Sw-motors.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Революционный роторно-поршневой двигатель Ванкеля: 9 преимуществ конструкции

Революционный роторно-поршневой двигатель Ванкеля: 9 преимуществ конструкции

Роторно-поршневой двигатель Ванкеля представляет собой тип ДВС с использованием эксцентричной поворотной конструкции для преобразования давления во вращательное движение.

Все части вращаются последовательно в одном направлении, в отличие от обычного поршневого двигателя, который сильно меняет направление движения поршня.

Преимущества перед другими конструкциями

В отличие от более распространённых поршневых конструкций, двигатель Ванкеля (Wankel) обеспечивает преимущества — простоту, плавность, компактность, высокие обороты в минуту и большое отношение мощности к весу. Это связано прежде всего с тем, что производятся три импульса мощности на один оборот ротора Ванкеля по сравнению с одним оборотом в двухтактном поршневом двигателе и по одному на два оборота в четырёхтактном двигателе.

РПД обычно называют вращающимся двигателем. Хотя это название также относится и к другим конструкциям, прежде всего к авиационным двигателям с их цилиндрами, расположенными вокруг коленчатого вала.

Четырёхступенчатый цикл впуска, сжатия, зажигания и выхлопа происходит в каждый оборот на каждом из трёх наконечников ротора, перемещающихся внутри овально — подобранного корпуса с перфорацией, что позволяет использовать в три раза больше импульсов на один оборот ротора. Ротор похож по форме на треугольник Реуле, а стороны его более плоские.

Конструктивные особенности двигателя Ванкеля

Теоретическая форма ротора РПД Ванкеля между фиксированными углами является итогом уменьшения объёма геометрической камеры сгорания и увеличения степени сжатия. Симметричная кривая, соединяющая две произвольные вершины ротора, максимальна в направлении внутренней формы корпуса.

Центральный приводной вал, называемый «эксцентриковый» или «E-вал», проходит через центр ротора и поддерживается неподвижными подшипниками. Ролики движутся на эксцентриках (аналогично шатунам), встроенным в эксцентриковый вал (аналогично коленчатому). Роторы вращаются вокруг эксцентриков и совершают орбитальные обороты вокруг эксцентрикового вала.

Вращательное движение каждого ротора на собственной оси вызвано и регулируется парой синхронизирующих передач. Фиксированная шестерня, установленная на одной стороне корпуса ротора, входит в кольцевую шестерню, прикреплённую к ротору, и обеспечивает то, что ротор движется ровно на 1/3 оборота для каждого оборота эксцентрикового вала. Выходная мощность двигателя не передаётся через синхронизаторы. Сила давления газа на роторе (в первом приближении) идёт прямо в центр эксцентриковой части выходного вала.

РПД Ванкеля фактически представляет собой систему прогрессивных полостей переменного объёма. Таким образом, на корпусе имеется три полости, все повторяющие один и тот же цикл. Когда ротор вращается орбитально, каждая его сторона приближается, а затем удаляется от стенки корпуса, сжимая и расширяя камеру сгорания, подобно ходу поршня в двигателе. Вектор мощности ступени сгорания проходит через центр смещённой лопасти.

Двигатели Wankel, как правило, способны достичь гораздо более высоких оборотов, чем те, что с аналогичной выходной мощностью. Это связано с гладкостью, присущей круговому движению, и отсутствием сильно напряжённых частей, таких, как коленчатые и распределительные валы, или шатуны. Эксцентриковые валы не имеют ориентированных по напряжению контуров коленчатых.

