leţajih na izstopni

gredi, niso potrebni vezni drogovi in ročična gred. Ker ni mase, ki bi se gibala sem in tja in

ker ni delov, ki bi bili obremenjeni z visokimi napetostmi in nagnjeni k napakam kot pri

batnih motorjih, ima wanklov motor višjo zmogljivost, mirnejši pretok moči in visoko

razmerje med močjo in teţo.

Problem razmerja med površino in volumnom je tako kompleksen, da ne moremo

direktno primerjati batnega motorja in wanklovega motorja glede razmerja med površino in

volumnom. Hitrost pretoka in toplotne izgube se obnašajo povsem različno. Temperature

površine se obnašajo absolutno drugače; oljni film v wanklovem motorju deluje kot izolacija.

Motorji z višjim kompresijskim razmerjem imajo slabo razmerje med površino in volumnom.

Razmerje med površino in volumnom pri dieslovem motorju je slabše kot pri bencinskem

motorju, toda dieslovi motorji so znani po višjem faktorju učinkovitosti kot bencinski motorji.

Zato je treba primerjati motorje z enako močjo: 1,3 litrski wanklov motor z naravnim

vsesavanjem se mora primerjati z 1,3 litrskim štiritaktnim batnim motorjem z naravnim

vsesavanjem enake moči. Toda takšen štiritaktni motor ni mogoč in potrebuje dvakrat takšen

izpodriv iste moči kot wanklov motor. Ne smemo zanemariti dodatnega ali »praznega« takta

(taktov), kajti štiritakten cilinder naredi delovni hod (takt) samo na vsak drugi vrtljaj ročične

gredi. Dejansko to podvoji razmerje med površino in volumnom pri štiritaktnem batnem

motorju in potrebni izpodriv. Zato ima wanklov motor višjo volumetrično učinkovitost in

niţjo izgubo črpanja zaradi odsotnosti dušilnih ventilov.

Zaradi prekrivanja delovnih taktov, ki pri batnem motorju povzročajo, da motor teče

mirno, wanklov motor lahko reagira na spremembe dušenja in lahko hitro zagotovi dviganje

in padanje moči kadar je potrebno, zlasti pri visokih vrtljajih. Ta razlika je bolj izrazita, kadar

ga primerjamo z batnim motorjem.

Poleg tega, da so odstranjene notranje napetosti s tem da so kompletno odstranjeni sem

in tja gibajoči se notranji deli, ki so tipični za batni motor je wanklov motor izveden z

rotorjem v aluminijastem ohišju, ki ima večji koeficient termičnega raztezanja. To zagotavlja,

da celo hudo pregret wanklov motor ne more zablokirati kot bi se zgodilo pri pregretem

batnem motorju. Zlasti je to ugodno za varnost pri letalih. Vrh tega, ker ni ventilov in

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

13

ventilskih blokov, le-ti ne morejo pregoreti, zaskočiti, se zlomiti ali napačno funkcionirati, kar

spet poveča varnost.

Nadaljnja prednost wanklovih motorjev, uporabljenih na letalih, je dejstvo, da ima

wanklov motor na splošno manjšo čelno površino kot batni motor enakovredne moči, kar

omogoča, da je moţno okrog nje izvesti bolj aerodinamičen nos. Ker je wanklov motor

preproste izvedbe in majhen, je moţno prihraniti pri gradnji v primerjavi z batnimi motorji

primerljive moči.

Najvaţnejše pa je, da je skoraj imun na skokovito popolno odpoved. Wanklov motor,

ki izgubi kompresijo, hlajenje ali pritisk olja, bo izgubil velik del moči in bo čez krajši čas

zamrl, vendar bo še v tem času vedno proizvajal moč. V istih okoliščinah batni motorji

zablokirajo ali se deli zlomijo, kar ima za posledico notranje poškodbe motorja in takojšnjo

izgubo moči. Zato so ti motorji še posebej primerni za letala in sneţne avtomobile.

Zaradi 50% daljšega trajanja takta v primerjavi s štiritaktnim motorjem, je več časa za

dovršitev izgorevanja. Zato je bolj primeren za direktni vbrizg. Ima močnejše pretoke

mešanice zraka in goriva in daljši obratovalni cikel kot batni motor, zato je mešanje vodika in

zraka temeljitejše. Rezultat je homogena mešanica, kar je odločilno za izgorevanje vodika

Če torej povzamemo, so bistvene prednosti wanklovega motorja:

enostavnejša konstrukcija (le dva vrteča se dela – rotor in gred; ni elementov za

krmiljenje – zamenjava plinov z batom in z utori, …),

zelo miren tek (bat je povsem uravnovešen),

manj sestavnih delov, manjša velikost in masa v primerjavi z batnim motorjem,

manjša občutljivost na kakovost goriva,

manjši hrup (ni premočrtnega oscilatornega gibanja delov) [10].

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

14

2.8 Slabosti

Čeprav se v dveh dimenzijah zdi sistem tesnjenja pri wanklovem motorju celo enostavnejši

kot pri batnem motorju, pa v treh dimenzijah velja nasprotno. Kot koničasta tesnila rotorja,

mora tudi rotor tesniti proti koncem komore.

