اسطوره‌ی روتور مثلثی؛ ظهور و غیبت خاموش موتور وانکل

موتور وانکل که با روتور سه‌گوش خود بدون پیستون کار می‌کند، با وجود ساختار فشرده‌اش به دلیل مصرف سوخت و مشکلات آب‌بندی از خودروهای سواری حذف شد.
موتور وانکل که با روتور سه‌گوش خود بدون پیستون کار می‌کند، با وجود ساختار فشرده‌اش به دلیل مصرف سوخت و مشکلات آب‌بندی از خودروهای سواری حذف شد.

این صفحه را به اشتراک بگذارید

موتور وانکل یک موتور احتراق داخلی است که در آن به جای پیستون، یک روتور سه‌گوش درون یک بدنه‌ی بادامی‌شکل در مداری می‌چرخد و سه وجه آن به نوبت وظایف مکش، تراکم، احتراق و تخلیه را بر عهده می‌گیرند. بدنه‌ی فشرده، قطعات متحرک اندک و لرزش تقریباً صفر آن، این موتور را به جذاب‌ترین معماری موتوری قرن بیستم بدل کرد؛ اما مصرف سوخت بالا و مشکل دشوار آب‌بندی، در پایان قرن کارنامه‌ی آن را در خودروهای سواری به پایان رساند.

نکات برجسته

  • 1924: فلیکس وانکل مفهوم موتور احتراق داخلی بدون پیستون را طراحی می‌کند؛ نخستین ثبت اختراع در 1936 انجام می‌شود.
  • 1964: ‏NSU Wankel-Spider نخستین خودروی تولید انبوه با موتور دوار می‌شود.
  • 1991: ‏Mazda 787B با موتور چهارروتوره‌ی خود، نخستین خودروی ژاپنی‌ای می‌شود که 24 ساعت لومان را برنده می‌شود.
  • 2012: با پایان تولید RX-8، آخرین خودرویی که از موتور روتوری خالص به عنوان تنها منبع قدرت استفاده می‌کرد نیز به تاریخ می‌پیوندد.
  • 2023: وانکل در MX-30 e-Skyactiv R-EV به عنوان ژنراتور به زندگی بازمی‌گردد.

ایده‌ی موتور بدون پیستون چگونه متولد شد؟

در ذهن فلیکس وانکل خبری از سیلندر و پیستون رفت‌وبرگشتی نبود؛ اتاق‌های احتراق قرار بود فضاهایی باشند که روی یک بدنه‌ی دوار باز و بسته می‌شوند. مهندس جوان طراحی این مفهوم را در سال 1924 آغاز کرد و در 1936 نخستین ثبت اختراع خود را دریافت کرد. اما تبدیل این ایده به فلز به دوران پس از جنگ جهانی دوم و همکاری‌اش با NSU موکول شد. در 1954 کارهای نمونه‌سازی آغاز شد و در 1957 نخستین نمونه‌ی کارا یعنی DKM 54 برای نخستین بار روشن شد.

‏DKM 54 در عمل یک هیولای آزمایشگاهی بود: تمام بدنه‌ی موتور همراه با روتور می‌چرخید، یعنی حتی تعویض شمع‌ها هم به معنای باز کردن موتور بود. هانس-دیتر پاشکه، یکی از مهندسان NSU، حرکتی ظریف اما سرنوشت‌ساز انجام داد: روتور را در مداری گرداند و بدنه را ثابت نگه داشت. این چیدمان KKM نام گرفت (Kreiskolbenmotor). فلیکس وانکل این ساده‌سازی را خیانتی به طراحی خودش می‌دانست؛ اما تاریخ قاطعانه حرف می‌زند: تنها شکلی که به تولید انبوه رسید KKM بود و هرچه امروز «موتور وانکل» می‌نامیم، چیدمان پاشکه است.

