توسعه یک موتور احتراقی دوار کوچک (مقاله ترجمه شده)

همانطور که از نام آن مشخص است، HEHC تلاش می کند تا بهترین ویژگی های چند چرخه ترمودینامیکی شامل دیزل ، اتو  و اتکینسون  را با هم ترکیب (هیبریداسیون) کند تا موتور با بازده بالا ایجاد کند. در بهترین شکل، HEHC ویژگی های زیر را با هم ترکیب می کند:

• نسبت تراکم  بالای هوا (مانند چرخه دیزل)
• احتراق حجم ثابت (ایزوکوریک ) (مانند چرخه اتو) احتراق طولانی مدتی در حجم نزدیک TDC (نقطه مرگ بالا)انجام می دهد.
• انبساط بیش از حد تا فشار اتمسفر (مانند چرخه اتکینسون).

چرخه HEHC توسط مایع پیستون توسعه داده شده است و در [7، 8، 9]ثبت شده است. ساختار X که بعدها با جزئیات آن شرح داده شده، برای انجام این چرخه طراحی شده است، و همچنین در [19، 20] ثبت شده است. در نسخه احتراق تراکمی (CI) چرخه HEHC ، هوای تازه (بدون سوخت) تا یک CR بالایی در محفظه احتراق متراکم شده است. سوخت درست قبل از نقطه مرگ بالا به درون محفظه احتراق تزریق شده است و CI (احتراق تراکمی) اتفاق می افتد. حداکثر احتراق تحت شرایط نسبتا حجم ثابت اتفاق می افتد، این حالت با قرار گرفتن طولانی مدت حجم محفظه احتراق در نزدیکی TDC بدست می آید. سپس گاز حاصل از احتراق تا حجم بیشتری نسبت به حجم مکش اولیه منبسط می شود. شکل 1 نشان می دهد که یک منطقه بسیار بزرگتری را، در مقایسه با چرخه های اتو و دیزل، توسط منحنی های ترمودینامیکی پوشش داده شده است، بنابراین نشان دهنده بازده بیشتری است.

چرخه HEHC همچنین می تواند با SI عمل کند، اگر چه با بازده کمتر. در این حالت مخلوط سوخت و هوا تا یک نسبت تراکم پایین تری، مشابه سیکل استاندارد موتور اتو متراکم شده است. کاهش در CR موجب کاهش در بازده در مقایسه با CI می شود، اما قرار گرفتن حجم احتراق در نزدیکی TDC باعث فشار حداکثر و بازده بالاتری نسبت به موتور های پیستونی که به صورت SI عمل می کنند، می شود. این موضوع به تغییرات آهسته تر جابه جایی در نزدیکی TDC نسبت به موتورهای پیستونی مرتبط است. انبساط بیش از حد مانند چرخه اتکینسون موجب افزایش بازده می شود. قرار گرفتن حجم در TCD به موتور این اجازه را می دهد که احتراق حجم ثابت (ایزوکوریک اضافی) واقعی تری، در مقایسه با انجام پیستون با چرخه اتو بدست بیاید.

ساختار و عملکرد موتور

شکل 4 نمای داخلی از موتور نمونه X1 (L CI 1.35 / دیزل) را نشان می دهد. یک ویدئو از موتور X مطابق با چرخه HEHC موجود است که به وضوح عملکرد موتور و چرخه را نشان می دهد. یک موتور تک روتور، شامل یک روتور، محفظه، شفت خارج از مرکز، وزنه متعادل کننده متقابل، صفحات جانبی مکش/تخلیه و/یا پوشش ها می شود. همانطور که در شکل نشان داده شده است دارای یک طرح ساده فقط با دو قسمت دوار است. ساختار X1 (70 hp) در حالت CI عمل می کند. کوچکترین موتور از گروه،  ، که بر روی چرخه HEHC اصلاح شده برای عملیات SI عمل می کند، یک نسخه کوچکتر از X1 است. توصیف اصول عملیاتی و اجزای این موتور تقریبا مشابه است.

مکش

صفحه مکش دارای سه دریچه است. هوای تازه به طور محوری از منیفولد مکش از میان دریچه جریان می یابد. حداقل یکی از سه دریچه همیشه با کانال ورودی درون روتور درگیر است. بنابراین کانال ورودی روتور به طور پیوسته با هوای تازه از منیفولد ورودی تامین شده است. کانال ورودی اجازه جریان گاز به یکی از محفظه های کاری از طریق دریچه روی سطح شعاعی روتور را می دهد. وقتی روتور می چرخد، دریچه در حال حرکت است، و فقط در معرض یکی از محفظه ها در زمان مشخص قرار گرفته است. وقتی فرآیند مکش شروع می شود، دریچه ورودی روتور ابتدا در معرض یک محفظه مشخص قرار گرفته است هنگامی که حجم آن حداقل است.

تخلیه

فرآیند تخلیه شبیه فرآیند مکش است، اما در جهت عکس اتفاق می افتد. صفحه خروجی سه دریچه دارد که به جریان محوری خروجی از کانال تخلیه در روتور اجازه می دهد تا به منیفولد خروجی سرانجام خروج از موتور جریان یاید. در همه زمان ها، حداقل یکی از سه دریچه درگیر با کانال خروجی در روتور است، اجازه جریان بدون وقفه را می دهد. در ادامه فرآیند انبساط درون محفظه، هنگامی که روتور می چرخد، یک دریچه خروجی روی سطح شعاعی روتور به محفظه باز می شود. وقتی حجم حداکثر است دریچه باز می شود. حرکت روتور باعث کاهش حجم می شود، بنابراین موجب جریان گاز های خروجی از محفظه، از طریق دریچه خروجی در روتور، از میان کانال تخلیه داخل روتور، و سرانجام به سمت منیفولد خروجی می شود، هنگامی که گاز از میان دریچه های صفحه خروجی عبور می کند.

تراکم

پس از مرحله مکش، وقتی دریچه ورودی روتور در یکی از محفظه های کاری بسته می شود، حرکت روتور موجب می شود که حجم در محفظه بعلت تراکم گاز کاهش یابد. سرانجام، در TDC، حجم محفظه به حداقل خواهد رسید، حداکثر گاز در حجم ثابت محفظه احتراق قرار گرفته، که اساسا یک دوره رکود درون محفظه است. CR بالا با داشتن محفظه احتراق کوچک بدست آمده است.

احتراق

مرحله تراکم پس از آن احتراق و انبساط است. وقتی روتور به TDC نزدیک می شود، در X1، سوخت با استفاده از یک فشار بالای سیستم تزریق سوخت متداول تزریق شده است. برای توسعه نمونه اولیه، ما از پمپ های اتوماتیک خارج از قفسه بوش و انژکتور ها استفاده کرده ایم. در نزدیکی TDC، قوس محفظه با قوس روتور مطابقت می کند، و حجم بیش از 20 درجه از چرخش روتور تقریبا ثابت باقی می ماند. در مدت این دوره، بشتر گاز در محفظه احتراق است. زمان زیادی برای تزریق سوخت وجود دارد، و موتور می تواند حداکثر سوخت را تحت شرایط حجم ثابت قبل از شروع انبساط مخلوط کند و بسوزاند. در موتور ، سوخت و هوا از قبل مخلوط شده اند و یک CR کمتری با SI استفاده شده است. موتور همچنان انتظار می رود از روند طولانی مدت احتراق حجم ثابت استفاده کند.

انبساط

سرانجام، وقتی روتور به چرخش ادامه دهد، حجم منبسط شده است. فشار گاز به روتور اعمال می شود که به گشتاور ترمز تبدیل می-شود. فرآیند انبساط ادامه می یابد تا اینکه حداکثر حجم انبساط بدست آید، و دریچه خروجی روتور باز شود. اگر دریچه های مکش و خروج به طور نامتقارن قرار گرفته باشند، نسبت انبساط موثر به طور قابل توجهی بیشتر از نسبت تراکم خواهد بود، اجازه می دهد که انرژی بیشتری از گاز به کار مفید تبدیل شود. این انبساط بیشتر همچنین دارای اثر کاهش دمای متوسط در محفظه، کاهش نیاز به سرمایش است. بعلاوه، فشار خروجی می تواند نزدیک اتمسفر باشد- بنابراین دارای دما و فشار کمتر از اگزوز موتور سنتی است.

آب بندی

آب بندی روتور در موتور های دوار وظایف مشابهی را با رینگ های پیستون در یک موتور رفت و برگشتی انجام می دهند زیرا آنها یک آب بند برای گاز های حاصل از احتراق فراهم می کنند. شکل 6 آب بندی گاز های اصلی اجزای موتور X1 را نشان می دهد. این_ها شامل فیس سیل (کاسه‌نمدی که از ترشح و نشتی سیالات از اطراف محور‌های دوار جلوگیری میکند) در هر طرف روتور، سه حداکثر آب بند و حلقه های O شکل ثابت در محفظه می شوند. فیس سیل ها درون شیار هایی روی سطح روتور با فنر هایی نصب شده اند. حداکثر آب بند های دو تکه ای در موتور X1 برای عملکرد آب بندی گاز بهتر در مقایسه با حداکثر آب بند یک تکه ای استفاده شده اند. با وجود ابعاد متفاوت، آب بند ها مشابه آب بند های مزدا RX-8 هستند.

سرمایش

فرآیند انبساط بیش از حد HEHC دمای متوسط سیلندر را کاهش می دهد و خروجی خنک تر است. به عبارت دیگر، دما های احتراق بالاتر در حین احتراق حجم ثابت بدست آمده اند. لازم به ذکر است که حتی احتراق حجم ثابت، حداکثر دما ها و فشار ها در HEHC با مکش طبیعی کمتر از موتور دیزل با توربو شارژر است. سرمایش برای جلوگیری از گرمای بیش از حد اجزا و فشار سایش، بخصوص بعلت تنزل فیلم روغن در سطوح مشترک آب بند ضروری است. بر خلاف موتور وانکل ، احتراق در سه اتاق محفظه گسترش یافته است و هر یک از این اتاق ها همچنین یک مرحله مکش سرد را می بینند، بنابراین مساله گرمایش محفظه انتظار میرود کمتر از گرمایش روتور باشد. تکنیک های سرمایش سنتی، برای مثال صندوق آب در محفظه و سرمایش روغن با گذرگاه هایی در روتور، می تواند مورد استفاده قرار گرفته باشد. نمونه اولیه X1 بدون سرمایش اجرا شد، همانطور که این نمونه اولیه فقط برای نشان دادن عملیات اساسی این چرخه طراحی شده بود موتور از یک تکنیک سرمایش هوا استفاده می کند، هوا به طور محوری از طریق روتور در امتداد تعدادی از شیار ها جریان می یابد. شبیه سازی دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) در rpm 10000 و بارگذاری کامل با یک دفع حرارت 55 درصد از LHV سوخت را نشان می دهد، دمای روتور زیر (حداکثر دمای روغن روغنکاری ) با نرخ جریان نگه داشته شده است.

تفاوت ها با موتور وانکل

موتور X برخی از مزایای ساختار موتور دوار مانند وانکل را به اشتراک می گذارد، برای مثال سادگی داشتن دو قسمت عمده متحرک ؛ لرزش کم/ روتور کاملا متعادل؛ و مزیت نداشتن هیچ جرم در حال نوسان، بنابراین موجب کاهش نیاز به فلایویل و ایجاد موتور پاسخگوتر می شود (شکل 7 را ببینید). به هر حال، همچنین اختلافات بسیاری وجود دارد:

1. چرخه ترمودینامیکی موتور وانکل چرخه اتو است، اما اجرای پایین تری نسبت به موتور پیستونی سنتی دارد؛ موتور X به عبارت دیگر، برای کار روی چرخه HEHC با مزایای چرخه، هم CI یا SI بهینه شده است.

2. موتور X همه گاز درون محفظه احتراق ایزوله شده را متراکم می کند. این محفظه احتراق می تواند کوچک باشد، منجر به CR بالا تر نسبت به موتور وانکل امکان پذیر است.

بازده

مزیت اصلی موتور X اکه برای کار بر روی چرخه HEHC بهینه شده است، استفاده از CR بالا، سطح کم در طول احتراق، احتراق طولانی مدت/حجم ثابت، و انبساط بیش از حد، و کنترل اشتعال بدون وقفه برای حفظ بازده بالا حتی در بار های کم است.

اندازه و وزن

یک روتور از سه حفره درون محفظه تشکیل می شود. برای هر چرخش روتور، سه چرخه 4 مرحله ای به طور همزمان اجرا شده اند، که منجر به سه احتراق در هر دوران کامل روتور می شود. روتور به شفت با نسبت 3:2 متصل شده است، منجر به 1.5 احتراق در هر دوران کامل شفت می شود. بنابراین موتور فشرده با دو قسمت متحرک شبیه به 3 سیلندر موتور دیزل 4 مرحله ای رفتار می کند (شکل 8 را مشاهده کنید).

لرزش کم

روتور کاملا روی مرکز دورانش بالانس شده است. روتور بر روی یک محور خارج از مرکز می چرخد، بنابراین می تواند با وزنه های تعادل نصب شده بر روی شفت در جهت مخالف متعادل شود. در X1، با داشتن 2 وزنه تعادل در دو طرف موتور انجام شده است. در XMv3، یاتاقان ها برای عمل به عنوان وزنه های تعادل دارای وزن هستند. نیرو های ارتعاشی و ممان های XMv3، در مقایسه با یک تجاری 30cc و یک موتور 4-مرحله ای (تک سیلندر) بررسی شده است، و در شکل 9 مقایسه شده اند. نیرو های ارتعاشی با دو مرتبه بزرگی کاهش یافته اند.

قابلیت چند سوختی

انواع مختلفی از تکنیک ها وجود دارند که قابلیت توانایی چند سوختی در موتور X را داشته باشند. این موتور یک CR بزرگ را با فرآیند سوختن طولانی مدت کوپل می کند. انواع مختلفی از سوخت تحت CI می تواند جایگزین شده باشد، اگر یک انژکتور سوخت مناسب توانایی تامین سوخت های متنوع را داشته باشد. موتور همچنین می تواند درج محفظه احتراق استفاده کند، که میتواند برای تعویض سریع حفره ها استفاده شود. بنابراین تغییر CR، هندسه محفظه احتراق، و انژکتور های سوخت که می توانند به محفظه احتراق جفت شوند. متناوبا، یک محفظه احتراق می تواند یک پیستون کوچک برای تغییر CR در حین اجرا ، همچنین فراهم کردن یک شمع درخشان ، شمع جرقه و انژکتور سوخت قرار دهد.

هزینه و دوام

به طور قابل ملاحظه ای، هسته موتور دارای فقط پنج قسمت اولیه است، که دو تا از آنها متحرک هستند. انتظار می رود تعداد قطعات کم هزینه، مخصوصا در کار برای مونتاژ موتور تولید را کاهش دهد. نمونه های اولیه برای ساخت عمدتا با فرز CNC طراحی شده اند، و توجه کمی به تکنیک های ریخته گری/ ساخت در حجم بالا داده شده است. این کار برای آینده انجام می شود.

اثر حرارتی

به عنوان یک چرخه با بازده بالاتر، HEHC اجازه می دهد تا انرژی بیشتری به کار مکانیکی تبدیل شود و کمتر به عنوان گرما از دست برود. فرآیند انبساط بیشتر چرخه HEHC دمای خروجی را کاهش می دهد. XMv3، که با هوا خنک شده است، هوای خنک را با جریان خروجی مخلوط می کند، به طور قابل توجهی دمای گاز خروجی را کاهش می دهد، که ممکن است در کاربرد هایی خاص مطلوب باشد. دمای خروجی پایین تر ممکن است با سیستم-های انتشار کاتالیزوری خاص سازگار نباشد و برای کارهای آینده مهم است.

این مقاله در سال 2014 در نشریه SAE و در کنفرانس مقالات فنی SAE روی (CD-ROM) منتشر شده و در سایت ای ترجمه جهت دانلود ارائه شده است. در صورت نیاز به دانلود رایگان اصل مقاله انگلیسی و ترجمه آن می توانید به پست دانلود ترجمه مقاله توسعه یک موتور احتراقی دوار کوچک در سایت ای ترجمه مراجعه نمایید.