Avtoargon.ru

АвтоАргон
2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Роторный двигатель Ванкеля

Роторный двигатель Ванкеля

Редкий год обходится в автомобильном мире без сенсаций. То вдруг один компоновочный принцип получает статистическое превосходство над другим, то появляется диковинной формы кузов, то наносит удар конкурентам «сверхкомфортабельный» автомобиль, то, наоборот, теснит соперников на рынке «сверхдешевый». Но есть одна проблема, которая все время владеет умами конструкторов заводов и фирм — это наделавший много шума тринадцать лет назад роторный двигатель. Между тем он почти так же стар, как и его поршневой собрат. Еще в 1799 году, спустя лишь тридцать лет после появления паровой поршневой машины, англичанин Д. Мардок построил первый паровой роторный двигатель шестеренчатого типа.

В двадцатом веке немало изобретателей пыталось создать роторный двигатель внутреннего сгорания. Было зарегистрировано свыше 30 тысяч патентов на изобретения в этой области. Однако из-за несовершенства уплотнений между роторами и корпусом все попытки оказались безуспешными.

Создателем работоспособного двигателя такого типа стал Феликс Ванкель. Он в течение многих лет в исследовательском институте занимался изучением разного типа уплотнений, работающих в условиях высоких давлений и температур. Немецкому изобретателю удалось найти верное решение идеи роторного двигателя. Первые патенты Ванкель получил в 1929 году. Через пять лет, совместно с фирмой БМВ, он построил экспериментальный мотор, оказавшийся, однако, далеким от совершенства. Свои исследования Ванкель продолжил после войны, когда стал сотрудничать с заводом НСУ. Много времени ушло на теоретические разработки, изучение и выбор наивыгоднейших параметров. Первый работоспособный мотор был построен в феврале 1957 года. И лишь семь лет спустя завод начал мелкосерийное производство автомобилей «НСУ-Спайдер» с роторным двигателем («За рулем», 1965, № 12). Позже был развернут серийный выпуск других моделей с «ванкелями»: НСУ-Ро80 («За рулем», 1968, № 4), «Мазда-110С космо спорт» («За рулем», 1970, № 2), «Мазда-Р100» и совсем недавно «Ситроен-М35» («За рулем», 1970, № 6).

Как работает роторный двигатель?

Его основная деталь, трехгранный ротор, вращается на игольчатом или скользящем подшипнике, установленном между ротором и эксцентриком, который составляет одно целое с валом мотора. К ротору прикреплена шестерня, а к боковой крышке картера двигателя — неподвижная шестерня, отношение зубьев которых равно 3:2. Таким образом, при вращении вала ротор не только движется вместе с ним, но и поворачивается относительно оси эксцентрика (как сателлит относительно оси водила в планетарном механизме). Благодаря этому при вращении обеспечивается постоянный контакт ребер ротора со
стенками рабочей полости корпуса. Ее конфигурация выбрана и выполнена таким образом, чтобы объем, ограниченный стенками рабочей полости, стенкой и двумя ребрами ротора, при вращении вала циклически изменялся. Рабочая смесь, всасываемая в эту постоянно меняющуюся по объему камеру через впускной клапан, последовательно сжимается, воспламеняется одной или двумя свечами, расширяется, поворачивает ротор, совершая работу, и выходит в атмосферу через выпускной канал. Для герметизации камер грани роторов снабжены уплотнителями.

Ротор вращается втрое медленнее вала. За полный оборот ротора совершается три рабочих такта — каждая из трех камер успевает пройти мимо свечи, которая воспламеняет сжатую в камере смесь. Следовательно, у «ванкеля» три рабочих такта совершаются за три оборота его вала, и по равномерности работы этот двигатель подобен одноцилиндровому двухтактному или двухцилиндровому четырехтактному.

Рабочий объем одной камеры представляет собой разность между ее максимальным и минимальным объемами, а степень сжатия выражается их отношением. У мотора «НСУ-Спайдер», например, эти величины составляют 497,5 см3 и 8,5.

Поршневой четырехтактный одноцилиндровый двигатель за два оборота коленчатого вала сжигает количество горючей смеси, равное рабочему объему цилиндра. Роторный же за два оборота сжигает вдвое больше смеси. Поэтому условились считать его рабочий объем равнозначным двойному объему камеры. Таким образом, «НСУ-Спайдер» можно сравнивать по этому параметру с 995-кубовым поршневым двигателем.