Проблемы устройства и их устранение

Феликсу Ванкелю удалось преодолеть большинство проблем, из-за которых предыдущие роторные устройства терпели неудачу:

  1. У вращающихся РПД есть проблема, не встречающаяся в четырёхтактных устройствах с поршнями, в которых корпус блока имеет впуск, сжатие, сгорание и выхлопные газы, проходящие в фиксированных местах вокруг корпуса. Использование тепловых труб в воздушном охлаждении роторного двигателя Ванкеля было предложено Университетом Флориды для преодоления неравномерного нагрева блока корпуса. Предварительный нагрев некоторых корпусных секций выхлопными газами улучшил производительность и экономию топлива, а также уменьшил износ и выбросы.
  2. Проблемы также возникли во время исследований в 50-х и 60-х годах. Некоторое время инженеры сталкивались с тем, что они называли «царапиной дьявола» на внутренней поверхности эпитрохоиды. Они обнаружили, что причиной были точечные уплотнения, достигающие резонансной вибрации. Эта проблема была решена за счёт уменьшения толщины и веса торцевых уплотнений. Царапины исчезли после введения более совместимых материалов для уплотнений и покрытий.
  3. Ещё одна ранняя проблема заключалась в наращивании трещин на поверхности статора вблизи отверстия пробки, которое было устранено путём установки свечей зажигания в отдельной металлической вставке, медной втулке в корпусе вместо вилки, ввинчиваемой непосредственно в корпус блока.
  4. Четырёхтактные поршневые устройства не очень подходят для использования с водородным топливом. Другая проблема связана с гидратацией на смазочной плёнке в поршневых конструкциях. В ДВС Ванкеля эту проблему можно обойти, используя керамическое торцевое уплотнение на такой же поверхности, так что нет никакой масляной плёнки, чтобы страдать от гидратации. Поршневую раковину необходимо смазать и охладить маслом. Это существенно увеличивает расход смазочного масла в четырёхтактном водородном ДВС.

Материалы для изготовления ДВС

В отличие от поршневого агрегата, в котором цилиндр нагревается процессом горения, а затем охлаждается входящим зарядом, корпуса ротора Wankel постоянно накаляются с одной стороны и остывают с другой, что приводит к высоким локальным температурам и неравному тепловому расширению. Хотя это предъявляет большие требования к используемым материалам, простота Ванкеля облегчает употребление в изготовлении таких веществ, как экзотические сплавы и керамика.

Преимущества двигателя

Основными преимуществами РПД Ванкеля являются:

  1. Более высокое отношение мощности к весу, чем у поршневого двигателя.
  2. Легче размещать в небольших машинных пространствах, чем эквивалентный двигательный механизм.
  3. Нет поршневых деталей.
  4. Способность достигать более высоких оборотов в минуту, чем обычный двигатель.
  5. Работа практически без вибрации.
  6. Не подвержен двигательному удару.
  7. Дешевле в производстве, потому что двигатель содержит меньше деталей
  8. Широкий диапазон скоростей, обеспечивающий большую адаптивность.
  9. Он может использовать топливо с более высоким октановым числом.

В дополнение к удалению внутренних возвратно-поступательных напряжений при полном удалении возвратно-поступательных внутренних деталей, учтановленных в поршневом двигателе, двигатель Ванкеля выполнен с железным ротором в корпусе из алюминия, который имеет больший коэффициент теплового расширения. Это гарантирует, что даже сильно перегретый агрегат Ванкеля не может «захватить», как это может произойти в аналогичном поршневом устройстве. Это существенное преимущество в плане безопасности при использовании в самолётах. Кроме того, отсутствие клапанов повышает безопасность.

Дополнительным преимуществом РПД Ванкеля для использования в самолётах является то, что он обычно имеет меньшую фронтальную область, чем поршневые агрегаты эквивалентной мощности, что позволяет создать более аэродинамический конус вокруг двигателя. Каскадное преимущество заключается в том, что меньший размер и вес ДВС Ванкеля позволяет сэкономить затраты на строительство летательного аппарата по сравнению с поршневыми двигателями сопоставимой мощности.

Роторно-поршневые ДВС Ванкеля, работающие в соответствии с их первоначальными проектными параметрами, почти не подвержены катастрофическим отказам. РПД Ванкеля, который теряет компрессию, или охлаждение, или давление масла, потеряет большое количество, но всё-таки будет продолжать производить некоторую мощность, позволяя более безопасную посадку при использовании в самолётах. Поршневые устройства при тех же обстоятельствах подвержены захвату или разрушению деталей, что почти наверняка приведёт к катастрофическому сбою двигателя и мгновенной потере всей мощности.

