Меню Закрыть

Двс ванкеля: Двигатель Ванкеля — устройство и принцип работы РПД автомобиля

Содержание

Фирма Mazda разработала гибрид с двигателем Ванкеля — ДРАЙВ

Новый патент открывает путь для возвращения двигателя Ванкеля (цифра 3 на схеме) в качестве основного, но не гарантирует, что это непременно случится.

Компания Mazda запатентовала в Японии необычную схему полноприводного гибрида, использующего роторно-поршневой двигатель Ванкеля (РПД). Размещён ДВС спереди продольно, со смещением вглубь колёсной базы. К валу ДВС присоединён 48-вольтовый основной тяговый электромотор мощностью 25 кВт (34 л.с.) и с максимальным крутящим моментом в 200 Н•м. Сообща они передают тягу на трансмиссионный вал, который завершается сцеплением, некоей ступенчатой коробкой передач (её тип не уточнён), дифференциалом и полуосями. Основные ведущие колёса в большинстве ситуаций — задние.

На этой схеме ДВС показан под номером 3, основной электромотор — 5, трансмиссионный вал — 4а, сцепление — 4b, коробка передач — 4c. Дифференциал и задние полуоси не отражены.

В качестве главного накопителя энергии применена 48-вольтовая литиево-ионная батарея с относительно скромной вместимостью в 3,5 кВт•ч. Она расположена под днищем в центре машины (цифра 6 на схеме). В передние же колёса встроены 17-киловаттные (23 л.с.) вспомогательные 120-вольтовые электромоторы (номер 10) с крутящим моментом 200 Н•м каждый. Одна из главных идей всего проекта — комбинированное применение литиево-ионного аккумулятора и блока суперконденсаторов (CAP или цифра 7 на схеме вверху). Ионисторы не обладают большим запасом энергии на единицу веса, зато у них очень высокая мощность. Они питают передние электромоторы, когда возникает необходимость, например, при динамичной езде на больших скоростях.

Поскольку блок суперконденсаторов расположен под капотом как можно ближе к передним электромоторам (на рисунке), уменьшается длина и вес высоковольтной проводки, отмечают разработчики.

Кратковременно от суперконденсаторов может запитываться и основной электродвигатель. Они же берут на себя рекуперацию энергии, поскольку и принимаемая от внешних источников мощность у них тоже велика. А вот после зарядки суперконденсаторов те понемногу могут подпитывать и литиевую батарею, а она отдавать ток в нагрузку по мере необходимости. Вся эта комбинация узлов обладает низкой массой, в сравнении с другими гибридными системами, обеспечивающими полный привод, уверяют японцы.

По замыслу разработчиков, описанная гибридная схема может работать и с обычным поршневым ДВС (рядным или V-обраным) вместо двигателя Ванкеля. При этом ионисторы ставятся в развал блока. Однако в патенте сделано уточнение, что РПД предпочтительнее из-за малого веса и небольших размеров.

Добавим, что Mazda уже патентовала оригинальную схему использования маленького РПД в качестве бортового генератора (не связанного с колёсами) и неофициальные источники предсказывают внедрение такого «расширителя дальности хода» на электрокаре MX-30. О возможном воплощении в жизнь новой гибридной схемы пока ничего не слышно. Однако, памятуя о продольной компоновке нового гибрида, стоит вспомнить, что Mazda разработала заднеприводную платформу с продольным расположением ДВС.

Американец построил двигатель Ванкеля с двенадцатью роторами — ДРАЙВ

Вас поражала лемановская Mazda 787B аж с четырёхсекционным двигателем Ванкеля? Забудьте. Перед вами агрегат с двенадцатью секциями.

