Mitmekütuseline Wankelmootor ehk Wankelmootor vol 2 *

Mitmekütuseline Wankelmootor ehk kihistatud kütuse ja õhu segu moodustamisega Wankelmootor (Direct Injection Stratified Charge, DISC) kätkeb endas nii diiselmootori (puudub drosselklapp õhu sisselaskekollektoris) kui ka ottomootori (kütuse ja õhu segu süttimist saab reguleerida kütuse ja õhu segu süütamise ajastamisega) häid omadusi. Kirjutab Andre Gregor.

Taolises Wankelmootoris pihustatakse vedelkütus otse põlemiskambrisse nii, et vedelkütuse aurustuvad piisad satuks süüteküünla vahetusse lähedusse ja moodustaks põlemiskambris süüteküünla ümbruses paikneva õhuga rikka segu (kütusefaakel suunatakse nii, et kütuse piisad ja juba osaliselt kütusepiiskadest moodustunud aur satuks segu süütamise hetkeks suures osas süüteküünla vahetusse lähedusse). Wankelmootori puhul on osa põlemiskambrist kolvi tahu sisse paigutatud. See paarisaja kraadini kuumenev põlemiskamber aitab aurustada osa kolvi pinnale pihustatud vedelkütust ja suunata seda süüteküünla vahetusse lähedusse (süüteküünal asetseb silindri pinna sees nõnda, et kolvi otsatihend saab sellest süüteküünla avast mootori töötamisel üle liuelda). Wankelmootori konstruktsiooni tõttu liigub kolb ju ainult ühes suunas (see osutub äärmiselt sobivaks kihistatud segu süütamisel ja sellise põlemisprotsessi teostamiseks) ja kütus pihustatakse kolvis oleva põlemiskambri sellesse osasse, mis pihustiotsast juba möödus. Kolvi ja põlemiskambri osa, mis ei olnud veel pihustist möödunud, kütuse faakeliga kokku ei puutu ja see jääbki põlemiskambrist varasemalt põlemiskambri etteotsa pihustatud kütusest puutumata.

Seetõttu ongi süüteküünlast kaugemale jäänud piirkonnas vedelkütuse piiskasid ja auru vähem. Nii on nendes piirkondades kütuse ja õhu segu lahjem ning nõnda tekivadki põlemiskambris erinevad kütuse ja õhu segu koostisega kihid ehk nn kütuse ja õhu segu kihistunud (mitte-homogeenne) jaotus. Rikas kütuse ja õhu segu süüteküünla läheduses süttib lühikese viivitusega ja põleb kiirelt, kuigi põlemiskambri üldine ehk keskmine kütuse ja õhu segu koostis on väga lahja. Selline lahja kütuse ja õhu segu homogeenses kütuse ja õhu põlemisprotsessis ei süttiks või süttiks suure viivisega ja põleks väga aeglaselt. Nimetatud DISC tehnoloogia võimaldab mootori koormuse reguleerimist kütuse ja õhu segu kvalitatiivse juhtimisega (keskmine põlemiskambri kütuse ja õhu segu koostis muutub koormuse muutudes nagu diiselmootoriteski) ja seetõttu ei vajata mootori koormuse reguleerimiseks drosselklappi, mis piirab osalistel koormustel mootori täiteastet ja suurendab mootori sisselaskeõhu pumpamiskadusid.

Erinevalt diiselmootorist, kus diislikütuse õigeaegne süttimine ja põlemisprotsessi kulg silindris sõltub enamasti õhu temperatuurist mootori silindris komprimeerimisprotsessi lõpuosas kütuse silindrisse pihustamise hetkel ning kütuse tsetaanarvust, on selline DISC põlemisprotsessiga Wankelmootor tsetaanarvu ja kõrge surveastme piirangutest vaba. Kütuse ja õhu segu süttimine ning põlemise edasine dünaamika ei sõltu ju niipalju õhu temperatuurist silindris kütuse silindrisse pihustamise hetkel ega kütuse tsetaanarvust, vaid kütuse ja õhu segu süütamise hetkest süüteküünlaga. Seda kõike eeldusel, et kütuse ja õhu segu koostis süüteküünla läheduses on süütamiseks sobiva kvaliteediga ja suur osa kütuse süüteküünla vahetus läheduses olevatest piiskadest on süütamise hetkeks piisavalt aurustunud, et sädemest süttida.

Strateegia ja ajastamine

Kütuse pihustamise strateegia ja kütuse ning õhu segu süütamise ajastamise valikuga on võimalik realiseerida ühes mootoris erinevate füüsikaliste (tihedus, isesüttimistemperatuur, süttimisviivis, jms) ja keemiliste (keemiline koostis) omadustega vedelkütuste (alkoholkütused, mootoribensiinid, lennukikütused, diislikütused, erinevad kütteõlid) kasutamine – saab realiseerida mitmetel erinevatel vedelkütustel töötava sisepõlemismootori (multi fuel engine).

