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.
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.
Феликсу Ванкелю удалось преодолеть большинство проблем, из-за которых предыдущие роторные устройства терпели неудачу:
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.
Основными преимуществами РПД Ванкеля являются:
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.
Хотя многие из недостатков являются предметом текущих исследований, нынешние недочёты устройства Ванкеля в производстве заключаются в следующем:
Таким образом, у этого вида двигателя есть свои недостатки и преимущества.
Как известно, принцип работы роторного двигателя основан на высоких оборотах и отсутствии движений, которыми отличается ДВС. Это и отличает агрегат от . РПД называют ещё двигателем Ванкеля, и сегодня мы рассмотрим его работу и явные достоинства.
На видео рассмотрено устройство и принцип работы роторного двигателя Желтышева:
Удивительно, но РПД пытались ввести в работу и у нас в стране. Такой двигатель был разработан для установки его на ВАЗ 21079, предназначенный как транспортное средство для спецслужб. Но проект, к сожалению, не прижился. Как всегда, не хватило бюджетных денег государства, которые чудесным образом из казны выкачиваются.
Зато это удалось сделать японцам. И они на достигнутом результате останавливаться не желают. По последним данным, производитель Мазда усовершенствует двигатель и в скором времени выйдет , уже с совершенно другим агрегатом.
Схема работы роторного двигателя представляет собой нечто совершенно иное, чем обычный ДВС. Во-первых, следует оставить в прошлом конструкцию двигателя внутреннего сгорания, известную нам. А во-вторых, попытаться впитать в себя новые знания и понятия.
РПД назван так из-за ротора, то есть , которая движется. Благодаря этому движению мощность передаётся на сцепление и КПП. По сути, ротор выталкивает энергию топлива, которая затем передаётся колёсам через трансмиссию. Сам ротор выполнен обязательно из легированной стали и имеет, как и говорилось выше, форму треугольника.
На видео показан принцип работы роторно-поршневого двигателя Зуева:
Капсула, где находится ротор, - это своеобразная матрица, центр вселенной, где все процессы и происходят. Другими словами, именно в этом овальном корпусе происходит:
Одним словом, шесть в одном, если хотите.
Сам ротор крепится на специальном механизме и не вращается вокруг одной оси, а как бы бегает. Таким образом, создаются изолированные друг от друга полости внутри овального корпуса, в каждой из которых и происходит какой-либо из процессов. Так как ротор треугольный, то полостей получается всего три.
Всё начинается следующим образом. В первой образующейся полости происходит всасывание, то есть камера наполняется воздушно- , которая здесь же перемешивается.
После этого ротор вращается и толкает эту перемешанную смесь в другую камеру. Здесь смесь сжимается и воспламеняется при помощи двух свечей.
Смесь после этого идёт в третью полость, где и происходит вытеснение частей использованного топлива .
Это и есть полный цикл работы РПД. Но не всё так просто. Это мы рассмотрели схему РПД только с одной стороны. А действия эти проходят постоянно. Если говорить иначе, процессы возникают сразу с трёх сторон ротора. В итоге всего за единственный оборот агрегата повторяется три такта.
Кроме того, удалось усовершенствовать роторный двигатель. Сегодня роторные двигатели Мазда имеют не один, а два и даже три ротора, что в значительной мере повышает производительность, тем более если сравнить его с обычным двигателем внутреннего сгорания. Для сравнения: двухроторный РПД сравним с шестицилиндровым ДВС, а 3-роторный с двенадцатицилиндровым. Вот и получается, что японцы оказались такими дальновидными и преимущества роторного мотора сразу распознали.
Опять же, производительность - это не одно достоинство РПД. Их у него много. Как и было сказано выше, роторный двигатель очень компактный и в нём используется на целых тысячу деталей меньше, чем в том же ДВС. В РПД всего две основные детали - ротор и статор, а проще этого ничего не придумаешь.
Принцип работы роторно-поршневого двигателя заставил в своё время многих талантливых инженеров удивлённо вскинуть бровями. И сегодня талантливые инженеры заслуживают всяческих похвал и одобрения. Шутка ли, поверить в производительность, казалось бы, похороненного двигателя и дать ему вторую жизнь, да ещё какую!
Единственной на сегодняшний день выпускаемой в промышленных масштабах моделью роторного мотора является двигатель Ванкеля, который относится к типу роторных двигателей с планетарным круговым движением главного рабочего элемента. Такая конструктивная компоновка роторного двигателя является, несомненно, самойпростой по своему техническому устройству, но не самой оптимальной по способу организации рабочих процессов и поэтому имеет свои неотъемлемые и серьезные недостатки.
Роторных двигателей с планетарным движением главного рабочего элемента существует достаточно много разновидностей, но по существу они отличаются друг от друга лишь количеством граней ротора и соотвествующей формой внутренней поверхности корпуса. Приведенные схемы разных компоновок подобных моторов взяты из книги «Судовые роторные двигатели», издания 1967 года, авторов Е.Акатов, В.Бологов и др. и подготовлены к публикаци в электронном виде автором этого сайта.
Кратко рассмотрим саму конструкцию двигателя этого типа вместе с историей его появления и сферой применения. История создания роторных двигателей с планетарным вращательным движением главного рабочего элемента начинается в 1943 году, когда изобретатель Майлар предложил первую подобную схему. Потом в течение короткого времени было подано еще несколько патентов на двигатели подобной схемы. В том числе и разработчик германской фирмы NSU – В. Фреде. Но главным слабым местом этой схемы роторного двигателя были системы уплотнений между ребрами на стыке соседних граней вращающегося треугольного ротора и стенками неподвижного корпуса. Вот к решению к этой сложной инженерной задачи и был подключен Р.Ванкель как специалист по уплотнениям. Вскоре, благодаря своей энергичности и инженерному мышлению он стал лидером группы разработчиков. В 1957 году в лаборатории фирмы NSU построили прототип роторного двигателя типа «DKM», с треугольным ротором и рабочей камерой в форме капсулы, в которой ротор был неподвижным, а корпус вращался вокруг него. Гораздо более практичным был вариант компоновки типа «KKM» с нормальной схемой — рабочая камера в корпусе была неподвижной, а в ней вращался ротор. Этот мотор появился годом позже, в 1958-м. В ноябре 1959 года NSU официально объявила о создании работающего роторного двигателя. За короткое время около 100 компаний во всём мире приобрели лицензии на эту технологию, при этом 34 из них были японскими.
Мотор оказался очень небольшим, мощным и имел мало деталей. В Европе начались продажи машин с роторными двигателями, но как оказалось у них мал моторесурс, они потребляли много топлива и имели очень токсичный выхлоп. Нефтяной кризис 1973 года из-за очередной арабо-израильской войны, когда цены на бензин увеличились в несколько раз, резко поставил вопрос об экономичности автомобильных моторов. Из-за этого в Европе и Америке попытки довести роторный двигатель Ванкеля до нужной степени совершенства были прекращены. И только японская компания Mazda упорно продолжала работы в этом направлении. А еще советский завод ВАЗ – так как бензин в то время в СССР стоил копейки, а мощный, хотя и с малым ресурсом, мотор был нужен силовым ведомствам. Но в 2004 году малосерийное производство на ВАЗе было закрыто и на сегодняшний момент Mazda является единственным автопроизводителем, который серийно выпускает автомобили с роторным двигателем. В настоящее время в мире серийно выпускается лишь один автомобиль с роторным двигателем системы Ванкеля – это спортивное купе Mazda RX-8. На этой машине устанавливается мотор «RENESIS» с двумя роторными секциями общим объемом 1,3 литра. Двигатель исполняется в нескольких вариантах с мощностью от 200 до 250 л.с.
.
После краткого обзора истории роторного двигателя с планетарным движением ротора остановимся на рассмотрении его преимуществ и недостатков. ПРЕИМУЩЕСТВА роторного двигателя Ванкеля по сравнению с традиционными поршневыми моторами: 1) Повышенная удельная мощность (л.с./кг), она практически в два раза превышает этот показатель поршневых 4-х тактных двигателей. Масса неравномерно движущихся частей в двигателе Ванкеля гораздо меньше, чем в аналогичных по мощности поршневых двигателях, и амплитуда таких неуравновешенных движений заметно меньше. Это происходит из-за того, что в «поршневике» осуществляются возвратно- поступательные движения, а в двигателе Ванкеля- вращательные, планетарной схемы. К тому же в двигателе Ванкеля отсутствуют коленчатый вал и шатуны.
На повышенную мощность Ванкеля играет и то, что такой двигатель однороторной конструкции выдаёт мощность в течение трёх четвертей каждого оборота выходного вала. В отличие от одноцилиндрового 4-х тактного поршневого двигателя, который выдаёт мощность только в течение одной четверти каждого оборота выходного вала. Именно по этим причинам с единицы объема камеры сгорания в серийном роторном моторе Ванкеля снимается гораздо большая мощность. При объёме рабочей камеры 1300 см Mazda RX-8 имеет мощность 200 л.с – 250 л.с., а прежняя модель Mazda RX-7, с мотором такого же объема, но с турбокомпрессором выдавала 350 л.с.
Именно поэтому особым признаком Mazda RX являются отличные динамические характеристики:
В двигателе Ванкеля на 35 — 40 % меньшее количество деталей.
Недостатки:
1) Малая длина рабочего хода грани треугольного ротора, Хотя эти показатели напрямую с поршневым мотором сравнивать сложно – слишком различны типы движений поршня и ротора, но у двигателя Ванкеля примерно на пятую часть меньше длина рабочего хода. Тут есть одно коренное отличие Ванкеля от поршневого мотора- у «поршневика» идет увеличение объема в направлении одного линейного направления, которое совпадает с направлением рабочего хода. А у Ванкеля – это движение сложное и только часть траектории перемещения треугольного ротора с планетарным движением становится собственно линией рабочего хода. (РИС.) Именно поэтому у двигателя Ванкеля топливная эффективность хуже, чем у поршневых моторов. Поэтому из-за малой длины рабочего хода очень высока температура выхлопных газов – рабочие газы не успевают передать основное свое давление на ротор, как уже открывается выхлопное окно и горячие газы высокого давления с еще не прекратившими горение объемными фрагментами рабочей смеси выходят в выхлопную трубу. Поэтому температура выхлопных газов у двигателя Ванкеля очень высока.
2) Сложная форма камеры сгорания «серповидной» формы. У такой камеры сгорания большая поверхность контакта газов со стенками корпуса и ротором. Поэтому значительная честь тепла уходит на нагрев деталей мотора, а это снижает тепловой КПД и усиливает нагрев мотора. Кроме того, такая форма камеры сгорания приводит к ухудшению смесеобразования и замедлению скорости горения рабочей смеси. Поэтому на моторе Mazda RX-8 стоят 2 свечи зажигания на одной роторной секции. Эти особенности так же отрицательно влияют на уровень термодинамического КПД.
3) Потенциально невысокий для роторного мотора крутящий момент. Для того чтобы снять вращение с движущегося ротора, центр вращения которого сам непрерывно осуществляет планетарное вращение по круговой траектории вокруг геометрического центра рабочей камеры, в этом двигателе применяется эксцентрично расположенные на главном валу диски. По сути дела – это элементы кривошипного устройства. То есть двигатель Ванкеля так и не смог полностью избавиться от главного недостатка классических поршневых ДВС – кривошипно – шатунного механизма. Хоть он и представлен в моторе Ванкеля в своем облегченном варианте – в виде эксцентрикового вала, но самые главные пороки этого механизма: рваный, пульсирующий режим крутящего момента и малое плечо главного элемента, воспринимающего крутящий момент – так и остались «не излеченными». (РИС.) Именно поэтому односекционный Ванкель малоработоспособен и нужно делать 2 или 3 роторные секции для получений нормальных рабочих характеристик, еще желательно ставить на вал дополнительно и маховик. Кроме наличия в двигателе Ванкеля кривошипного механизма, на малый для роторного двигателя крутящий момент еще влияет и то, что кинематическая схема такого мотора устроена очень нерационально с точки зрения восприятия поверхностью ротора давления рабочих газов расширения. Поэтому лишь некоторая часть давления – около трети – переводится в рабочее вращение ротора и создает крутящий момент. Подробнее крутящем моменте поговорим в специальном разделе сайта.
Подробно о принципе возникновения крутящего момента в роторном двигателе Ванкеля Смотри на страничке сайта КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ
4) Присутствие в корпусе вибраций. Дело в том, что система роторного мотора с планетарным движением рабочего элемента предполагает неравновесное движение этого органа. Т.е. при вращении центр масс ротора совершает непрерывное вращательное движение вокруг центра масс корпуса и радиус этого вращения равен плечу эксцентрика главного вала мотора. Именно поэтому на корпус мотора действует изнутри постоянно вращающийся вектор силы, равный центробежной силе, возникающей на роторе. То есть ротор при вращении на вращающемся в свою очередь эксцентриковом валу имеет в характере своего движения неизбежные и выраженные элементы колебательного движения. Что и приводит к неизбежности вибраций. (РИС.)
5) Быстрый износ торцевых радиальных уплотнений на углах треугольника ротора, так как на них идет сильная радиальная нагрузка, неизбежная в двигателе Ванкеля по самому его принципу работы. (РИС.)
6) Постоянная угроза прорыва газов высокого давления из полости одного рабочего такта в полость другого такта. Это происходит потому, что контакт радиального уплотнения ребра ротора и стенки камеры сгорания происходит по одной тонкой линии. При этом еще существует проблема прорыва газов через гнезда установки свечей, когда над ними проходит ребро ротора.
7) Сложная система смазки вращающегося ротора. В моторе Mazda RX-8 специальные форсунки впрыскивают масло в камеры сгорания для смазки трущихся при вращении о стенки камеры сгорания ребер ротора. Это усиливает токсичность выхлопа и одновременно делает мотор очень требовательным к качеству масла. Кроме того, при высоких оборотах возникает повышенные требования к смазке цилиндрической поверхности эксцентриковой части главного вала, вокруг которой вращается ротор, и которая снимает главное усилие с ротора и переводит во вращение вала. Именно эти две технические трудности, решить которые весьма непросто, приводили к недостаточной смазке на высоких оборотах наиболее нагруженных трением деталей такого мотора, а это, соответственно, резко уменьшало моторесурс двигателя. Именно недостаточное решение таких технических задач приводило к очень малому ресурсу моторов Ванкеля, которые выпускал отечественный АвтоВАЗ. (РИС.- указать цилиндрическую поверхность контакта внутреннего гнеда ротора и эксцентр диска вала)
8) Высокие требования к точности исполнения деталей сложной формы делают такой мотор сложным в производстве. Такое производство требует высокоточного и дорогого оборудования - станков, способных создавать сложные объемы рабочей камеры с криволинейной эпитрохоидальной поверхностью. Сам ротор так же имеет форму сложного треугольника с выпуклыми поверхностями.
Как видно из содержания этого раздела сайта, роторный двигатель Ванкеля имеет выраженные преимущества, так и большое количество практически непреодолимых недостатков, которые так и не позволили этому типу двигателей вытеснить поршневые моторы из арсенала современной техники. Хотя такие перспективы всерьез обсуждались в конце 60-х и начале 70-х годов прошлого века, и в аналитических обзорах высказывались мнения, что к концу 80-х годов 20-го века более половины автомобилей планеты будут уже иметь роторные двигатели разных типов…. И, несмотря на наличие отрицательных черт и технических трудностей, роторный двигатель Ванкеля смог появиться технически и состоятся как коммерчески дееспособный вид продукции, потому что недостатки его главных конкурентов – поршневых моторов с кривошипно – шатунными механизмами оказываются еще серьезнее и многочисленнее.И это, не смотря на более века попыток их совершенствования.
ПРОДОЛЖЕНИЕ РАЗГОВОРА О РОТОРНОМ ДВИГАТЕЛЕ ВАНКЕЛЯ
сентябрь 2016г. Одна из самых трудных проблем всех типов роторных двигателей- это создание эффективной системы уплотнений, которая должна создавать замкнутый объём в рабочих камерах роторного двигателя. Пока в схеме типа Тверской это является одной из главных трудностей. Там предстоит сделать эффективную и непростую в изготовлении систему уплотнений.И чтобы потренировать руку и получить положительный опыт в таком деле, я решил создать небольшой рабочий экземпляр двигателя Ванкеля прямо с «ноля». Работа уже идет к концу- прилагаю фото такого моторчика.
Ориентировочная мощность одной такой роторной секции предполагается около 35-40 л.с.. Мотор из 2-х роторных секций ожидается мощностью в 70-80 л.с..
ДВИГАТЕЛЬ ВАНКЕЛЯ — ДЕКАБРЬ
25 декабря 2016г Изготовлене малого Ванкеля идет в оптимальном ритме. Двигатель готов на 95%, остаются небольшие мелочи.
Так как на некоторых площадких в интернете эти мои фото уже обсуждаются и вокруг них накручиваются немало фантазий- сообщаю.
Двигатель создан с «НОЛЯ», ни одной детали из посторонних моделей в нем нет. В нем нет ни деталей от Sachs Wankel, которые уже не выпускаются лет 30, ни от современных малых современных aixro и пр. и др.
Кормпус двигателя выполнен из конструкционной легированной термостойкой стали, подвергнутой термохимическому упрочнению.Твердость поверхностного слоя имеет показатель в 70 HRC. Глубина термоупроченного слоя состовляет в среднем 1,5 мм.Точно так же обработаны и до таких же показателей твердости и износоустойчивости доведены радиальные и торцевые уплотнения.Двигатель имеет воздушное охлаждение, масло для смазки будет подаваться в камеру сжатия через 2-е специальные форсунки. Т.е. не нужно будет мешать масло с бензином как в 2-х тактных моторах.
Двигатель поставлен на токарный станок и в течение нескольких часов подвергался холодной обкатке. Это позволило оценить работу уплотнений и герметичность получаемых секций в двигателе как вполне благополучную. В ближайшее время будет замеряно давление, которое получается в секторе сжатия мотора.
Запуск двигателя планируется на конец января.
ВОЗОБНОВЛЕНИЕ РАБОТЫ ПОСЛЕ ПАУЗЫ
После некоторого перерыва активные работы возобновлены. Сейчас (март-май 18г) идут активные пробные прокрутки малой опытной модели двигателя. По ее итогам идет доработка уплотнений — самого трудного и деликатного элемента в роторных двигателях. Результаты весьма обнадеживающие.
Роторно-поршневой двигатель(РПД), или двигатель Ванкеля. Двигатель внутреннего сгорания, разработанный Феликсом Ванкелем в 1957 году в соавторстве с Вальтером Фройде. В РПД функцию поршня выполняет трехвершинный (трехгранный) ротор, совершающий вращательные движения внутри полости сложной формы. После волны экспериментальных моделей автомобилей и мотоциклов, пришедшейся на 60-е и 70-е годы ХХ века, интерес к РПД снизился, хотя ряд компаний по-прежнему работает над совершенствованием конструкции двигателя Ванкеля. В настоящее время РПД оснащаются легковые автомобили компании Mazda. Роторно-поршневой двигатель находит применение в моделизме.
Сила давления газов от сгоревшей топливо-воздушной смеси приводит в движение ротор, насаженный через подшипники на эксцентриковый вал. Движение ротора относительно корпуса двигателя (статора) производится через пару шестерен, одна из которых, большего размера, закреплена на внутренней поверхности ротора, вторая, опорная, меньшего размера, жестко прикреплена к внутренней поверхности боковой крышки двигателя. Взаимодействие шестерен приводит к тому, что ротор совершает круговые эксцентричные движения, соприкасаясь гранями с внутренней поверхностью камеры сгорания. В результате между ротором и корпусом двигателя образуются три изолированные камеры переменного объема, в которых происходят процессы сжатия топливо-воздушной смеси, ее сгорания, расширения газов, оказывающих давление на рабочую поверхность ротора и очищения камеры сгорания от отработанных газов.
Вращательное движение ротора передается на эксцентриковый вал, установленный на подшипниках и передающий вращающий момент на механизмы трансмиссии. Таким образом в РПД одновременно работают две механические пары: первая - регулирующая движение ротора и состоящая из пары шестерен; и вторая - преобразующая круговое движение ротора во вращение эксцентрикового вала.
Передаточное соотношение шестерен ротора и статора 2:3, поэтому за один полный оборот эксцентрикового вала ротор успевает провернуться на 120 градусов. В свою очередь за один полный оборот ротора в каждой из трех образуемых его гранями камер производится полный четырехтактный цикл двигателя внутреннего сгорания.
схема РПД
1 - впускное окно; 2 выпускное окно; 3 - корпус; 4 - камера сгорания; 5 – неподвижная шестерня; 6 - ротор; 7 – зубчатое колесо; 8 - вал; 9 – свеча зажигания
Главным достоинством роторно-поршневого двигателя является простота конструкции. В РПД на 35-40 процентов меньше деталей, чем в поршневом четырехтактном двигателе. В РПД отсутствуют поршни, шатуны, коленчатый вал. В «классическом» варианте РПД нет и газораспределительного механизма. Топливо-воздушная смесь поступает в рабочую полость двигателя через впускное окно, которое открывает грань ротора. Отработанные газы выбрасываются через выпускное окно, которое пересекает, опять же, грань ротора (это напоминает устройство газораспределения двухтактного поршневого двигателя).
Отдельного упоминания заслуживает система смазки, которая в простейшем варианте РПД практически отсутствует. Масло добавляется в топливо - как при эксплуатации двухтактных мотоциклетных моторов. Смазка пар трения (прежде всего ротора и рабочей поверхности камеры сгорания) производится самой топливо-воздушной смесью.
Поскольку масса ротора невелика и легко уравновешивается массой противовесов эксцентрикового вала, РПД отличается небольшим уровнем вибраций и хорошей равномерностью работы. В автомобилях с РПД легче уравновесить двигатель, добившись минимального уровня вибраций, что хорошо сказывается на комфортабельности машины в целом. Особой плавностью хода отличаются двухроторные двигатели, в которых роторы сами являются снижающими уровень вибраций балансирами.
Еще одно привлекательное качество РПД - высокая удельная мощность при высоких оборотах эксцентрикового вала. Это позволяет добиться от автомобиля с РПД отличных скоростных характеристик при относительно небольшом расходе топлива. Малая инерционность ротора и повышенная по сравнению с поршневыми двигателями внутреннего сгорания удельная мощность позволяют улучшить динамику автомобиля.
Наконец, немаловажным достоинством РПД являются небольшие размеры. Роторный двигатель меньше поршневого четырехтактного мотора той же мощности примерно вдвое. И это позволяет рациональней использовать пространство моторного отсека, более точно рассчитывать расположение узлов трансмиссии и нагрузку на переднюю и заднюю ось.
Главный недостаток роторно-поршневого двигателя - невысокая эффективность уплотнений зазора между ротором и камерой сгорания.
Имеющий сложную форму ротор РПД требует надежных уплотнений не только по граням (а их четыре у каждой поверхности - две по вершинным, две по боковым граням), но и по боковой поверхности, соприкасающейся с крышками двигателя. При этом уплотнения выполнены в виде подпружиненных полосок из высоколегированной стали с особо точной обработкой как рабочих поверхностей, так и торцов. Заложенные в конструкцию уплотнений допуски на расширение металла от нагрева ухудшают их характеристики - избежать прорыва газов у торцевых участков уплотнительных пластин практически невозможно (в поршневых двигателях используют лабиринтовый эффект, устанавливая уплотнительные кольца зазорами в разные стороны).
В последние годы надежность уплотнений резко возросла. Конструкторы нашли новые материалы для уплотнений. Однако, говорить о каком-то прорыве пока не приходится. Уплотнения до сих пор остаются самым узким местом РПД.
Сложная система уплотнений ротора требует эффективной смазки трущихся поверхностей. РПД потребляет больше масла, чем четырехтактный поршневой двигатель (от 400 граммов до 1 килограмма на 1000 километров). При этом масло сгорает вместе с топливом, что плохо сказывается на экологичности моторов. В выхлопных газах РПД опасных для здоровья людей веществ больше, чем в выхлопных газах поршневых двигателей.
Особые требования предъявляются и к качеству масел, используемых в РПД. Это связано, во-первых, со склонностью к повышенному износу (из-за большой площади соприкасающихся деталей - ротора и внутренней камеры двигателя), во-вторых, к перегреву (опять же из-за повышенного трения и из-за небольших размеров самого двигателя). Для РПД смертельно опасны нерегулярная смена масла - поскольку абразивные частицы в старом масле резко увеличивают износ двигателя, и переохлаждение мотора. Запуск холодного двигателя и недостаточный его прогрев приводят к тому, что в зоне контакта уплотнений ротора с поверхностью камеры сгорания и боковыми крышками оказывается мало смазки. Если поршневой двигатель заклинивает при перегреве, то РПД чаще всего - во время запуска холодного двигателя (или при движении в холодную погоду, когда охлаждение оказывается избыточным).
В целом рабочая температура РПД выше, чем у поршневых двигателей. Самая термонапряженная область - камера сгорания, которая имеет небольшой объем и, соответственно, повышенную температуру, что затрудняет процесс поджига топливо-воздушной смеси (РПД из-за протяженной формы камеры сгорания склонны к детонации, что тоже можно отнести к недостаткам этого типа двигателей). Отсюда требовательность РПД к качеству свечей. Обычно их устанавливают в эти двигатели попарно.
Роторно-поршневые двигатели при великолепных мощностных и скоростных характеристиках оказываются менее гибкими (или менее эластичными), чем поршневые. Они выдают оптимальную мощность только на достаточно высоких оборотах, что вынуждает конструкторов использовать РПД в паре с многоступенчатыми КП и усложняет конструкцию автоматических коробок передач.
В конечном итоге РПД оказываются не такими экономичными, какими должны быть в теории.
Наибольшее распространение РПД получили в конце 60-х и начале 70-х годов прошлого столетия, когда патент на двигатель Ванкеля был куплен 11 ведущими автопроизводителями мира.
В 1967 году немецкая компания NSU выпустила серийный легковой автомобиль бизнес-класса NSU Ro 80 . Эта модель выпускалась в течение 10 лет и разошлась по миру в количестве 37204 экземпляров. Автомобиль пользовался популярностью, но недостатки установленного в нем РПД, в конце концов, испортили репутацию этой замечательной машины. На фоне долговечных конкурентов модель NSU Ro 80 выглядела «бледно» - пробег до капитального ремонта двигателя при заявленных 100 тысячах километров не превышал 50 тысяч.
С РПД экспериментировали концерн Citroen , Mazda , ВАЗ . Наибольших успехов добилась Mazda, которая выпустила свой легковой автомобиль с РПД еще в 1963 году, на четыре года раньше появления NSU Ro 80.
Сегодня концерн Mazda оснащает РПД спорткары серии RX. Современные автомобили Mazda RX-8 избавлены от многих недостатков РПД Феликса Ванкеля. Они вполне экологичны и надежны, хотя среди автовладельцев и специалистов по ремонту считаются «капризными».
В 70-е и 80-е годы с РПД экспериментировали некоторые производители мотоциклов - Hercules, Suzuki и другие. В настоящее время мелкосерийное производство «роторных» мотоциклов налажено только в компании Norton, выпускающей модель NRV588 и готовящей к серийному выпуску мотоцикл NRV700.
Norton NRV588 - спортбайк, оснащенный двухроторным двигателем общим объемом в 588 кубических сантиметров и развивающим мощность в 170 лошадиных сил. При сухом весе мотоцикла в 130 кг энерговооруженность спортбайка выглядит в буквальном смысле запредельной. Двигатель этой машины оснащен системами впускного тракта переменной величины и электронного впрыска топлива. О модели NRV700 известно лишь то, что мощность РПД у этого спортбайка будет достигать 210 л.с.
Принцип работы РПД основан на давлении расширения газов, которое создаётся при сжигании топлива. Главное отличие и положительный момент РПД - отсутствие масс с возвратно-поступательными движениями. Все движение деталей происходит по кругу без резких остановок. В обычном поршневом ДВС происходит полная остановка поршня и шатуна в верхней и нижней мертвых точках, что создает значительные силы инерции и требует применения высокопрочных материалов.
Основной частью конструкции является ротор, превращающий давление в круговое движение. Ротор в простейшем случае имеет форму треугольника с выпуклыми гранями (т.н. треугольник Рёло) и находится/вращается в овальном корпусе специального профиля, поверхность которого выполнена по эпитрохоиде (возможны варианты с другой формой ротора и корпуса). В полостях между ротором и корпусом, полностью изолированных друг от друга и меняющих свой объем по ходу вращения ротора, происходит ряд процессов (тактов) — подача воздуха, впрыск топлива, сжатие смеси, создание искры, вывод отработанных газов:
Ключевой момент заключается в том, что эти процессы происходят не последовательно, а одновременно и параллельно, т.е. за один оборот ротора происходят все три такта.
Вращение ротора происходит на эксцентрике — паре шестерен, большая из которых находится на внутренней поверхности ротора, а меньшая, опорная, жестко прикреплена к внутренней поверхности боковой крышки двигателя. Вращательное движение ротора передается на эксцентриковый вал, установленный на подшипниках и передающий вращающий момент на механизмы трансмиссии. Таким образом в РПД одновременно работают две механические пары: первая — регулирующая движение ротора и состоящая из пары шестерен; и вторая — преобразующая круговое движение ротора во вращение эксцентрикового вала. Передаточное соотношение шестерен ротора и статора 2:3, поэтому за один полный оборот эксцентрикового вала ротор успевает провернуться на 120 градусов. В свою очередь за один полный оборот ротора в каждой из трех образуемых его гранями камер производится полный четырехтактный цикл двигателя внутреннего сгорания.
Для обеспечения балансировки (особенно на холостых оборотах) нужно минимум два ротора, хотя применяются и однороторная конструкция. Двигатели Mazda имеют до трёх роторов (секций).
Общий КПД роторного двигателя Ванкеля (термический и механический КПД) составляет около 40-45%. Для сравнения, обычные поршневые ДВС имеют 25% КПД (по другим данным — 34%), а современные турбодизеля до 40% (по другим данным — 50%).
[свернуть]
Раскрыть...
Классификация роторных двигателей происходит по типу работы камеры сгорания - запирается она на время герметично, или имеет постоянную связь с атмосферой. К последнему типу относятся газовые турбины, камеры сгорания которых отделены от выхлопного сопла (от атмосферы) лишь густым «частоколом» лопастей роторной крыльчатки.
Роторные ДВС с герметично запираемыми камерами сгорания делятся на 7 различных конструкционных компоновок:
Раскрыть...
[свернуть]
Раскрыть...
[свернуть]
[свернуть]
Раскрыть...
Установленный на валу ротор жёстко соединён с зубчатым колесом, которое входит в зацепление с неподвижной шестернёй - статором. Диаметр ротора намного превышает диаметр статора, несмотря на это ротор с зубчатым колесом обкатывается вокруг шестерни. Каждая из вершин трёхгранного ротора совершает движение по эпитрохоидальной поверхности цилиндра и отсекают переменные объёмы камер в цилиндре с помощью трёх клапанов.
Такая конструкция позволяет осуществить любой 4-тактный цикл Дизеля, Стирлинга или Отто без применения специального механизма газораспределения. Герметизация камер обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами. Отсутствие механизма газораспределения делает двигатель значительно проще четырехтактного поршневого, а отсутствие сопряжения (картерное пространство, коленвал и шатуны) между отдельными рабочими камерами обеспечивают необычайную компактность и высокую удельную мощность. За один оборот эксцентрикового вала двигатель выполняет один рабочий цикл, что эквивалентно работе двухцилиндрового поршневого двигателя. За один оборот ротора эксцентриковый вал выполняет 3 оборота и 9 рабочих ходов, что приводит к ошибочным сравнениям роторного двигателя с шестицилиндровым поршневым двигателем.
Смесеобразование, зажигание, смазка, охлаждение, запуск принципиально такие же, как и у обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания.
Практическое применение получили двигатели с трёхгранными роторами, с отношением радиусов шестерни и зубчатого колеса: R:r = 2:3, которые устанавливают на автомобилях, лодках и т. п.
[свернуть]
Раскрыть...
Первым серийным автомобилем с роторным двигателем стал NSU Spider, который был выпущен в 1964 году. NSU - немецкая компания, основанная в 1873 году, которая выпускала автомобили и мотоциклы. До 1969 года просуществовала как отдельная компания, далее была куплена концерном Volkswagen Group.
Первой массовой (37204 экземпляра) стала модель NSU Ro-80, настоящий прорыв благодаря правильному маркетингу. Однако ставка на «революционную технологию» РПД, еще не отлаженную в реальных условиях, стала серьезной ошибкой. Ресурс двигателя составил не более 50 тыс. километров, а зачастую и сильно меньше. РПД часто заменяли на поршневой L4 «Essex» фирмы Ford.
Также РПД устанавливались на автомобили:
Серия RX завершена в 2008 году на модели RX-8. Всего в серии выпущено более миллиона машин с РПД. Всего на пике популярности патент на двигатель Ванкеля был куплен 11 ведущими автопроизводителями мира.
Интересно, что автомобили Mazda с буквами RE в наименовании (первые буквы от названия «Renesis») могут использовать в качестве топлива как бензин, так и водород (так как менее чувствителен к детонации, чем обычный двигатель, использующий возвратно-поступательное движение поршня).
Также РПД применяются на мотоциклах (мелкими сериями) и в авиационном моделизме.
Интересно, что получив патент на РПД в 1936 году, Феликс Ванкель стал изобретателем не только двигателя внутреннего сгорания, но еще и роторно-поршневых насоса и компрессора. И эти устройства можно встретить гораздо чаще, чем РПД — на производстве, в ремонтных мастерских, в быту. Например, портативные электрические компрессоры для автомобилистов очень часто устроены по принципу роторно-поршневого насоса.