По этой причине роторно-поршневые двигатели Ванкеля очень хорошо подходят для снегоходов, которые часто используются в отдалённых местах, где отказ двигателя может привести к обморожению или смерти, а также к самолётам, где резкий сбой может привести к крушению или вынужденной посадке в удалённых местах.

Конструкционные недостатки

Хотя многие из недостатков являются предметом текущих исследований, нынешние недочёты устройства Ванкеля в производстве заключаются в следующем:

  1. Уплотнение ротора. Это всё ещё незначительная проблема, так как корпус двигателя имеет очень разные температуры в каждой отдельной секции камеры. Различные коэффициенты расширения материалов приводят к несовершенной герметизации. Кроме того, обе стороны уплотнений подвергаются воздействию топлива, и конструкция не позволяет точно контролировать смазку роторов. Роторные агрегаты, как правило, смазываются при всех оборотах и нагрузках двигателя и имеют относительно высокий расход масла и другие проблемы, возникающие в результате избыточного количества смазки в зонах сгорания двигателя, таких, как образование углерода и чрезмерные выбросы от сжигания масла.
  2. Для преодоления проблемы различий в температурах между различными областями корпуса и боковых и промежуточных пластин, а также связанных с ними неравновесных температурных дилатаций, тепловая труба используется для транспортировки нагретого газа от горячей к холодной части двигателя. «Тепловые трубы» эффективно направляют горячий выхлопной газ на более холодные части двигателя, что приводит к снижению эффективности и производительности.
  3. Медленное горение. Сжигание топлива происходит медленно, поскольку камера сгорания длинная, тонкая и движущаяся. Движение пламени происходит почти исключительно в направлении движения ротора, и завершается тушением, которое является основным источником несгоревших углеводородов при высоких оборотах. Задняя сторона камеры сгорания, естественно, создаёт «сжатый поток», который препятствует достижению пламени к задней кромке камеры. Впрыск топлива, при котором оно поступает к передней кромке камеры сгорания, может минимизировать количество несгоревшего горючего в выхлопе.
  4. Плохая экономия топлива. Это связано с утечками уплотнений и формой камеры сгорания. Это приводит к плохому сгоранию и среднему эффективному давлению при частичной нагрузке, малой скорости вращения. В соответствии с требованиями, предъявляемыми по выбросам, иногда требуется соотношение топлива и воздуха, которое не способствует хорошей экономии топлива. Ускорение и замедление в средних условиях движения также влияют на экономию топлива. Однако работа двигателя с постоянной скоростью и нагрузкой исключает избыточный расход топлива.
Читать еще:  Электрические подогреватели двигателя как поставить

Таким образом, у этого вида двигателя есть свои недостатки и преимущества.

Устройство автомобиля –
«Конец истории?»

Автомобили с роторно-поршневыми двигателями впору заносить в Красную книгу: в 2011 году закончился выпуск последней в этом ряду модели Mazda RX-8. А ведь полвека назад за подобными моторами видели будущее – большая литровая мощность, высокие обороты, компактные размеры… Что же пошло не так?

Заглянув под капот роторного автомобиля впервые, недоумеваешь: а мотор-то где? Сквозь дебри навесных агрегатов виднеется лишь непонятный цилиндр. По своей конструкции роторно-поршневой двигатель (РПД) и вправду кардинально отличается от привычных нам поршневых моторов, хотя в обоих случаях осуществляется один и тот же четырехтактный цикл – впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Разница лишь в том, что у роторного двигателя нет ни поршней с шатунами, ни системы газораспределения. Вместо них – треугольный ротор, совершающий сложное планетарное движение.

Плюсы и минусы

Вращаясь одновременно вокруг собственной оси и вокруг центральной шестерни, ротор своими вершинами описывает хитрую поверхность корпуса, образуя три отдельные камеры сгорания. Объем каждой из них, ограниченный корпусом и гранью ротора, за один оборот меняется от максимального к минимальному четыре раза, позволяя реализовать четырехтактный цикл. Функции же газораспределения осуществляются путем перекрывания впускных и выпускных окон самим ротором – подобно двухтактным поршневым моторам. И никаких распредвалов, клапанов и цепей! Отсюда и поразительная компактность роторных агрегатов: при сопоставимой мощности они оказываются примерно вдвое короче и настолько же легче поршневых, упрощая задачу компоновки автомобиля.

