Революционный роторно-поршневой двигатель Ванкеля: 9 преимуществ конструкции

Роторно-поршневой двигатель или двигатель Ванкеля представляет собой мотор, где главным рабочим элементом осуществляются планетарные круговые движения. Это принципиально другой вид двигателя, отличный от поршневых собратьев в семействе ДВС.

В конструкции такого агрегата используется ротор (поршень) с тремя гранями, внешне образующим треугольник Рело, осуществляющий круговые движения в цилиндре особого профиля.

Чаще всего поверхность цилиндра исполнена по эпитрохоиде (плоской кривой, полученной точкой, которая жестко связана с окружностью, осуществляющей движение по внешней стороне другой окружности).

На практике можно встретить цилиндр и ротор иных форм.

Составные элементы и принцип работы

Устройство двигателя типа РПД предельно проста и компактна. На ось агрегата устанавливается ротор, который крепко соединяется с шестерней. Последняя сцепляется со статором. Ротор, имеющий три грани, двигается по эпитрохоидальной цилиндрической плоскости. В результате чего сменяющиеся объемы рабочих камер цилиндра отсекаются с помощью трех клапанов.

Уплотнительные пластины (торцевого и радиального типа) прижимаются к цилиндру под действием газа и за счет действия центростремительных сил и ленточных пружин. Получаются 3 изолированные камеры разные по объемным размерам.

Здесь осуществляются процессы сжимания поступившей смеси горючего и воздуха, расширения газов, оказывающих давление на рабочую поверхность ротора и очищающих камеру сгорания от газов. На эксцентриковую ось передается круговое движение ротора. Сама ось находится на подшипниках и передает момент вращения на механизмы трансмиссии.

В этих моторах осуществляется одновременная работа двух механических пар. Одна, которая состоит из шестерен, регулирует движение самого ротора. Другая — преобразует вращающиеся движение поршня во вращающиеся движения эксцентриковой оси.

  • Детали Роторно-поршневого двигателя
  • Революционный роторно-поршневой двигатель Ванкеля: 9 преимуществ конструкции
  •    Принцип работы двигателя Ванкеля
  • На примере двигателей, установленных на автомобилях ВАЗ, можно назвать следующие технические характеристики:
    — 1,308 см3 – рабочий объем камеры РПД;
    — 103 кВт/6000 мин-1 – номинальная мощность;
    — 130 кг масса двигателя;
  • — 125000 км – ресурс двигателя до первого полного его ремонта.

Смесеобразование

В теории в РПД применяют несколько разновидностей смесеобразования: внешнее и внутреннее, на основе жидких, твердых, газообразных видов топлива.

Касательно твердых видов топлива стоит отметить, что их первоначально газифицируют в газогенераторах, так как они приводят к повышенному золообразованию в цилиндрах. Поэтому большее распространение на практике получили газообразные и жидкие топлива.

Сам механизм образования смеси в двигателях Ванкеля будет зависеть от вида применяемого топлива.

При использовании газообразного топлива его смешение с воздухом происходит в специальном отсеке на входе в двигатель. Горючая смесь в цилиндры поступает в готовом виде.

Из жидкого топлива смесь приготавливается следующим образом:

  1. Воздух смешивается с жидким топливом перед поступлением в цилиндры, куда поступает горючая смесь.
  2. В цилиндры двигателя жидкое топливо и воздух поступают по отдельности, и уже внутри цилиндра происходит их смешивание. Рабочая смесь получается при соприкосновении их с остаточными газами.

Соответственно, топливно-воздушная смесь может готовиться вне цилиндров или внутри их. От этого идет разделение двигателей с внутренним или внешним образованием смеси.

Особенности РПД

Преимущества

Преимущества двигателей роторно-поршневого типа по сравнению со стандартными бензиновыми двигателями:

— Низкие показатели уровня вибрации.
В моторах типа РПД отсутствует преобразование возвратно-поступательного движения во вращательное, что позволяет агрегату выдержать высокие обороты с меньшими вибрациями.

— Хорошие динамические характеристики.
Благодаря своему устройству такой мотор, установленный в машине, позволяет ее разогнать выше 100 км/ч на высоких оборотах без избыточной нагрузки.