سادگی عددی چشمگیر است. یک موتور پیستونی معادل، ده‌ها قطعه‌ی متحرک مانند میل‌لنگ، شاتون، سوپاپ‌ها، فنرهای سوپاپ، تپت‌ها و زنجیره‌ی تایمینگ دارد؛ اما در یک وانکل تعداد قطعات متحرک سه‌تاست: دو روتور و یک میل‌گانتریک.

از NSU تا مزدا: روتور وارد خودروهای سواری می‌شود

در 1964‏NSU Wankel-Spider به عنوان نخستین خودروی تولید انبوه با موتور دوار راهی جاده شد. سپس در 1967 سدان تک‌بدنه‌ی صلب آن یعنی Ro 80 معرفی شد؛ موتور آن از نظر فناوری چشمگیر بود اما هزینه‌های توسعه، NSU را تحت فشار گذاشت و همراه با باد اقتصادی بحران نفتی، شرکت به تاریخ پیوست. موتور Ro 80 برای نخستین بار در مقیاسی بزرگ فاصله‌ی میان وعده‌ی فناوری و واقعیت‌ها را نشان داد.

اما مالک واقعی این داستان از ژاپن آمد. مزدا، نخستین نمونه‌ی تک‌روتوره‌ی خود یعنی 40A'دا با دو مشکل جدی روبه‌رو شد: لکه‌های سایش موسوم به «ناخن شیطان» بر جای‌مانده از واشرهای لبه‌ای لرزان باقی‌مانده درون بدنه و مصرف بالای روغن. مشکل روغن با واشرهای روغنی مقاوم در برابر حرارت حل شد. 1965 از این سال تولید انبوه موتور دواروتری 10A آغاز شد که در Cosmo توان ناخالص 110 hp را در 7000 rpm تولید می‌کرد و 982 cc حجم آن اثبات می‌کرد این معماری تا چه اندازه می‌تواند فشرده باشد.

سری RX و روتری که به توده‌ها رسید

مهارت Mazda آن بود که موتور را از یک موضوع پژوهشی به یک هویت تبدیل کرد. 1978 در سال RX-7 برای نخستین بار موتور روتوری را به مخاطبان جهانی خودروهای اسپرت معرفی کرد؛ 1985 در سال با افزودن توربوشارژ فشار آورد، 1992 و در سال با نسخه تویین‌توربو در مقیاس خودروی جاده‌ای تا آخرین حد به چالش کشیده شد. در این میان یک رقابت غیرجنگی هم وجود دارد: 1974 در سال 12A موتور، به‌عنوان نخستین موتور خارج از اروپای غربی و آمریکا که Le Mans را به پایان رساند، دوام خود را در صحنه مسابقات اثبات کرد.

مزایای موتور وانکل چه بودند؟

جاذبه این معماری در داده‌های قابل اندازه‌گیری نهفته است. موتور روتوری نسبت به اندازه و وزن خود توان بسیار بالایی تولید می‌کند؛ چگالی توان آن بالاتر از نمونه‌های پیستونی است و انتقال توان به‌لطف نبود جرم رفت‌وبرگشتی به‌طور محسوسی نرم‌تر است. لرزش تقریباً صفر است و موتور در سرعت ثابت به‌طور پایدار و قابل‌اعتماد کار می‌کند. دقیقاً به همین دلیل وانکل علاوه بر خودرو، در هوافضا، پهپادها، ژنراتورها و واحدهای نظامی-صنعتی نیز جای خود را یافت.

بیان مقایسه به زبان مهندسی چنین است:

ویژگیوانکل (روتوری)موتور پیستونی
تعداد قطعات متحرک3 (دو روتور، یک میل‌لنگ)ده‌ها قطعه
شکست خرابیافت توان تدریجیممکن است پیستون قفل شود و به فاجعه بینجامد
لرزشتقریباً صفرمحسوس
چگالی توانبالاکمتر نسبت به حجم
نقطه ضعفسایش واشر لبه‌ای، انتشار آلایندگیبالغ و کم‌آلاینده

آرام‌ترین و ارزشمندترین ویژگی موتور روتوری این است که حتی در بدترین روزش هم مانند موتور پیستونی ناگهان نمی‌میرد؛ بلکه به‌تدریج توان را از دست می‌دهد. این در کاربردهای هوافضایی یک مزیت ایمنی است که نیازی به توضیح برای هیچ‌کس ندارد.

