Обзор Роторно-поршневого двигателя.

Некоторые из нас знаю в чем заключается весь смысл роторного двигателя, а некоторые нет. Так вот я хотелбы попробовать рассказать о этом двигателе, и принципе работы. О людях которые его придумали и создали!
Роторно-поршневой двигатель далее ( РПД )

Проблема непосредственного преобразования давления газа (пара) во вращательное движение вала несколько столетий не давала покоя честолюбивым инженерам. Вплоть до середины ХХ века попытки создания работоспособных двигателей такого типа оставались безуспешными.

В 1957 г. Феликс Ванкель (F. Wankel) и Вальтер Фройде (W. Froude) продемонстрировали на конференции Общества германских инженеров работающий четырехтактный двигатель DKM 54 с поршнем-ротором, снабженным механическими уплотнениями. Несколько ранее основные технические решения прошли апробацию в конструкции компрессора, применявшегося для наддува мотоциклетного двигателя рекордного гоночного мотоцикла фирмы NSU (в 1955 г. эта фирма являлась крупнейшим в мире изготовителем мотоциклов). А началась совместная деятельность Ванкеля и Фройде после подписания соглашения между фирмами NSU Motorenwerke AG и Wankel GmbH еще в 1951 г., поэтому 2001 г. вполне можно рассматривать как год полувекового юбилея «роторно-поршневой» тематики в двигателестроении.

Каждый из этих двух немецких инженеров внес неоценимый вклад в разработку первого в мире роторно-поршневого двигателя. Ванкелю (и его группе) принадлежит заслуга создания классификации кинематических схем роторно-поршневых машин. Он провел обширные исследования механических уплотнений вращающихся клапанов (золотников), сформировал комплекс требований к эффективным подвижным уплотнениям. В этой области следует также отметить важную роль группы В. Бензингера (W. Benzinger) фирмы Daimler-Benz.

Особенность двигателя — применение трёхгранного ротора (поршня), имеющего вид треугольника Рело, вращающегося внутри цилиндра специального профиля, поверхность которого выполнена по эпитрохоиде.

Немного истории

Первый РПД DKM-54 бироторной конструкции оказался чрезвычайно сложным (например, свечи зажигания устанавливались в роторе) и ненадежным, но он доказал принципиальную работоспособность всей предложенной концепции и приоткрыл направления для дальнейшей доводки. В 1958 г. NSU показала сразу две усовершенствованные Фройде модели: ККМ 125 (объем каждой из трех рабочих камер 125 см3) и ККМ 250 (объем 250 см3), в которых свечи зажигания размещались в неподвижном корпусе (статоре) и были легко доступными для обслуживания. Испытания подтвердили, что у двигателя с планетарным вращением ротора на эксцентрике вала отсутствуют серьезные механические проблемы.

Вспышка интереса к «ванкелю» во всем мире пришлась на конец пятидесятых — начало семидесятых годов. Первой лицензию на производство у NSU/Wankel приобрела всемирно известная корпорация Curtiss-Wright в 1958 г., а в 1960-1961 гг. успех признали крупнейшие германские моторостроительные фирмы Fichtel&Sachs, Daimler-Benz AG, MAN, Friedrich Krupp GmbH, Klockner-Humboldt-Deutz AG и первые японские — Yanmar Diesel Co. и Toyo Kogyo Co., а также английская фирма F/Perkins Ltd.

В 1965 г. лицензии приобрели такие авторитетные компании, как Rolls-Royce, OMC и Porsche KG. Очередь гигантов класса Nissan Motor Co., General Motors Corp., Suzuki Motor Co., Toyota Motor, Ford-Werke AG, Ingersoll-Rand, Mercury Div., Brunswick Corp., Yamaha Motor, Kawasaki Heavy Industries Ltd. и American Motors Corp. пришла в 1970-1973 гг. Всего было заключено около 30 лицензионных соглашений на право производства.

Первым в мире серийным автомобилем с односекционным РПД стал Spider-54, запущенный в производство фирмой NSU в 1964 г. Спустя три года начался выпуск Ro80 с двухсекционным двигателем ККМ 612 мощностью 129 л.с. Но настоящий успех пришел к «ванкелю», когда японская фирма Mazda (заключившая в 1961 г. договор с NSU) приступила к выпуску автомобиля Cosmo Sport 110S. В 1973 г. из 104960 автомашин Mazda, проданных в США, более 92% оснащались роторно-поршневым двигателем. В начале семидесятых годов фирма Citroen производила два типа легковых автомобилей с РПД, Mersedes разработала несколько прототипов, а General Motors планировала установить РПД на одной из своих перспективных машин (Corvette). В этот же период появились в производстве мотоциклы с РПД (Hercules W2000, Suzuki RE-5, Vaаn-Veen, Norton Commander).

Середина шестидесятых ознаменовалась все более широким применением разнообразных вариантов РПД в качестве транспортных, стационарных и переносных многоцелевых двигателей. К примеру, Curtiss-Wright продемонстрировала многотопливный двигатель модели RC 2-60 для привода генератора мощностью 60 кВт. Он весил вчетверо меньше аналогичного дизеля и занимал объем в полтора раза меньше, чем традиционный бензиновый поршневой «движок».

Стремление получить быстрый экономический эффект от внедрения РПД оказалось не подкреплено глубокими научными исследованиями особенностей рабочего процесса и путей оптимизации теплового состояния двигателя. Остро стояла проблема выбора конструктивных элементов и материалов, обеспечивающих эффективность уплотнений, и установления взаимосвязи между характеристиками источников зажигания и сгоранием при малых нагрузках и частотах вращения. Всерьез теория РПД начинает складываться только в настоящее время.

Следует признать, что в связи с новизной конструкции вариант РПД, примененный на автомашинах Mazda в семидесятых годах, обладал рядом конструктивно-производственных и эксплуатационных недостатков. Важнейшим из них являлся повышенный расход топлива. Нефтяное эмбарго 1973 г., последовавшее в ответ на поддержку, оказанную Соединенными Штатами Израилю в войне против арабской коалиции, нанесло чувствительный удар по американским автомобилистам и выдвинуло проблему экономичности на первый план, в то время как разработчики фирмы Mazda не уделили ей должного внимания. Вследствие всех этих причин «японское чудо» постепенно потускнело в глазах американских потребителей. В 1974 г. фирме удалось продать в США всего 61192 автомобиля. Многие компании вынуждены были отказаться от планов производства РПД, так как реальными техническими средствами для быстрого решения двуединой задачи — уменьшения расхода топлива и снижения выбросов токсичных компонентов с отработавшими газами — они не располагали.

И все же в 1978 г. Mazda сумела продать миллион автомобилей с РПД, а к 2000 г. общее количество проданных автомобилей перевалило за два миллиона.

Конструкция роторно-поршневого двигателя

В блоке цилиндров — статоре, внутренняя поверхность которого представляет сложную кривую — эпитрохоиду, вращается ротор. Его функция аналогична той, что выполняют поршень с шатуном в обычном моторе. Крутящий момент передается на эксцентриковый вал. Газообмен происходит через впускные и выпускные окна, а смесь в вытянутой камере сгорания последовательно поджигают две свечи. Две свечи необходимы, чтобы «прожечь» длинную камеру сгорания, и срабатывают последовательно. Полный четырехтактный цикл происходит за 120° поворота ротора, и за это время эксцентриковый вал делает один оборот, а не два, как на обычных поршневых «четырехтактниках». Поэтому двухсекционный РПД объемом 2х654 cм3 эквивалентен поршневой «шестерке» объемом 2,6 л.

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 (экономия составляет около тысячи деталей), а отсутствие сопряжения (картерное пространство, коленвал и шатуны) между отдельными рабочими камерами обеспечивают необычайную компактность и высокую удельную мощность. За один оборот ванкель выполняет три полных рабочих цикла, что эквивалентно работе шестицилиндрового поршневого двигателя.

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.

Роторно-поршневой двигатель – принцип работы

Внутри примерно цилиндрической камеры по сложной траектории движется трехгранный ротор-поршень (A). Он постоянно разделяет камеру на рабочие зоны, в которых и происходят впуск (intake), сжатие (compression), рабочий ход (ignition) и выпуск (exhaust), при этом роль поршней выполняют три стороны ротора, а на углах ротора установлены уплотнения. Ротор-поршень установлен свободно на эксцентрике вала (B) и соединен с зубчатым колесом с внутренними зубьями, обкатывающимися вокруг неподвижной шестерни с наружными зубьями, ось которой совпадает с осью эксцентрикового вала. Двигатель Ванкеля не обременен деталями, потому отличается высокой мощностью и приемистостью при нажатии педали газа (ротор-поршень заменяет поршень, шатуны и коленвал). К тому же РПД значительно компактней и легче, поэтому, при установке его на автомашину, центр тяжести оказывается значительно ниже, а устойчивость автомобиля – выше. Однако конструкция предопределила и врожденные болезни: уплотнения – грани ротора должны плотно соприкасаться со стенками камеры в условиях высоких температур и значительного давления, – и неполное сгорание топлива в камере (из-за формы последней – плоская и широкая). Все это приводит к высокому расходу топлива и снижению долговечности. В настоящее время РПД активно занимается Мазда и когда-то занимался ВАЗ.

1 – Впуск (всасывание)

2 – Сжатие

- сжатие рабочей смеси начинается после перекрытия вершиной ротора впускного окна и заканчивается при достижении минимального объема. Процесс сжатия характеризуется несколько большими утечками рабочего тела через уплотнения ротора, чем в поршневом двигателе, и меньшей теплоотдачей в стенки. Сжатие смеси соответствует примерно 80° угла поворота ротора. В конце процесса сжатия в течении времени, соответствующего примерно 10° угла поворота ротора, одновременно с уменьшением объема полости происходит первая фаза сгорания смеси.

3 – Работа

- сгорание — процесс сгорания в роторно-поршневых двигателях начинается за 10÷15° угла поворота ротора до момента достижения минимального объема камеры сгорания. Воспламенение смеси производится одной или двумя свечами зажигания. В случае одной свечи зажигания ее устанавливают в части камеры сгорания, расположенной ближе к выпускным окнам двигателя. Фронт пламени движется навстречу потоку смеси, вытесняемой из уменьшающейся части камеры сгорания. При использовании двух свечей зажигания одну из них устанавливают в одной части камеры сгорания, а другую — в другой.
- расширение — когда сгорание в основном закончилось, начинается расширение рабочего тела. Период расширения газов соответствует примерно 90° угла поворота ротора. Затем открывается выпускное окно и во время поворота ротора примерно 20° происходит свободный выпуск газов.

4 – Выпуск (выхлоп)

Выпуск газов можно разбить на четыре периода:

- от момента открытия выпускного окна до достижения максимального объема полости;
- принудительный выпуск, протекает при уменьшающемся объеме полости до момента открытия впускного окна (примерно 60° угла поворота ротора);
- выпуск, совмещенный с предварением впуска, происходит при уменьшающемся объеме полости, но при наличии продувки;
- окончание выпуска, совмещен со свободным выпуском из следующей полости (продолжительность этого периода соответствует примерно 10° угла поворота ротора). Общая продолжительность процесса выпуска около 120° угла поворота ротора.

Достоинства и недостатки роторно-поршневого двигателя

Главным преимуществом роторно-поршневого двигателя являются отличные динамические характеристики: на низкой передаче возможно без излишней нагрузки на двигатель разогнать машину выше 100 км/ч на более высоких оборотах двигателя (8000 об/мин и более), чем в случае конструкции обычного двигателя внутреннего сгорания.

Роторно-поршневой двигатель несложен в ремонте, благодаря простоте своего устройства и заметно меньшему числу деталей, чем у обычного ДВС. При выработке ресурса, как правило, производится капитальный ремонт, включающий в себя замену всевозможных уплотнений, а также ротора и, иногда, статора. Роторный двигатель имеет меньшее количество движущихся частей по сравнению с аналогичным четырехтактным поршневым двигателем. Двухроторный двигатель имеет три основные движущиеся части: два ротора и выходной вал. Даже самый простой четырехцилиндровый поршневой двигатель имеет как минимум 40 движущихся частей, включая поршни, шатуны, распредвал, клапаны, пружины клапанов, качалки, ремень ГРМ, распределительные шестерни и коленвал.

Также РПД меньше и легче поршневого двигателя (отсутствие поршней, а с ними и коленчатых валов с шатунами помогает уменьшить размеры и массу двигателей), равного по мощности, в полтора-два раза, что в свою очередь означает улучшение характеристик и управляемости автомобиля. Да и по конструкции ротор проще и надежнее, к тому же не требует частого обслуживания. Все части роторного двигателя постоянно вращаются в одном направлении, что не создает вибрации, связанной с переменным направлением движения поршней, присущей обычным двигателям.

Еще одним преимуществом роторных двигателей является низкий уровень вибраций. РПД полностью механически уравновешен, что позволяет повысить комфортность лёгких транспортных средств типа микроавтомобилей, мотокаров и юникаров. Небольшие размеры улучшают управляемость, облегчают оптимальное расположение трансмиссии и позволяют сделать автомобиль более просторным для водителя и пассажиров.

К тому же, однороторный двигатель выдаёт мощность в течение трёх четвертей каждого оборота выходного вала. В отличии от одноцилиндрового поршневого двигателя, который выдаёт мощность только в течение одной четверти каждого оборота выходного вала. (современный серийный РПД с объёмом рабочей камеры 1300 см3 имеет мощность 220 л.с., а с турбокомпрессором — 350 л.с.)

Но если есть плюсы, найдутся и минусы. Например, повышенный расход масла и бензина. В среднем, автомобили с РПД потребляют до 20 литров топлива на 100 км, и от 0,4л до 1л масла на 1000 км. Активнее всего потребляют масло РПД отечественного производства.

Смещение оси ротора относительно оси выходного вала является характерной особенностью РПД Ванкеля, которая вызывает повышенное давление между ротором и эпитрохоидальной поверхностью и приводит к дополнительному износу и нагреву. В связи с этим возникает повышенное требование по периодической замене масла. При правильной эксплуатации периодически производится капитальный ремонт, включающий в себя замену уплотнителей. Ресурс при правильной эксплуатации достаточно велик, но не заменённое вовремя масло неизбежно приводит к необратимым последствиям и двигатель выходит из строя.

Камера сгорания роторного двигателя имеет в плане форму серпа. Поэтому при том же объеме, что и у цилиндрической камеры обычного мотора, площадь ее поверхности намного больше, что приводит к большей теплонагруженности двигателя и меньшему тепловому КПД. Кроме того, серповидная форма не позволяет организовать вихревое наполнение камеры сгорания, чтобы добиться полного сгорания топливо-воздушной смеси. Площадь пятна контакта очень невелика, а перепад давления очень высокий. Следствием этого, неразрешимого для двигателей Ванкеля, противоречия, являются высокие утечки между отдельными камерами, и как следствие падение коэффициента полезного действия и токсичность выхлопа.

Другой особенностью двигателей Ванкеля является его склонность к перегреву. При температуре горения рабочей смеси основные потери энергии идут через излучение. Интенсивность излучения пропорциональна четвёртой степени температуры, таким образом идеальная форма камеры сгорания — сферическая. Лучистая энергия не только бесполезно покидает камеру сгорания, но и приводит к перегреву рабочего цилиндра. Эти потери не только снижают эффективность преобразования химической энергии в механическую, но и вызывают проблемы с воспламенением рабочей смеси, поэтому в конструкции двигателя часто предусматривают 2 свечи.

Современные двигатели

Инженерам фирмы Mazda удалось решить все основные проблемы РПД — токсичность выхлопа и неэкономичность. По сравнению с двигателями-предшественниками «Renesis», удалось сократить потребление масла на 50%, бензина на 40% и довести выброс вредных окисей до норм, соответствующих Euro IV. Двухцилиндровый двигатель «Renesis» объёмом всего 1,3 л выдаёт мощность в 250 л.с. и занимает гораздо меньше места в моторном отсеке. Следующая модель двигателя Renesis 2 16X имеет меньший объём, но большую мощность, меньше нагревается.

Автомобили марки Mazda с буквами RE в наименовании могут использовать в качестве топлива как бензин так и водород. Это явилось вторым витком роста внимания к РПД двигателю со стороны разработчиков. Двигатель успешно может использовать водород, так как менее чувствителен к детонации, чем обычный двигатель, использующий возвратно-поступательное движение поршня.

Автомобили с РПД потребляют от 7 до 20 литров топлива на 100 км, в зависимости от режима движения, и масла от 0,4 л до 1 л на 1000 км (для двигателей Mazda 0,4 ÷ 0,6 л.). В настоящее время исследование этого типа двигателя активно ведёт японский автоконцерн Mazda, оснащая доработанными моделями роторных двигателей автомобили серии RX.

Вплоть до 1996 г. Mazda продолжала производить и поставлять в США спортивный автомобиль RX-7. В результате проведения обширной программы исследований компании Mazda удалось решить проблему недостаточной экономичности РПД и снизить эмиссию токсичных компонентов отработавших газов до принятых норм. В октябре 1999 г. на 33-й токийской автомобильной выставке демонстрировался новый спортивный автомобиль RX-EVOLV, оснащенный современным вариантом «ванкеля» – двухсекционным двигателем MSPRE мощностью 280 л.с. Эту машину специалисты компании называли «концепт-каром», обещая в ближайшем будущем перенести заложенные в ней новинки в серийные модели RX-7.

В США сформировалась заметная группа гонщиков-любителей, которым Mazda в свое время сделала великолепный подарок. Оценивая предыдущие варианты RX-7, эти люди не скупятся на похвалы. По их мнению, отличительной особенностью РПД, установленного на «семерке», является потрясающая надежность: даже при эксплуатации в чрезвычайно напряженном «гоночном» режиме «ванкель» без какого-либо ремонта легко обеспечивал пробег свыше 100 000 миль! Фанаты RX-7 организовали сбор подписей с требованием возобновить поставки их любимца в США. Этих людей не пугает цена.

Кстати, о цене. Современный РПД, как уже отмечалось ранее, имеет меньшее число деталей по сравнению с равным по мощности «нормальным» бензиновым двигателем. Для нынешних станков с ЧПУ обработка поверхностей типа перитрохоиды является вполне посильной задачей, а требования к точности воспроизведения формы для деталей РПД даже менее жесткие, чем у классического двигателя с его цилиндрами и поршнями. В РПД нет клапанов, а значит, нет распредвала с толкателями и т.п. Применение износостойких покрытий, в том числе керамических, решает проблему надежности и долговечности. Таким образом, потенциально, при соответствующих масштабах производства, «ванкель» не дороже хорошего классического бензинового мотора равной мощности при одинаковой экономичности и, по крайней мере, не худших экологических показателях! Во всяком случае, фирма Mazda всерьез намеревается придать РПД второе дыхание и изменить стереотипное представление о важнейших качествах «ванкеля», сложившееся у потребителей по результатам эксплуатации его ранних моделей.

Ну вот вреде бы как все!