— Хорошие показатели удельной мощности при малой массе.
Из-за отсутствия в конструкции двигателя коленчатого вала и шатунов достигается небольшая масса движущихся частей в РПД.

— В двигателях такого типа практически отсутствует система смазки.
Непосредственно в топливо добавляется масло. Топливно-воздушная смесь сама осуществляет смазывание пар трения.

— Мотор роторно-поршневого типа имеет небольшие габаритные размеры.

Установленный роторно-поршневой мотор позволяет максимально использовать полезное пространство моторного отсека автомобиля, равномерно распределить нагрузку на оси автомашины и лучше рассчитать расположение элементов коробки передач и узлов. Например, четырехтактный двигатель такой же мощности будет в два раза больше роторного двигателя.

Недостатки двигателя Ванкеля

— Качество моторного масла.
При эксплуатации такого типа двигателей необходимо уделять должное внимание к качественному составу масла, применяемого в двигателях Ванкеля.

Ротор и находящаяся внутри камера двигателя имеют большую площадь соприкосновения, соответственно, износ двигателя происходит быстрее, а также такой двигатель постоянно перегревается. Нерегулярная смена масла наносит огромный урон двигателю.

Износ мотора возрастает в разы из-за наличия абразивных частиц в отработанном масле.

— Качество свечей зажигания.
Эксплуатантам таких двигателей приходится быть особо требовательным к качественному составу свечей. В камере сгорания из-за ее небольшого объема, протяженной формы и высокой температуры затруднен процесс зажигания смеси. Следствием является повышенная рабочая температура и периодическая детонация камеры сгорания.

— Материалы уплотнительных элементов.
Существенной недоработкой мотора типа РПД можно назвать ненадежную организацию уплотнений промежутков между камерой, где сгорает топливо, и ротором. Устройство ротора такого мотора достаточно сложное, поэтому уплотнения требуются и по граням ротора, и по боковой поверхности, имеющей соприкосновение с крышками двигателя.

Поверхности, которые подвергаются трению, необходимо постоянно смазывать, что выливается в повышенный расход масла. Практика показывает, что мотор типа РПД может потребить от 400 гр до 1 кг масла на каждые 1000 км.

Снижаются экологичные показатели работы двигателя, так как горючее сгорает вместе с маслом, в результате в окружающую среду выбрасывается большое количество вредных веществ.

Из-за своих недоработок такие моторы не получили широкого распространения в автомобилестроении и в изготовлении мотоциклов. Но на базе РПД изготавливаются компрессоры и насосы.

Авиамоделисты часто используют такие двигатели для конструирования своих моделей. Из-за невысоких требований к экономичности и надежности конструкторы не применяют сложную систему уплотнений в таких моторах, что значительно снижает его себестоимость.

Простота его конструкции позволяет без проблем встроить в авиамодель.

Кпд роторно-поршневой конструкции

Не смотря на ряд недоработок, проведенные исследования показали, что общий КПД двигателя Ванкеля довольно-таки высокий по современным меркам. Его значение составляет 40 – 45%.

Для сравнения, у поршневых двигателей внутреннего сгорания КПД составляет 25%, у современных турбодизелей – около 40%. Самый высокий КПД у поршневых дизельных двигателей составляет 50%.

До настоящего времени ученые продолжают работу по изысканию резервов для повышения КПД двигателей.

Итоговый КПД работы мотора состоит из трех основных частей:

  1. Топливная эффективность (показатель, характеризующий рациональное использование горючего в моторе).

Исследования в этой области показывают, что только 75% горючего сгорает в полном объеме. Есть мнение, что данная проблема решается путем разделения процессов сгорания и расширения газов.

Необходимо предусмотреть обустройство специальных камер при оптимальных условиях.

Горение должно происходить в замкнутом объеме, при условии нарастания температурных показателей и давления, расширительный процесс должен происходить при невысоких показателях температур.

  1. КПД механический (характеризует работу, результатом которой стало образование переданного потребителю крутящего момента главной оси).

Порядка 10% работы мотора расходуется на приведение в движение вспомогательных узлов и механизмов. Исправить данную недоработку можно путем внесения изменений в устройство двигателя: когда главный движущийся рабочий элемент не прикасается к неподвижному корпусу. Постоянное плечо крутящего момента должно присутствовать на всем пути следования основного рабочего элемента.

