Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания
- Статья опубликована 26.06.2014 06:22
- Последняя правка произведена 26.06.2014 06:29
Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания (двигатель Ванкеля, РПДВС) был сконструирован в 1957 году инженером Вальтером Фройде, который, совместно с Феликсом Ванкелем, работал над его разработкой. Основное отличие конструкции РПДВС от других ДВС – использование трехгранного, вращающегося внутри цилиндра, поверхность которого составляет эпитрохоида, поршня.
Конструкция.
Ротор, установленный на валу, жестко закреплен с зубчатым колесом, которое зацепляется со статором – неподвижной шестерней. Размер ротора в диаметре значительно больше, чем статора, но это не мешает ротору свободно обкатываться вокруг шестерни, поскольку шлицы ротора и статора одинаковые. Все три вершины граней движутся по эпитрохоидальной поверхности цилиндра, отсекая определенные объемы камер в цилиндре при помощи трех клапанов.
Благодаря данной конструкции двигателя, становится возможным осуществление любого четырехтактного цикла, не применяя дополнительного механизма распределения газа (т.е. около тысячи лишних деталей), что делает двигатель очень компактным, а также повышает КПД. Герметизация камер происходит за счет прижимания центробежными силами, ленточными пружинами и давлением газа радиальных и торцевых уплотнительных пластин. За один оборот двигателя совершается три полных рабочих цикла, что сопоставимо с одним оборотом шестицилиндрового поршневого двигателя.
В остальном (запуск, зажигание, охлаждение, смазка) двигатель Ванкеля не отличается от поршневых ДВС.
Цикл двигателя Ванкеля: впуск (голубой), сжатие (зелёный), рабочий ход (красный), выпуск (жёлтый).
На практике используются только те двигатели, в которых отношение радиуса шестерни и зубчатого колеса: 2:3. Их устанавливают на автомобили, моторные лодки и другие средства передвижения.
Основные преимущества и недостатки:
Преимущества:
Уменьшенная вибрация. Поскольку РПД идеально механически сбалансирован (нет надобности в преобразовании возвратно-поступательного движения во вращательное), то автомобили, оснащенные им, гораздо более комфортные, что заметно проявляется в малолитражках и микроавтомобилях.
Динамика. РПД значительно динамичнее, нежели поршневые. Даже на низкой передаче и высоких оборотах (свыше 8000 об/мин), можно легко, не нагружая двигатель, разогнать автомобиль до 100 км/ч.
Высокая удельная мощность (л.с./кг). Ввиду отсутствия коленчатого вала и шатунов, масса ротора в РПД значительно меньше, чем в "обычных" поршневых двигателях. Габариты двигателя меньше в 1.5-2 раза, а общее количество деталей меньше на 35-40%. Все это способствует увеличению удельной мощности двигателя. Кроме того, в РПД мощность вырабатывается в течении ¾ ей каждого оборота выходного вала, а в одноцилиндровых поршневых двигателях только в период ¼ ти оборота выходного вала.
Недостатки:
Быстрая изнашиваемость деталей. Соединение ротора и выходного вала в РПД особенное, оно осуществляется посредством эксцентрикового механизма, что вызывает давление между контактирующими поверхностями, которое, в купе с высокой температурой, приводит к скоропостижному износу деталей. Из-за этого, особое внимание следует уделять периодической замене масла. Даже при бережной и правильной эксплуатации, необходимо регулярно производить капитальный ремонт, в первую очередь для замены уплотнителей. Ресурс двигателя достаточно велик, однако, если не производить своевременную замену масла, то он быстро выйдет из строя.
От состояния уплотнителя зависит КПД двигателя Ванкеля, ведь площадь пятна контакта слишком маленькая, а перепады давления высокие. Если уплотнитель в плохом состоянии, то будут происходить утечки между отдельными камерами, что поведет к снижению коэффициента полезного действия и увеличению токсичности выхлопа.
Проблему быстрой изнашиваемости уплотнителей решили, применив вместо обычной стали – высоколегированную.
Низкая экономичность. На малых оборотах двигателя, РПД потребляет значительно больше топлива, нежели "обычные" поршневые.
Склонность к перегреву. Камера сгорания двигателя Ванкеля – линзовидной формы, т.е. при малом объеме у нее относительно большая площадь, что приводит к потерям энергии за счет излучения. Излученная энергия перегревает рабочий цилиндр, тем самым, эффективность преобразования химической энергии в механическую падает, а также появляются проблемы с воспламенением рабочей смеси. Из-за чего, конструкция двигателя предусматривает две свечи зажигания.
Сложность производства. По причине высоких требований к исполнению деталей, двигатели Ванкеля сложны в производстве. Необходимо высокотехнологичное оборудование, способное воспроизводить движение инструмента по сложной траектории поверхности камеры объемного вытеснения (эпитрохоида).
Применение.
Подразумевалось, что в основном, двигатель будет использоваться на автотранспорте, и первым серийным автомобилем, который был оснащен двигателем Ванкеля, стал спорткар из Германии NSU Wankelspider.
NSU Ro 80 – первый массовый (37 204 экз.) немецкий седан бизнес-класса. В машине, помимо двигателя Ванкеля, было много инноваций – это и кузов, с минимальным аэродинамическим сопротивлением, и полуавтоматическая коробка передач с гидротрансформатором, и блок-фары, также не обошлось и без передового дизайна. Через десять лет именно такой дизайн кузова был основополагающим стиля моделей "Ауди" 100 и 200 поколения С2. Автомобиль NSO Ro 80 заслужил плохую репутацию из-за малого ресурса двигателя, уже через 50 тыс. км. ему требовался ремонт. На некоторых, сохранившихся автомобилях, РПД заменен на "фордовский" двигатель V4 "Essex".
С двигателями Ванкеля экспериментировала и Citroën – проект Citroën M35.
Позднее, серийным и мелкосерийным производством двигателей Ванкеля занимались только ВАЗ (Россия) и Mazda (Япония).
Современные разработки.
В нынешнее время над РПД активно работают инженеры Mazda. Сейчас им уже удалось решить основные проблемы Ванкелевского двигателя: токсичность и неэкономичность. Потребление масла снизилось на 50%, а бензина на 40%. Двигатель соответствует экологическому стандарту Euro IV. Двигатель "Renesis" (если перевести дословно, то – процесс становления роторного двигателя), при объеме 1.3 л. имеет мощность 250 л.с.. Последующая модель – "Renesis 2 16x" с объемом 1.6. литра, значительно мощнее своего предшественника, а также меньше нагревается.
Новые модели фирмы Mazda, с префиксом RE в названии, способны, в качестве топлива, использовать как бензин, так и водород, что не могло не заинтересовать сторонних разработчиков.
Расход топлива в РПД двигателях составляет от 7 до 20 литров на 100 км (зависит от многих факторов: дорога, загруженность и др.), а масла от 0.4 до 1 л на 1000 км. Как показывает опыт, усовершенствованный РПД Mazd`ы вполне конкурентоспособен.