Изобретатель Тайсон Гэрвин мечтает изменить мир гонок. Для начала — гонок на воде. Его роторный мотор с 12 секциями, размещёнными в три ряда, предназначен для скоростных катеров. Но автомобили-монстры мы держим в уме: уж очень необычные получаются характеристики у двигателя, названного R12. Строго говоря, исходный образец был готов ещё год назад. Но он служил лишь для проверки работоспособности идеи и был оснащён карбюратором. Теперь же новатор сделал то, на что рассчитывал с самого начала, — снабдил своё чудище распределённым впрыском (такой вариант показан на снимке вверху).

Основные детали те же, что у простых двигателей Ванкеля, – треугольные роторы, эксцентриковые валы, корпуса секций. Но здесь всё соединено в диковинную систему. Набор шестерён на одном конце общего блока сводит тягу с трёх эксцентриковых валов на общий выходной вал (нижний центральный на правом снимке).

Гэрвин, участник трансокеанских гонок на катерах, мечтал получить компактный и мощный агрегат, который примерно вписывался бы в габариты джиэмовских биг-блоков. За несколько лет работы изобретатель рассмотрел и отверг 100 вариантов, пока не пришёл к схеме с тремя рядами по четыре ротора, хотя и тут пришлось поломать голову над размещением впускных и выпускных патрубков.

На заднем плане мелькают автомобили — потенциальное поле деятельности неутомимого Гэрвина.

В итоге длина двигателя составляет 76 см, ширина — 79 см, высота — 61 см, рабочий объём — 15,7 л, вес — 377 кг. Полагаете, это много? Учтите, что в атмосферном варианте он выдаёт 1140 л.с. И американец намерен поставить сюда турбонаддув. В зависимости от его давления с R12 можно будет снять от 2400 до 5400 л.с. Последняя цифра достижима только с топливом с октановым числом 116, и при этом ресурс будет ограничен несколькими гонками. Крутящий момент тоже неплох. На прошлогоднем образце испытатель получал на стенде 1105 Н•м, не поднимая обороты выше 3200 об/мин. А ведь конструкция рассчитана на 9000 в нормальном режиме и 11 000 оборотов — в гоночном. Теперь Гэрвину предстоит проверить агрегат в новом варианте с электронным впрыском топлива, а потом добавить турбокомпрессор.

В этом ролике можно увидеть запуск сырого образца годичной давности.

Роторно — поршневой двигатель (двигатель Ванкеля)

Роторно-поршневой двигатель или двигатель Ванкеля представляет собой мотор, где главным рабочим элементом осуществляются планетарные круговые движения. Это принципиально другой вид двигателя, отличный от поршневых собратьев в семействе ДВС.

В конструкции такого агрегата используется ротор (поршень) с тремя гранями, внешне образующим треугольник Рело, осуществляющий круговые движения в цилиндре особого профиля. Чаще всего поверхность цилиндра исполнена по эпитрохоиде (плоской кривой, полученной точкой, которая жестко связана с окружностью, осуществляющей движение по внешней стороне другой окружности). На практике можно встретить цилиндр и ротор иных форм.

Составные элементы и принцип работы

Устройство двигателя типа РПД предельно проста и компактна. На ось агрегата устанавливается ротор, который крепко соединяется с шестерней. Последняя сцепляется со статором. Ротор, имеющий три грани, двигается по эпитрохоидальной цилиндрической плоскости. В результате чего сменяющиеся объемы рабочих камер цилиндра отсекаются с помощью трех клапанов. Уплотнительные пластины (торцевого и радиального типа) прижимаются к цилиндру под действием газа и за счет действия центростремительных сил и ленточных пружин. Получаются 3 изолированные камеры разные по объемным размерам. Здесь осуществляются процессы сжимания поступившей смеси горючего и воздуха, расширения газов, оказывающих давление на рабочую поверхность ротора и очищающих камеру сгорания от газов. На эксцентриковую ось передается круговое движение ротора. Сама ось находится на подшипниках и передает момент вращения на механизмы трансмиссии. В этих моторах осуществляется одновременная работа двух механических пар. Одна, которая состоит из шестерен, регулирует движение самого ротора. Другая — преобразует вращающиеся движение поршня во вращающиеся движения эксцентриковой оси.

Детали Роторно-поршневого двигателя

   Принцип работы двигателя Ванкеля

На примере двигателей, установленных на автомобилях ВАЗ, можно назвать следующие технические характеристики:
— 1,308 см3 – рабочий объем камеры РПД;
— 103 кВт/6000 мин-1 – номинальная мощность;
— 130 кг масса двигателя;
— 125000 км – ресурс двигателя до первого полного его ремонта.

Смесеобразование

В теории в РПД применяют несколько разновидностей смесеобразования: внешнее и внутреннее, на основе жидких, твердых, газообразных видов топлива.
Касательно твердых видов топлива стоит отметить, что их первоначально газифицируют в газогенераторах, так как они приводят к повышенному золообразованию в цилиндрах. Поэтому большее распространение на практике получили газообразные и жидкие топлива.

Сам механизм образования смеси в двигателях Ванкеля будет зависеть от вида применяемого топлива.
При использовании газообразного топлива его смешение с воздухом происходит в специальном отсеке на входе в двигатель. Горючая смесь в цилиндры поступает в готовом виде.

Из жидкого топлива смесь приготавливается следующим образом:

  1. Воздух смешивается с жидким топливом перед поступлением в цилиндры, куда поступает горючая смесь.
  2. В цилиндры двигателя жидкое топливо и воздух поступают по отдельности, и уже внутри цилиндра происходит их смешивание. Рабочая смесь получается при соприкосновении их с остаточными газами.

Соответственно, топливно-воздушная смесь может готовиться вне цилиндров или внутри их. От этого идет разделение двигателей с внутренним или внешним образованием смеси.

Особенности РПД

Преимущества

Преимущества двигателей роторно-поршневого типа по сравнению со стандартными бензиновыми двигателями:

— Низкие показатели уровня вибрации.
В моторах типа РПД отсутствует преобразование возвратно-поступательного движения во вращательное, что позволяет агрегату выдержать высокие обороты с меньшими вибрациями.

— Хорошие динамические характеристики.
Благодаря своему устройству такой мотор, установленный в машине, позволяет ее разогнать выше 100 км/ч на высоких оборотах без избыточной нагрузки.

— Хорошие показатели удельной мощности при малой массе.
Из-за отсутствия в конструкции двигателя коленчатого вала и шатунов достигается небольшая масса движущихся частей в РПД.

— В двигателях такого типа практически отсутствует система смазки.
Непосредственно в топливо добавляется масло. Топливно-воздушная смесь сама осуществляет смазывание пар трения.

— Мотор роторно-поршневого типа имеет небольшие габаритные размеры.
Установленный роторно-поршневой мотор позволяет максимально использовать полезное пространство моторного отсека автомобиля, равномерно распределить нагрузку на оси автомашины и лучше рассчитать расположение элементов коробки передач и узлов. Например, четырехтактный двигатель такой же мощности будет в два раза больше роторного двигателя.

Недостатки двигателя Ванкеля

— Качество моторного масла.
При эксплуатации такого типа двигателей необходимо уделять должное внимание к качественному составу масла, применяемого в двигателях Ванкеля. Ротор и находящаяся внутри камера двигателя имеют большую площадь соприкосновения, соответственно, износ двигателя происходит быстрее, а также такой двигатель постоянно перегревается. Нерегулярная смена масла наносит огромный урон двигателю. Износ мотора возрастает в разы из-за наличия абразивных частиц в отработанном масле.

— Качество свечей зажигания.
Эксплуатантам таких двигателей приходится быть особо требовательным к качественному составу свечей. В камере сгорания из-за ее небольшого объема, протяженной формы и высокой температуры затруднен процесс зажигания смеси. Следствием является повышенная рабочая температура и периодическая детонация камеры сгорания.

