Технология роторно-поршневых двигателей

Разделы: Двигатель Бренды:

Роторно-поршневой двигатель (РПД, двигатель Ванкеля) — роторный двигатель внутреннего сгорания, создан в 1957 году инженером компании NSU Вальтером Фройде в соавторстве с Феликсом Ванкелем, работавшим над другой конструкцией такого же двигателя. В данной конструкции функцию поршня выполняет трехвершинный (трехгранный) ротор, совершающий вращательные движения внутри полости сложной формы.

Интересно, что сам Ванкель никогда не имел водительских прав, у него была очень сильная близорукость.

Первый РПД (NSU Spider, выпуск с 1964 по 1967 год) выдавал 57лс и разгонял машину до 150км/ч. После волны экспериментальных моделей автомобилей и мотоциклов, пришедшейся на 60-80е годы ХХ века, интерес к РПД снизился из-за его принципиальных неустранимых недостатков. В настоящее время РПД применяется в автомобилях компании Mazda (RX-8, выпуск завершен в 2008 году) и в моделизме.


Принцип действия

Раскрыть...

Принцип работы РПД основан на давлении расширения газов, которое создаётся при сжигании топлива. Главное отличие и положительный момент РПД — отсутствие масс с возвратно-поступательными движениями. Все движение деталей происходит по кругу без резких остановок. В обычном поршневом ДВС происходит полная остановка поршня и шатуна в верхней и нижней мертвых точках, что создает значительные силы инерции и требует применения высокопрочных материалов.

Основной частью конструкции является ротор, превращающий давление в круговое движение. Ротор в простейшем случае имеет форму треугольника с выпуклыми гранями (т.н. треугольник Рёло) и находится/вращается в овальном корпусе специального профиля, поверхность которого выполнена по эпитрохоиде (возможны варианты с другой формой ротора и корпуса). В полостях между ротором и корпусом, полностью изолированных друг от друга и меняющих свой объем по ходу вращения ротора, происходит ряд процессов (тактов) — подача воздуха, впрыск топлива, сжатие смеси, создание искры, вывод отработанных газов:

  • в первую полость через впускное окно поступает и перемешивается воздушно-топливная смесь (открытие и закрытие окна выполняется гранью ротора, аналогично двухтактному поршневому двигателю);
  • ротор перемещает полученную субстанцию во вторую полость, где проходит сжатие и воспламенение;
  • в третьей полости происходит расширение смеси и удаление отработанных газов через выпускное окно (также открывается и закрывается гранью ротора).

Ключевой момент заключается в том, что эти процессы происходят не последовательно, а одновременно и параллельно, т.е. за один оборот ротора происходят все три такта.

Двигатель Ванкеля

Двигатель Ванкеля

Вращение ротора происходит на эксцентрике — паре шестерен, большая из которых находится на внутренней поверхности ротора, а меньшая, опорная, жестко прикреплена к внутренней поверхности боковой крышки двигателя. Вращательное движение ротора передается на эксцентриковый вал, установленный на подшипниках и передающий вращающий момент на механизмы трансмиссии. Таким образом в РПД одновременно работают две механические пары: первая — регулирующая движение ротора и состоящая из пары шестерен; и вторая — преобразующая круговое движение ротора во вращение эксцентрикового вала. Передаточное соотношение шестерен ротора и статора 2:3, поэтому за один полный оборот эксцентрикового вала ротор успевает провернуться на 120 градусов. В свою очередь за один полный оборот ротора в каждой из трех образуемых его гранями камер производится полный четырехтактный цикл двигателя внутреннего сгорания.

Для обеспечения балансировки (особенно на холостых оборотах) нужно минимум два ротора, хотя применяются и однороторная конструкция. Двигатели Mazda имеют до трёх роторов (секций).

Сравнение РПД и обычного поршневого ДВС

Общий КПД роторного двигателя Ванкеля (термический и механический КПД) составляет около 40-45%. Для сравнения, обычные поршневые ДВС имеют 25% КПД (по другим данным — 34%), а современные турбодизеля до 40% (по другим данным — 50%).

[свернуть]

Классификация роторных ДВС

Раскрыть...