Batni obroči niso popolna tesnila: vsak ima vrzel za raztezanje. Tesnjenje na konicah

pri wanklovem motorju je manj kritično, kajti prepustnost (puščanje) je med bliţnjimi

komorami na bliţnjih taktih cikla, ne pa k ohišju ročice. Vendar je manj učinkovito tesnjenje

wanklovega motorja en faktor, ki zmanjšuje njegovo učinkovitost in omejuje njegovo uspešno

uporabo za dirkalne motorje in športna vozila, kjer niti učinkovitost niti dolga ţivljenjska

doba motorja nista vaţna. Primerjalni preizkusi so pokazali, da Mazdin RX-8 porabi več

goriva kot teţje vozilo s pogonom na motor V-8 z večjim izpodrivom pri podobnih rezultatih

učinkovitosti.

Čas, ki je na razpolago za vbrizganje goriva skozi odprtino v wanklov motor je znatno

krajši v primerjavi s štiritaktnim batnim motorjem zaradi načina kako se komore vrtijo.

Mešanica goriva in zraka se ne more predhodno nabrati, ker ni vtočnega ventila. Prav tako

ima wanklov motor 50 % daljše trajanje takta v primerjavi z batnim motorjem.

Obstaja več metod za izračun izpodriva wanklovega motorja. Japonski predpisi za

izračun izpodrivov za tehnične podatke o motorju uporabljajo volumenski izpodriv zgolj ene

ploskve rotorja in avtomobilska industrija običajno sprejema ta način kot standard za izračun

izpodriva. Vendar, kadar primerjamo na osnovi specifične moči, ima ta konvencija (dogovor)

za posledico velika neravnovesja v korist wanklovega motorja. Zgolj za primerjavo med

wanklovim motorjem in batnim motorjem je moţno izpodriv in ustrezajočo moč natančneje

primerjati na osnovi izpodriva po vrtljaju ekscentrične gredi. Ta oblika izračuna narekuje, da

bo wanklov motor z dvema rotorjema, ki izpodrine 654 cc na ploskev, imel izpodriv 1,3 litra

na vsak vrtljaj ekscentrične gredi (samo dve celotni ploskvi, ena ploskev po rotorju gre skozi

polni delovni takt) in 2,6 litra po dveh vrtljajih (štiri celotne ploskve, dve ploskvi po rotorju

gresta skozi celoten delovni takt). Rezultati so direktno primerljivi z 2,6 l batnim motorjem s

sodim številom cilindrov v klasičnem zaporedju vţiga, ki bo prav tako izpodrinil 1,3 l skozi

svoj delovni takt po enem vrtljaju ročične gredi in 2,6 l skozi svoje delovne takte po dveh

obratih ročične gredi. Wanklov motor je še vedno štiritaktni motor in izgube črpanja od

nedelovnih taktov še vedno veljajo, toda odsotnost dušilnih ventilov in 50% daljše trajanje

takta imajo za posledico znatno niţjo izgubo črpanja v primerjavi s štiritaktnim batnim

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

15

motorjem. Če na ta način merimo wanklov motor, si lahko natančneje pojasnimo njegovo

specifično moč, kajti volumen njegove mešanice zraka in goriva, ki gre skozi kompleten

delovni takt po vrtljaju, je direktno odgovoren za vrtilni moment in s tem za proizvedeno

moč.

Zadnja stran izgorevalne komore motorja razvije pritiskajoči tok, ki potisne nazaj

sprednjo stran plamena. Pri klasičnem sistemu z dvema ali eno svečko in pri homogeni

mešanici, ta pritiskajoči tok prepreči, da bi se plamen razširil na zadnjo stran izgorevalne

komore v srednjih in visokih območjih hitrosti motorja. Zato je lahko več ogljikovega

monoksida in nezgorelih ogljikovodikov v izpušnem toku. Izpuh z odprtino v strani, na

primer pri Renesisu, se temu izogne, ker nezgorela mešanica ne more ven. Mazdin 26B se je

izognil temu problemu s pomočjo sistema vţiga s tremi svečkami. Zato je na 24 urni

vztrajnostni dirki v Le Mansu leta 1991 imel 26B znatno manjšo porabo goriva kot

konkurenčni batni motorji. Vsi konkurenti so imeli zgolj isto količino goriva na razpolago

zaradi predpisa o omejeni količini goriva na 24 urni dirki v Le Mansu. Vendar točne odprtine

na periferiji dajejo najvišji MEP, bočne vtočne odprtine omogočajo bolj enakomeren prazni

tek.

Vsi wanklovi motorji, izdelani v Mazdi, vključno z novim Renesisom, ki ga srečamo

pri RX-8, po računskem projektu porabijo majhno količino olja; olje se nameri v izgorevalno

komoro, da se ohranijo koničasta tesnila. Lastniki morajo od časa do časa dodati majhne

količine olja, kar nepomembno poveča obratovalne stroške – čeprav je to še vedno realno in

primerljivo v nekaterih primerih v primerjavi z mnogimi batnimi motorji

Slabosti wanklovega motorja torej so:

znatna obremenitev leţajev ekscentrične gredi,

teţave s tesnjenjem (tesnila bata morajo biti v neprekinjenem stiku s plaščem),

omejena izbira oblike komore,

plašč motorja obremenjen zaradi velikih temperaturnih razlik (zgorevanje vedno v

istem področju valja),

teţave s hlajenjem,

večja emisija škodljivih snovi (predvsem ogljikov monoksid in HC),

manjša ekonomičnost pri porabi goriva [10].