— Материалы уплотнительных элементов.
Существенной недоработкой мотора типа РПД можно назвать ненадежную организацию уплотнений промежутков между камерой, где сгорает топливо, и ротором. Устройство ротора такого мотора достаточно сложное, поэтому уплотнения требуются и по граням ротора, и по боковой поверхности, имеющей соприкосновение с крышками двигателя. Поверхности, которые подвергаются трению, необходимо постоянно смазывать, что выливается в повышенный расход масла. Практика показывает, что мотор типа РПД может потребить от 400 гр до 1 кг масла на каждые 1000 км. Снижаются экологичные показатели работы двигателя, так как горючее сгорает вместе с маслом, в результате в окружающую среду выбрасывается большое количество вредных веществ.

Из-за своих недоработок такие моторы не получили широкого распространения в автомобилестроении и в изготовлении мотоциклов. Но на базе РПД изготавливаются компрессоры и насосы. Авиамоделисты часто используют такие двигатели для конструирования своих моделей. Из-за невысоких требований к экономичности и надежности конструкторы не применяют сложную систему уплотнений в таких моторах, что значительно снижает его себестоимость. Простота его конструкции позволяет без проблем встроить в авиамодель.

КПД роторно-поршневой конструкции

Не смотря на ряд недоработок, проведенные исследования показали, что общий КПД двигателя Ванкеля довольно-таки высокий по современным меркам. Его значение составляет 40 – 45%. Для сравнения, у поршневых двигателей внутреннего сгорания КПД составляет 25%, у современных турбодизелей – около 40%. Самый высокий КПД у поршневых дизельных двигателей составляет 50%. До настоящего времени ученые продолжают работу по изысканию резервов для повышения КПД двигателей.

Итоговый КПД работы мотора состоит из трех основных частей:

  1. Топливная эффективность (показатель, характеризующий рациональное использование горючего в моторе).

Исследования в этой области показывают, что только 75% горючего сгорает в полном объеме. Есть мнение, что данная проблема решается путем разделения процессов сгорания и расширения газов. Необходимо предусмотреть обустройство специальных камер при оптимальных условиях. Горение должно происходить в замкнутом объеме, при условии нарастания температурных показателей и давления, расширительный процесс должен происходить при невысоких показателях температур.

  1. КПД механический (характеризует работу, результатом которой стало образование переданного потребителю крутящего момента главной оси).

Порядка 10% работы мотора расходуется на приведение в движение вспомогательных узлов и механизмов. Исправить данную недоработку можно путем внесения изменений в устройство двигателя: когда главный движущийся рабочий элемент не прикасается к неподвижному корпусу. Постоянное плечо крутящего момента должно присутствовать на всем пути следования основного рабочего элемента.

  1. Термическая эффективность (показатель, отражающий количество тепловой энергии, образованной от сжигания горючего, преобразующейся в полезную работу).

На практике 65% полученной тепловой энергии улетучивается с отработанными газами во внешнюю среду. Ряд исследований показал, что можно добиться повышения показателей термической эффективности в том случае, когда конструкция мотора позволяла бы осуществлять сгорание горючего в теплоизолированной камере, чтобы с самого начала достигались максимальные показатели температуры, а в конце эта температура понижалась до минимальных значений путем включения паровой фазы.

Современное состояние роторно-поршневого двигателя

На пути массового применения двигателя встали значительные технические трудности:
— отработка качественного рабочего процесса в камере неблагоприятной формы;
— обеспечение герметичности уплотнения рабочих объемов;
— проектировка и создания конструкции корпусных деталей, которые надежно прослужат весь жизненный цикл работы двигателя без коробления при неравномерном нагрева этих деталей.
В результате огромной проделанной научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы этим фирмам удалось решить почти все наиболее сложные технические задачи на пути создания РПД и выйти на этап их промышленного производства.

Первый массовый автомобиль NSU Spider с РПД начала выпускать фирма NSU Motorenwerke. Вследствие частых переборок двигателей из-за выше сказанных технических проблем на раннем этапе развития конструкции двигателя Ванкеля, взятые NSU гарантийные обязательства привели ее к финансовому краху и банкротству и последовавшему слиянию с Audi в 1969 году.
Между 1964 и 1967 годом произведено 2375 автомобилей. В 1967 году Spider был снят с производства и заменён на NSU Ro80 с роторным двигателем второго поколения; за десять лет производства Ro80 выпущено 37398 машин.

Наиболее успешно с данными проблемами справились инженеры фирмы Mazda. Она и остается единственным массовым производителем машин с роторно-поршневыми двигателями. Доработанный мотор серийно начался ставить на автомобиль Mazda RX-7 с 1978 года. С 2003 преемственность приняла модель Mazda RX-8, она и является на данный момент массовой и единственной версией автомобиля с двигателем Ванкеля.

Российские РПД

Первое упоминание о роторном двигателе в Советском Союзе относится к 60-м годам. Исследовательские работы по роторно-поршневым двигателям начались в 1961 году, соответствующим постановлением Минавтопрома и Минсельхозмаша СССР. Промышленное же изучение с дальнейшем выводом на производство данной конструкции началось в 1974 году на ВАЗе. специально для этого было создано Специальное конструкторское бюро роторно-поршневых двигателей (СКБ РПД). Поскольку лицензию купить не было возможности, был разобран и скопирован серийный «ванкель» от NSU Ro80. На этой основе разработали и собрали двигатель Ваз-311, а произошло это знаменательное событие в 1976 году. На ВАЗе разрабатывали целую линейку РПД от 40 до 200 сильных двигателей. Доработка конструкции тянулась почти шесть лет. Удалось решить целый ряд технических проблем связанные с работоспособностью газовых и маслосъемных уплотнений, подшипников, отладить эффективный рабочий процесс в камере неблагоприятной формы. Свой первый серийный автомобиль ВАЗ с роторным двигателем под капотом представил публике в 1982 году, это был Ваз-21018. Машина внешне и конструктивно была как и все модели данной линейки, за одним исключением, а именно, под капотом стоял односекционный роторный двигатель мощностью 70 л.с. Длительность разработки не помешала случиться конфузу: на всех 50 опытных машинах при эксплуатации возникли поломки мотора, заставившие завод установить на его место обычный поршневой.

Ваз 21018 с Роторно-поршневым двигателем

Установив, что причиной неполадок являлись вибрации механизмов и ненадёжность уплотнений, конструкторы предприняли спасти проект. Уже в 83-ем появились двухсекционные Ваз-411 и Ваз-413 (мощностью, соответственно, 120 и 140 л.с.). Несмотря на низкую экономичность и малый ресурс, сфера применения роторного двигателя всё-таки нашлась – ГАИ, КГБ и МВД требовались мощные и незаметные машины. Оснащённые роторными двигателями «Жигули» и «Волги» легко догоняли иномарки.

С 80-ых годов 20 века СКБ был увлечён новой темой – применение роторных двигателей в смежной отрасли — авиационной. Отход от основной отрасли применения РПД привело к тому, что для переднеприводных машин роторный двигатель Ваз-414 создаётся лишь к 1992 году, да ещё три года доводится. В 1995 году Ваз-415 был представлен к сертификации. В отличие от предшественников он универсален, и может устанавливаться под капотом как заднеприводных («классика» и ГАЗ), так и переднеприводных машин (ВАЗ, Москвич). Двухсекционный «Ванкель» имеет рабочий объём 1308 см3 и развивает мощность 135 л.с. при 6000об/мин. «Девяносто девятую» он ускоряет до сотни за 9 секунд.

Роторно-поршневой двигатель ВАЗ-414

На данный момент проект по разработке и внедрения отечественного РПД заморожен.

Ниже представлено видео устройства и работы двигателя Ванкеля.

Проходной роторно-поршневой двигатель — Энергетика и промышленность России — № 08 (124) апрель 2009 года — WWW.EPRUSSIA.RU

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 08 (124) апрель 2009 года

Однако бурный рост потребления таких мощностей требует высокого качества преобразователей энергии, поскольку их работа связана с нагрузкой на окружающую среду.

Поршневые ДВС сейчас уже не справляются с требованиями, которые предъявляются к тепловым преобразователям индивидуального пользования. В поисках подходящей им замены изобретатели все чаще обращаются к роторным машинам. Но пока из всех автомобильных фирм только «Мазда» решилась поставить на поток роторный двигатель Ванкеля.

По массогабаритным показателям такой двигатель значительно превосходит поршневые двигатели, имеет меньше деталей. Однако его широкое использование сдерживается рядом существенных причин. К главным из них можно отнести малый ресурс работы двигателя, которого хватает от силы на 100 000 километров пробега.

В то же время основные технические характеристики роторного варианта теплового преобразователя близки к характеристикам газотурбинной техники и при этом обладают экономичностью поршневого двигателя.

Это заставляет изобретателей искать варианты, в которых будут совмещены преимущества различных систем.

Как известно, роторно-порш­невой двигатель Ванкеля состоит из корпуса, в котором вершины треугольного ротора совершают эпитрохоидную траекторию, обеспечивая необходимые замкнутые полости переменного объема для сжатия рабочего тела, системы подвода тепловой энергии и механизма преобразования последней в энергию вращающегося вала.

Анализируя работу двигателя Ванкеля, можно заметить, что вершины треугольного ротора совершают свою траекторию под воздействием линии эпитрохоиды корпуса – в отличие от ДВС, где смену направления движения поршня определяет коленчатый вал.

Массивный же ротор, имея большую скорость, оказывает значительное сопротивление на сложных поворотах линии эпитрохоиды и, несмотря на обильную смазку, быстро изнашивает трущиеся детали двигателя. Помимо этого, вершины ротора, имеющие малую контактную поверхность, скользят под разными углами по трущейся поверхности корпуса, что ведет к еще большей скорости разрушения уплотнений.

Однако, к сожалению, линия эпитрохоиды совместно с эксцентриковым механизмом является конструктивной особенностью роторного поршневого двигателя Ванкеля, и на сегодняшний день схема Ванкеля лучшее решение для роторно-поршневого двигателя, несмотря на невысокий ресурс. Приходится признать, что дальнейшее улучшение характеристик двигателя Ванкеля может быть осуществлено лишь с помощью применения еще более дорогостоящих материалов – при незначительной эффективности самого двигателя.

Но есть и другое решение проблемы создания замкнутых полостей переменного объема, в полной мере использующее все преимущества роторно-поршневого механизма.

Оно осуществляется путем установки плотной разделительной стенки в радиальной плоскости цилиндрического корпуса. Стенка откроется в нужный момент и пропустит рабочую часть ротора в точку начала оборота.

В этом случае ротор жестко связан с выходным валом, определяющим траекторию движения ротора без возвратно поступательной составляющей. Трение вращающегося ротора по цилиндрическому корпусу позволит создать большую площадь контакта трущихся поверхностей с неизменным углом касания. В итоге трущиеся поверхности не испытывают паразитного давления; параллельно с этим значительно улучшается уплотнение за счет увеличения поверхности контакта и снижается вибрация двигателя.

Здесь единственным относительно сложным узлом двигателя, который требует технической проработки и испытания, является уплотнительная стенка, пропускающая зуб ротора после завершения цикла.

Реализовать ее можно, установив на пути ротора дополнительный синхронно вращающийся цилиндр, охваченный корпусом. Он работает как вращающаяся часть подшипника скольжения, имеющего паз, который, развернувшись, пропускает зуб ротора словно через турникет.

Работа пропускного цилиндра при совершении рабочего хода заключается только в создании надежных уплотнений между камерами – в двух направлениях цилиндра. Одно проходит по линии скольжения цилиндра в корпусе с характеристиками подшипника скольжения – и здесь уплотнительная способность цилиндра сомнений не вызывает.

На втором направлении уплотнения цилиндр катится по поверхности малого радиуса ротора. Это наиболее сложный участок уплотнения с характеристиками, подобными роликовому или игольчатому подшипнику, который и является основой работы над пропускным РПД.

Автору представляется, что, с технической точки зрения, на пути к созданию перспективного роторного двигателя, свободного от недостатков РПД Ванкеля, стоит лишь вопрос уплотнения между катящимися цилиндрами. Переход же зуба через паз цилиндра происходит в технологическое время при отсутствии давления между камерами. Схема боковых уплотнений успешно решается в РПД Ванкеля, и ее можно позаимствовать.

Вторым отличием проходного РПД является компоновка функциональных узлов по схеме газотурбинного двигателя.

Выделение компрессора камеры сгорания и преобразователя в отдельные конструктивные узлы может значительно улучшить экологические показатели выхлопных газов, поскольку топливо будет сгорать в специально приспособленной камере, где легко можно поддерживать расход температуры и давление рабочего тела. Учитывая разные условия работы компрессора и преобразователя, появится возможность оптимизации узлов под конкретную задачу сжатия воздуха или преобразования энергии полученного горячего газа.

Двигатель Ванкеля — это… Что такое Двигатель Ванкеля?

Роторно-поршневой двигатель в разрезе.

Ро́торно-поршнево́й дви́гатель внутреннего сгорания (РПД, двигатель Ва́нкеля), конструкция которого разработана в 1957 инженером компании NSU Вальтером Фройде (англ.), ему же принадлежала идея этой конструкции. Двигатель разрабатывался в соавторстве с Феликсом Ванкелем, работавшим над другой конструкцией роторно-поршневого двигателя. [1]

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

Конструкция

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.

Цикл двигателя Ванкеля: впуск (голубой), сжатие (зелёный), рабочий ход (красный), выпуск (жёлтый)

Роторно-поршневой двигатель

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.

Преимущества, недостатки и их разрешение

Преимущества перед обычными бензиновыми двигателями

  • низкий уровень вибраций. РПД полностью механически уравновешен, что позволяет повысить комфортность лёгких транспортных средств типа микроавтомобилей, мотокаров и юникаров;
  • 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.
  • Малая удельная масса при высокой удельной мощности, причины:
  1. Масса движущихся частей в РПД гораздо меньше, чем в аналогичных по мощности «нормальных» поршневых двигателях, так как в его конструкции отсутствуют коленчатый вал и шатуны.
  2. 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.)
  • меньшие в 1,5—2 раза габаритные размеры.
  • меньшее на 35—40 % число деталей

За счёт отсутствия преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное двигатель способен выдерживать бо́льшие обороты с меньшими вибрациями, по сравнению с традиционными двигателями. Роторно-поршневые двигатели обладают более высокой мощностью при небольшом объёме камеры сгорания, сама же конструкция двигателя сравнительно мала и содержит меньше деталей. Небольшие размеры улучшают управляемость, облегчают оптимальное расположение трансмиссии и позволяют сделать автомобиль более просторным для водителя и пассажиров.

Соединение ротора с выходным валом через эксцентриковый механизм, являясь характерной особенностью РПД Ванкеля, вызывает давление между трущимися поверхностями, что в сочетании с высокой температурой, приводит к дополнительному износу и нагреву двигателя.

В связи с этим возникает повышенное требование к 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.

Важной проблемой считается состояние уплотнителей. 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.

Проблема быстрого износа уплотнителей на высокой скорости вращения была разрешена применением высоколегированной стали.