Классификация роторных двигателей происходит по типу работы камеры сгорания — запирается она на время герметично, или имеет постоянную связь с атмосферой. К последнему типу относятся газовые турбины, камеры сгорания которых отделены от выхлопного сопла (от атмосферы) лишь густым «частоколом» лопастей роторной крыльчатки.

Роторные ДВС с герметично запираемыми камерами сгорания делятся на 7 различных конструкционных компоновок:

  1. Роторные двигатели с неравномерным разнонаправленным (возвратно-вращательным) движением главного рабочего элемента. Ротор здесь не вращается, а как бы качается вокруг своей оси. Процесс сжатия происходит между лопатками мотора.
  2. Роторные двигатели с неравномерным однонаправленным (пульсирующе-вращательным) движением главного рабочего элемента. Внутри корпуса два ротора. Сжатие проходит между лопастями этих двух элементов, когда они сближаются и удаляются.
  3. Роторные двигатели с простым и равномерным вращательным движением главного рабочего элемента и с уплотнительными заслонками-лопастями, движущимися в роторе. Данная конструкция до сих пор широко задействуется в пневматических моторах. Для роторных двигателей внутреннего сгорания существенно переделывается камера, в которой проходит воспламенение.
  4. Частный случай — с заслонками-лопастями, отклоняющимися на шарнирах на роторе.
  5. Роторные двигатели с простым и равномерным вращательным движением главного рабочего элемента и с уплотнительными заслонками, движущимися в корпусе.
  6. Роторные двигатели с простым и равномерным вращательным движением главного рабочего элемента и с использованием такого же простого вращательного движения уплотнительных элементов.
  7. Роторные двигатели с простым вращательным движением главного рабочего элемента, без применения отдельных уплотнительных элементов и спиральной организацией формы рабочих камер. Считаются наиболее технически совершенными за счет отсутствия деталей, совершающих возвратно-поступательные движения. Именно они являются РПД («двигателем Ванкеля») в классическом современном понимании. РПД такого типа легко достигают 10000 об/мин.
  8. Роторные двигатели с планетарным вращательным движением главного рабочего элемента и без применения отдельных уплотнительных элементов. Самая первая модификация, изобретённая Фройде и Ванкелем.

Достоинства РПД

Раскрыть...
  • Конструкция РПД сравнительно мала (в 1,5-2 раза меньше классического ДВС такой же мощности) и имеет малый вес, что улучшает управляемость машины, облегчает оптимальное расположение трансмиссии (развесовка) и высвобождает больше внутреннего компоновочного пространства.
  • За счёт отсутствия преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и связанных с этим сил инерции, РПД выдерживает гораздо большие обороты по сравнению с традиционными двигателями. Как следствие — отличные динамические качества (высокая удельная мощность — двигатель рабочим объемом 1,3 литра выдает 220лс, а с турбонаддувом — 350лс!), высокие предельные обороты (до 10000 об/мин), отличная приёмистость и ровная кривая крутящего момента.
  • Выдача мощности с каждой секции в течение 3/4 оборота выходного вала (однопоршневой ДВС выдает мощность только на 1/4 оборота).
  • Минимум вибраций, прекрасная балансировка (особенно в двухроторных двигателях).
  • На 35-40% меньше деталей в конструкции вообще и движущихся масс в частности (отсутствуют поршни, шатуны, коленчатый вал, в «классическом варианте» — газораспределительный механизм), гораздо меньшая масса движущихся частей.
  • В простейшем варианте РПД отсутствует отдельная система смазки — масло добавляется в топливо, как при эксплуатации двухтактных мотоциклетных моторов. Смазка пар трения (прежде всего ротора и рабочей поверхности камеры сгорания) в таком варианте производится самой топливо-воздушной смесью.