Не доставляют проблем и вибрации – единственная центробежная сила уравновешивается двумя противовесами на валу. Вспышки, правда, происходят не часто: поскольку выходной вал вращается в три раза быстрее ротора, то одному обороту вала соответствует одна вспышка или один рабочий ход, что эквивалентно двухцилиндровому поршневому двигателю. Но двухсекционные РПД, то есть фактически сдвоенные моторы, работающие на общий вал, имеют уже две вспышки на оборот, как четырехцилиндровый двигатель. При этом пульсации крутящего момента оказываются даже меньше, поскольку рабочий ход у РПД длится в течение 270° поворота вала против 180° у поршневого. В результате по плавности работы двухсекционный мотор близок к рядной «шестерке».

А вот с мощностью все уже не так однозначно. Конструкция РПД позволяет добиться отличного наполнения камер сгорания: на торцевой или боковой поверхности можно разместить сразу несколько впускных окон, снижая общее сопротивление впускного тракта – в моторе Mazda RX-8 таких окон аж пять штук на секцию! Причем открываются они очень быстро, что способствует проявлению эффекта динамического напора, дополнительно улучшающего наполнение на определенных оборотах.

Две стороны медали

Роторные двигатели часто нахваливают за хорошую за оборотистость – та же Mazda RX-8 способна загонять стрелку тахометра к 9000 об/мин. Однако мало кто вспоминает, что с такой скоростью вращается лишь выходной вал, а сам ротор крутится в три раза медленнее – всего 3000 об/мин. В поршневом же двигателе на каждый оборот коленвала приходится движение поршней вверх-вниз, а потому даже привычные 6000–7000 об/мин оказываются гораздо большим достижением, нежели 9000 об/мин роторного мотора.

Однако сам процесс сгорания протекает крайне плохо. Сильно вытянутая серповидная камера обладает значительными потерями тепла и не обеспечивает полного сгорания топлива по краям. Частично улучшить воспламенение помогает установка двух свечей зажигания, но за это приходится расплачиваться повышенным прорывом газов в соседнюю камеру в момент пересечения торцом ротора свечных отверстий. Иными словами, роторный мотор способен втянуть большое количество топливно-воздушной смеси, но эффективно извлечь из нее полезную энергию не может.

Одни головоломки

Получается, что за счет отличного наполнения РПД оказывается все-таки сопоставим по литровой мощности с поршневым мотором, одновременно сильно уступая ему в экономичности. Тем не менее в равенство литровой мощности поначалу трудно поверить. Какой поршневой агрегат сравнится c ротором Mazda RX-8, выдающим 230 л.с. с двух секций общим объемом 1,3 л.? Это же 176 «лошадей» с литра!

Так-то оно так, но нужно помнить, что за один оборот вала роторный двигатель отрабатывает весь рабочий объем, а поршневой – только половину, причем и тот и другой способны выдать за этот оборот полную мощность. Таким образом, при сравнении удельной мощности объем поршневого двигателя справедливо делить на два. Возьмем, например, Nissan 350Z – одного из конкурентов RX-8. Его 300-сильный V6 имеет объем 3,5 л, то есть 1,75 л на одном обороте и 171 «лошадку» с литра. Практически как у RX-8! При этом, несмотря на 30-процентное преимущество в мощности и чуть более тяжелый кузов, он расходует столько же топлива в смешанном цикле, сколько и RX-8.

Пытаясь как-то снизить расход топлива в роторе, инженеры пробовали применить непосредственный впрыск, но неудачная форма камеры сгорания мешала организовать вихревое смесеобразование, лишая возможности работы на обедненной смеси. Задумывались и о дизельном топливе, но успеха это направление тоже не принесло: слишком велики нагрузки на ротор, да и уплотнение рабочих камер организовать труднее, ведь степень сжатия должна быть почти в два раза больше.

А уплотнения и без того, отдельная головная боль. Если в поршневом двигателе кольца всегда находятся под одним и тем же углом к поверхности трения, то в роторном рабочий угол радиальных пластин постоянно меняется. Меняется и усилие их прижима к поверхности корпуса – оно определяется центробежной силой, а потому сильно зависит от оборотов. А как организовать их смазку? Только впрыскиванием масла в рабочую камеру подобно двухтактным поршневым моторам. Но это влечет значительный расход масла на угар (около 1 л на 1000 км) и повышает риск закоксовывания уплотнений. Достаточно сказать, что именно из-за того, что оказалось невозможно хорошо герметизировать рабочие камеры, было отброшено множество других более замысловатых роторных конструкций, обладавших рядом преимуществ. В привычном же нам РПД задачу удалось до некоторой степени решить, хотя уплотнения все же остаются слабым местом мотора.

Автора!

Создателем известного нам РПД принято считать Феликса Ванкеля, однако сам он предлагал несколько иную конструкцию: в его двигателе ротор и корпус вращались вокруг неподвижного вала. Такая схема упрощала работу уплотнительных соединений камер сгорания и не требовала противовесов для уравновешивания, хотя при этом возникали огромные проблемы с подводом впускных и выпускных каналов, а также с передачей напряжения на вращающие свечи. Поэтому в серию пошел РПД, предложенный Вальтером Фройде, в то время как Ванкель сосредоточился на исследованиях механических уплотнений.

Читать еще:  Двигатель awm расход топлива

Проблемы доставляет и очень неравномерный нагрев корпуса. Это в поршневом двигателе вспышки чередуются по цилиндрам, а после рабочего хода камера охлаждается на такте впуска. В роторном же вспышки происходят только в одной части двигателя, причем происходят постоянно, в то время как противоположная часть непрерывно охлаждается всасываемым воздухом. Такой перепад температур деформирует картер двигателя, заставляя еще на этапе проектирования учитывать это отклонение формы в процессе прогрева. Разумеется, все это не способствует лучшей работе уплотнительных соединений и долговечности материалов. В итоге преимущества конструктивной простоты РПД нивелируются его малым ресурсом – пробег до капремонта редко превышает 100 тыс. км.

Окончательным же приговором роторным двигателям стала экология. Низкая экономичность означает большие выбросы CO2, а неоптимальный процесс сгорания повышает уровни токсичных соединений, к которым подмешиваются еще и продукты горения масла. И все это на фоне повального стремления к экологической чистоте, на что автопроизводители расходуют огромные средства. В результате даже Mazda, потратившая немало усилий на раскрутку роторной идеологии, была вынуждена от нее отказаться.

Конец истории? Видимо, да. Но окончательно прощаться с роторными моторами все же рано: пускай им уже и не занять основное место под капотом, они вполне могут быть востребованы в качестве резервного генератора для подзарядки батарей электромобиля. Впрочем, все ДВС со временем ожидает та же участь.

Роторно-поршневой двигатель

Ро́торный дви́гатель (РД, РДВС, двигатель Ва́нкеля) — роторный двигатель внутреннего сгорания, конструкция которого разработана в 1957 году инженером компании NSU Вальтером Фройде. Ему же принадлежала идея этой конструкции. Двигатель разрабатывался в соавторстве с Феликсом Ванкелем, работавшим над другой конструкцией роторно-поршневого двигателя [1] .

Особенность двигателя — применение трёхгранного ротора (поршня), имеющего вид треугольника Рёло, вращающегося внутри цилиндра специального профиля, поверхность которого выполнена по эпитрохоиде (возможны и другие формы ротора и цилиндра [2] ).

Содержание

  • 1 Конструкция
    • 1.1 Рабочий цикл
  • 2 Преимущества и недостатки
  • 3 Применение
    • 3.1 Современное состояние
  • 4 Авиационные двигатели
  • 5 См. также
  • 6 Примечания
  • 7 Литература
  • 8 Ссылки

Конструкция [ | ]

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 радиальных уплотнений.

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 четырёхтактного 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 двухтактного поршневого двигателя. За один оборот ротора эксцентриковый вал выполняет 3 оборота и 3 рабочих хода, 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.

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.

