Роторно-поршневий двигун.

Роторно-поршневой двигатель.
Роторно-поршневий двигун.
Роторно-поршневий двигун внутрішнього згоряння (РПД, двигун Ванкеля), конструкція якого розроблена в 1957 році інженером компанії NSU Вальтером Фройде, йому ж належала ідея цієї конструкції. Двигун розроблявся у співавторстві з Феліксом Ванкелем, які працювали над іншою конструкцією роторно-поршневого двигуна.
Особливість двигуна — застосування тригранного ротора (поршня), має вигляд трикутника Рело, що обертається усередині циліндра спеціального профілю, поверхня якого виконана за епітрохоіде (можливі й інші форми ротора і циліндра).
Конструкція.
Встановлений на валу ротор жорстко з'єднаний з зубчастим колесом, яке входить в зачеплення з нерухомою шестернею — статором. Діаметр ротора набагато перевищує діаметр статора, незважаючи на це ротор з зубчастим колесом обкатується навколо шестерні. Кожна з вершин тригранного ротора здійснює рух по эпитрохоидальной поверхні циліндра і відсікають змінні обсяги камер в циліндрі за допомогою трьох клапанів.
Така конструкція дозволяє здійснити будь-4-тактний цикл Дизеля, Стірлінга або Отто без застосування спеціального механізму газорозподілу. Герметизація камер забезпечується радіальними і торцевими поверхнями пластинами, прижимаемыми до циліндра відцентровими силами, тиском газу і стрічковими пружинами. Відсутність механізму газорозподілу робить двигун значно простіше чотиритактного поршневого (економія складає близько тисячі деталей), а відсутність сполучення (простір картера, колінвал і шатуни) між окремими робочими камерами забезпечують надзвичайну компактність і високу питому потужність За один оборот ексцентрикового вала двигун виконує один робочий цикл, що еквівалентно роботі двоциліндрового поршневого двигуна. За один оберт ротора ексцентриковий вал виконує 3 обороту і 3 повних робочих ходу, що призводить до помилкових порівнянь роторного двигуна з шестициліндровим поршневим двигуном.
Сумішоутворення, запалювання, змащення, охолодження, запуск принципово такі ж, як і у звичайного поршневого двигуна внутрішнього згоряння.
Практичне застосування отримали двигуни з тригранними роторами, з відношенням радіусів шестерні і зубчастого колеса: R:r = 2:3, які встановлюють на автомобілях, човнах тощо
Автомобілі з РПД споживають від 7 до 20 літрів палива на 100 км, в залежності від режиму руху, масла — від 0,4 л до 1 л на 1000 км.
Переваги і недоліки.
Переваги перед звичайними бензиновими двигунами
-Низький рівень вібрацій. Роторно-поршневий двигун повністю механічно урівноважений, що дозволяє підвищити комфортність легких транспортних засобів типу мікроавтомобілів, мотокаров і юникаров;
-Головною перевагою роторно-поршневого двигуна є відмінні динамічні характеристики: на низькій передачі можливо без зайвого навантаження на двигун розігнати машину вище 100 км/год на більш високих обертах двигуна (8000 об/хв і більше), ніж у разі конструкції звичайного поршневого двигуна внутрішнього згоряння.
-Висока питома потужність(к. с./кг), причини:
1.Маса рухомих частин в РПД набагато менше, ніж у аналогічних за потужністю «нормальних» поршневих двигунах, так як в його конструкції відсутні колінчастий вал і шатуни.
2.До того ж однороторний двигун видає потужність протягом трьох чвертей кожного обороту вихідного валу. На відміну від «нормального» чотиритактного поршневого двигуна, який видає потужність тільки протягом однієї чверті кожного обороту вихідного валу (сучасний серійний РПД з об'ємом робочої камери 1300 см3 має потужність 220 л. с., а з турбокомпресором — 350 к. с.).
-Менші в 1,5-2 рази габаритні розміри.
-Менше на порядок (два-три десятки замість кількох сотень) число деталей
За рахунок відсутності перетворення зворотно-поступального руху в обертальний, двигун Ванкеля здатний витримувати набагато більші обороти, і з меншими вібраціями, порівняно з традиційними двигунами. Роторно-поршневі двигуни володіють більш високою потужністю при невеликому об'ємі камери згоряння, сама ж конструкція двигуна порівняно мала і містить менше деталей. Невеликі розміри покращують керованість, полегшують оптимальне розташування трансмісії (развесовка) і дозволяють зробити автомобіль більш просторим для водія і пасажирів.
Недоліки:
-З'єднання ротора з вихідним валом через ексцентриковий механізм, будучи характерною особливістю РПД Ванкеля, викликає тиск між тертьовими поверхнями, що в поєднанні з високою температурою призводить до додаткового зносу і нагрівання двигуна.
У зв'язку з цим виникає підвищена вимога до періодичної заміни масла. При правильній експлуатації періодично проводиться капітальний ремонт, що включає в себе заміну ущільнювачів. Ресурс при правильній експлуатації досить великий, але не замінене вчасно масло неминуче призводить до незворотних наслідків, і двигун виходить з ладу.
-Найбільш важливою проблемою вважається стан ущільнювачів. Площа плями контакту дуже невелика, а перепад тиску дуже високий. Наслідком зносу ущільнювачів є високі витоку між камерами і, як наслідок, падіння ККД і токсичність вихлопу.
Проблема швидкого зносу ущільнювачів на високій швидкості обертання вала була вирішена застосуванням високолегованої сталі.
-Іншою особливістю двигунів Ванкеля є його схильність до перегріву. Камера згоряння має линзовидную форму, тобто при малому обсязі у неї відносно велика площа. При температурі горіння робочої суміші основні втрати енергії йдуть через випромінювання. Інтенсивність випромінювання пропорційна четвертого ступеня температури, таким чином ідеальна форма камери згоряння — сферична. Промениста енергія не тільки марно залишає камеру згоряння, але й призводить до перегріву робочого циліндра. Ці втрати не тільки знижують ефективність перетворення хімічної енергії в механічну, але і викликають проблеми з запалюванням робочої суміші, тому в конструкції двигуна часто передбачають 2 свічки.
-Менша економічність на низьких обертах порівняно із звичайними ДВС. Устраняемо відключенням роботи кожного n поршня, що так само тягне зниження температурної навантаження.
-Високі вимоги до геометричної точності виготовлення деталей двигуна роблять його складним у виробництві — потрібне застосування високотехнологічного та високоточного обладнання: верстатів, здатних переміщати інструмент по складній траєкторії эпитрохоидальной поверхні камери об'ємного витіснення.
Застосування.
Двигун спочатку розроблявся для застосування на автотранспорті. Перший серійний автомобіль з роторним двигуном — німецький спорткар NSU Spider.
Перший масовий (37204 примірника) — німецький седан бізнес-класу NSU Ro 80. Автомобіль мав досить інновацій і крім двигуна, зокрема, кузов з рекордно низьким аеродинамічним опором, напівавтоматичну коробку передач з гідротрансформатором, блок-фари, і так далі. Ro80 відрізнялася не тільки унікальною конструкцією, але і передовим дизайном, який виявився незрозумілий публіці середини шістдесятих (див. NSU Ro 80); через десять років саме він був покладений в основу стилю моделей «Ауді» 100 і 200 покоління C2.
На жаль, ресурс двигуна виявився дуже малий (ремонт потрібен вже після пробігу близько 50 тис. км), тому автомобіль заслужив погану репутацію і став скандально відомий. На багатьох збережених автомобілях оригінальний двигун замінений на поршневий V4 «Essex» фірми Ford.
Citroën також експериментував з РПД — проект Citroën M35.
Після цього серійне і дрібносерійне виробництво роторно-поршневих двигунів Ванкеля вироблялися тільки фірмами Mazda (Японія) і ВАЗ (Росія).
Сучасний стан.
Інженерам фірми Mazda, створив роторно-поршневий двигун Renesis» (похідне від слів (англ. Rotary Engine:роторний двигун і Genesis:процес становлення, назва говорить про появу нового класу двигунів), вдалося вирішити основні проблеми таких двигунів — токсичність вихлопу і неекономічність. У порівнянні з двигунами-попередниками, вдалося скоротити витрату масла на 50 %, бензину на 40 % і довести викид шкідливих оксидів до норм, відповідних Euro IV. Двокамерний двигун Renesis» обсягом 1,3 л видає потужність в 250 л. с. і займає небагато місця в моторному відсіку. Наступна модель двигуна Renesis 2 16X має об'єм 1,6 літра, і при більшій потужності, нагрівається менше.
Автомобілі марки Mazda з буквами RE найменування (перші літери від назви «Renesis») можуть використовувати в якості палива як бензин, так і водень (так як менш чутливий до детонації, ніж звичайний двигун, що використовує зворотно-поступальний рух поршня). Це стало другим витком зростання уваги до РПД з боку розробників.
09:01
5
RSS