Конструкция и принципы работы роторно-поршневого двигателя (РПД)
Видео Вы можете посмотреть здесь:
https://www.youtube.com/watch?v=YxwOe1vpzmk
Циклы
1. Впрыск горючей смеси
2.Сжатие горючей смеси
3.Воспламенение горючей смеси . Рабочий ход .
4.Выпуск отработавших газов.
Особенность двигателя - применение вращающегося ротора (поршня), размещенного внутри цилиндра, поверхность которого выполнена по эпитрохоиде.
Установленный на валу ротор жестко соединён с зубчатым колесом, которое входит в зацепление с неподвижной шестерней. Ротор с зубчатым колесом как бы обкатывается вокруг шестерни. Его грани при этом скользят по эпитрохоидальной поверхности цилиндра и отсекают переменные объёмы камер в цилиндре.
Такая конструкция позволяет осуществить 4-тактный цикл без применения специального механизма газораспределения. Герметизация камер обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами.
Смесеобразование, зажигание, смазка, охлаждение, запуск принципиально такие же, как и у обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания.
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. Масса и габариты двигателя Ванкеля в 2-3 раза меньше соответствующих им по мощности двигателей внутреннего сгорания обычной схемы.
Функцию поршня в РПД выполняет трехвершинный ротор, преобразующий силу давления газов во вращательное движение эксцентрикового вала. Движение ротора относительно статора (наружного корпуса) обеспечивается парой шестерен, одна из которых закреплена на роторе, а вторая на боковой крышке статора.
Вал вращается в подшипниках, размещенных на корпусе и имеет цилиндрический эксцентрик, на котором вращается ротор. Шестерня неподвижно закреплена на корпусе двигателя. С ней в зацеплении находится шестерня ротора. Взаимодействие этих шестерен обеспечивает целесообразное движение ротора относительно корпуса, в результате которого образуются три разобщенных камеры переменного объема.Передаточное отношение шестерен 2:3, поэтому за один оборот эксцентрикового вала ротор поворачивается на 120 градусов. За полный оборот ротора в каждой из камер совершается полный четырехтактный цикл. Газообмен регулируется вершиной ротора при прохождении ее через впускное и выпускное окна. Крутящий момент получается в результате действия газовых сил через ротор на эксцентрик вала.
История разработки роторно-поршневых двигателей по схеме Ванкеля уходит к началу 60-х годов и в наше время имеет более чем тридцатилетнюю историю.
В 1960-62 годах из двадцати наиболее крупных автомобилестроительных компаний 11 фирм приобрели лицензионные права на разработку и производство РПД. На долю этих фирм приходилось около 70% мирового автомобильного производства, в т.ч. 80% производства легковых автомобилей США, 71% Японии, 44% Западно-европейских стран.
Повышенный интерес к РПД был вызван их существенными потенциальными преимуществами по сравнению с обычными поршневыми двигателями сравнимого класса мощности:
меньшим на 35-40% общим количеством деталей;меньшим удельным весом при использовании одинаковых материалов;меньшим габаритным объемом и рядом других достоинств.Основным побудительным мотивом для многих зарубежных фирм явилось реализовать ожидаемый экономический эффект от выпуска на рынок новых, более дешевых двигателей. Фирмы, которые проводили глубокие научные исследования особенностей РПД (рабочего процесса, процессов газообмена, влияние масштабного фактора, особенностей и условий работы основных деталей и узлов и др.):
Кертисс-Райт (США);Тойо-Когио/Мазда/ (Япония).На пути создания встали значительные технические трудности, такие, например, как:
отработка качественного рабочего процесса в камере неблагоприятной формы;обеспечение герметичности уплотнения рабочих объемов;отработка конструкции корпусных деталей, обеспечивающих работу без коробления в условиях неравномерного их нагрева.В результате огромной проделанной научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы этим фирмам удалось решить почти все наиболее сложные технические задачи на пути создания РПД и выйти на этап их промышленного производства.
Преимущества перед обычными бензиновыми двигателями
- низкий уровень вибраций. Роторно-поршневой двигатель полностью механически уравновешен, что позволяет повысить комфортность лёгких транспортных средств типа микроавтомобилей, мотокаров и юникаров;
- главным преимуществом роторно-поршневого двигателя являются отличные динамические характеристики: на низкой передаче возможно без излишней нагрузки на двигатель разогнать машину выше 100 км/ч на более высоких оборотах двигателя (8000 об/мин и более), чем в случае конструкции обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания.
- Высокая удельная мощность(л.с./кг), причины:
- Масса движущихся частей в РПД гораздо меньше, чем в аналогичных по мощности «нормальных» поршневых двигателях, так как в его конструкции отсутствуют коленчатый вал и шатуны.
- К тому же однороторный двигатель выдаёт мощность в течение трёх четвертей каждого оборота выходного вала. В отличие от «нормального» четырёхтактного поршневого двигателя, который выдаёт мощность только в течение одной четверти каждого оборота выходного вала (современный серийный РПД с объёмом рабочей камеры 1300 см³ имеет мощность 220 л.с., а с турбокомпрессором — 350 л.с.).
- меньшие в 1,5-2 раза габаритные размеры.
- меньшее на порядок (два-три десятка вместо нескольких сотен) число деталей
За счёт отсутствия преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, двигатель Ванкеля способен выдерживать гораздо большие обороты, и с меньшими вибрациями, по сравнению с традиционными двигателями. Роторно-поршневые двигатели обладают более высокой мощностью при небольшом объёме камеры сгорания, сама же конструкция двигателя сравнительно мала и содержит меньше деталей. Небольшие размеры улучшают управляемость, облегчают оптимальное расположение трансмиссии (развесовка) и позволяют сделать автомобиль более просторным для водителя и пассажиров.