Selline mitmekütuseline Wankelmootor võib diislikütust kasutades töötada väljundvõlli pöörlemiskiiruse vahemikus 2500 – 8000…9000 p/min.

500 cm³-lise põlemiskambri mahuga üherootoriline diislikütusel töötav turboülelaadimise ja õhu vahejahutiga Wankelmootor võib täiskoormusel arendada maksimaalset efektiivvõimsust kuni pₑ = 50…80 kW väljundvõlli vastavatel pöörlemiskiirusel n = 6000…8000 p/min. Selliseid mootoreid konstrueeritakse üldjuhul maksimaalselt kuni neljarootorilistena. Levinumad on ühe- ja kahe-, harva ka kolmerootorilised Wankelmootorid.

Wankelmootori kiiret arengut on pärssinud mitmed tegurid. Millised on võimalikud lahendused?

• Keskkonnasäästlikkuse nõuetest tingitud piirangud mootori heitgaaside koostisele. Wankelmootori põlemiskambri kuju ja õlitussüsteemi iseärasused põhjustavad kõrge põlemata süsivesinike ja peenheitmete sisalduse mootori heitgaasides. Wankelmootori kolvi tihendeid tuleb mootori töötamisel pidevalt õlitada. Mootoriõli ise aga põleb põlemiskambris ainult osaliselt ära ja väljub koos heitgaasidega mootorist, sest konstruktsiooniselt puudub võimalus suunata kolvitihendite õlitamiseks kasutatud mootoriõli tagasi õlivanni/õlianumasse. Põlemiskambri kuju osas häid lahendusi ei ole. Loodetakse, et uuttüüpi madalatemperatuurilised põlemisprotsessid (Low Temperature Combustion, LLC) võiksid siin leevendust tuua. Põlemata süsivesinike tekke üheks põhjuseks on suur sisselaske ja väljalaskekanali ülekate, mille vähendamiseks paigutatakse õhu sisselaske ja heitgaaside väljalaskekanalid silindri küljekaantesse nii, et sisse- ja väljalaskeakende ülekattenurk oleks minimaalne. Lisaks tuleb kasutada heitgaaside katalüsaatormuundureid. Õlikulu minimiseerimine, põlemisprotsessi optimeerimine, kütusekulu ja heitgaaside koostise optimeerimine, turbokompressori valik, parasiitkadude optimeerimine.
• Materjali sobivuse ja töökindluse probleemid. Tihendid töötavad suhteliselt kõrgetest hõõrdepaaride joonkiirustest ja tribotingimustest tingituna keerukates oludes. Kolvi tahkude otstes paiknevatele Apex tihenditele mõjuvad impulsiivsed löökkoormused mootori käivitamisel, töötamisel suurtel koormustel ja joonkiirustel, mis võib viia nende tihendite purunemiseni.

Materjalide soojuspaisumise ja vähesest määrdeainest tingitud  adhesioonkulumine võib põhjustada silindri kiirleekpihustatud pinnakatte delamineerumise. Tihendite ja silindri joonpaisumisest tingitud konstruktiivsed paisumisvahed ja sellest tingitud gaaside lekkekaod (blow-by) põhjustavad mootori efektiivsuse langust mootori eksentrikvõlli madalatel pöörlemiskiirustel n < 2500min⁻¹). Võimalikuks abiks on tihendite uued materjalid ja liitetehnoloogiad. Lisaks ka uued madala hõõrdeteguriga PVD ja CVD ning kiirleekpihustatud pinnakatted ning uued tihendi materjalid (metallkeraamika). Kergemad kolvid (kõrgtugevad Al-pulbersulamiga dispersioonarmeeritud alumiiniummetallkomposiitmaterjalid vähendamaks laagrite koormusi ja võimaldades suurendada mootori eksentrikvõlli pöörlemiskiirust veelgi).

• Suur kütuse erikulu bₑ, mis on tingitud suurest põlemiskambri pindalast ja soojuskadudest. Läbi põlemiskambri ja kolvi tekkivaid soojuskadusid saab vähendada termobarjäärpindeid kasutades
• Valmistustehnoloogia probleemid. Alumiiniumsulamist valandite madal kvaliteet, poorid ja defektid valandites. Pinnete kvaliteet – pinde nakke probleemid aluspinnaga, pinde ja alusmaterjali erinevatest joonpaisumisteguritest tingitud nakke probleemid. Võimalikuks lahenduseks on detailide uued valmistustehnoloogiad – masinaosade 3D-printimine.
• Süüteküünalde mustumine (fouling), mille on põhjustanud suure tuhasisaldusega mootoriõlide kasutamine. Probleemi saab vähendada mootorielektroonika (toite- ja süütesüsteemi ning turbokompressorite juhtimine) seadete valikuga. Süüteküünalde pikka kasutusiga võimaldaks uued süütesüsteemid (koronalahendus ja mikrolaine süütesüsteem).

*Andre Gregor alustas ulatuslikku ülevaadet Wankelmootori ajaloost, plussidest ja miinustest juuni Inseneerias.