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

16

3 FUNKCIJSKA STRUKTURA

Na sliki 3.1 je prikazana funkcijska struktura za wanklov motor. Glavna funkcije sistema je

ustvarjanje vrtilnega momenta. Kemična energija goriva se pretvarja v koristno mehansko

delo, pri čemer si zaporedoma sledijo delne funkcije (sesanje, kompresija, vţig, ekspanzija in

izpuh), ki tvorijo en zaključen takt.

Slika 3.1: Funkcijska struktura

Ustvarjanje vrtilnega momenta

Sesanje

Odprtje sesalne

odprtine

Kompresija

Manjšanje prostornine

Vžig

Vžig zmesi s svečko

Ekspanzija

Poganjanje rotorja

Izpuh

Odprtje izpušnega

kanala

Vztrajnik

Gorivo Oddajanje energije

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

17

Med gibanjem bata se komore povečujejo ali zmanjšujejo. V vseh treh komorah, ki so

shematično prikazane na sliki 3.2, v treh vrtljajih ekscentrične gredi zaporedno poteka po ena

delna funkcija (sesanje, kompresija, vţig, ekspanzija in izpuh).

Med vrtenjem rotorja se izvrši vseh pet delnih funkcij. V komori 1 poteka poteka prva

delna funkcija (sesanje mešanice goriva in zraka). V komori 2 hkrati poteka, zaradi manjšanje

prostornine, kompresija. Ob koncu kompresije pride do vţiga zmesi s pomočjo svečke.

Zgoreli plini se širijo in poganjajo rotor v vrtenje, v tem procesu se izvrši četrta delna

funkcija, ekspanzija. Raztezujoči se plini v komori obračajo ekscentrično uleţajen rotor, ki z

določeno vrtilno silo deluje na ekscentrično gred. Nato nastopi peta delna funkcija, izpušni

gib. Za izvršitev vseh delnih funkcij, razen ekspanzije, potrebujemo pomoč vztrajnika.

Slika 3.2: Shema delovanja wanklovega motorja

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

18

4 FIZIKALNI PRINCIP

4.1 Glavni fizikalni princip

4.1.1 Plinski zakon

Plinski zakon imenujemo tri empirično določene zveze med prostornino, tlakom in

temperature idealnega plina.

Boyle-Marriotov zakon

Povezuje prostornino in tlak idealnega plina pri izotermni spremembi, torej pri spremembi, ki

poteka pri stalni temperaturi.

(4.1)

Gay-Lussacov zakon

Povezuje prostornino in temperaturo idealnega plina pri izobarni spremembi, torej pri

spremembi, ki poteka pri stalnem tlaku.

(4.2)

Amontonsov zakon

Povezuje tlak in temperaturo idealnega plina pri izohorni spremembi, torej pri spremembi, ki

poteka pri stalni prostornini.

(4.3)

Splošna plinska enačba

Sintezo vseh treh zakonov predstavlja splošna plinska enačba. Je termična enačba

stanja za idealni plin, izraţena s specifično prostornino in specifično plinsko konstanto

[7].

(4.4)

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

19

S plini lahko izvajamo delovne kroţne procese, kateri temeljijo na plinskem zakonu.

Idealni kroţni proces z dovodom toplote pri konstantni prostornini je osnova realnemu

procesu v motorju s prisilnim vţigom.

Plinski kroţni proces, na podlagi katerega temelji delovanje wanklovega motorja, to je

Ottov kroţni proces, poteka v enem samem delovnem prostoru. Posamezni odseki procesa si

časovno sledijo v tem prostoru. Proces ni zvezen.

4.1.2 Ottov krožni proces

Wanklov motor je motor z notranjim izgorevanjem. V njih je zgorevanje izohorno.

Slika 4.1: Indikatorski diagram Ottovega cikla

Pri sesalnem tlaku , ki je nekaj niţji od tlaka okolice , sesa motor zrak v gibni volumen

(5, 3) in ga nato izentropno (3, 4) komprimira do volumna . Razmerje

(4.5)

imenujemo v praksi kompresijsko razmerje. To razmerje je volumensko razmerje, ne pa

tlačno razmerje. Nato sledi zgorevanje goriva ob izohori (4, 1). Gorivo je lahko ţe od začetka

primešano gorilnemu zraku ali pa se vbrizga v točki 4. Zaţge se z električno iskro. Vroči plini

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

20

stanja 1 ekspandirajo v stanje 2. Tu se odpre izpušni kanal, tlak plinov pade na izpušni tlak

, ki leţi nekaj nad tlakom okolice. Nato iztisne rotor izrabljene pline v okolico (3`, 5`).

Za termodinamično obravnavo nadomestimo pravi proces z idealiziranem procesom

po sliki 4.2.

Slika 4.2: Idealizirani indikatorski diagram za Ottov cikel

Sesalni gib (5, 3) in izpušni gib (3, 5) ne dasta in ne porabita dela, zato ju izpustimo.

Preostane kroţni proces (1, 2, 3, 4) z dovodom toplote ob izohori (4, 1) in z dovodom toplote

ob izohori (2, 3) [7]. Iz diagrama na sliki 4.3 ugotovimo

(4.6)

(4.7)

(4.8)

(4.9)

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

21

Slika 4.3: T – s diagram za Ottov cikel

Zaradi izentropne kompresije in ekspanzije je

(4.10)

in

(4.11)

Torej

(4.12)

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

22

4.2 Uporaba istega fizikalnega principa v drugih sistemih

Pri motorjih z notranjim izgorevanjem se proces zgorevanja odvija v samem motorju. Toplota

sproščena med zgorevanjem, se prenaša na produkte zgorevanja, s čimer se poveča njihov

energetski potencial, izraţen s tlakom in temperaturo. Toplotna energija produktov zgorevanja

v samem motorju se pretvarja v mehansko delo. Motorje z notranjim zgorevanjem delimo na

tri osnovne vrste:

reakcijski motorji,

motorji z rotirajočim se batom ali rotacijski motorji (wanklov motor),

motorji s premočrtnim gibanjem bata ali batni motorji.

Vsi delujejo na podobnem istem fizikalnem principu.

4.2.1 Reakcijski motorji

Namenjeni so za premik plovila, za kar se izkorišča energija izpušnih plinov. Delovanje teh

motorjev temelji na 3. Newtonovem zakonu o gibanju, ki pravi, da je akcija enaka reakciji.

Sila akcije, ki je povezana s smerjo toka izpušnih plinov iz motorja, ima za posledico reakcijo,

ki je v končni fazi smer pomika plovila.

Reakcijski motorji lahko za zgorevanje uporabljajo kisik iz oksidanta, ki ga ima

plovilo s sabo, ali pa iz zraka. Kadar imajo motorji svoj oksidant, gre v glavnem za reakcijske

motorje za rakete ali kar raketne motorje.

V glavnem pa spadajo med reakcijske motorje:

turbinski motorji, katerih osnovni deli so kompresor, zgorevalne komore, pogonska

turbina in šoba,

turboreakcijski motorji,

turboventilatorski motorji.

Turbinski motorji

Je reakcijski motor, ki je shematično prikazan na sliki 4.4. Zrak se dovaja (lahko tudi skozi

difuzor) v kompresor, od koder se komprimiran dovaja v zgorevalno komoro. V zgorevalne

komore se dovaja gorivo v določeni količini neprekinjeno, zmes se vţge. Pri zgorevanju

sproščena energija se porabi za širjenje produktov zgorevanja skozi izstopni del zgorevalne

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

23

komore. Plini potem vstopajo v pogonsko turbino, ki poganja kompresor, in pri tem oddajo

nekaj energije. Večina energije se porabi za pospeševanje toka v potisni šobi v zadnjem delu

motorja, ki ga zapušča z veliko hitrostjo. Razlika med hitrostjo izstopajočih plinov in vstopno

hitrostjo zraka v motor bistveno prispeva k potisni sili, ki jo ustvarja turbinski motor z

notranjim izgorevanjem.

Slika 4.4: Shema turbinskega motorja

Osnovni deli turbinskega motorja so kompresor, zgorevalna komora, pogonska turbina

in šoba, ki so prikazani na sliki 4.4. Pogonska turbina je dejansko rotacijski motor, v katerem

se z vrtenjem lopatic rotorja kinetična energija gibajočega fluida spreminja v mehansko delo.

Kompresor na sprednji strani motorja komprimira vstopajoči zrak, povečuje tlak in ga

dovaja v zgorevalno komoro. Kompresor je lahko v centrifugalni ali v aksialni izvedbi, slika

4.5.

Slika 4.5: Kombinacija centrifugalnega in aksialnega kompresorja

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

24

Centrifugalna izvedba kompresorja sestoji iz kolesa, ki je gnan s turbino z veliko

vrtilno frekvenco. Zrak doteka skozi sredino rotorja, nakar ga centrifugalna sila poţene

navzven proti difuzorju, kjer se njegova hitrost zmanjša, tlak pa poveča. Tako kompriminirani

zrak vstopa v zgorevalno komoro. Centrifugalni kompresorji so lahko enostopenjski ali

dvostopenjski. Potisna sila je omejena z maksimalnim kompresijskim razmerjem – razmerjem

tlaka zraka na izstopu in vstopu v kompresor. Nizka teţa, enostavnost in nizka cena so odlike

centrifugalnih kompresorjev. Aksialna izvedba kompresorja sestoji iz več stopenj, ki jih

izmenično sestavljajo vrteči in mirujoči koluti z lopaticami. Rotirajoče lopatice so gnane s

turbino preko gredi. Pri prehodu skozi vsako stopnjo rotirajoče lopatice pospešujejo zrak in ga

potiskajo skozi statične lopatice, pri čemer se zmanjšuje hitrost in povečuje tlak. Tlak se iz

stopnje v stopnjo postopoma povečuje, dokler zrak skozi kompresor ne doseţe zgorevalne

komore.

V sodobnih motorjih pogosto srečamo kombinacijo centrifugalnega in aksialnega

kompresorja.

Zgorevalne komore imajo lahko plemenice, ki so cevaste oblike in so postavljene v

krog. V zgorevalno komoro vstopa zrak iz kompresorja pod tlakom do , tam se

pomeša z izparelimi kapljicami goriva. Pri zagonu motorja se zmes vţge z vţigalnimi

svečkami, potem pa zgorevanje poteka zvezno. Zgorevalna komora je narejena iz toplotno

odpornega jekla. Oblikovana je tako, da se doseţe najbolj učinkovito zgorevanje, s čimer se

gorivu odvzame maksimalno moţna količina toplote. To se odraţa v velikem naraščanju

temperature in posledično v veliki ekspanziji plinov ter veliki količini pridobljenega dela.

Pogonska turbina sestoji iz ene ali več stopenj, ki jih izmenično sestavljajo mirujoče in

vrteče se lopatice. Vrteče se lopatice so, podobno kot pri kompresorju, pritrjene na kolo, ki je

povezano preko gredi s kompresorjem. Pogonska turbina mora od eskpandiranih izpušnih

plinov iz zgorevalne komore prevzeti zadostno energijo za zagotovitev najbolj učinkovite

vrtilne frekvence in moči kompresorja.

Potisna šoba je del izpušnega sistema turbinskega motorja in usmerja izpušne pline v

atmosfero z ustrezno hitrostjo in v zahtevani smeri za zagotovitev potrebnega kisika. Oblika

potisne šobe v veliki meri vpliva na temperaturo izpušnih plinov na vstopu v turbino, na

masni tok, hitrost in tlak v izpušnem delu motorja ter s tem na karakteristike turbinskega

motorja. Osnovna funkcija izpušnega sistema je oblikovanje ustrezne izstopne površine in

preprečitev prestopa toplote na preostale dele letala. Na izboljšanje izkoristka motorja v

širokem območju delovnih reţimov motorja vpliva spremenljiv izstopni presek. Pogonska

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

25

turbina je s kompresorjem povezana z gredjo, kar prikazuje slika 4.6. Pri sodobnih turbinskih

motorjih znaša efektivni izkoristek tudi do 48 %.

Slika 4.6: Pogonska turbina s kompresorjem

Osnovno izvedbo turbinskega motorja sestavljajo kompresor, zgorevalna komora,

pogonska turbina in potisna šoba. Seveda pa so lahko tej izvedbi dodani posamezni elementi

kot so dodatni gorilnik, ventilator, propeler.

Turboreakcijski motor ustvarjajo potisno silo z usmerjeno hitrostjo iztekanja delovnega

medija iz motorja. Ti motorji se zelo pogosto uporabljajo za pogon letal.

Zrak vstopa v motor skozi sprednje vstopne odprtine. Kompresor komprimira zrak na

večkratno vrednost atmosferskega tlaka in ga potiska v zgorevalno komoro. Tukaj se v

komprimiran zrak vbrizgano gorivo vţge in zgoreva neprestano. Produkti zgorevanja

ekspandirajo in izstopajo iz zgorevalne komore skozi turbino, ki poganja kompresor in

zagotavlja nadaljnji dovod zraka skozi vstopne odprtine.

Potisno moč lahko povečamo z vgradnjo naknadnega zgorevalnika. V vroče produkte

zgorevanja, ki vsebujejo še dovolj kisika, se vbrizgava dodatno gorivo, ki zgoreva v

naknadnem zgorevalniku. Tako se poveča kinetična energija pliov in s tem tudi potisna moč

motorja.

Turboventilatorski motor se pogosto uporablja za pogon letal. Njegovo delovanje je

podobno delovanju turboreakcijskega motorja. K visokemu izkoristku prispevata visoka

temperatura in visok tlak. Ventilator pri turboventilatorskih motorjih omogoča povečanje

masnega toka zraka.

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

26

4.2.2 Batni motorji

Motor pretvarja z zgorevanjem goriva dobljeno toploto v mehansko energijo za pogon koles.

Gorivo, po navadi zmes bencina in zraka, zgoreva v povsem zaprtih valjih v notranjosti

motorja.

Zmes bencina in zraka nastaja v uplinjaču. Med gibanjem batov navzdol nastane v

valjih podtlak, ki zmes vsesava, med gibanjem navzgor pa bati zmes stiskajo oziroma

komprimirajo. Ko je zmes najbolj stisnjena, jo električna iskra vţge. Zgoreli plini se

raztegujejo in potiskajo bate navzdol (delovni takt).

Gibanje batov se spreminja v vrtenje in prenaša na ročično gred, ki s

posredovanjem sklopke, menjalnika in diferenciala oddaja moč kolesom. Bat in ročično gred

povezuje ojnica.

Ročična gred poganja tudi odmično gred, ki skrbi za odpiranje in zapiranje sesalnih in

izpušnih ventilov vsakega valja.

Električni zaganjalnik daje moč, ki je potrebna za zagon motorja. Zobato kolesce

zaganjalnika pri tem prime v ozobljeni venec na zunanjem robu vztrajnika, ki je pritrjen na

koncu ročične gredi, in poţene vztrajnik in ročično gred v vrtenje. S tem se pa tudi ojnice in

bati premikajo gor in dol.

Vztrajnik izravnava sunke, ki jih povzročajo bati v delovnem taktu, in skrbi za

enakomerno vrtenje ročične gredi. Zgorevanje ustvarja tako visoke temperature, da bi se

kovinski deli pregreli in pokvarili. Zato ima motor dvojne stene, med katerimi se

pretaka voda. Od tod teče voda v hladilnik, kjer odda toploto v okolico. Hlajenje

pospešuje ventilator, ki poganja zrak skozi hladilnik. Pri nekaterih motorjih zrak neposredno

hladi motor.