Недостатки:
- Соединение ротора с выходным валом через эксцентриковый механизм, являясь характерной особенностью РПД Ванкеля, вызывает давление между трущимися поверхностями, что в сочетании с высокой температурой приводит к дополнительному износу и нагреву двигателя.
В связи с этим возникает повышенное требование к периодической замене масла. При правильной эксплуатации периодически производится капитальный ремонт, включающий в себя замену уплотнителей. Ресурс при правильной эксплуатации достаточно велик, но не заменённое вовремя масло неизбежно приводит к необратимым последствиям, и двигатель выходит из строя.
- Наиболее важной проблемой считается состояние уплотнителей. Площадь пятна контакта очень невелика, а перепад давления очень высокий. Следствием износа уплотнителей являются высокие утечки между камерами и, как следствие, падение КПД и токсичность выхлопа.
Проблема быстрого износа уплотнителей на высокой скорости вращения вала была решена применением высоколегированной стали.
- Другой особенностью двигателей Ванкеля является его склонность к перегреву. Камера сгорания имеет линзовидную форму, то есть при маленьком объёме у неё относительно большая площадь. При температуре горения рабочей смеси основные потери энергии идут через излучение. Интенсивность излучения пропорциональна четвёртой степени температуры, таким образом идеальная форма камеры сгорания — сферическая. Лучистая энергия не только бесполезно покидает камеру сгорания, но и приводит к перегреву рабочего цилиндра. Эти потери не только снижают эффективность преобразования химической энергии в механическую, но и вызывают проблемы с воспламенением рабочей смеси, поэтому в конструкции двигателя часто предусматривают 2 свечи.
- Меньшая экономичность на низких оборотах по сравнению с обычными ДВС. Устраняемо отключением работы каждого n поршня, что так же влечёт снижение температурной нагрузки.
- Высокие требования к геометрической точности изготовления деталей двигателя делают его сложным в производстве — требуется применение высокотехнологичного и высокоточного оборудования: станков, способных перемещать инструмент по сложной траектории эпитрохоидальной поверхности камеры объёмного вытеснения.
Применение
Двигатель разрабатывался изначально именно для применения на автотранспорте. Первый серийный автомобиль с роторным двигателем — немецкий спорткар NSU Spider.
Первый массовый (37204 экземпляра) — немецкий седан бизнес-класса NSU Ro 80. Автомобиль имел достаточно инноваций и помимо двигателя, в частности, кузов с рекордно низким аэродинамическим сопротивлением, полуавтоматическую коробку передач с гидротрансформатором, блок-фары, и так далее. Ro80 отличалась не только уникальной конструкцией, но и передовым дизайном, который оказался непонятен публике середины шестидесятых (см. NSU Ro 80); через десять лет именно он был положен в основу стиля моделей «Ауди» 100 и 200 поколения C2.
К сожалению, ресурс двигателя оказался весьма мал (ремонт требовался уже после пробега порядка 50 тыс. км), поэтому автомобиль заслужил плохую репутацию и стал скандально известен. На многих сохранившихся автомобилях оригинальный двигатель заменён на поршневой V4 «Essex» фирмы Ford.
Citroën также экспериментировал с РПД — проект Citroën M35.
Современное состояниеПосле этого серийное и мелкосерийное производство роторно-поршневых двигателей Ванкеля производились только фирмами Mazda (Япония) и ВАЗ (Россия)[3].
Инженерам фирмы Mazda, создавшим роторно-поршневой двигатель «Renesis» (производное от слов (англ. Rotary Engine:роторный двигатель и Genesis:процесс становления, название говорящее о появлении нового класса двигателей), удалось решить основные проблемы таких двигателей — токсичность выхлопа и неэкономичность. По сравнению с двигателями-предшественниками, удалось сократить потребление масла на 50 %, бензина на 40 % и довести выброс вредных окисей до норм, соответствующих Euro IV. Двухкамерный двигатель «Renesis» объёмом всего 1,3 л выдаёт мощность в 250 л. с. и занимает немного места в моторном отсеке. Следующая модель двигателя Renesis 2 16X имеет объём 1,6 литра, и при большей мощности, нагревается меньше.
Автомобили марки 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). Это явилось вторым витком роста внимания к РПД со стороны разработчиков.
Авиационные двигатели
В начале 1950-х годов была создана серия авиадвигателей ВП-760, ВП-1300, ВП-2650 — пятилучевых двухтактных звёзд мощностью от 40 до 130 л. с. и весом от 25 до 100 кг авиационного инженера В. Полякова (поршневики; вращающийся золотниковый ГРМ и двухступенчатые поршни, совмещённые с нагнетательными, никакого отношения к Ванкелю не имеют) созданных для лёгкой авиационной техники и прошедших успешные испытания в небольшой серии в ДОСААФ.[4] Позднее, в 1990-х годах, в Научно-техническом центре ВАЗ были созданы ВАЗ-416, ВАЗ-426, ВАЗ-526.
Несмотря на ряд попыток установки двигателя Ванкеля на самолетах (опытные образцы испытывались в разных странах с 1950-х годов), он не нашел широкого применения в авиации. В настоящее время (2011) двигатель Ванкеля устанавливается на некоторые модели мотопланеров Schleicher.