Достоинства роторного двигателя.

Прежде всего, он очень компактен. Так, мотор японского автомобиля «Мазда-110С космо спорт» при мощности 110 л. с. имеет длину 508 мм, ширину 594 мм, высоту 537 мм и весит 102 кг. Столь небольшие габариты позволили установить его в моторном отсеке автомобиля «Мазда-Р100», где мог бы разместиться поршневой двигатель лишь вдвое меньшего литража и мощности.

В сравнении с поршневыми роторные двигатели менее металлоемки и, следовательно, имеют меньший удельный вес. Важным, но не решающим, правда, преимуществом этих моторов является их хорошая уравновешенность. Двухроторный НСУ-Ро80 с эксцентриками вала, размещенными под углом 180 градусов, равноценен четырехтактному четырехцилиндровому поршневому двигателю. В последнее время появились и трехроторные конструкции, например, «Мерседес-Бенц-К111» («За рулем», 1970, № 1), имеющие еще более совершенную уравновешенность. На женевской выставке этого года демонстрировался экспериментальный спортивный автомобиль «Мерседес-Бенц» с четырехроторным мотором (4800 см3, 350 л. с. при 7000 об/мин), весящим 180 кг.

Автомобиль «Мазда-Р100» с роторным двигателем имеет классическую компоновку (в то время как НСУ-Ро80 и «Ситроен-М35» выполнены с передними ведущими колесами).

Однако рано говорить о том, что приход «ванкелей» должен поставить крест на поршневых конструкциях.

Минусы роторных двигателей.

Минусы роторных моторов еще довольно существенны, и это препятствует их широкому распространению. Поскольку распределение в них осуществляется кромкой ротора, неизбежен частичный выброс свежей смеси в выпускное окно. Велика утечка смеси из одной камеры в другую и при прохождении кромки ротора над углублением в рабочей полости для свечи. Наконец, вызываемая силами инерции вибрация уплотнительных пластин и прижимающих их пружин также способствует нежелательному прорыву сжатой смеси в соседнюю камеру. Все это неизбежно для нынешней конструктивной схемы и в сумме приводит к тому, что автомобиль с роторным двигателем расходует горючего на 20—30 процентов больше, чем равная по мощности, рабочему объему и весу машина с поршневым.

Другим, уже органическим недостатком «ванкеля» является то, что отношение поверхности камеры сгорания к ее объему очень велико. Температура стенок камеры поэтому ниже, чем у поршневого двигателя. Многие углеводороды, входящие в состав топлива, не успевают полностью сгорать, и отработавшие газы содержат больше вредных примесей, чем «выхлоп» поршневого мотора.

Еще один «минус» — роторный двигатель плохо приспосабливается к изменениям нагрузки, у него мал рабочий диапазон чисел оборотов. Правда, против этого недостатка найдена контрмера — карбюратор с двумя последовательно работающими смесительными камерами (диаметр их составляет 18 и 32 мм у НСУ и 21 и 28 мм у «Мазды»).

Характеристики «ванкелей» все еще оставляют желать лучшего. По сравнению с поршневыми двигателями роторные недостаточно гибки в работе. Компенсировать это нежелательное свойства можно усложнением трансмиссии автомобиля. Так, у НСУ-Ро80 и «Мерседес-Бенц-К111» узкий диапазон оборотов (всего лишь около 1000—2000 в минуту) потребовал применения пятиступенчатой и даже автоматической (НСУ-Ро80) коробки передач. Можно улучшить наполнение двигателя смесью на малых оборотах и таким образом расширить диапазон работы ценой уменьшения максимальной мощности. Для этого, так показал опыт, необходимо разместить впускные окна не в стенке корпуса (как у НСУ-Ро80 или «Мерседес-Бенц-К111»), а в боковых крышках («Мазда», «Кертисс-Райт»). Утечка смеси на малых оборотах уменьшается, но одновременно ухудшается наполнение на высоких оборотах.

НСУ-Ро80 и «Мацуда-100С», имеющие степень сжатия 9,2—9,4, работают на бензине с октановым числом соответственно 88 и 91. Масло в двигателе сменяется через 20000 (НСУ-Ро80) и 10000 км («Мазда-100С»), а замена свечей (склонных к замасливанию) необходима через 10 000 км.