Автомобили с РПД потребляют от 7 до 20 литров топлива на 100 км, в зависимости от режима движения, масла — от 0,4 л до 1 л на 1000 км.

Рабочий цикл [ | ]

Двигатель Ванкеля использует четырёхтактный цикл:

  • такт A: Топливно-воздушная смесь через впускное окно поступает в камеру двигателя
  • такт B: Ротор вращается и сжимает смесь, смесь воспламеняется электрической искрой
  • такт C: Продукты горения давят на поверхность ротора, передавая усилия на цилиндрический эксцентрик
  • такт D: Вращающийся ротор вытесняет отработанные газы в выпускное окно.

Несмотря на схожесть цикла, динамика сгорания топливно-воздушной смеси в роторно-поршневом двигателе (РПД) сильно отличается от традиционного поршневого двигателя.

В поршневом двигателе (ПД) топливно-воздушный заряд, проходя в цилиндр через клапан на стадии впуска, приобретает высокую турбулентность, которая возрастает с ростом числа оборотов коленчатого вала, что благоприятно сказывается на полноте сгорания смеси. В РПД турбулентность ниже и в момент воспламенения, основной заряд смеси впереди по вращению ротора быстро сгорает, в то время как задняя часть рабочей полости остается не сгоревшей и выбрасывается в атмосферу. Этим объясняется в 6 — 8 раз более высокий процент выбросов в атмосферу несгоревших углеводородов, по сравнению с поршневыми двигателями.

Ещё одним отличием рабочего цикла РПД от рабочего цикла ПД является сдвиг момента максимального выделения тепла в камере сгорания на линию расширения после прохождения верхней мертвой точки. Поэтому максимальные температуры цикла, при одинаковой степени сжатия, у РПД ниже, а в фазе выпуска температура отработавших газов на 200—250 °С выше чем у поршневых двигателей. Это термодинамически невыгодно и приводит к дополнительному снижению КПД, но в то же время по этой причине выброс окиси азота у РПД на 20 % ниже, а при одинаковых степенях сжатия, РПД способен работать без детонации на топливе с октановым числом на 15 единиц меньше чем поршневой двигатель.

Устранение недостатков РПД добиваются усложнением систем впрыска, созданием расслоения топливно-воздушной смеси в камере сгорания и т. п. [3]

Преимущества и недостатки [ | ]

Преимущества перед поршневыми двигателями:

  • низкий уровень вибраций: двигатель полностью механически уравновешен, что позволяет повысить комфортность лёгких транспортных средств типа микроавтомобилей, мотокаров и юникаров;
  • высокие 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);
  • высокая удельная мощность (л. с./кг) в силу того, что:
  • масса движущихся частей в РПД гораздо меньше, чем в аналогичных по мощности поршневых двигателях, так как в его конструкции отсутствуют коленчатый вал и шатуны;
  • однороторный двигатель выдаёт мощность в течение трёх четвертей каждого оборота выходного вала. В отличие от 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 число деталей (два-три десятка вместо нескольких сотен).

За счёт отсутствия преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное двигатель Ванкеля способен выдерживать гораздо большие обороты 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.

  • Соединение ротора с выходным валом через эксцентриковый механизм, являясь характерной особенностью РПД, 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.
  • 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.
  • 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 которого пропорциональна четвёртой степени температуры; с точки зрения снижения удельной поверхности и за счёт этого потерь теплоты идеальная форма камеры сгорания — сферическая. Лучистая энергия не только бесполезно покидает камеру сгорания, но и приводит к перегреву рабочего цилиндра.
  • Меньшая экономичность на низких оборотах по сравнению с поршневыми ДВС. Устраняется отключением работы каждого n-го поршня, что также 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.
Читать еще:  Гидроподушка двигателя что это

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. Ro 80 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 L4 «Essex» фирмы Ford.

Citroën также экспериментировал с РПД — проект Citroën M35.

После этого серийное и мелкосерийное производство роторно-поршневых двигателей Ванкеля производились только фирмами Mazda (Япония) и ВАЗ (СССР) [4] .