[свернуть]

Недостатки РПД

Раскрыть...
  • Невысокая эффективность уплотнений зазора между ротором и камерой сгорания. Имеющий сложную форму ротор РПД требует надежных уплотнений не только по граням (а их четыре у каждой поверхности — две по вершинным, две по боковым граням), но и по боковой поверхности, соприкасающейся с крышками двигателя. При этом уплотнения выполнены в виде подпружиненных полосок из высоколегированной стали с особо точной обработкой как рабочих поверхностей, так и торцов. Заложенные в конструкцию уплотнений допуски на расширение металла от нагрева ухудшают их характеристики — избежать прорыва газов у торцевых участков уплотнительных пластин практически невозможно (в поршневых двигателях используют лабиринтовый эффект, устанавливая уплотнительные кольца зазорами в разные стороны).
  • Сложная система уплотнений ротора требует сложной и эффективной смазки трущихся поверхностей. РПД потребляет больше масла, чем четырехтактный поршневой двигатель (от 400-1200 мл на 1000 км, замена каждые 5000 км). Владельцы автомобилей с РПД рекомендуют проверять уровень масла каждое утро. При этом масло сгорает вместе с топливом, что резко ухудшает экологию РПД.
  • Особые требования к качеству масла — в силу склонности к повышенному износу (из-за большой площади соприкасающихся деталей — ротора и внутренней камеры двигателя) и перегрева (из-за повышенного трения и небольших размеров самого двигателя). Для РПД смертельно опасны нерегулярная смена масла (абразивные частицы в старом масле резко увеличивают износ) и переохлаждение мотора. Запуск холодного двигателя и недостаточный его прогрев приводят к тому, что в зоне контакта уплотнений ротора с поверхностью камеры сгорания и боковыми крышками оказывается мало смазки. Если поршневой двигатель чаще всего заклинивает при перегреве, то РПД — во время запуска холодного двигателя или работе в холодную погоду, когда охлаждение избыточно.
  • Высокий расход топлива на низких оборотах (и вообще). Теоретически может устраняться отключением части секций на низких оборотах, что заодно снижает температурную нагрузку.
  • Высокие требования к геометрической точности изготовления деталей и как следствие высокая сложность производства. Требуется применение высокотехнологичного и высокоточного оборудования: станков, способных перемещать инструмент по сложной траектории эпитрохоидальной поверхности камеры объёмного вытеснения.
  • Соединение ротора с выходным валом через эксцентриковый механизм (характерная особенность РПД Ванкеля) вызывает давление между трущимися поверхностями, что в сочетании с высокой температурой приводит к дополнительному износу и нагреву двигателя.
  • Высокие перепады давления между камерами ротора при очень небольшой площади пятна контакта. Как следствие — быстрый износ уплотнителей и очень высокие требования к ним, в целом — малый ресурс двигателя (ключевая проблема РПД — высокие утечки между камерами, падение КПД и рост токсичности выхлопа). Так, для Mazda RX-8 ресурс двигателя составляет около 100-150 тысяч км пробега при правильном и своевременном ТО, после чего идет капитальный ремонт с заменой уплотнителей. Частично проблема быстрого износа уплотнителей на высокой скорости вращения вала была решена применением высоколегированной стали.
  • Меньшая эластичность относительно классических поршневых ДВС — РПД выдает оптимальную мощность только на высоких оборотах, что требует усложнения трансмиссии.
  • Плохая геометрия камеры сгорания, которая в РПД имеет линзовидную форму, т.е. относительно большую площадь при маленьком объёме. При горении рабочей смеси основные потери энергии идут через излучение, поэтому идеальная форма камеры сгорания — сферическая. Тепловые потери не только снижают эффективность преобразования химической энергии в механическую, но и ведут к сильному перегреву двигателя (т.е. более высокому тепловому режиму), а также плохому сгоранию топливно-воздушной смеси и склонности к детонации. Частично эта проблема решается установкой двух свечей в разных зонах на одну камеру сгорания.
  • Малый ресурс свечей зажигания, их перегрев, необходимость замены каждые 10000 км.

[свернуть]
[свернуть]

Устройство РПД

Раскрыть...

Установленный на валу ротор жёстко соединён с зубчатым колесом, которое входит в зацепление с неподвижной шестернёй — статором. Диаметр ротора намного превышает диаметр статора, несмотря на это ротор с зубчатым колесом обкатывается вокруг шестерни. Каждая из вершин трёхгранного ротора совершает движение по эпитрохоидальной поверхности цилиндра и отсекают переменные объёмы камер в цилиндре с помощью трёх клапанов.