Картеры изношенных двигателей не подлежат ремонтной расточке как цилиндры поршневых моторов — их восстанавливают электролитическим способом, нанося слой нового покрытия в специальных мастерских.

Уплотнения, эффективные и надежные, долгое время были проблемой для изобретателей роторных моторов. И сегодня еще этот узел, работающий в очень тяжелых условиях (высокие температура и давление, значительные инерционные нагрузки), доставляет немало хлопот конструкторам. Для смазки деталей уплотнений пришлось впрыскивать масло в карбюратор.

Отложения нагара препятствовали перемещению уплотнительных пластин ротора в пазах.

Много трудностей создавал значительный и вдобавок неравномерный износ самих пластин. Подбором материалов его удалось заметно снизить. Так, завод НСУ, сначала делавший пластины угольными, сейчас склонился в пользу хромистого чугуна, близкого по составу к тому, что идет на поршневые кольца. Подобный материал избрал и завод «Кертисс-Райт» (США). А «Мазда» все же держится угольных пластин.

Внутреннюю полость алюминиевого картера для уменьшения износа покрывают либо твердым хромом («Мазда»), либо слоем карбида вольфрама толщиной 0,23 мм («Кертисс-Райт»). Более редкое покрытие применяет НСУ — слой никеля с пылевидными частицами карбида кремния. Такие дорогие технологические ухищрения все же оправдывают себя — за 100 часов работы износ рабочей полости не превышает 0,007— 0,01 мм.

Сегодня роторные двигатели способны переносить достаточно продолжительно высокие нагрузки. Так, машины «Мазда-Р100» в 1969 году заняли пятое и шестое места на гонках в бельгийском городе Спа. За 24 часа они прошли соответственно 4046 и 3975 км, показав средние скорости 168,6 и 165,5 км/час.

Ротор является наиболее сложной частью двигателя. Чаще всего его делают из чугуна. В нем монтируются самые ответственные детали — уплотнительные пластины, прижимаемые к рабочей поверхности полости ленточными пружинами. Ротор охлаждается изнутри маслом. Для того чтобы уплотнительные пластины изнашивались равномерно, их делают разрезными, а цилиндрические сухарики обеспечивают правильную установку пластины относительно ротора.

Во время работы двигателя ротор непосредственно не соприкасается с внутренней полостью — контакт осуществляется при помощи радиальных и торцовых пластин. Это означает, что двигатель может работать сразу же с полной нагрузкой независимо от приработки деталей.

Читать еще:  Глохнет двигатель горит чек и не заводиться

Исследования в области роторных двигателей ведутся сегодня почти двумя десятками заводов во всем мире. Многие из них купили лицензию у НСУ («Тое Когё», «Даймлер-Бенц», «Кертисс-Райт», «Альфа-Ромео», «Роллс-ройс», МАН, «Янмар», «Сакс», «Перкинс»). Некоторые предприятия, в том числе «Рено» во Франции, научно-исследовательские организации в СССР, Чехословакии, Польше занимаются самостоятельными разработками.

Каковы же перспективы роторных двигателей?

Многие специалисты считают, что они вряд ли смогут «найти широкое применение на мотоциклах, но оптимистически смотрят на использование их в качестве лодочных моторов, переносных силовых агрегатов, двигателей для вертолетов. Что касается установки «ванкелей» на автомобилях, то пока лишь три завода («Тое Когё», НСУ и «Ситроен») отважились на такой шаг, а «Даймлер-Бенц», «Кертисс-Райт» и другие ограничиваются пока опытными образцами.

Объем производства этих машин пока невысок — примерно 15—20 тысяч в год. Однако в нынешнем году японская фирма «Тое Когё» обещала выпустить свыше 100 тысяч автомобилей «Мазда» моделей «110С» и «Р100». Естественно, что с масштабами производства связаны себестоимость и цена автомобиля. В 1969 году НСУ-Ро80 и «Мазда-100С» стоили в продаже на 35—40 процентов дороже равных им по мощности, весу и вместимости легковых машин с поршневыми двигателями. «Мазда-Р100» в Японии (в Европу она пока не ввозится) в полтора—два раза дороже аналогичных машин с поршневым мотором. Однако, по расчетам экономистов, «ванкели» при равных объемах производства с нынешними поршневыми моторами обойдутся в полтора раза дешевле их.

Можно ли сегодня сделать решительный прогноз о дальнейшей судьбе роторного двигателя? Пока он проходит «акклиматизацию» в мире моторов, постепенно изживая «минусы» и наращивая «плюсы». Очевидно, в ближайшие годы о вытеснении поршневого двигателя роторным говорить не приходится.

Революционный роторно-поршневой двигатель Ванкеля: 9 преимуществ конструкции

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.
Читать еще:  В какую сторону крутится двигатель на стиральной машине

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

Как работает двигатель Ванкеля

Паровые машины, как и традиционные ДВС отличаются общим недостатком — возвратно-поступательные движения поршня должны преобразовываться во вращательные движения колес. Это и является причиной низкого КПД, высокого износа основных элементов.

Многие инженеры пытались решить эту проблему, придумав двигатель внутреннего сгорания, все детали которого бы только вращались. Однако изобрести такой агрегат смог механик-самоучка, не окончивший ни высшего, ни даже средне-специального учебного заведения.

Немного истории

В 1957 году малоизвестный механик-изобретатель Феликс Ванкель и ведущий инженер NSU Вальтер Фреде стали первыми, кто решил установить роторно-поршневой мотор на автомобиль. «Подопытным» стал на NSU Prinz. Первоначальная конструкция была далекой от совершенства. К примеру, свечи приходилось менять практически после полной разборки агрегата. К тому же, надежность мотора оставалась под сомнением, а про экономичность можно было не упоминать.

После множества испытаний концерн занялся выпуском машин с традиционным ДВС. Однако первый роторно-поршневой DKM-54 мог продемонстрировать великий потенциал.

Именно так оригинальная разновидность ДВС получил свой шанс на внедрение в производство авто. В дальнейшем он постоянно дорабатывался, однако перспективы роторно-поршневого мотора уже тогда были очевидны. РПД входит в классификацию роторных моторов как один из 5 представителей линейки.

К 80-м годам 20 века роторные двигатели Ванкеля исследовались лишь японской компанией Mazda. Еще к этому мотору проявлял внимание ВАЗ. В СССР бензин стоил достаточно дешево, а такой агрегат имел достаточно большую мощность. Однако к 2004 году производство машин с таким двигателем прекратилось. Япония стала единственной страной, в которой продолжается разработка роторного двигателя.

Есть множество разновидностей роторных агрегатов. Единственное их отличие — поверхность корпуса и число выполненных на роторе граней. Различные компоновки таких моторов применяются в авто- и судостроении.

Достоинства

Двигатель Ванкеля с момента создания имел множество выгодных преимуществ перед поршневыми моторами. Агрегат постоянно дорабатывался,что позволило повысить его экономичность и производительность.

Среди преимуществ”Ванкеля” выступают:

  1. Небольшие габариты и вес. «Ванкель» практически в 2 раза меньшепоршневого ДВС, что положительно сказывается на управляемости машины, способствует оптимальному монтажукоробки передач, позволяет сделать салон намного просторнее.
  2. В сравнении с двухтактным мотором, двигатель Ванкеля имеет гораздо меньше деталей. Это более выгодно с точки зрения ремонта.
  3. Вдвое большая мощность, чем у стандартных ДВС.
  4. Большая плавность работы — отсутствие поступательно-возвратных движений благоприятно сказывается на комфорте езды.
  5. Возможность заправки низкооктановым бензином.

Все элементы мотора вращаются в одну сторону. Это улучшает внутренний баланс агрегата и снижает вибрации. «Ванкель» выдает мощность равномерно и плавно. За время пока ротор оборачивается 1 раз, выходной вал совершает 3 оборота. Каждое сгорание осуществляется за 90 фазу вращение ротора.

Это говорит о том, что роторный двигатель с 1 ротором способен выдавать мощностьза ¾ каждого поворота выходного вала. Двигатель с 1 цилиндром может выдавать мощность лишь за ¼ каждого витка выходного вала.

Недостатки

К недостаткам двигателя относятся непривычность для владельцев и механиков. Такой агрегат требует изменить многие привычки. К примеру, тормозить РПД не получится, а штурм подъемов «внатяг» обречен на неудачу. Компактный мотор обладает малой инерцией, чего не скажешь о массивных поршневых ДВС. При частыхзапусках-выключениях «забрасываются» свечи.Звук мотора некоторые автолюбители также относят к недостаткам.

Более серьезными являются органические изъяны роторно-поршневого агрегата. Во-первых, он обладает увеличенным расходом горючего. Это легко объяснить неоптимальной формой камеры, теряющей тепло через стенки. К тому же, мотор «съедает» достаточно много масла. Срок эксплуатации Ванкеля ниже, чем у стандартного ДВС —роторные уплотнениярегулярно изнашиваются.

Значительная роль отведена жесткости внешней характеристики роторно-поршневого мотора. Для управления машиной с таким двигателем требуется достаточно часто манипулировать рычагом коробки передач. Это объясняется тем, что необходим короткий передаточный ряд и увеличенное количество передач.

Идеальным вариантом является монтаж вариатора. Однако на спорткарах автоматы не приживаются, а для авто семейного типа требуется больше экономичности.

Недостатки РПД схожи с недостатками двухтактных поршневых агрегатов. Интересно, что вылечить это можно одними и теми же способами. Увеличенное потребление топлива сбивается непосредственным впрыском, нехватка эластичности — установкой изменяемых фаз. Это повышает экономичность и управляемость. Также для повышения эластичности меняется конфигурация трубопроводов. Такие изменения и были выполнены на моторе Mazda RX-8.

Как работает

Работает двигатель Ванкеляпо принципу, который достаточно просто объяснить даже несведущему в механике человеку. Агрегат обладает минимумом деталей, что позволяет быстро понять, какие системы задействуются в определенные промежутки времени.

Поршень двигателя в РПД заменяется ротором с 3 гранями, который передает силу давления сгораемых газов на вал эксцентрика.

Статор обладает эпитрохоидальной конфигурацией внутренних поверхностей. Он отличается высокой износостойкостью, поскольку имеет специальное покрытие. В вершинах ротора находятсяуплотнения, а на поверхности статораимеются выемки — они являются своеобразными камерами, в которых происходит сгорание. Вал вращается на специальных подшипниках. Они помещены на корпус. Также валоснащенэксцентриком — на нем и вращается ротор.

Шестерня вмонтирована в корпус. Она сцеплена с шестерней ротора. Взаимное действие этих шестерен создает движение ротора. Это позволяет образовать 3 камеры, которые постоянно изменяют свой объем.

Отношение передач шестерен равно 2:3, что обеспечивает один оборот вала за поворот ротора на 120 градусов. Когда ротор совершает полный оборот,все камерывыполняют четырехтактный цикл. Сгораемые газы действуют на эксцентрик вала через ротор — так возникает крутящий момент.

Между ротором и статором имеется 3 камеры. Впуск происходит, когда одна из вершин ротора начинает пересекать впускное отверстие для впрыска топлива. Объем камеры увеличивается, что заставляет смесь ее заполнить. Следующая вершина закрывает окно. Как и поршень двигателя традиционного исполнения, ротор сдавливает рабочую смесь перед воспламенением.

Она сжимается, при наибольшем сжатии в камере возникает искра. В результате осуществляется рабочий ход. После выпускное окно под давлением отработавших газов открывается, и они покидают камеру.

При одном обороте ротора двигатель совершает 3 цикла — это делает ненужным применение уравновешивающих устройств.

В рабочем процессе есть слабые звенья. Первое — повышенная нагрузка на уплотнения, а второе — избыток динамического перекрытия фаз.Не является оптимальной и конфигурация камеры сгорания. Однако есть и положительный момент — если повышать обороты, скорость распространения факела пламени увеличивается быстрее, чем перетекает топливная смесь.

Это позволяет применять для РПД бензин с пониженным октановым числом. Принцип работы Ванкеля достаточно прост, что в свое время привлекло к изобретению внимание многих производителей авто.

Интересные факты

Не каждый автолюбитель знает, что Ванкель является одним из 5 подтипов в классификации роторных моторов.

Компактность, оборотистость, высокая производительность — не этого ли добиваются практически все производители мотоциклов? Однозначно, это так. Однако роторный мотор в мотомире таки не прижился. Все ставки делаются на классические поршневые двигатели.