Современное состояние [ | ]

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, сотрудника Пермского моторостроительного завода 19, авиационного инженера Валентина Валентиновича 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. [5] 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 самолётах (опытные образцы испытывались в разных странах с 1950-х годов), он не нашёл широкого применения в авиации. В настоящее время (2011) двигатель Ванкеля устанавливается на некоторые модели мотопланеров Schleicher.

В 2019 году российские учёные из Центрального института авиационного моторостроения им. П. И. Баранова и Фонда перспективных исследований решили эту проблему, создав РПД на основе материалов нового поколения — интеркерамоматричных и металлокерамоматричных композитов. Согласно результатам испытаний, износ этих элементов пренебрежительно мал. Все они сохранили свою работоспособность, подтвердив возможность и перспективность применения композиционных материалов для изготовления наиболее нагруженных и проблемных элементов РПД. В новом отечественном двигателе применена также специально разработанная для РПД система турбонаддува с охлаждением воздуха и новая система управления. [6]

Перспективный роторно-поршневой двигатель для авиации на основе материалов нового поколения

В Центральном институте авиационного моторостроения им. П.И. Баранова (ЦИАМ) совместно с Фондом перспективных исследований создали роторно-поршневой двигатель (РПД) на основе материалов нового поколения — интеркерамоматричных и металлокерамоматричных композитов.
ЦИАМ входит в НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского».

Новый двигатель разработан на основе материалов нового поколения — интеркерамоматричных и металлокерамоматричных композитов. модель РПД по мощности в два раза превышает все подобные устройства. Двигатель можно устанавливать на уже существующие самолёты малой авиации и БЛА без модернизации конструкции.

Преимущества роторно-поршневого двигателя перед классическими авиационными двигателями — это высокая удельная мощность и небольшие габариты.

Основные сферы применения таких двигателей — беспилотные летательные аппараты и легкомоторная авиация. Также благодаря своим особенностям и заложенному в конструкцию принципу унифицированности они могут применяться в робототехнических платформах различного назначения и в составе генераторов гибридных силовых установок.

На данный момент демонстраторы двигателя проходят серию испытаний. В ходе последних «горячих» тестов двигатель устойчиво работал на протяжении четырех часов, а ресурсные испытания показали пренебрежительно малый износ композитных деталей. Что касается мощности двигателя, то полученные результаты уже превосходят запланированные техническим заданием параметры примерно на 20% и вдвое превосходят показатели разрабатывавшихся ранее в России аналогичных силовых установок.

Особенность разработки заключается в том, что эти современные композиционные материалы были применены в различных элементах двигателя, а исследования показали, что износ таких деталей пренебрежительно мал, и есть возможность и перспективность применения композиционных материалов для изготовления наиболее нагруженных и проблемных элементов РПД.

РПД был изобретен ещё в 1950-х годах. Он весит в полтора-два раза меньше, чем обычный поршневой двигатель с такой же мощностью — это его преимущество. А недостатком является быстрая изнашиваемость в силу особенностей конструкции. Теперь этот недостаток устранён.

Помимо применения композитов, в новой модели использованы и другие инновационные технические решения. В частности, в двигателе есть специально разработанная для РПД система турбонаддува с охлаждением воздуха. Это благотворно влияет на долговечность и надёжность устройства. Часть элементов системы турбонаддува изготовлена с помощью технологий 3D-печати с применением отечественного сырья. Также практически с нуля разработана электронная система управления двигателем.

Несомненное преимущество роторного двигателя перед поршневым в размерах — он в два-три раза компактнее. Но вот что не удалось пока добиться инженерам — это снизить расход топлива по сравнению с обычным поршневым двигателем такой же мощности. По сообщению разработчиков, удельный расход топлива на созданном РПД не превышает 295 г на 1 кВт вырабатываемой мощности. У лучших современных поршневых двигателей примерно той же мощности расход топлива составляет 200 г на 1 кВт.

В конце февраля 2019 года опытный образец РПД успешно прошёл испытания по определению технических характеристик. По мнению разработчиков, создание отечественного РПД с высоким ресурсом и надёжностью может послужить серьёзным стимулом для развития в России авиации общего назначения и содействовать восстановлению отечественного двигателестроительного сектора.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector