Роторно-поршневий двигун внутрішнього згорання, конструкція якого розроблена в 1957 році інженером компанії NSU Вальтером Фройде, йому ж належала ідея цієї конструкції. Двигун розроблявся в співавторстві з Феліксом Ванкелем, що працював над іншою конструкцією роторно-поршневого двигуна. Особливість двигуна — використання тригранного ротора (поршня), що має вигляд трикутника Рело, що обертається усередині циліндра спеціального профілю, поверхня якого виконана по епітрохоїді.
Конструкція
Встановлений на валу ротор жорстко сполучений із зубчастим колесом, яке входить в зачеплення з нерухомою шестернею — статором. Діаметр ротора набагато перевищує діаметр статора, не дивлячись на це ротор із зубчастим колесом обкатується навколо шестерні. Кожна з вершин тригранного ротора здійснює рух по епітрохоїдальній поверхні циліндра і відсікає змінні об'єми камер в циліндрі за допомогою трьох клапанів.
Цикл двигуна Ванкеля: впускання (блакитний), стискування (зелений), робочий хід (червоний), випуск (жовтий)
Роторно-поршневий двигун Така конструкція дозволяє здійснити будь-який 4- тактний цикл Дизеля, Стірлінга або Отто без вживання спеціального механізму газорозподілу. Герметизація камер забезпечується радіальними і торцевими пластинами ущільнювачів, що притискуються до циліндра відцентровими силами, тиском газу і стрічковими пружинами. Відсутність механізму газорозподілу робить двигун значно простіше чотиритактного поршневого (економія складає близько тисячі деталей), а відсутність з’єднання (простір картера, колінвал і шатуни) між окремими робочими камерами забезпечують надзвичайну компактність і високу питому потужність. За один оберт ванкель виконує три повних робочі цикли, що еквівалентно роботі шестициліндрового поршневого двигуна. Сумішоутворення, запалення, мастило, охолодження, запуск принципово такі ж, як і в звичайного поршневого двигуна внутрішнього згорання. Практичне вживання отримали двигуни з тригранними роторами, з відношенням радіусів шестерні і зубчастого колеса: R:r = 2:3, які встановлюють на автомобілях, човнах і та інш.
Переваги, недоліки і їх вірішення
Переваги перед звичайними бензиновими двигунами • низький рівень вібрацій. РПД повністю механічно урівноважений, що дозволяє підвищити комфортність легких транспортних засобів типа мікроавтомобілів, мотокарів і юнікаров; • головною перевагою роторно-поршневого двигуна є відмінні динамічні характеристики: на низькій передачі можливо без зайвого навантаження на двигун розганяти машину вище 100 км/год на вищих обертах двигуна (8000 об/хв. і більш), чим в разі конструкції звичайного двигуна внутрішнього згорання. • Висока питома потужність(к.с./кг), причини: 1. Маса рухомих частин в РПД значно менше, ніж в аналогічних по потужності «нормальних» поршневих двигунах, оскільки в його конструкції відсутні колінчастий вал і шатуни. 2. До того ж однороторний двигун видає потужність протягом трьох чвертей кожного оберту вихідного валу. На відміну від одноциліндрового поршневого двигуна, який видає потужність лише протягом однієї чверті кожного оберту вихідного валу. (сучасний серійний РПД з об'ємом робочої камери 1300 см. куб. має потужність 220 к.с., а з турбокомпресором — 350 к.с.) • менші в 1,5—2 рази габаритні розміри. • менше на 35—40 % число деталей За рахунок відсутності перетворення зворотно-поступального руху в обертальний, двигун Ванкеля здатний витримувати набагато більші оберти, але з меншими вібраціями, в порівнянні з традиційними двигунами. Роторно-поршневі двигуни мають вищу потужність при невеликому об'ємі камери згорання, сама ж конструкція двигуна порівняно мала і містить менше деталей. Невеликі розміри покращують керованість, полегшують оптимальне розташування трансмісії (развесовка) і дозволяють зробити автомобіль просторішим для водія і пасажирів. З'єднання ротора з вихідним валом через ексцентриковий механізм, будучи характерною особливістю РПД Ванкеля, утворює тиск між поверхнями, що труться, що у поєднанні з високою температурою, призводить до додаткового зносу і нагріву двигуна. У зв'язку з цим виникає підвищена вимога до періодичної заміни масла. При правильній експлуатації періодично проводиться капітальний ремонт, що включає заміну ущільнювачів. Ресурс при правильній експлуатації досить великий, але не замінене вчасно масло неминуче призводить до незворотних наслідків, і двигун виходить з ладу. Найбільш важливою проблемою є стан ущільнювачів. Площа плями контакту дуже невелика, а перепад тиску дуже високий. Наслідком цього, нерозв'язаного для двигунів Ванкеля, протиріччя є високі витоки між окремими камерами і, як наслідок, падіння коефіцієнта корисної дії і токсичність вихлопу. Проблема швидкого зносу ущільнювачів на високій швидкості обертання валу була вирішена використанням високолегованої сталі. При всіх перевагах (висока питома потужність, простота пристрою, нескладний ремонт при правильній експлуатації), важливою проблемою є менша економічність на низьких обертах в порівнянні із звичайними ДВЗ. Іншою особливістю двигунів Ванкеля є його схильність до перегріву. Камера згорання має лінзовидну форму, тобто при маленькому об'ємі у неї відносно велика площа. При температурі горіння робочої суміші основні втрати енергії йдуть через випромінювання. Інтенсивність випромінювання пропорційна четвертій степені температури, таким чином ідеальна форма камери згорання — сферична. Промениста енергія не лише марно покидає камеру згорання, але і призводить до перегріву робочого циліндру. Ці втрати не лише знижують ефективність перетворення хімічної енергії в механічну, але і викликають проблеми із займанням робочої суміші, тому в конструкції двигуна часто передбачають 2 свічки. Високі вимоги до виконання деталей двигуна роблять його складним у виробництві — потрібне використання високотехнологічного і високоточного устаткування: верстатів, здатних переміщувати інструмент по складній траєкторії епітрохоїдальній поверхні камери об'ємного витіснення.
Використання
NSU Ro80. Двигун розроблявся спочатку саме для використання на автотранспорті. Перший серійний автомобіль з роторним двигуном — німецький спорткар NSU Wankelspider. Перший масовий (37 204 екземпляри) — німецький седан бізнес-класу NSU Ro 80. Автомобіль мав досить інновацій, окрім, зокрема, двигуна кузов з рекордно низьким аеродинамічним опором, напівавтоматичну коробку передач з гідротрансформатором, блок-фари, і так далі. Ro80 відрізнялася не лише унікальною конструкцією, але і передовим дизайном, який виявився незрозумілий публіці середини шести десятих через десять років саме він був закладений в основу стилю моделей «Ауді» 100 і 200 поколінь C2. На жаль, ресурс двигуна виявився вельми малий (ремонт був потрібний вже після пробігу 50 тис. км.), тому автомобіль заслужив погану репутацію і відносно маловідомий. На багатьох автомобілях, що збереглися, оригінальний двигун був замінений на поршневий V4 «Essex» фірми Ford. Citroen також експериментував з РПД — проект Citroen M35. Після цього серійне і дрібносерійне виробництво роторно-поршневих двигунів Ванкеля вироблялися лише фірмами Mazda (Японія) і ВАЗ (Росія).
Сучасні двигуни
Інженерам фірми Mazda вдалося вирішити всі основні проблеми РПД — токсичність вихлопу і неекономічність. В порівнянні з двигунами-попередниками «Renesis», удалося скоротити вживання масла на 50 %, бензину на 40 % і довезти викид шкідливих окислів до норм, відповідних Euro IV. Двокамерний двигун «Renesis» об'ємом всього 1,3 л видає потужність в 250 к. с. і займає значно менше місця в моторному відсіку. Наступна модель двигуна Renesis 2 16X має об'єм 1.6 літрів, і більшу потужність, менше нагрівається. Автомобілі марки Mazda з буквами RE в найменуванні можуть використовувати у якості паливо як бензин, так і водень. Це виявилося другим витком зростання уваги до РПД з боку розробників. Двигун успішно може використовувати водень, оскільки менш чутливий до детонації, ніж звичайний двигун, що використовує зворотно-поступальний рух поршня. Автомобілі з РПД споживають від 7 до 20 літрів палива на 100 км., залежно від режиму руху, і масла від 0,4 л до 1 л на 1000 км. (для двигунів Mazda 0,4 — 0,6 л.). В даний час дослідження цього типа двигуна активно веде японський автоконцерн Mazda, оснащуючи доопрацьованими моделями роторних двигунів автомобілі серії RX.
Авіаційні двигуни
На початку 50-х років була створена серія авіадвигунів ВП-760, ВП-1300, ВП-2650 — п'ятипроменевих двотактних зірок потужністю від 40 до 130 к. с. і вагою від 25 до 100 кг авіаційного інженера В.Полякова, створених для легкої авіаційної техніки і тих, що успішні випробування в невеликій серії в ДОСААФ. Пізніше в Науково-технічному центрі ВАЗ були створені ВАЗ-416, ВАЗ-426, ВАЗ-526.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Роторно-поршневий двигун» з дисципліни «Нові технології»
0