Однако в истории производства мотоциклов существовало несколько исключений. К примеру, в 1974 году Hercules выпускает массовую серию Wankel, которые оборудованы двигателем KC-27. Это были роторные агрегаты, которые оснащались воздушным охлаждением. Двигатель имел объем294 куб. см. Мощность агрегатов составляла 25л.с. Для смазки агрегата, масло нужно было самостоятельно заливать в топливный бак.

В начале1980 роторный мотор использовали для оснащения мотоциклов Norton. Несмотря на то, что опытные прототипы таких двигателей появились еще в 1970-х.Инженеры Norton успешно внедрили РПД в спорт. К концу 80-х им не было равных.

Сегодня компания производит 588-кубовую модельдвумя роторами NRV588. Также инженерами Norton ведется разработка 700сс версии, которая называется NRV700. Она представляет собой мощный спортбайк, оснащенный инжекторным 170-сильным двигателем Ванкеля.

Как видно, эпоха роторных моторов еще не наступила. Поршневые системы так и остались лидирующими в сфере авто- и мотостроения. Обладатели байков с роторными двигателями могут образовать лишь небольшой круг фанатов Ванкеля. Возобновившийся интерес к «Ванкелю» компании Norton говорит о скором подъеме разработок и достижений в этой сфере.

Одной из причин, по которым двигатель не производится для оснащения автомобилей и мотоциклов — необходимость точного оборудования при его производстве. Малейший брак становится причиной выхода мотора из строя. Это пока не позволяет роторному агрегату заменить поршневой двигатель даже в узкихотраслях производства.

Читать еще:  Электрическая схема уаз буханка с инжекторным двигателем

Принцип работы роторного двигателя: плюсы и минусы

Чтобы понять, почему промышленники прекратили оснащение автомобилей силовыми агрегатами этого типа, полезно ознакомиться с принципом работы роторного двигателя. Зная основные характеристики, конструкцию, достоинства и недостатки, изучив разновидности РПД, можно оценить перспективы и вероятность последующего серийного выпуска таких моделей машин.

  1. Принцип работы роторного двигателя
  2. Схема устройства РПД
  3. Мощность и ресурс
  4. Достоинства и недостатки роторного двигателя
  5. Достоинства РПД
  6. Недостатки РПД
  7. Машины с роторным двигателем
  8. В заключение

Принцип работы роторного двигателя

Роторный мотор работает по схеме, отличающейся от технологии, характерной для стандартного ДВС с поршнями в качестве основного подвижного элемента. Кроме того, силовые агрегаты имеют различную конструкцию.

По аналогии с поршневым двигателем принцип действия РПД базируется на преобразовании энергии, получаемой в результате сгорания воздушно-топливной смеси. В первом случае давление, создаваемое в цилиндрах при сжигании горючего, вынуждает поршни двигаться. Возвратно-поступательные движения шатун и коленчатый вал преобразуют во вращательные, которые заставляют крутиться колеса.

Ротор движется во внутренней полости овальной капсулы, передавая мощность сцеплению и коробке передач. Благодаря треугольной форме, он выдавливает энергию топлива, направляя через трансмиссию на колесную систему. Обязательное условие – в качестве материала используется легированная сталь.

Внутри цилиндра, где располагается ротор, происходят следующие процессы:

  1. воздушно-топливная смесь сжимается;
  2. впрыскивается очередная доза горючего;
  3. поступает кислород;
  4. топливо воспламеняется;
  5. сгоревшие элементы направляются в выпускное отверстие.

Треугольный ротор закрепляется на особом механизме. При запуске двигателя он выполняет специфические движения, не вращаясь, а как бы бегая внутри овальной капсулы.

Благодаря своей форме, он образует в корпусе 3 изолированные камеры.

В них наблюдаются такие процессы:

  • в первую полость через впускное окно подается горючее и всасывается кислород, при перемешивании образующие воздушно-топливную смесь;
  • во втором отсеке происходит сжатие и воспламенение;
  • продукты сгорания вытесняются в выпускное отверстие из третьей камеры.

Схема устройства РПД

В конструкцию РПД входят следующие элементы:

  1. Ротор с 3 выпуклыми гранями, выполняющими функции поршня. За счет углублений увеличивается скорость вращения, образуется больше пространства для воздушно-топливной смеси.
  2. Пластины из металла, закрепленные на вершинах каждой из сторон. Их предназначение – формирование полостей в корпусе, где происходят рабочие процессы силовой установки.
  3. 2 металлических кольца на гранях ротора служат для образования камерных стенок.
  4. В центре конструкции располагаются 2 больших колеса с большим количеством зубьев, вращающихся вокруг шестерней меньшего диаметра. Зубчатая передача соединена с приводным устройством, закрепленном на выходном валу. Направление и траектория движения внутри камеры зависят от этого соединения.
  5. Корпус ротора. Изготавливается в форме условного овала. Такая конфигурация обеспечивает постоянный контакт вершин треугольника со стенками капсулы, создавая 3 изолированных объема газа.
  6. Окна впрыска и выхлопа. Клапанов не имеют. Впускное отверстие соединено с системой подачи топлива, а выпускное – с выхлопной трубой.
  7. Выходной вал с эксцентриковой конструкцией. На нем расположены особые кулачки, смещенные относительно осевой линии. На каждый из этих выступов надевается отдельный ротор. Благодаря несимметричной установке, происходит неравномерное распределение силы давления. Это приводит к образованию крутящего момента, вызывающего стабильную работу силовой установки, основанную на оборотах вала.

5 основных слоев, скрепленных по окружности длинными шурупами, составляют стандартную конструкцию двухроторного двигателя. При этом создаются условия для свободной циркуляции охлаждающей жидкости внутри системы. Движущиеся части, представленные 2 роторами и эксцентриковым выходным валом, располагаются между 2 стационарными участками.

Мощность и ресурс

По сравнению со стандартным ДВС, роторный агрегат характеризуется большей удельной мощностью, которая измеряется в л.с./кг. Это объясняется меньшей массой подвижных деталей, составляющих конструкцию РПД. Обоснование – отсутствие газораспределительного механизма, клапанной системы, коленчатого вала и шатунов.

Кроме того, однороторный двигатель преобразует энергию сгорания топлива во вращательное движение на протяжении ¾ тактов рабочего цикла. Для поршневых моторов этот показатель снижен до ¼.

В результате при вместимости цилиндров 1,3 л современный РПД серийного производства развивает мощность до 220 л.с. А если базовая конструкция дополнена турбинным надувом, то до 350 л.с.

До 2011 г. только японские промышленники концерна «Мазда» выпускали автомобили с двигателями роторного типа. А потом и они сняли агрегат с производства. Вероятная причина – заниженный ресурс силовой установки. До первого капитального ремонта транспортные средства проезжают всего 100 тыс. км. При аккуратном стиле вождения и бережном отношении пробег увеличивается до 200 тыс. км.

Уязвимое звено – уплотнители ротора, страдающие от перегрева и высоких нагрузок. Кроме этих факторов на них оказывают негативное влияние детонация и износ подшипников, расположенных на эксцентриковом валу.

Достоинства и недостатки роторного двигателя

Впервые машина с роторным силовым агрегатом вышла на трассу для тестирования в 1958 г. У истоков его создания стоит Феликс Ванкель, именем которого часто называют РПД.

Игнорируя достоинства изобретения немецкого инженера, работавшего над ним совместно с коллегой-единомышленником Вальтером Фройде, многие автопромышленники не рискнули устанавливать новинку на серийные модели своих автомобилей.

К их числу не относятся производители Mazda, выпустившие первую версию транспортного средства с роторной силовой установкой в 1967 г.

Достоинства РПД

  1. Высокий КПД, достигающий 40%. Обоснование – на 1 оборот эксцентрикового вала приходится 3 рабочих цикла.
  2. Упрощенная конструкция. В ней отсутствуют многие узлы, характерные для поршневых ДВС, в т.ч. газораспределительный механизм, шатуны, клапаны и т.п.
  3. Высокие обороты. Двигатель на базе треугольного роторного элемента раскручивается до 10 тыс. об/минуту.
  4. Плавная работа при полном отсутствии вибраций. Объяснение – стабильная ориентация движения ротора в одном направлении.
  5. Устойчивость перед детонацией. Это позволяет в процессе эксплуатации применять водород.
  6. Компактные размеры. По сравнению с поршневыми агрегатами габариты РПД в 2 раза меньше. Следствие этого – небольшой вес полностью укомплектованной конструкции и наличие свободного пространства для комфортного расположения водителя и пассажиров.
  7. Отсутствие дополнительных нагрузок при увеличении количества оборотов. С учетом указанного фактора можно разгонять транспортное средство до 100 км/ч на низкой передаче.
  8. Сбалансированность. Позволяет эффективнее уравновесить автомобиль, создавая стабильную устойчивость на любом дорожном покрытии.

Недостатки РПД

Конструкторы, разработавшие роторную силовую установку, так и не смогли устранить недостатки:

  1. Основной недоработкой создателей автомобилисты считают ограниченный ресурс двигателя, обоснованный особенностями конструкции. Постоянные изменения рабочего угла апексов вызывают их ускоренный износ.
  2. Срок службы заканчивается быстрее из-за перепадов температур, сопровождающих каждый такт. В комбинации с нагрузками, которым подвергаются трущиеся детали, они наносят непоправимый вред функциональным узлам и материалам. Проблему можно решить прямым впрыскиванием минеральной смазки в коллектор.
  3. Поскольку внутренние полости камер имеют серповидную форму, топливо в них сжигается не полностью. Ротор, вращаясь на скорости при ограниченной длине рабочего хода, выталкивает раскаленные газы в выхлопное отверстие. Присутствие фрагментов масла в продуктах сгорания приводит к токсичности выброса.
  4. Недостаточная герметичность конструкции, вызванная износом уплотнителей – причина утечки между отсеками с большими перепадами давления между отделениями. Результат – снижение КПД и повышение вреда окружающей природе.
  5. Высокий расход ГСМ. По сравнению с поршневым двигателем, роторный агрегат потребляет намного больше топлива (20 л на 100 км) и масла (1 л на 1 тыс. км). Забывчивость водителя, пропустившего очередную заправку смазкой, приводит к незапланированному капитальному ремонту или полной замене мотора.
  6. Для производства РПД применяется высокоточное оборудование. К качеству материалов также предъявляются повышенные требования. В результате конечная стоимость роторного двигателя увеличивается.

Машины с роторным двигателем

В разработке усовершенствованных концепций силового агрегата с базовым элементом конструкции в виде подвижного ротора участвовали и российские конструкторы, включая Зуева, Желтышева, ингушских изобретателей братьев Ахриевых.

Игнорируя инновации, на автомобили по-прежнему устанавливают двигатели Ванкеля.

В число моделей с РПД входят:

  1. Мазда RX-8. Конструкторское бюро японского концерна достигло прогресса в усовершенствовании. Их последняя разработка вместимостью 1,3 л развивает мощность 215 л.с. Более поздняя версия с аналогичным объемом выдает 231 л.с. Производство прекращено с августа 2011 г. в результате снижения спроса.
  2. ВАЗ 2109-90. Такими машинами пользовались в служебных целях сотрудники российских правоохранительных органов. Милицейские автомобили за 8 секунд могли разогнаться до 100 км/ч и развивали скорость 200 км/ч, легко догоняя преступников. Производились и агрегаты с большей мощностью. Но большая цена и малый ресурс не позволили прижиться РПД, и полицейским пришлось пересесть на транспортные средства с поршневыми моторами.
  3. Мерседес С-111. Впервые был представлен автолюбителям на женевском автосалоне в 1970 г. Спортивный автомобиль оснащался трехкамерным двигателем Ванкеля. Максимальная скорость составляла 275 км/ч. На разгон до первой сотни уходило 5 секунд.
  4. ВАЗ 21019 Аркан. Модель также закупалась для нужд МВД. Советских милиционеров на таких машинах догнать было невозможно и, тем более, уйти от погони. Большинство преследований завершалось поимкой преступников. Объяснение тому – способность служебного транспорта развивать предельную скорость 160 км/ч. Трехсекционный мотор в 1,3 л выдавал 120 л.с.

В заключение

Двигатель роторного типа – отличный вариант для спортивных и гоночных автомобилей, где не требуется большой ресурс. Высокие скоростные и мощностные показатели позволяют надеяться, что промышленники обратят на него внимание и с небольшими доработками снова начнут выпускать машины с моторами Ванкеля.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector