Πως λειτουργεί ένας περιστροφικός κινητήρας Wankel;


ΜΠΟΡΕΙ ΟΙ WANKEL ΝΑ ΑΠΟΤΕΛΟΥΝ ΠΛΕΟΝ ΠΑΡΕΛΘΟΝ, ΕΚΕΙ ΕΞΩ ΟΜΩΣ ΥΠΑΡΧΟΥΝ ΑΡΚΕΤΟΙ ΦΙΛΟΙ ΤΩΝ ΣΥΓΚΕΚΡΙΜΕΝΩΝ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ. ΕΧΕΙ ΛΟΙΠΟΝ ΕΝΔΙΑΦΕΡΟΝ ΝΑ ΡΙΞΟΥΜΕ ΜΙΑ ΜΑΤΙΑ ΣΤΟΝ ΤΡΟΠΟ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥΣ.

  • 10/4/2020

Συνήθως, όταν μιλάμε για ΜΕΚ (Μονάδες Εσωτερικής Καύσης) αναφερόμαστε στους εμβολοφόρους κινητήρες. Αυτούς δηλαδή που διαθέτουν όλα τα αυτοκίνητα γύρω μας. Ως κινητήρας εσωτερικής καύσης λογίζεται και ο Wankel, μόνο που εδώ, η αρχή λειτουργίας του είναι τελείως διαφορετική. Αντί για έμβολα που πραγματοποιούν μία παλινδρομική κίνηση, έχουμε έναν ή περισσοτέρους ρότορες, που εκτελούν μία σχεδόν κυκλική κίνηση.

Τι σημαίνει αυτό; Στην πρώτη περίπτωση η ταχεία κίνηση των βασικών κινούμενων μερών (των εμβόλων) θα πρέπει συνεχώς να αλλάζει κατεύθυνση, από πάνω προς τα κάτω και το αντίστροφο, με ό,τι αυτό συνεπάγεται για την αδράνεια και το έργο του κινητήρα. Από την άλλη, σε ένα περιστροφικό κινητήρα, ο ρότορας κινείται μόνο προς μία κατεύθυνση, χωρίς νεκρά σημεία. Κερδίζει έτσι σε απλότητα κατασκευής, όγκο, στροφές ανά λεπτό αλλά και ειδική ισχύ, την απόδοση δηλαδή του κινητήρα σε σχέση με τον κυβισμό του.

Oλα τα παραπάνω ακούγονται εξαιρετικά θετικά, στην πράξη όμως ενέχουν και αρκετά μειονεκτήματα. Προτού όμως πάμε σε αυτά, θα πρέπει να καταλάβουμε πως λειτουργεί το όλο σχήμα. Στο κέντρο ενός περιστροφικού κινητήρα βρίσκεται ο ρότορας. Το σχήμα του είναι παρόμοιο με ένα τρίγωνο Reuleaux, οι πλευρές του δηλαδή δεν είναι ευθείες αλλά καμπύλες. Και αυτός μπορεί να κινείται με προδιαγεγραμμένη κίνηση, γύρω από έναν στροφαλοφόρο άξονα, μέσα σε έναν ελλειψοειδή κύλινδρο.

Κοιτώντας τη μεγαλύτερη εικόνα, ο ελλειψοειδής αυτός κύλινδρος, μέσα στον οποίο κινείται ο ρότορας, έχει από τη μία πλευρά τους αυλούς εισαγωγής και εξαγωγής, ενώ από την άλλη τα μπουζί για την ανάφλεξη. Όπως κινείται περιστροφικά ο ρότορας, δημιουργούνται κενά μεταξύ αυτού και των τοιχωμάτων του θαλάμου. Σε ένα από αυτά βρίσκεται ο αυλός εισαγωγής, όπου μέσω της υποπίεσης αρχίζει να τροφοδοτεί με καύσιμο μίγμα το θάλαμο. Συνεχίζοντας την περιστροφή, ο ίδιος ο ρότορας φράσσει την εισαγωγή και αρχίζει να συμπιέζει το μίγμα, σε αρκετά υψηλό λόγο συμπίεσης, 1:16 με 1:17 (ενδεικτικά ένας σύγχρονος εμβολοφόρος βενζινοκινητήρας δεν ξεπερνά το 1:10,5 - 1:12).

Όταν ολοκληρωθεί η συμπίεση αυτή, το καύσιμο μίγμα βρίσκεται πλέον στην άλλη πλευρά του ελλειψοειδή κυλίνδρου, στα μπουζί. Λόγω σχεδιασμού, ένας Wankel χρησιμοποιεί συνήθως 2 μπουζί, ώστε να γίνεται πιο γρήγορα η ανάφλεξη. Η εκτόνωση των αερίων που προκύπτει από την καύση, ωθεί το ρότορα σε αυτή την περιστροφική κίνηση, με το επόμενο στάδιο να είναι η απομάκρυνση των αερίων από την εξαγωγή, καθώς συνεχίζεται η περιστροφή.

Μηχανολογικά ένας κινητήρας Wankel ακολουθεί τον κύκλο καύσης του Otto. Οι τέσσερις φάσεις όμως (εισαγωγή, συμπίεση, ανάφλεξη, εξαγωγή) λαμβάνουν χώρα ξεχωριστά, σε κάθε πλευρά του ρότορα. Ως εκ τούτου, με κάθε πλήρη περιστροφή του, ολοκληρώνονται τρεις κύκλοι καύσης. Η σύνδεση του ρότορα, τώρα, με τον στρόφαλο, γίνεται μέσω ενός ομόκεντρου γραναζιού, επιτρέποντάς του να εκτελεί τρεις περιστροφές, για κάθε περιστροφή του ίδιου. Σκεφτείτε λοιπόν ότι για ένα πλήρη κύκλο καύσης σε έναν εμβολοφόρο κινητήρα ο στροφαλοφόρος άξονας θα πρέπει να περιστραφεί δύο φορές, ενώ σε ένα κινητήρα Wankel μόνο μία. Όσο για τον υπολογισμό της χωρητικότητας, ως κινητήρας, λαμβάνεται υπόψη η μία μόνο φάση του, για να προκύψει το τελικό νούμερο.

Κατά καιρούς, οι περιστροφικοί κινητήρες εξυπηρέτησαν διάφορα είδη οχημάτων, όπως jet ski, αεροπλάνα, αγωνιστικά οχήματα και, φυσικά, αυτοκίνητα. Πιο χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι το Mazda RX-7, που αναμφίβολα ανέδειξε τις αρετές του Wankel. Ήρθε όμως η ώρα να συνεχίσουμε και με μερικές από τις σχεδιαστικές αδυναμίες του.

Έτσι όπως είναι κατασκευασμένος ένας περιστροφικός κινητήρας, υπάρχει ένα συγκεκριμένο σημείο στον ελλειψοειδή κύλινδρο όπου γίνεται η εισαγωγή του μίγματός και ένα άλλο που γίνεται η καύση. Ο ρότορας κινείται προφανώς και στα δυο, η διαφορά όμως στη θερμοκρασία μεταξύ αυτών είναι πραγματικά μεγάλη, με αποτέλεσμα να έχουμε διακυμάνσεις στη συστολοδιαστολή των μετάλλων. Το τελευταίο δημιουργεί προβλήματα τόσο στην τριβή, όσο και στη σφράγιση του κάθε διαμερίσματος, ώστε να μην έρχονται τα αέρια σε επαφή μεταξύ τους. Εδώ δεν μιλάμε για κάποιο άλυτο πρόβλημα, απαιτεί όμως αρκετή δουλειά από τους σχεδιαστές για να ξεπεραστεί.

Αυτό που δεν μπορεί να ξεπεραστεί, είναι οι ανάγκες του συνόλου σε λιπαντικό. Λόγω σχεδιασμού, χρησιμοποιούνται ειδικά δαχτυλίδια και λάμες για να επιτευχθεί το σφράγισμα του κάθε διαμερίσματος, όπως αναφέραμε πριν. Οι τριβές όμως που αναπτύσσονται από την επαφή του ρότορα με το εσωτερικό του θαλάμου, αναπτύσσουν έξτρα θερμοκρασία και οδηγούν σε πρόωρη διάβρωση, χωρίς την κατάλληλη λίπανση.

Ο μόνος τρόπος για να εξασφαλίσουμε τη σωστή λίπανση εδώ, αφού δεν μπορεί να υπάρξει κάποιο κλειστό κύκλωμα ανακύκλωσης, όπως στους εμβολοφόρους κινητήρες, είναι να ψεκάζουμε συνεχώς λιπαντικό, απευθείας εντός του θαλάμου καύσης. Ένα ή περισσότερα μικρά μπεκ φροντίζουν για τη σωστή λίπανση των επιφανειών, με δύο όμως αρνητικά. Κατ’ αρχήν το λάδι που πέφτει μέσα, καίγεται και χάνεται. Άρα, ανά κάποια χιλιόμετρα θα πρέπει να ελέγχουμε τη στάθμη λαδιού του κινητήρα και αναλόγως να συμπληρώνουμε. Κατά δεύτερο λόγο το ίδιο λάδι που χάνεται καταλήγει στα καυσαέρια, επιβαρύνοντας έτσι τις εκπομπές ρύπων που παράγονται.

Αυτό το τελευταίο είναι που έχει οδηγήσει και τους κινητήρες Wankel στο χρονοντούλαπο της ιστορίας. Οι ρύποι που παράγει ένας περιστροφικός κινητήρας είναι ασύγκριτα υψηλότεροι από έναν εμβολοφόρο. Αρχικά, λόγω της γρήγορης περιστροφής του ρότορα αλλά και την απόστασης που θα πρέπει να κάνει η φλόγα για να ολοκληρώσει την καύση -αφού όλο το μίγμα κινείται συνεχώς προς της έξοδο- είναι πολύ εύκολο να μην ολοκληρωθεί η όλη διαδικασία, στέλνοντας άκαυτο μίγμα στον καταλύτη και στην εξάτμιση.

Πέραν αυτού, από τη στιγμή που έχουμε περισσότερους κύκλους καύσης, έχουμε και μεγαλύτερη ανάγκη για καύσιμο. Αυτό, νομοτελειακά, δεν αλλάζει, όσο και αν δώσουμε πιο φτωχό μίγμα. Η πιο σύγχρονη εκδοχή του Wankel, στο χώρο του αυτοκινήτου, ήταν ο κινητήρας Renesis του Mazda RX-8, που κυκλοφορούσε μέχρι το 2012. Για ένα ατμοσφαιρικό σύνολο 1,3 λίτρων, η ισχύς των 240 ίππων ήταν το λιγότερο εντυπωσιακή. Εντυπωσιακή όμως ήταν και η κατανάλωση, που στην πράξη δεν έπεφτε για κανένα λόγο κάτω από τα 16 λίτρα/ 100 χλμ.

Το να θες το διπλάσιο καύσιμο για να κινηθείς, κάνει κακό στην τσέπη. Ας υποθέσουμε όμως ότι αρκετοί έχουν την οικονομική επιφάνεια και θα το δεχτούν. Το να προσπαθήσεις, ως εταιρία, να διαθέσεις στην αγορά ένα αυτοκίνητο με εκπομπές ρύπων 284 γρ./χλμ (τιμή του RX-8), όταν ξέρεις ότι η Ευρωπαϊκή Ένωση βάζει όριο τα 95 γραμμάρια και οτιδήποτε παραπάνω χρεώνεται ανά γραμμάριο, αυτό είναι ένα πρόβλημα χωρίς λύση.

Και άλλες φορές, όπως το ’70, με τη μεγάλη πετρελαϊκή κρίση, ο κινητήρας Wankel έδειχνε να είναι στα τελευταία του. Παρόλα αυτά, όμως, ανέκαμπτε. Μπορούμε να ελπίζουμε σε κάτι τέτοιο και τώρα; Μμμ, η απάντηση σε αυτό είναι δύσκολα. Με πρωτεργάτη τη Mazda, έχουν γίνει κατά καιρούς προσπάθειες να περιοριστούν τα όποια μειονεκτήματα, χρησιμοποιώντας για παράδειγμα ανάφλεξη με τη βοήθεια laser ή ομογενοποιημένη αυτανάφλεξη, με την αύξηση της συμπίεσης. Βήματα προς τα εμπρός μπορούν να γίνουν. Όχι όμως τόσο μεγάλα ώστε να ξεπεραστούν τα εμπόδια των ρύπων. Μακάρι να διαψευστούμε αλλά, από την πλευρά μας, βαστάμε πολύ μικρό καλάθι.