Mazanje zmanjšuje drgnjenje med gibljivimi deli motorja in skrbi za dodatno hlajenje.

Zaradi tega oljna črpalka med tekom motorja ves čas dovaja olje iz oljne kadi

oziroma karterja, ki je pod valji, k mazalnim mestom v motorju.

Postopek delovanja štiritaktnega motorja

1. takt - sesanje. Bat, ki stoji v zgornji mrtvi točki se pomakne navzdol. Medtem se odpre

vhodni ventil in bat vsesa v valj zrak ali mešanico goriva in zraka. Ko bat prispe v spodnjo

mrtvo točko, se vhodni ventil zapre.

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

27

2. takt - stiskanje. Bat se premakne navzgor in v zaprtem valju stisne prisoten plin.

Pri Ottovem motorju z uplinjačem ali neposrednim vbrizgom bencina, svečka sproţi iskro.

Pri motorjih z neposrednim vbrizgom goriva, črpalka tik pred vrnitvijo bata k zgornji mrtvi

točki, vbrizga v valj bencin. Slednje velja tudi pri dieselskih motorjih. Bat s premikom

navzgor mešanico zraka in goriva zgosti, zato v njem tlak do vţiga narašča.

3. takt - delo. Svečkina iskra stisnjeno mešanico goriva in zraka vţge. Ker se pri

zgorevanju plin razširja, potisne bat ponovno navzdol. Bat pri tem opravi mehansko delo.

4. takt - izpuh. Ko bat prispe na spodnjo mrtvo točko, se odpre izhodni ventil. Bat med

pomikanjem proti zgornji mrtvi točki iztisne izpušne pline. Na koncu tega takta se pojavi

navzkriţno delovanje ventilov. Preden bat prispe do zgornje mrtve točke, se ţe ponovno

odpre vhodni ventil za pritok zraka, potrebnega za nov krog delovanja motorja. Pri tem se

lahko pojavi prenizek pritisk, zaradi katerega mešanica ali vsesan zrak pritisne na bat v

nasprotni smer batnega premika. Predhodno odpiranje vhodnega ventila bi naj omogočilo

dotok čim več sveţega zraka ali mešanice goriva in zraka. Takoj zatem, ko bat prispe do

zgornje mrtve točke, se izhodni ventil zapre [4].

Slika 4.7: Delovanje štiritaktnega motorja

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

28

4.3 Možnosti uporabe drugih fizikalnih principov za isti namen

4.3.1 Elektromotor

Elektromotorji, prikazani na sliki 4.8, so stroji, ki z električno energijo proizvaja mehansko.

Uporablja se za pogon različnih strojev in naprav. Njegovo gibanje povzročajo magnetna

polja. Elektromotorji se v grobem delijo na:

motorje na enosmerni tok (DC)

motorje na izmenični tok (AC)

Motorji na enosmerni tok so namenjeni priključitvi na vir enosmerne napetosti. Ta vrsta

motorjev se je pojavila ţe v 19. stoletju in se pojavlja še danes. Glavni sestavni deli takih

motorjev so:

stator (nepomični del motorja),

rotor (vrteči se del),

komutator, ki je del rotorja in predstavlja mehanski usmernik,

ščetke oz. krtačke, ki se dotikajo komutatorja in sluţijo prevajanju toka.

Slika 4.8: Različni elektromotorji

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

29

Enosmerni motorji s komutatorjem so bili do pojava motorjev na izmenični tok edina vrsta

elektromotorjev. Ravno tako so se dolgo časa uporabljali za realizacijo reguliranih električnih

pogonov, saj je moţno vrtilni moment in vrtilno hitrost enostavno spreminjati s

spreminjanjem rotorskega in statorskega toka. Problem takih motorjev sta kompliciranost

izvedbe in občutljivost zaradi komutatorja in ščetk. Zaradi iskrenja, ki izvira iz ščetk in

komutatorja, taki motorji niso najbolj primerni za okolja z eksplozivno atmosfero.

Obstajajo tudi brezkrtačni (brushless) motorji, kjer ni komutatorja in z njim povezanih

teţav. Zasnova takega motorja je praktično enaka kot pri sinhronskih motorjih na izmenični

tok. Stator ima več faz (vsaj 3), rotor pa je izdelan iz trajnega magneta. Za komutacijo tu

namesto komutatorja skrbi elektronika, ki s pomočjo informacije o poloţaju rotorja, dobljene

iz ene ali več Hallovih sond preklaplja napajanje statorskih faz tako, da nastane vrtilno

magnetno polje [9].

4.3.2 Pnevmatski motor

Pnevmatski rotacijski motorji se delijo na dva osnovna tipa pnevmatski rotacijski motor z

lopaticami in batni rotacijski pnevmatski motor.

Pnevmatski rotacijski motor z lopaticami ima velike rotacijske hitrosti (2000-10000

obr/min) in je prikazan na sliki 4.9. Obstaja tudi izpeljanka z omejenim zasukom kota rotacije

(običajno dva končna poloţajna stanja), kot je prikazano na sliki 4.10.

Slika 4.9: Pnevmatski rotacijski motor z lopaticami

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

30

Slika 4.10: Pnevmatski rotacijski motor z lopaticami in omejenim kotom zasuka

Batni rotacijski pnevmatski motor se najpogosteje uporablja kot zaganjač dieselskih

motorjev z notranjih izgorevanjem oziroma pri vrtalnih strojih za skale ali pa v okoljih, kjer je

nevarnost eksplozije ali poţara, kot so rafinerije [9].

4.3.3 Hidromotor

Je naprava, sestavljena iz ohišja ter enega ali več rotorjev. Namen hidromotorja je

pretvarjati energijo, prenešeno s fluidom, v vrtilni moment.

Hidromotorji so lahko nastavljivi, kar pomeni da jim lahko nastavljamo izstisljivost,

tega na načrtu delovanja prepoznamo po simbolu prečrtanim z puščico. Delimo jih po:

smeri delovanja: enosmerni, dvosmerni in

uporabnosti kot črpalka, kar pomeni da je mogoče sam hidromotor uporabljati

kot črpalko, če bi le ta preko svoje gredi sprejemal vrtilni moment.

Za pogon hidromotorjev, slika 4.11, in v hidravliki nasploh, se uporabljajo mineralna olja z

dobrimi mazalnimi lastnostmi, visokim vreliščem, ne smejo se peniti, morebitni mehurčki se

morajo hitro izločiti.

Poznamo tudi tako imenovano vodno hidravliko, kjer je medij 5 ali manj

odstotna emulzija. Slednja se uporablja v delovnih območjih, kjer so zelo visoke temperature,

ki bi povzročile ogromno škodo, če bi prišle v stik s samim hidravličnim oljem [2].

Slika 4.11: Hidromotor

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

31

5 MOŽNOSTI ZA KONSTRUKCIJSKO OPTIMIRANJE

SISTEMA

5.1 Sestavljanje več wanklovih motorjev

S sestavljanjem več rotacijskih batnih motorjev, ki jih imenujemo koluti, dobimo motor z več

koluti in z ustrezno večjo močjo. V tem primeru je potrebno uravnoteţiti rotorje.

V primeru, da sta dva rotorja, sta medsebojno zamaknjena za . Zaporedje

enakomernosti doseţemo z nastavljanjem različnih delovnih poloţajev ohišja. Uravnoteţenje

teh motorjev doseţemo z uravnoteţenjem vztrajnostne sile. Pri večrotorskih wanklovih

motorjih se sami rotorji med sabo uravnoteţijo z različnim nastavljanjem rotorja. Pri

štirirotorskih sta vţiga prvega in tretjega rotorja zamaknjena za . Prav tako sta vţiga

drugega in četrtega rotorja medsebojno zamaknjena za , s čimer pridobimo čim bolj

enakomerno obratovanje.

5.2 Termodinamični izkoristek

Termodinamični izkoristek je definiran kot razmerje teoretičnega pridobljenega dela in

dovedene toplote z gorivom.

Zvišanje le-tega je moţno doseči najprej s povečano stopnjo kompresijo. lahko

zvišamo, če se količina toplote odvedena z izpušnimi plini zmanjša, to se pravi da mora biti

temperatura izpušnih plinov čim niţja. Iz tega sledi, da mora biti zgorevanje popolnejše in

hitrejše. Parametri, ki vplivajo na hitrost zgorevanja so:

sestava goriva, če je v gorivu velik odstotek vodika, se razvije večja toplota,

sestava zmesi, maksimalno hitrost zgorevanja dobimo pri zračnem razmerju λ = 0,8 –

0,9,

kot predvţiga, z zvišanjem vrtilne frekvence se mora spremeniti tudi kot predvţig, da

bi zagotovili zadosten relativni čas zgorevanja.

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

32

5.3 Mehanična stopnja obratovanja

Na mehanično stopnjo obratovanja vplivajo izgube zaradi trenja med deli pri medsebojnem

gibanju, ter izgube dela zaradi pogona pomoţnih agregatov (ventilator, črpalka za vodo in

olje, črpalka za dobavo goriva…).

(5.1)

Mehanično stopnjo obratovanja je moţno zvišati z izboljšanjem kvalitet drsnih površin, z

boljšo izbiro prilegov, z izboljšanjem mazanja vseh drsnih površin in leţaja, ter s pravilno

izbiro olja za mazanje pri optimalni temperaturi.

5.4 Uporaba reduktorja

Zniţevanje vrtilne frekvence je pri motorjih nujno, ker si vedno prizadevamo prilagoditi

karakteristiko pogonskega motorja karakteristiki porabnika. Wanklov motor se uporablja tudi

v letalih.

Pri letalu ima motor boljši izkoristek pri večji vrtilni frekvenci, letalski vijak pa boljši

izkoristek pri niţji vrtilni frekvenci. Zaradi tega, oziroma zaradi boljše eksploatacije motorja,

vstavimo med vijak in motor reduktor, ki nam uskladi vrtilni frekvenci motorja in vijaka. Z

reduktorjem ne dobimo samo večje moči, ampak tudi bolj umirjeno obratovanje in zmanjšanje

torzijskih nihanj vijaka (propelerja), ker masa delov reduktorja zvišuje vztrajnostno maso

ročične gredi.

Uporablja se planetne reduktorje, ker se z njimi dosega ustrezna razporeditev zobnikov

in ustrezno prestavno razmerje, porabijo pa tudi malo prostora za vgradnjo.

Soosnost osi vijaka in motorja omogoča boljše obtekanje zraka in hlajenje motorja.

Soosnost osi vijaka in motorja ter majhno odstopanje od teţišča motorja daje manjše dodatne

momente in z dodajanjem več planetnih zobnikov se lahko zmanjša obremenitev zob, s tem pa

se dobi nezaţeljeno veliko maso, zvišajo se mehanične izgube, povečajo pa se tudi stroški

izdelave.

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

33

5.5 Izbira mesta vgradnje sesalnih in izpušnih odprtin

Najbolj optimalna izbira mesta vgradnje sesalnih in izpušnih odprtin sta obodna in stranska,

prikazano na sliki 5.1. Z odprtinami po obodu doseţemo visoke koeficiente polnjenja in s tem

tudi visoke srednje indikatorske in efektivne tlake.

Pri motorju s stranskim polnjenjem je mogoče vzvratno gibanje zmesi preprečiti z

vgradnjo enosmernih ventilov, ki nam zvišajo zmogljivosti motorja.

5.6 Konstrukcijski parametri

Stopnja kompresije

Z velikostjo stopnje kompresije se proces zgorevanja izboljšuje in pridobimo relativno dobre

termodinamične izkoristke, s čimer izboljšujemo karakteristiko motorja (s tem se pa zviša

specifična poraba goriva). Potrebno je paziti da zvišanje stopnje kompresije vleče za sabo tudi

zvišanje temperature, recimo za zvišanje stopnje kompresije se lahko maksimalna temperatura

delovnih površin znatno zviša.

Oblika zgorevalne komore

Mišljen je predvsem poloţaj svečke, ki je lahko postavljena centralno, spredaj ali zadaj (slika

5.1). Z vgradnjo dveh svečk se srednji efektivni tlak zviša za 2 – 3 % in se zmanjša efektivna

specifična poraba goriva za 7 %, poveča pa se količina sproščene toplote, ter zmanjša čas

zgorevanja. Razlika je tudi v proizvedeni toploti, v primeru če imamo eno ali dve svečki [1].

Slika 5.1: Deli wanklovega motorja

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

34

6 SKLEP

Ţivimo v dobi tehnike in nekateri trdijo, da smo priče največjemu znanstveno-tehničnemu

razvoju doslej.

Uspešen razvoj je opazen tudi na področju motorjev z notranjim izgorevanjem. Prvi

stroji za pretvorbo toplotne energije v mehansko delo so bili ogromni. Omogočali pa so

izredno majhne moči, porabili veliko goriva, o emisiji pa sploh ni bilo govora. Z razvojem

tehnike so motorji postajali čedalje manjši, učinkovitejši, gospodarnejši in čedalje manj so

onesnaţevali okolje. Danes so na trţišču motorji, ki v veliki meri zadovoljijo še tako

zahtevnega kupca. Ţelje ljudi se bodo večale tudi v prihodnosti. Ţeleli bomo učinkovitejše,

kompaktnejše, skratka še boljše motorje za pogon predvsem naših jeklenih konjičkov.

Razvoj in uporaba sodobnih materialov uspešno rešuje nekoč velike probleme

wanklovega motorja, kot so naprimer bili tesnjenje in ţivljenjska doba motorja.

Prav razvoj wanklovega motorja nam kaţe, kako je lahko »pozabljena tehnologija«

celo boljša od prevladujoče. V prihodnosti bo wanklov motor zagotovo še imel večjo vlogo

pri motorjih z notranjim izgorevanjem, kot jo ima danes.

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

35

LITERATURA

[1] Fočić Refik. Možnost uporabe wanklovega batnega motorja za pogon lahkih športnih

letal : diplomsko delo. Ljubljana : Fakulteta za strojništvo, 1995.

[2] Hidromotor [svetovni splet]. Wikipedia. Dostopno na WWW:

http://sl.wikipedia.org/wiki/Hidromotor [15.8.2010]

[3] History of Rotary [svetovni splet]. Mazda. Dostopno na WWW:

http://www.mazda.com/mazdaspirit/rotary/ [20.8.2010].

[4] Kegl Breda. Osnove motorjev z notranjim izgorevanjem. Maribor : Fakulteta za

strojništvo, 2006.

[5] Kraut Bojan. Krautov strojniški priročnik, 14. slovenska izdaja / izdajo pripravila Joţe

Puhar, Joţe Stropnik. Ljubljana : Littera picta, 2003.

[6] Motorno vozilo, 1. natis. Ljubljana : Tehniška zaloţba Slovenije, 1997.

[7] Pavletič Radislav. Motorji z notranjim izgorevanjem. Ljubljana : Fakulteta za

strojništvo, 2000.

[8] Rant Zoran. Termodinamika : [knjiga za uk in prakso], posodobljeni ponatis. Ljubljana

: Fakulteta za strojništvo, 2001.

[9] Safarić Riko. Sistemi mehatronike : predavanja [svetovni splet]. Maribor : Fakulteta za

elektrotehniko, računalništvo in informatiko, 2002. Dostopno na WWW:

http://www.ro.feri.uni-mb.si/predmeti/sis_meh/Predavanja/ [25.8.2010].

[10] Wankel engine [svetovni splet]. Wikipedia. Dostopno na WWW:

http://en.wikipedia.org/wiki/Wankel_engine [15.7.2010].