Роторно-поршневые двигатели

2

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Владимирский государственный университет»

Кафедра «Тепловые двигатели и энергетические установки»

Реферат по дисциплине «Роторно-поршневые двигатели»

Выполнил:

Ст.Гр. Д-10.Никитин С.А.

Принял:

Лазарев В.М.

Владимир 2009

Содержание

Введение

1. Конструкция

2. Принцип работы

3. Применение

4. Современные двигатели

5. Преимущества, недостатки и их разрешение

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, конструкция которого разработана в 1957 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. Особенность двигателя -- применение трёхгранного ротора (поршня), имеющего вид треугольника Рело, вращающегося внутри цилиндра специального профиля, поверхность которого выполнена по эпитрохоиде. (рисунок 1).

1. 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 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 (экономия составляет около тысячи деталей), а отсутствие сопряжения (картерное пространство, коленвал и шатуны) между отдельными рабочими камерами обеспечивают необычайную компактность и высокую удельную мощность. За один оборот ванкель выполняет три полных рабочих цикла, что эквивалентно работе шестицилиндрового поршневого двигателя.

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

2. Принцип работы

Внутри примерно цилиндрической камеры по сложной траектории движется трехгранный ротор-поршень. Он постоянно разделяет камеру на рабочие зоны, в которых и происходят впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск, при этом роль поршней выполняют три стороны ротора, а на углах ротора установлены уплотнения. Ротор-поршень установлен свободно на эксцентрике вала и соединен с зубчатым колесом с внутренними зубьями, обкатывающимися вокруг неподвижной шестерни с наружными зубьями, ось которой совпадает с осью эксцентрикового вала. Двигатель Ванкеля не обременен деталями, потому отличается высокой мощностью и приемистостью при нажатии педали газа (ротор-поршень заменяет поршень, шатуны и коленвал). К тому же РПД значительно компактней и легче, поэтому, при установке его на автомашину, центр тяжести оказывается значительно ниже, а устойчивость автомобиля - выше. Однако конструкция предопределила и врожденные болезни: уплотнения - грани ротора должны плотно соприкасаться со стенками камеры в условиях высоких температур и значительного давления, - и неполное сгорание топлива в камере (из-за формы последней - плоская и широкая). Все это приводит к высокому расходу топлива и снижению долговечности. В настоящее время РПД активно занимается Мазда и когда-то занимался ВАЗ

1- Ротор вращается по часовой стрелке. Впускной клапан открыт. В этом положении ротора происходит начало первого такта - всасывание горючей смеси (синий цвет) и подача смеси в рабочую камеру цилиндра (стрелка вправо).

2- Размер впускной камеры увеличивается, происходит ее заполнение горючей смесью за счет вакуумного всасывания.

3- Размер впускной камеры приближается к максимуму.

4- Максимальное наполнение впуска, впускной клапан закрывается, левая грань ротора минует впускное отверстие, завершая первый такт.

5 - Ротор перекрыл своей гранью впускное отверстие и начинается второй такт - сжатие (зеленый цвет).

6-7-8- Объем камеры сжатия уменьшается, горючая смесь сжимается все больше.

9- Максимальное сжатие и поджиг рабочей смеси свечами. Т.к. камера со сжатой смесью широкая, то для лучшего поджига (и сгорания) используется две свечи. 10-11-12- Воспламененная рабочая смесь расширяется, толкая поршень - третий такт - рабочий (красный цвет).

13- Открывается выпускной клапан - начало последнего четвертого такта - выпуск отработанных газов (желтый цвет)

14-15-16-17- Выпускная камера уменьшается, выталкивая отработанные газы

18- Максимальный выпуск отработанных газов - окончание рабочего цикла.

Стоит отметить, что за один оборот ротора происходит сразу три рабочих цикла для одного ротора (по одному на грань)! У обычного (шатунно-поршневого) четырехтактного двигателя, как известно, один рабочий цикл для одного поршня происходит за два оборота кривошипно-шатунного механизма.

3. Применение

Двигатель разрабатывался изначально именно для применения на автотранспорте. Первый серийный автомобиль с роторным двигателем -- немецкий спорт кар NSU Wankelspider.

Первый массовый (37 204 экземпляра) -- немецкий седан бизнес- класса NSU Ro80. 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[источник не указан 109 дней]; 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.

4. Современные двигатели

Инженерам фирмы Mazda удалось решить все основные проблемы РПД -- токсичность выхлопа и неэкономичность. По сравнению с двигателями-предшественниками «Renй sis», удалось сократить потребление масла на 50 %, бензина на 40 % и довести выброс вредных окисей до норм, соответствующих Euro IV. Двухцилиндровый двигатель «Rene sis» 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 меньший объём, но большую мощность, меньше нагревается.

Автомобили марки Mazda с буквами RE в наименовании[2] могут использовать в качестве топлива как бензин, так и водород. Это явилось вторым витком роста внимания к РПД со стороны разработчиков. Двигатель успешно может использовать водород, так как менее чувствителен к детонации, чем обычный двигатель, использующий возвратно-поступательное движение поршня.

Автомобили с РПД потребляют от 7 до 20 литров топлива на 100 км, в зависимости от режима движения, и масла от 0,4 л до 1 л на 1000 км (для двигателей Mazda 0,4 -- 0,6 л.). В настоящее время исследование этого типа двигателя активно ведёт японский автоконцерн Mazda, оснащая доработанными моделями роторных двигателей автомобили серии RX.

5. Преимущества, недостатки и их разрешение

Преимущества перед обычными бензиновыми двигателями - низкий уровень вибраций. РПД 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 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 одноцилиндрового поршневого двигателя, который выдаёт мощность только в течение одной четверти каждого оборота выходного вала. (Современный серийный РПД с объёмом рабочей камеры 1300 смі имеет мощность 220 л.с., а с турбокомпрессором -- 350 л.с.)

Меньшие в 1,5--2 раза габаритные размеры.

Меньшее на 35--40 % число деталей.

За счёт отсутствия преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное двигатель способен выдерживать большие обороты 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 и позволяют сделать автомобиль более просторным для водителя и пассажиров.

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.

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.

Проблема быстрого износа уплотнителей на высокой скорости вращения была разрешена применением высоколегированной стали.

При всех преимуществах (высокая удельная мощность, простота устройства, несложный ремонт при правильной эксплуатации), важной проблемой является меньшая экономичность на низких оборотах по сравнению с обычными ДВС. 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.

Высокие требования к точности исполнения деталей делают его сложным в производстве. Оно требует высокотехнологичного и высокоточного оборудования -- станков, способных перемещать инструмент по сложной траектории эпитрохоидальной поверхности камеры объёмного вытеснения.

Заключение

На мой взгляд, массовое использование в настоящее время РПД, по крайней мере, на территории России не несет рационального характера. Поскольку в нашей стране пока невозможно создать такого технического потенциала, как например, в Японии. Ещё одной причиной не использования Роторно-поршневых двигателей это их недостатки, например быстрый износ уплотнителей (следствием этого, неразрешимого для двигателей Ванкеля, противоречия являются высокие утечки между отдельными камерами и, как следствие, падение коэффициента полезного действия и токсичность выхлопа), хотя эта проблема в принципе решена. В РПД есть и свои плюсы, самым весомым является то, что нет возвратно-поступательных движений, что улучшает кпд. И т.д. Моё предпочтение за двс с кривошипно-шатунным механизмом.

Список используемой литературы:

1.) Роторно-поршневой двигатель // Большая советская энциклопедия

2.) Роторно-поршневой двигатель, X-MOTORS PRESS 2006 г.

3.) Журнал Copyright My Corp 2009г.

4.) Книга: Автомобильные роторно-поршневые двигатели. Ханин Н.С., Чистозвонов С.Б. М.: МАШГИЗ . 2003г.

5.) Журнал «Автопилот» г. Владимир 2009 г.

6.) Журнал «QUATTRORUOTE» 2003 г.