واشر لبه‌ای و مصرف سوخت: مشکلات فنی از کجا آمدند؟

المان‌های آب‌بندی در سه گوشه روتور، یعنی واشرهای لبه‌ای موسوم به apex seal ، حساس‌ترین و شکننده‌ترین قطعات این معماری هستند. این واشرها محفظه احتراق را تنها با سطح تماس خود می‌بندند؛ با فشار بالا، دمای بالا و اصطکاک مداوم روبه‌رو هستند. تحلیل سال 2010 ناسا به‌روشنی و با اندازه‌گیری نشان داد که اصطکاک واشر لبه‌ای سهم قابل‌توجهی در افت توان موتور دارد. زمانی که واشرها فرسوده می‌شوند، وضعیت برای همه آشناست: تراکم کاهش می‌یابد، روشن شدن موتور دشوار می‌شود، مصرف روغن افزایش می‌یابد و از اگزوز دود آبی بیرون می‌آید.

مشکل دوم از هندسه سرچشمه می‌گیرد. محفظه احتراق کشیده و هلالی‌شکل وانکل نسبت سطح به حجم بالایی دارد؛ جبهه شعله نمی‌تواند این فضا را بهاندازه یک سیلندر پیستونی بهطور کارآمد پویش کند و سوخت کامل نمیسوزد. این دو بهای دارد: مصرف سوخت بالا و هیدروکربن اضافی در اگزوز. Mazda 1968 در پاسخ به مقررات آلایندگی ژاپن REAPS را توسعه داد و در موتور 1971 مدل 10A 0866 از راکتور حرارتی چدنی استفاده کرد؛ اما این درمان مشکل بود، نه حل آن.

گرایش به سوزاندن روغن که دارندگان RX-8 با آن آشنایی نزدیک دارند نیز باید در همین چارچوب خوانده شود: این یک طراحی است که برای روغنکاری سطوح روتور، روغن را بهطور آگاهانه به محفظه احتراق دوز میکند و بخشی از کارکرد عادی موتور است. اما انتقاد دارندگانی که آن را عیب میدانستند، اعتبار موتور نزد مردم را نیز خدشهدار کرد.

Mazda 787B چگونه توانست لمانز را ببرد؟

Mazda 787B, Le Mans tarihinin şu ana kadarki tek rotary motorlu zaferini kazanarak Wankel mimarisinin yarış pistindeki potansiyelini kanıtladı.

23 ژوئن 1991 روز اوج موتور روتوری است. Mazda 787B نخستین خودروی ژاپنی بود که ۲۴ ساعت لمانز را برد و پیش از آن هیچ وسیله دارای موتور دوار این مسابقه را نبرده بود. R26B در قلب این خودرو، یک واحد چهار روتوری با حجم 2.6 لیتر (2616 سی‌سی) بود که در 9000 دور در دقیقه، 700 اسب بخار تولید میکرد. پورت‌های مکش محیطی، منیفولدهای مکش با هندسه پیوسته متغیر و شمع سوم افزودهشده به هر روتور، گواهی بر این بود که این معماری تا چه حد در مسابقه میتواند پیش برود.

تغییر مقرراتی که پس از این پیروزی لازمالاجرا شد نیز معنادار است: FIA سال بعد موتورهای روتوری را از مسابقات حذف کرد. افزون بر این، سازمانهای مسابقات از پیش قاعده دوبرابر کردن حجم اعلامشده موتور وانکل را پذیرفته بودند؛ 787B بهموجب همین طبقهبندی توانست با موتور 26B در مسابقه شرکت کند. پاسخ پرسش «صداقت این پیروزی» که هنوز در انجمنها بحث میشود نیز همین است: Mazda در چارچوب طبقهبندی مقررشده در قوانین مسابقه داد و پیروز شد.

چرا مقررات آلایندگی روتور را نابود کرد؟

Mazda تسلیم نشده بود. Renesis (13B-MSP) در سال مدل 2004 در RX-8 وارد تولید شد و هدف طراحی آن مستقیماً دو مشکل پرتکرار وانکل بود: آلایندگی و اقتصاد سوخت. جابهجایی پورت‌های اگزوز به کنارهها، در مقایسه با 13B-REW قبلی، کاهش %35–50 در خروجی هیدروکربن را به همراه داشت و استاندارد LEV-II آمریکا را برآورده کرد. نتیجه مورد احترام قرار گرفت: جایزه International Engine of the Year در سال

2003 و سپس دو سال پیاپی در فهرستهای Ward's 10 Best Engines. اما در برابر استانداردهای سختگیرانهتر اروپا حتی این هم کافی نبود. RX-8 به این دلیل که نتوانست حدود آلایندگی را برآورده کند، ناچار در سال 2010 از بازار اروپا عقب نشست؛ و با اثر افت فروش، تولید در سال

2012

نخستین کسی که فکر کرد این پرده آخر وانکل نیست، مازدا بود - چون جذاب‌ترین ویژگی جانبی این معماری در هیدروژن می‌درخشید: اتاق احتراق بدون سوپاپ و دمای مکش پایین، برای هیدروژنی که مستعد احتراق معکوس است، محیطی مساعدتر از موتور پیستونی فراهم می‌کند. مازدا 1991 اولین کانسپت روتوری هیدروژنی خود یعنی HR-X را معرفی کرد، 1995 خودروی روتوری هیدروژنی را در جاده عمومی آزمایش کرد و 2003 نخستین خودروی تولیدی جهان با موتور دورانی هیدروژنی یعنی RX-8 Hydrogen RE را معرفی کرد. این خودروی دومیلانه هم با بنزین و هم با هیدروژن حرکت می‌کرد، هیدروژن در باک دومی به صورت مایع حمل می‌شد و تا مجموعه دوروتور 154 کیلووات توان تولید می‌کرد؛ 2009 نخستین نمونه به نروژ تحویل داده شد.

اما بازگشت واقعی در نقشی متفاوت رخ داد. 2023 مازدا موتور وانکل را در MX-30 e-Skyactiv R-EV پلاگین هیبرید به عنوان افزاینده برد - یعنی ژنراتور فشرده‌ای که موتور الکتریکی محرک محور جلو را تغذیه می‌کند - دوباره وارد میدان کرد. این یک جایگاه هوشمندانه است که همه ضعف‌های معماری را خنثی می‌کند: در ژنراتوری که با سرعت ثابت کار می‌کند، بی‌لرز بودن و جمع‌وجور بودن به مزیت تبدیل می‌شود و ضعف در emissions و اقتصاد سوخت نیز مهار می‌شود. وانکل از قلب خودروی جاده‌ای بیرون رفته، اما از نظر مهندسی نمرده است.

موتور روتوری امروز چه چیزی به ما می‌گوید؟

داستان وانکل، آزمایشی نادر برای سنجش فاصله میان ظرافت مهندسی یک فناوری و واقعیت‌های تجاری و قانونی است. روتور با یک‌سوم قطعات متحرک موتور پیستونی، نرم‌تر و قوی‌تر کار می‌کرد؛ اما احتراق ناقص ذاتی هندسه آن، در برابر قوانین سختگیرانه emissions هرگز از پس برنیامد. چشم‌انداز فلیکس وانکل از خودروی جاده‌ای کنار گذاشته شد؛ اما امروز در پاسخ به مسئله‌ای که تبدیل انرژی حمل می‌کند، به عنوان ژنراتوری خاموش به زندگی ادامه می‌دهد. در هر دو حالت، درس آموختنی یکی است: مهندسی خوب وقتی به سؤال درست اعمال شود ارزشمند است.

منابع