Такая конструкция позволяет осуществить любой 4-тактный цикл Дизеля, Стирлинга или Отто без применения специального механизма газораспределения. Герметизация камер обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами. Отсутствие механизма газораспределения делает двигатель значительно проще четырехтактного поршневого, а отсутствие сопряжения (картерное пространство, коленвал и шатуны) между отдельными рабочими камерами обеспечивают необычайную компактность и высокую удельную мощность. За один оборот эксцентрикового вала двигатель выполняет один рабочий цикл, что эквивалентно работе двухцилиндрового поршневого двигателя. За один оборот ротора эксцентриковый вал выполняет 3 оборота и 9 рабочих ходов, что приводит к ошибочным сравнениям роторного двигателя с шестицилиндровым поршневым двигателем.

Смесеобразование, зажигание, смазка, охлаждение, запуск принципиально такие же, как и у обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Двигатель Ванкеля

Практическое применение получили двигатели с трёхгранными роторами, с отношением радиусов шестерни и зубчатого колеса: R:r = 2:3, которые устанавливают на автомобилях, лодках и т. п.

[свернуть]

Применение

Раскрыть...

Первым серийным автомобилем с роторным двигателем стал NSU Spider, который был выпущен в 1964 году. NSU — немецкая компания, основанная в 1873 году, которая выпускала автомобили и мотоциклы. До 1969 года просуществовала как отдельная компания, далее была куплена концерном Volkswagen Group.

Первой массовой (37204 экземпляра) стала модель NSU Ro-80, настоящий прорыв благодаря правильному маркетингу. Однако ставка на «революционную технологию» РПД, еще не отлаженную в реальных условиях, стала серьезной ошибкой. Ресурс двигателя составил не более 50 тыс. километров, а зачастую и сильно меньше. РПД часто заменяли на поршневой L4 «Essex» фирмы Ford.

Также РПД устанавливались на автомобили:

  • Citroen GS Birotor (проект Citroën M35)
  • Mercedes-Benz С111
  • Chevrolet Corvette
  • ВАЗ 21018 (1976 год), 21079 и 2110 (модификации для спецслужб)
  • Mazda (с 1978 года, Cosmo Sport и серия Rotor-eXperiment, широко известная как RX)

Серия RX завершена в 2008 году на модели RX-8. Всего в серии выпущено более миллиона машин с РПД. Всего на пике популярности патент на двигатель Ванкеля был куплен 11 ведущими автопроизводителями мира.

Интересно, что автомобили Mazda с буквами RE в наименовании (первые буквы от названия «Renesis») могут использовать в качестве топлива как бензин, так и водород (так как менее чувствителен к детонации, чем обычный двигатель, использующий возвратно-поступательное движение поршня).

Также РПД применяются на мотоциклах (мелкими сериями) и в авиационном моделизме.

Интересно, что получив патент на РПД в 1936 году, Феликс Ванкель стал изобретателем не только двигателя внутреннего сгорания, но еще и роторно-поршневых насоса и компрессора. И эти устройства можно встретить гораздо чаще, чем РПД — на производстве, в ремонтных мастерских, в быту. Например, портативные электрические компрессоры для автомобилистов очень часто устроены по принципу роторно-поршневого насоса.


[свернуть]

Первоисточники

Один комментарий к «Технология роторно-поршневых двигателей»

  1. Здравствуйте.
    Предлагаю рассмотреть модель РПД.
    Он на порядок эффективнее ванкелевского.
    Двигатель Ванкеля имеет, как минимум 4 источника (зоны)
    эксцетриситета.
    1- Внутреннее, эксцентричное, шестеренное соединение.
    2- Треугольный эксцентричный ротор.
    3- Камера сгорания эксцентричной формы.
    4- Распространение взрывного усилия идет нелинейно, а с неравномерным смещением и изменением расклада сил во время движения.
    Т.е., в треугольной камере сгорания распределение толкающих сил неоднозначно и меняется по составляющей в процессе движения поршня.
    В моей модели таких грубых источников эксцентриситета практически нет, кроме единственного кулачкового соединения равных по диаметру роторов.
    Одно-кулачковый асимметричный ротор.
    Может применяться как: насос-компрессор-ДВС.
    Имеется действующая модель насоса.
    Анимация насоса в приложении и по адресу:
    http://yury-9gench.bibliowiki.ru/patenty/rotor-nasos-kompressor-dvigatel.html
    04.07.17. автор — Юрий Геннадьевич Рачков.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*