Размещено на http://www.allbest.ru/

Роторно-поршневые двигатели

1. Общие сведения

Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания (двигатель Вамнкеля), 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.

Принцип работы роторно-поршневого мотора (РПД) полностью аналогичен обычному четырехтактному двигателю, в котором попеременно происходят процессы впуск-сжатие-рабочий ход-выпуск. Только в изобретении Ванкеля они реализуются совсем по-другому.

Традиционного кривошипно-шатунного механизма, а значит - цилиндров и поршней, в РПД нет. Их заменяет похожий на треугольник ротор - «дельтроид» (сделанный в виде треугольника Рело), который вращается в статоре особой сложной формы, касаясь его своими вершинами.

Таким образом, в корпусе мотора образуются три полости переменного объема. В них собственно и происходят все рабочие процессы при вращении ротора. Причем он выполняет еще и роль газораспределительного механизма, открывая и закрывая собой каналы, по которым в двигатель в нужный момент подаются топливо и воздух, а также отводятся выхлопные газы.

Рабочая смесь в РПД поджигается обычной свечой зажигания. При этом энергия сгоревшего бензина передается через ротор и зубчатую передачу на эксцентриковый вал, проходящий сквозь весь двигатель. Таким образом, инженеры могут навесить на него сколько угодно таких секций, получая мотор необходимого объема и мощности.

2. Принцип работы

1) Впуск (всасывание)

2) Сжатие - сжатие рабочей смеси начинается после перекрытия вершиной ротора впускного окна и заканчивается при достижении минимального объема. Процесс сжатия характеризуется несколько большими утечками рабочего тела через уплотнения ротора, чем в поршневом двигателе, и меньшей теплоотдачей в стенки. Сжатие смеси соответствует примерно 80 угла поворота ротора. В конце процесса сжатия в течении времени, соответствующего примерно 10 угла поворота ротора, одновременно с уменьшением объема полости происходит первая фаза сгорания смеси.

3) Работа

- сгорание - процесс сгорания в роторно-поршневых двигателях начинается за 10-15 угла поворота ротора до момента достижения минимального объема камеры сгорания. Воспламенение смеси производится одной или двумя свечами зажигания. В случае одной свечи зажигания ее устанавливают в части камеры сгорания, расположенной ближе к выпускным окнам двигателя. Фронт пламени движется навстречу потоку смеси, вытесняемой из уменьшающейся части камеры сгорания. При использовании двух свечей зажигания одну из них устанавливают в одной части камеры сгорания, а другую - в другой.

- расширение - когда сгорание в основном закончилось, начинается расширение рабочего тела. Период расширение рабочего тела. Период расширения газов соответствует примерно 90 угла поворота ротора. Затем открывается выпускное окно и во время поворота ротора примерно 20 происходит свободный выпуск газов.

4) Выпуск (выхлоп) - выпуск газов можно разбить на четыре периода:

первый - от момента открытия выпускного окна до достижения максимального объема полости;

второй - принудительный выпуск, протекает при уменьшающемся объеме полости до момента открытия впускного окна (примерно 60 угла поворота ротора);

третий - выпуск, совмещенный с предварением впуска, происходит при уменьшающемся объеме полости, но при наличии продувки;

четвертый - окончание выпуска, совмещен со свободным выпуском из следующей полости (продолжительность этого периода соответствует примерно 10 угла поворота ротора). Общая продолжительность процесса выпуска около 120 угла поворота ротора.

3. Преимущество

Преимущества перед обычными бензиновыми двигателями

1) низкий уровень вибраций. Роторно-поршневой двигатель полностью механически уравновешен, что позволяет повысить комфортность лёгких транспортных средств типа микроавтомобилей, мотокаров и юникаров;

2) 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 двигателя внутреннего сгорания.

3) Высокая удельная мощность (л.с./кг), причины:

1) 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.

2) К тому же однороторный двигатель выдаёт мощность в течение трёх четвертей каждого оборота выходного вала. В отличие от одноцилиндрового поршневого двигателя, который выдаёт мощность только в течение одной четверти каждого оборота выходного вала.

4) меньшие в 1,5-2 раза габаритные размеры.

5) меньшее на 35-40% число деталей

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

4. Недостатки

1) 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.

2) 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.

3) Наиболее важной проблемой считается состояние уплотнителей. Площадь пятна контакта очень невелика, а перепад давления очень высокий. Следствием этого, неразрешимого для двигателей Ванкеля, противоречия являются высокие утечки между отдельными камерами и, как следствие, падение коэффициента полезного действия и токсичность выхлопа.

4) Проблема быстрого износа уплотнителей на высокой скорости вращения вала была решена применением высоколегированной стали.

5) 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.

6) Высокие требования к исполнению 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.

7) При всех преимуществах (высокая удельная мощность, простота устройства, несложный ремонт при правильной эксплуатации).

роторный двигатель поршневой бензиновый

5. Применение

Двигатель разрабатывался изначально именно для применения на автотранспорте. Первый серийный автомобиль с роторным двигателем - немецкий спорткар NSU Spider.

Первый массовый (37 204 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; 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 относительно малоизвестен. На многих сохранившихся автомобилях оригинальный двигатель заменён на поршневой V4 «Essex» фирмы Ford.

Citroлn также экспериментировал с РПД - проект Citroлn M35.

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

6. 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 гораздо меньше места в моторном отсеке. Следующая модель двигателя Renesis 2 16X имеет объём 1,6 литра, и большую мощность, меньше нагревается.

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.

7. Авиационные двигатели

В начале 50-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, созданных для лёгкой авиационной техники и прошедших успешные испытания в небольшой серии в ДОСААФ. Позднее, в 90-х годах, в Научно-техническом центре ВАЗ были созданы ВАЗ-416, ВАЗ-426, ВАЗ-526.

Размещено на Allbest.ru