  1. Термическая эффективность (показатель, отражающий количество тепловой энергии, образованной от сжигания горючего, преобразующейся в полезную работу).

На практике 65% полученной тепловой энергии улетучивается с отработанными газами во внешнюю среду.

Ряд исследований показал, что можно добиться повышения показателей термической эффективности в том случае, когда конструкция мотора позволяла бы осуществлять сгорание горючего в теплоизолированной камере, чтобы с самого начала достигались максимальные показатели температуры, а в конце эта температура понижалась до минимальных значений путем включения паровой фазы.

Революционный роторно-поршневой двигатель Ванкеля: 9 преимуществ конструкции

Современное состояние роторно-поршневого двигателя

На пути массового применения двигателя встали значительные технические трудности:
— отработка качественного рабочего процесса в камере неблагоприятной формы;
— обеспечение герметичности уплотнения рабочих объемов;
— проектировка и создания конструкции корпусных деталей, которые надежно прослужат весь жизненный цикл работы двигателя без коробления при неравномерном нагрева этих деталей.

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.

Первый массовый автомобиль NSU Spider с РПД начала выпускать фирма NSU Motorenwerke.

Вследствие частых переборок двигателей из-за выше сказанных технических проблем на раннем этапе развития конструкции двигателя Ванкеля, взятые NSU гарантийные обязательства привели ее к финансовому краху и банкротству и последовавшему слиянию с Audi в 1969 году.

Между 1964 и 1967 годом произведено 2375 автомобилей. В 1967 году Spider был снят с производства и заменён на NSU Ro80 с роторным двигателем второго поколения; за десять лет производства Ro80 выпущено 37398 машин.

Читайте также:  Как самому установить тахометр на мотоцикл

Революционный роторно-поршневой двигатель Ванкеля: 9 преимуществ конструкции

Наиболее успешно с данными проблемами справились инженеры фирмы Mazda. Она и остается единственным массовым производителем машин с роторно-поршневыми двигателями. Доработанный мотор серийно начался ставить на автомобиль Mazda RX-7 с 1978 года. С 2003 преемственность приняла модель Mazda RX-8, она и является на данный момент массовой и единственной версией автомобиля с двигателем Ванкеля.

Революционный роторно-поршневой двигатель Ванкеля: 9 преимуществ конструкции

Российские РПД

Первое упоминание о роторном двигателе в Советском Союзе относится к 60-м годам. Исследовательские работы по роторно-поршневым двигателям начались в 1961 году, соответствующим постановлением Минавтопрома и Минсельхозмаша СССР. Промышленное же изучение с дальнейшем выводом на производство данной конструкции началось в 1974 году на ВАЗе.

специально для этого было создано Специальное конструкторское бюро роторно-поршневых двигателей (СКБ РПД). Поскольку лицензию купить не было возможности, был разобран и скопирован серийный «ванкель» от NSU Ro80. На этой основе разработали и собрали двигатель Ваз-311, а произошло это знаменательное событие в 1976 году.

На ВАЗе разрабатывали целую линейку РПД от 40 до 200 сильных двигателей. Доработка конструкции тянулась почти шесть лет. Удалось решить целый ряд технических проблем связанные с работоспособностью газовых и маслосъемных уплотнений, подшипников, отладить эффективный рабочий процесс в камере неблагоприятной формы.

Свой первый серийный автомобиль ВАЗ с роторным двигателем под капотом представил публике в 1982 году, это был Ваз-21018. Машина внешне и конструктивно была как и все модели данной линейки, за одним исключением, а именно, под капотом стоял односекционный роторный двигатель мощностью 70 л.с.

Длительность разработки не помешала случиться конфузу: на всех 50 опытных машинах при эксплуатации возникли поломки мотора, заставившие завод установить на его место обычный поршневой.

Революционный роторно-поршневой двигатель Ванкеля: 9 преимуществ конструкции

Ваз 21018 с Роторно-поршневым двигателем

Установив, что причиной неполадок являлись вибрации механизмов и ненадёжность уплотнений, конструкторы предприняли спасти проект. Уже в 83-ем появились двухсекционные Ваз-411 и Ваз-413 (мощностью, соответственно, 120 и 140 л.с.).

Несмотря на низкую экономичность и малый ресурс, сфера применения роторного двигателя всё-таки нашлась – ГАИ, КГБ и МВД требовались мощные и незаметные машины. Оснащённые роторными двигателями «Жигули» и «Волги» легко догоняли иномарки.

С 80-ых годов 20 века СКБ был увлечён новой темой – применение роторных двигателей в смежной отрасли — авиационной. Отход от основной отрасли применения РПД привело к тому, что для переднеприводных машин роторный двигатель Ваз-414 создаётся лишь к 1992 году, да ещё три года доводится.

В 1995 году Ваз-415 был представлен к сертификации. В отличие от предшественников он универсален, и может устанавливаться под капотом как заднеприводных («классика» и ГАЗ), так и переднеприводных машин (ВАЗ, Москвич). Двухсекционный «Ванкель» имеет рабочий объём 1308 см3 и развивает мощность 135 л.с. при 6000об/мин.

«Девяносто девятую» он ускоряет до сотни за 9 секунд.

  1. Революционный роторно-поршневой двигатель Ванкеля: 9 преимуществ конструкции
  2. Роторно-поршневой двигатель ВАЗ-414
  3. На данный момент проект по разработке и внедрения отечественного РПД заморожен.
  4. Ниже представлено видео устройства и работы двигателя Ванкеля.

Устройство автомобилей



Поршневой двигатель внутреннего сгорания занял прочные позиции под капотом подавляющего большинства автомобилей и другой самоходной техники. Этому способствовала простота преобразования теплоты в механическую работу, а также достаточно высокий КПД по сравнению с другими тепловыми двигателями.

Тем не менее, конструкция с классическим кривошипно-шатунным механизмом и поршнем, совершающим во время работы возвратно-поступательные движения, не лишена серьезных недостатков.

Одним таких недостатков является высокая инерционная нагрузка на детали, обусловленная именно характером движения поршня (или поршней), имеющих знакопеременные скорости и ускорения, что при даже небольшой массе поршня приводит к появлению значительных сил инерции, и, как следствие, к повышенной вибрации двигателя во время работы и необходимости его уравновешивания.

Кроме этого, поршневой ДВС нуждается в сложной системе газообмена, которая решается применением газораспределительного механизма (ГРМ), существенно усложняющего конструкцию двигателя.

Поэтому конструкторы во всем мире продолжают поиск оригинальных решений для конструкций ДВС, пытаясь избавиться от недостатков поршневого двигателя.

В середине прошлого века инженеры немецкой компании NSU Motorenwerke AG (NSU) Вальтер Фройде и Феликс Ванкель вплотную занялись разработкой уникальной конструкции теплового двигателя, в котором поршень во время работы совершал бы не возвратно-поступательное, а вращательное движение.

Если верить историкам, автором идеи являлся Феликс Ванкель, который в еще в далекой молодости задумался о замене поршня на ротор, но приступить к реализации своих замыслов из-за финансовых трудностей он смог лишь в зрелые годы.

Биография Феликса Ванкеля

Феликс Ванкель (нем. Felix Heinrich Wankel) родился в 1902 году в германском городке Лар.

Детство и молодость Ванкеля были нелегкими – его отец погиб в Первую Мировую войну, и у Феликса не было средств не только на учебу в ВУЗе, но даже на обучение какой-либо рабочей специальности.

Но любовь к технике и природный ум позволили юному изобретателю самостоятельно освоить грамотность и даже углубленно изучить многие технические дисциплины.

Революционный роторно-поршневой двигатель Ванкеля: 9 преимуществ конструкции

Идея конструкции роторно-поршневого двигателя (РПД) пришла к Ванкелю еще в 22 года (а по одной из легенд 17-летний Ванкель увидел РПД во сне), но для ее реализации нужны были исследования, опытные разработки и, конечно же, финансы.

Свой двигатель Ванкель назвал «машиной с вращающимися поршнями» и 1936 году получил на нее патент, а также приглашение от компании BMW перебраться в Баварию, в город Линдау, чтобы заняться разработкой авиационных моторов в условиях хорошо оснащенной лаборатории.

Мечты начинали сбываться, однако через несколько лет работа над двигателем была прервана войной.

Тем не менее, еще до начала войны Ванкель построил несколько рабочих прототипов роторно-поршневого двигателя, однако изобретатель никак не мог определиться с оптимальной формой ротора и внутренней поверхности статора.

Экспериментируя с эллипсовидными и овальными формами, он не мог добиться нужной степени уплотнения между ротором и камерой сгорания.

По-видимому, сказывались недостатки образования, полученного в молодые годы, особенно скупость познаний в математике и геометрии.

В 1942 году лаборатория Ванкеля в Линдау была распущена, а сам изобретатель был переведен на работу в конструкторское бюро DVL, занимавшееся разработкой моторов для военной авиации и быстроходных катеров.

В последние годы войны Ванкель тесно сотрудничал со специалистами японской компании Hitachi, благодаря чему в Японии было выпущено несколько моделей скоростных истребителей. Судьба довоенных и военных разработок Ванкеля неизвестна.

По одной из версий все документы, касающиеся разработок и исследований лаборатории Ванкеля, были вывезены во Францию в качестве репарационного трофея после победы над фашистской Германией.

После войны в 1951 году роторно-поршневым двигателем заинтересовалась компания «Гётце» (Goetze), которая выделила средства на восстановление частной лаборатории Ванкеля в Линдау. В том же году Феликс Ванкель возобновил разработку РПД. Главным заказчиком Ванкеля стала немецкая компания NSU, производившая мотоциклы и автомобили.

Безуспешные поиски оптимальной формы ротора и статора продолжались бы долго, если бы не помощь вдохновленного идеями РПД инженера компании NSU Вальтера Фройде. Именно он в 1957 году нашел оптимальное сочетание формы ротора и камеры сгорания.

Тем не менее, изобретателем роторно-поршневого двигателя справедливо считается Феликс Ванкель – ведь именно ему принадлежит сама идея РПД, над которой он упорно работал долгие годы.

И двигатель, конструкции которого Ванкель посвятил практически всю свою сознательную жизнь, по праву носит его имя.

В 1958 году компания NSU выпустила первый в мире автомобиль с РПД, но конструкция была «сырой» и нуждалась в дальнейшей доработке.

После того, как в 1969 году компания NSU перешла под контроль концерна Volkswagen, Феликс Ванкель продолжил работу в своем центре в Линдау над совершенствованием РПД по заказам японской компании Toyo Kogyo, позднее сменившей имя на Mazda, и советской компании «ВАЗ». Феликс Ванкель работал над конструкцией роторно-поршневого двигателя до самой смерти. Он умер 9 октября 1988 года в Хайдельберге в возрасте 86 лет.

Любопытно, но Феликс Ванкель никогда в жизни не садился за руль автомобиля. С раннего детства него было очень слабое зрение. Известно также, что он старался избегать математических расчетов, полагаясь на интуицию. Здесь, очевидно, сказывается и недостаток образования, полученного в юности. Тем не менее, этот факт лишь подчеркивает уникальный природный талант изобретателя.

Читайте также:  Как часто нужно производить замену

***



Конструкция двигателя Ванкеля

Конструкция роторно-поршневого двигателя не отличается высокой сложностью. На эксцентриковом валу установлен ротор треугольной формы (треугольник Рёло), каждая из граней которого имеет форму выпуклой дуги.

Революционный роторно-поршневой двигатель Ванкеля: 9 преимуществ конструкции

Треугольник Рёло ограничивает площадь, образуемую при пересечении трёх кругов одинакового диаметра с центрами в вершинах правильного треугольника и радиусами, равными стороне этого треугольника (см. рисунок).

Стороны такого треугольника, по сути, являются дугами окружностей одинакового диаметра.

Как геометрическая фигура, треугольник Рёло обладает рядом уникальных свойств, которые и используются в технике — на его основе были созданы кулачковые и грейферные механизмы, роторно-поршневой двигатель Ванкеля, и даже станки, позволяющие сверлить (фрезеровать) квадратные отверстия.

Название фигуры происходит от фамилии немецкого механика Франца Рёло, исследовавшего ее свойства и использовавшего этот криволинейный треугольник в своих механизмах.

Ротор вращается по принципу планетарного механизма вокруг центральной оси внутри неподвижного статора. Вершины треугольника при этом описывают сложную кривую, именуемую эпитрохоидой.

Каждая из трех вершин ротора скользит по внутренней поверхности статора, имеющей форму эпитрохоиды, при этом серповидные полости (камеры) между ротором и статором постоянно изменяются, последовательно увеличиваясь и уменьшаясь в объеме.

Эпитрохоидой называют плоскую кривую, образуемую точкой окружности, которая без скольжения перекатывается по наружной стороне другой окружности.

Для изоляции камер друг от друга используются специальные уплотнители — радиальные и торцевые подпружиненные пластины, называемые «апексами».

Газораспределение в двигателе Ванкеля осуществляется через специальные окна – впускное и выпускное, т. е. конструкция не нуждается в сложном клапанном механизме ГРМ, как у четырехтактного поршневого двигателя.

Рабочий цикл двигателя Ванкеля можно разложить на следующие такты:

  • всасывание топливовоздушной смеси через впускное окно благодаря образованию разрежения в пространстве между ротором и статором. Может применяться впуск чистого воздуха с последующим впрыском топлива форсункой;
  • сжатие смеси благодаря уменьшению объема между вращающимся ротором и статором, после чего смесь воспламеняется электрической искрой свечи зажигания;
  • рабочий ход совершается благодаря высокому давлению продуктов горения на одну из криволинейных стенок ротора в камере сгорания, при этом ротор вращается и передает усилие на цилиндрический эксцентрик выходного вала;
  • выпуск — пространство между статором и вращающимся ротором уменьшается в объеме, и отработанные газы вытесняются через выпускное окно.

Революционный роторно-поршневой двигатель Ванкеля: 9 преимуществ конструкции

Преимущества и недостатки двигателя Ванкеля

Перед поршневыми двигателями роторно-поршневой двигатель Ванкеля имеет ряд существенных преимуществ:

  • хорошая механическая уравновешенность, низкий уровень вибрации;
  • относительно нешумная работа;
  • высокие динамические характеристики и уравновешенность позволяют очень быстро раскрутить вал двигателя до высоких оборотов;
  • высокая удельная мощность благодаря малой массе, поскольку конструкция не содержит промежуточных паразитических элементов, в т. ч. для уравновешивания (шатуны, коленчатый вал, массивный маховик);
  • меньшие габаритные размеры;
  • меньшее число деталей и относительно простая конструкция.

К основным недостаткам двигателя Ванкеля можно отнести следующее:

  • высокое давление между трущимися поверхностями приводит к интенсивному износу и нагреву двигателя, поэтому возникает потребность в частой замене уплотнителей и контроле над качеством и количеством моторного масла;
  • относительно небольшой ресурс из-за интенсивного износа основных деталей;
  • следствием износа уплотнителей являются высокие утечки между камерами и, как следствие, снижение динамики, падение КПД и увеличение токсичности выхлопа;
  • меньшая экономичность по сравнению с поршневыми двигателями классической конструкции. Автомобили с РПД потребляют от 7 до 20 литров топлива на 100 км, в зависимости от режима движения, моторного масла — от 0,4 л до 1 л на 1000 км.
  • высокие требования к геометрической точности изготовления деталей двигателя делают его сложным в производстве.

Первые роторные двигатели, устанавливавшиеся на автомобили, не произвели фурора среди потребителей. Особенно сильно по «репутации» РПД ударил топливный кризис 1973-74 года, когда цены на бензин резко взлетели, и покупатели машин стали прицениваться к моделям с экономным расходованием топлива.

Роторно-поршневой двигатель расходовал до 20 литров бензина на сотню километров пробега, поэтому неудивительно, что продажи автомобилей с РПД во время кризиса упали до предела.

Единственной автомобильной компанией, не отказавшейся от «затеи» с роторно-поршневым двигателем, оказалась японская Mazda, где РПД использовался в различных моделях вплоть до 2012 года. Революционный роторно-поршневой двигатель Ванкеля: 9 преимуществ конструкции Достаточно долгое время автомобили с роторно-поршневыми двигателями выпускались и на советском ВАЗе (в СССР понятия «топливный кризис» не существовало).

Особенности эксплуатации роторно-поршневого двигателя

Роторно-поршневой двигатель требует особого ухода по сравнению с классическим поршневым ДВС. РПД боится перегревов, боится масляного «голодания», и чувствителен к качеству топлива.

Расход масла РПД существенно выше, чем у исправного поршневого ДВС, поэтому необходимо внимательно следить за его уровнем в смазочной системе.

Даже небольшой масляный «голод», способен вывести двигатель в капитальный ремонт или даже в утиль.

Для удаления нагара, образуемого на стенках статора, следует регулярно (но непродолжительно) форсировать двигатель (давать высокие обороты). Так же, нужно контролировать состояние масляных форсунок.

Признаки скорого отказа двигателя Ванкеля связаны чаще всего с износом рабочих поверхностей и уплотнителей, что обычно диагностируется заметным снижением компрессии. К таким признакам можно отнести неустойчивую работу на холостом ходу, и затрудненный пуск горячего двигателя.

Применение РПД в технике

Двигатель разрабатывался изначально именно для применения на автотранспорте. Первый серийный автомобиль с роторным двигателем — немецкий спорткар NSU Spider, первый автомобиль серийного производства — немецкий седан бизнес-класса NSU Ro 80.

К сожалению, ресурс двигателя Ванкеля на этих автомобилях оказался крайне малым (ремонт требовался уже после пробега порядка 50 тыс. км), поэтому первые автомобили, оснащенные РПД, заслужили плохую репутацию и даже скандальную известность.

Тем не менее, определенные и явные достоинства двигателей Ванкеля привлекали внимание конструкторов и инженеров, пытавшихся усовершенствовать конструкцию технически и технологически.

Наиболее настойчивыми и удачливыми оказались инженеры компании Mazda, создавшие роторно-поршневые двигатели серии «Renesis», которые оказались достаточно экономичными и экологичными по сравнению с немецкими предшественниками. Японским конструкторам удалось значительно сократить потребление масла и бензина, а также довести выброс вредных веществ до норм, соответствующих Euro IV.

Революционный роторно-поршневой двигатель Ванкеля: 9 преимуществ конструкции

Автомобили марки Mazda с индексом «RE» в наименовании (первые буквы от названия «Renesis») могут использовать в качестве топлива как бензин, так и водород (РПД менее чувствителен к детонации, чем поршневой двигатель). Это явилось очередным витком роста внимания к РПД со стороны разработчиков.

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 с использованием металло-керамических композитов.

Согласно результатам испытаний, износ этих элементов значительно ниже, чем у аналогичных металлических. Это подтвердило возможность и перспективность применения композиционных материалов для изготовления наиболее нагруженных и проблемных элементов конструкции РПД.

В новом отечественном двигателе применена также специально разработанная для РПД система турбонаддува с охлаждением воздуха и новая система управления.

  • Каковы дальнейшие перспективы использования двигателя Ванкеля в автомобилестроении – покажет время.
  • ***
  • Уравновешивание двигателя



Главная страница

Дистанционное образование

  • Группа ТО-81
  • Группа М-81
  • Группа ТО-71

Специальности

Учебные дисциплины

Олимпиады и тесты

Роторно-поршневой двигатель Ванкеля: 9 преимуществ и 4 недостатка

  • 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.
  • Революционный роторно-поршневой двигатель Ванкеля: 9 преимуществ конструкции

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.

Дополнительно рекомендуем прочитать статью нашего специалиста, в которой рассказывается о том, как работает двигатель внешнего сгорания.

Революционный роторно-поршневой двигатель Ванкеля: 9 преимуществ конструкции

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.

Читайте также:  Как выбрать сетку для багажника автомобиля

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.

Революционный роторно-поршневой двигатель Ванкеля: 9 преимуществ конструкции

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.

Среди сплавов, предназначенных для использования в Ванкеле, используются A-132, Inconel 625 и 356 с твердостью Т6. Для покрытия рабочей поверхности корпуса используется несколько высокопрочных материалов. Для вала предпочтительны стальные сплавы с малой деформацией при нагрузке, для этого предложено использование массивной стали.

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.

ДВС Ванкеля значительно легче и проще, с гораздо меньшим количеством движущихся частей, чем поршневые двигатели эквивалентной выходной мощности. Поскольку ротор перемещается непосредственно на большой подшипник на выходном валу, нет шатунов и коленчатого вала. Устранение возвратно-поступательной силы и наиболее сильно нагруженных и разрушаемых деталей обеспечивает высокую надёжность Wankel.

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.

Революционный роторно-поршневой двигатель Ванкеля: 9 преимуществ конструкции

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.

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

Загрузка…

Оставьте комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *