「เครื่องยนต์โรตารี」
2021-08-27
เครื่องยนต์ที่เรามักเห็นในรูปของการเคลื่อนที่แบบลูกสูบ คือ ลูกสูบทำให้เกิดการเคลื่อนที่เชิงเส้นในกระบอกสูบ และการเคลื่อนที่เชิงเส้นของลูกสูบจะถูกแปลงเป็นการหมุนของเพลาข้อเหวี่ยงผ่านเพลาข้อเหวี่ยงในขณะที่เครื่องยนต์หมุน เครื่องยนต์ไม่มีกระบวนการแปลงแบบนี้แต่จะผ่านลูกสูบ การหมุนในกระบอกสูบจะขับเคลื่อนเพลาหลักของเครื่องยนต์ (นั่นคือ เพลาข้อเหวี่ยงของเครื่องยนต์ธรรมดาเพราะไม่โค้งจึงไม่เรียกว่าเพลาข้อเหวี่ยงอีกต่อไป) , ดังนั้น มีความแตกต่างใหญ่ระหว่างทั้งสอง
A. จังหวะไอดี: กระบวนการเคลื่อนที่ลูกสูบจากศูนย์กลางตายบนไปยังศูนย์กลางตายล่าง เรียกว่าจังหวะไอดี (มุมการหมุนเพลาข้อเหวี่ยง 0~180°) ในจังหวะนี้ วาล์วไอดีจะเปิด วาล์วไอเสียจะปิด และห้องปรับอากาศจะสื่อสารกับบรรยากาศ ความดันบรรยากาศทำให้ส่วนผสมของน้ำมันและก๊าซเข้ามา และความดันในกระบอกสูบอยู่ที่ประมาณ 0.075~0.09MPa ที่ส่วนท้ายของไอดี
B. จังหวะการบีบอัด: กระบวนการเคลื่อนที่ลูกสูบจากจุดศูนย์กลางตายล่างไปยังจุดศูนย์กลางตายด้านบนเรียกว่าจังหวะการอัด (มุมการหมุนของเพลาข้อเหวี่ยงคือ 180°~360°) ในจังหวะนี้ วาล์วไอดีและไอเสียจะปิดสนิท และแรงดันส่วนผสมน้ำมันและก๊าซในห้องปรับอากาศจะค่อยๆ เพิ่มขึ้น ความดันในช่องอากาศที่ปลายจังหวะการอัดจะอยู่ที่ประมาณ 0.6 ถึง 1.2 MPa
C. จังหวะกำลัง: กระบวนการเคลื่อนที่ลูกสูบจากจุดศูนย์กลางตายบนไปยังจุดศูนย์กลางตายล่างเรียกว่าจังหวะกำลัง (มุมการหมุนเพลาข้อเหวี่ยง 360°~540°) ในจังหวะนี้ วาล์วไอดีและไอเสียจะปิดสนิท และหัวเทียนจะกระโดดเมื่อลูกสูบอยู่ที่ตำแหน่งกึ่งกลางจุดตายด้านบน ไฟจะจุดส่วนผสมของน้ำมันและก๊าซเพื่อทำให้ความดันในกระบอกสูบเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว (สูงถึง 3~5MPa) ดันลูกสูบให้เคลื่อนไปทางเพลาข้อเหวี่ยง ความดันจะค่อยๆ ลดลง และความดันในห้องอากาศจะอยู่ที่ประมาณ 0.3~ 0.5MPa เมื่อสิ้นสุดจังหวะกำลัง
D.จังหวะไอเสีย: กระบวนการเคลื่อนที่ลูกสูบจากจุดศูนย์กลางตายล่างไปยังจุดศูนย์กลางตายด้านบนเรียกว่าจังหวะไอเสีย (มุมการหมุนเพลาข้อเหวี่ยง 540°~720°) ในจังหวะนี้ วาล์วไอดีจะปิด วาล์วไอเสียจะเปิด และลูกสูบจะเลื่อนขึ้นเพื่อดันการเผาไหม้ ก๊าซไอเสียจะถูกระบายออกจากช่องอากาศ และความดันอากาศในช่องอากาศจะอยู่ที่ประมาณ 0.105~0.115 MPa เมื่อสิ้นสุดจังหวะ การสิ้นสุดจังหวะยังถือเป็นการสิ้นสุดรอบการทำงานของเครื่องยนต์ด้วย
ภาพด้านล่างแสดงการเปรียบเทียบแต่ละจังหวะของเครื่องยนต์โรตารีและเครื่องยนต์แบบลูกสูบ (ด้านซ้ายของช่องอากาศทั้งสองในรูปคือทางเข้าและด้านขวาคือไอเสีย) เครื่องยนต์โรตารีเหมือนกับเครื่องยนต์สี่จังหวะแบบลูกสูบ แรงอัด การทำงาน และไอเสียประกอบด้วยสี่จังหวะ ช่องทำงาน (ช่องทำงาน BC) ที่เกิดขึ้นระหว่างพื้นผิวโค้ง BC ของโรเตอร์สามเหลี่ยมและโปรไฟล์กระบอกสูบถูกนำมาใช้เป็นตัวอย่างเพื่อแสดงหลักการทำงานสี่จังหวะของเครื่องยนต์โรตารี
จังหวะไอดี: เมื่อมุม C ของโรเตอร์สามเหลี่ยมหันไปทางขอบขวาของรูไอดี ห้องทำงาน BC จะเริ่มดูดอากาศเข้า ที่ตำแหน่ง a มีการเชื่อมต่อรูไอดีและไอเสียเข้าด้วยกัน และไอดีและไอเสียซ้อนทับกัน นี่คือปริมาตรที่เล็กที่สุดของห้องทำงาน BC ซึ่งเทียบเท่ากับตำแหน่งจุดศูนย์กลางตายด้านบนของเครื่องยนต์แบบลูกสูบ ในขณะที่โรเตอร์ยังคงหมุน ปริมาตรของห้องทำงาน BC จะค่อยๆ เพิ่มขึ้น และส่วนผสมที่ติดไฟได้จะถูกดูดเข้าไปในกระบอกสูบอย่างต่อเนื่อง เมื่อโรเตอร์หมุน 90° (เพลาหลักหมุน 270° อัตราส่วนของโรเตอร์ต่อความเร็วเพลาหลักในเครื่องยนต์โรตารีคือ 1:3 ซึ่งถูกกำหนดโดยเฟืองแบบตาข่าย) ถึงตำแหน่ง b ปริมาตรของ BC ห้องทำงานถึงจุดสูงสุดซึ่งเทียบเท่ากับส่วนล่างของเครื่องยนต์ลูกสูบ ที่ตำแหน่งศูนย์กลางตาย จังหวะไอดีจะสิ้นสุดลง
จังหวะการบีบอัด: ขณะที่โรเตอร์สามเหลี่ยมยังคงหมุนอยู่ มุมด้านบน B จะข้ามขอบด้านซ้ายของรูทางเข้า และจังหวะการบีบอัดจะเริ่มขึ้น ปริมาตรของห้องทำงาน BC จะค่อยๆ ลดลง และความดันจะมีขนาดใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ เมื่อถึงตำแหน่ง c โรเตอร์จะหมุน 180° (เพลาหลักหมุน 540°) ปริมาตรของห้องทำงาน BC ถึงค่าต่ำสุด ซึ่งเทียบเท่ากับตำแหน่งศูนย์กลางตายด้านบนของเครื่องยนต์ลูกสูบ และจังหวะการอัดสิ้นสุดลง
จังหวะการทำงาน: เมื่อสิ้นสุดจังหวะการอัด หัวเทียนจะกะพริบ อุณหภูมิสูงและก๊าซแรงดันสูงจะดันลูกสูบรูปสามเหลี่ยมให้หมุนต่อไป และปริมาตรของห้องทำงาน BC จะค่อยๆ เพิ่มขึ้น เมื่อมุม C ไปถึงขอบด้านขวาของรูไอเสีย ที่ตำแหน่ง d โรเตอร์จะหมุน 270° (การหมุนของแกนหมุน 810°) ปริมาตรของห้องทำงาน BC จะถึงค่าสูงสุด ซึ่งเท่ากับตำแหน่งศูนย์กลางตายด้านล่างของ เครื่องยนต์ลูกสูบและจังหวะกำลังสิ้นสุดลง
จังหวะไอเสีย: เมื่อมุมโรเตอร์สามเหลี่ยม C หันไปทางด้านขวาของรูไอเสีย จังหวะไอเสียจะเริ่มขึ้น และในที่สุดโรเตอร์สามเหลี่ยมจะกลับสู่ตำแหน่ง a จังหวะไอเสียสิ้นสุดลง โรเตอร์จะหมุน 360° (เพลาหลักหมุนสาม ครั้ง) และงานหนึ่ง วงจรสิ้นสุดลง ในเวลาเดียวกัน ช่องทำงานของ CA และช่องทำงาน AB ก็ผ่านวงจรการทำงานตามลำดับเช่นกัน
● การเปรียบเทียบองค์ประกอบของเครื่องยนต์:
เครื่องยนต์โรตารี: กลุ่มตัวถัง, รางวาล์ว, ระบบจ่าย, ระบบจุดระเบิด, ระบบระบายความร้อน, ระบบหล่อลื่น, ระบบสตาร์ท
เครื่องยนต์ลูกสูบลูกสูบ: ชุดตัวถัง, กลไกก้านสูบข้อเหวี่ยง, รางวาล์ว, ระบบจ่าย, ระบบจุดระเบิด, ระบบทำความเย็น, ระบบหล่อลื่น, ระบบสตาร์ท
● ข้อดีและข้อเสียของเครื่องยนต์ทั้งสอง:
◆ เครื่องยนต์ลูกสูบ:
ข้อได้เปรียบ:
1. เทคโนโลยีการผลิตมีความเป็นผู้ใหญ่ ถือกำเนิดมากว่า 120 ปีแล้ว เทคโนโลยีต่างๆได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง เป็นเครื่องยนต์สันดาปภายในที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดในโลกและมีค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาและซ่อมแซมต่ำ
2. งานที่เชื่อถือได้ ความหนาแน่นของอากาศที่ดีและความน่าเชื่อถือในการส่งกำลัง
3. ประหยัดน้ำมันได้ดี
ข้อบกพร่อง:
1. โครงสร้างซับซ้อน ปริมาณมาก และมีน้ำหนักมาก
2. แรงเฉื่อยแบบลูกสูบและโมเมนต์ความเฉื่อยที่เกิดจากการเคลื่อนที่แบบลูกสูบในกลไกก้านสูบข้อเหวี่ยงไม่สามารถสมดุลได้อย่างสมบูรณ์ ขนาดของแรงเฉื่อยนี้เป็นสัดส่วนกับกำลังสองของความเร็ว ซึ่งจะช่วยลดความนุ่มนวลของเครื่องยนต์และจำกัดการพัฒนาของเครื่องยนต์ความเร็วสูง
3. เนื่องจากโหมดการทำงานของเครื่องยนต์ลูกสูบลูกสูบสี่จังหวะคือสามในสี่จังหวะนั้นอาศัยการหมุนความเฉื่อยของมู่เล่อย่างสมบูรณ์ กำลังและแรงบิดที่ส่งออกของเครื่องยนต์จึงไม่เท่ากันมาก แม้ว่าเครื่องยนต์สมัยใหม่จะใช้หลายสูบและ V
การจัดเรียงรูปทรง ลดข้อบกพร่องนี้ แต่เป็นไปไม่ได้ที่จะกำจัดมันให้หมดไป
◆ เครื่องยนต์โรตารี:
ข้อได้เปรียบ:
1. ขนาดเล็กและน้ำหนักเบา ง่ายต่อการลดจุดศูนย์ถ่วงของรถ เนื่องจากเครื่องยนต์โรตารีไม่มีกลไกก้านสูบข้อเหวี่ยง ความสูงของเครื่องยนต์จึงลดลงอย่างมาก และจุดศูนย์ถ่วงของรถก็ลดลงในเวลาเดียวกัน
2. โครงสร้างที่เรียบง่าย เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องยนต์ลูกสูบแบบลูกสูบ เครื่องยนต์โรตารีจะลดกลไกก้านสูบข้อเหวี่ยงลง ซึ่งทำให้กลไกเครื่องยนต์ง่ายขึ้นมากและมีชิ้นส่วนน้อยลง
3. ลักษณะแรงบิดที่สม่ำเสมอ เนื่องจากเครื่องยนต์โรตารีหนึ่งสูบมีห้องทำงานสามห้องในเวลาเดียวกัน แรงบิดจึงมีความสม่ำเสมอมากกว่าเครื่องยนต์ลูกสูบแบบลูกสูบ
4. เอื้อต่อการพัฒนาเครื่องยนต์ความเร็วสูง เนื่องจากโรเตอร์ลูกสูบและอัตราส่วนความเร็วเพลาหลักคือ 1:3 จึงไม่จำเป็นต้องมีความเร็วลูกสูบสูงเพื่อให้ได้ความเร็วรอบเครื่องยนต์สูง
ข้อบกพร่อง:
1. การสิ้นเปลืองน้ำมันเชื้อเพลิงสูงและการปล่อยไอเสียเป็นเรื่องยากที่จะได้มาตรฐาน เนื่องจากแต่ละกระบอกสูบมีห้องทำงาน 3 ห้อง การหมุนของโรเตอร์ลูกสูบแต่ละครั้งจึงเทียบเท่ากับจังหวะกำลัง 3 ครั้ง เมื่อเทียบกับ 3,000 รอบต่อนาทีและเครื่องยนต์ลูกสูบแบบลูกสูบ เครื่องยนต์ลูกสูบแบบลูกสูบพ่น 750 ครั้ง/นาที และเครื่องยนต์โรตารีเทียบเท่ากับความเร็ว 1,000 รอบต่อนาที แต่ต้องใช้ 3,000 ครั้ง/นาที จะเห็นได้ว่าอัตราการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงของเครื่องยนต์โรตารีนั้นสูงกว่าเครื่องยนต์ลูกสูบลูกสูบอย่างมาก ในเวลาเดียวกัน รูปร่างของห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์โรตารีไม่เอื้อต่อการเผาไหม้เต็มรูปแบบของส่วนผสมที่ติดไฟได้ เส้นทางการแพร่กระจายของเปลวไฟยาว และการสิ้นเปลืองน้ำมันเชื้อเพลิงมีขนาดใหญ่ ในขณะเดียวกัน ปริมาณสารมลพิษในก๊าซไอเสียก็สูงขึ้น
2. เนื่องจากโครงสร้างของเครื่องยนต์จึงสามารถใช้เฉพาะประเภทการจุดระเบิดแทนประเภทการจุดระเบิดด้วยการอัด กล่าวคือ มีเพียงน้ำมันเบนซินเท่านั้นที่สามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงแทนดีเซลได้
3. เนื่องจากเครื่องยนต์โรตารีใช้เพลาเยื้องศูนย์ เครื่องยนต์จึงมีการสั่นสะเทือนอย่างมาก
4. ตำแหน่งที่สูงของเพลาส่งออกกำลัง (แกนหมุน) ไม่เอื้อต่อการจัดวางของรถทั้งคัน
5. เทคโนโลยีการประมวลผลและการผลิตของเครื่องยนต์โรตารีสูงและต้นทุนค่อนข้างสูง