При всех преимуществах (высокая удельная мощность, простота устройства, несложный ремонт при правильной эксплуатации), важной проблемой является меньшая экономичность на низких оборотах по сравнению с обычными ДВС.

Другой особенностью двигателей Ванкеля является его склонность к перегреву. Камера сгорания имеет линзовидную форму, то есть при маленьком объёме у неё относительно большая площадь. 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.

Высокие требования к точности исполнения деталей делают его сложным в производстве. Оно требует высокотехнологичного и высокоточного оборудования — станков, способных перемещать инструмент по сложной траектории эпитрохоидальной поверхности камеры объёмного вытеснения.

Применение

NSU Ro80.

Двигатель разрабатывался изначально именно для применения на автотранспорте. Первый серийный автомобиль с роторным двигателем — немецкий спорткар NSU Wankelspider.

Первый массовый (37,204 экземпляра) — немецкий седан бизнес-класса NSU Ro80. Автомобиль имел достаточно инноваций и помимо двигателя — в частности, кузов с рекордно-низким аэродинамическим сопротивлением, полуавтоматическую коробку передач с гидротрансформатором, блок-фары, и так далее. Ro80 отличалась не только уникальной конструкцией, но и передовым дизайном, который оказался непонятен публике середины шестидесятых; через десять лет именно он был положен в основу стиля моделей «Ауди» 100 и 200 поколения C2.

К сожалению, ресурс двигателя оказался весьма мал (ремонт требовался уже после пробега порядка 50 тыс. км), поэтому автомобиль заслужил плохую репутацию и относительно малоизвестен. На многих сохранившихся автомобилях оригинальный двигатель заменён на поршневой V4 «Essex» фирмы Ford.

Citroën также экспериментировал с РПД — проект Citroën M35.

После этого серийное и мелкосерийное производство роторно-поршневых двигателей Ванкеля производились только фирмой ВАЗ, в конечном счёте взявшим за основу конструкцию двигателя

Современные двигатели

Инженерам фирмы 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 бо́льшую мощность, меньше нагревается.

Автомобили марки [2] 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

Авиационные двигатели

В начале 50-х годов была создана серия авиадвигателей ВП-760, ВП-1300, ВП-2650 — пятилучевых двухтактных звёзд мощностью от 40 до 130 л. с. и весом от 25 до 100 кг авиационного инженера В.Полякова, созданных для лёгкой авиационной техники и прошедших успешные испытания в небольшой серии в ДОСААФ. [3]

Сноски

  1. Иван Пятов. РПД изнутри и снаружи, Журнал Двигатель, № 5-6 (11-12) сентябрь-декабрь 2000
  2. первые буквы от названия «Renesis», производным от слов (англ. Rotary Engine:роторный двигатель и Genesis:процесс становления, название говорящее о появлении нового класса двигателей)
  3. альманах АэроМастер, №1/98г, Новосибирск.

Литература

  • Роторно-поршневой двигатель // Большая советская энциклопедия

Ссылки

РПД СССР/России

Авиационные РПД

См. также

Wikimedia Foundation. 2010.

История двигателя Ванкеля / Итоги токийского автосалона | Новости автомобилестроения в Германии | DW

С равномерным жужжанием хорошо смазанного электромотора работает на испытательных стендах Некарсульма этот удивительный двигатель внутреннего сгорания. Эксперты уже предрекают скорый конец привычного двигателя и выражают уверенность, что автопромышленность отдаст предпочтение ротороно-поршневой системе.

Вот так восторжено описывали журналисты в 1959 году изобретение, которое, как предполагалось, должно было совершить настоящую революцию в автомобилестроении. И действительно, двигатель, который представил тогда изобретатель Феликс Ванкель стал настоящей сенсацией. Первый раз в истории мотор передавал энергию, обходясь без кривошипно-шатунного механизма и коленвала, и толкал при этом не поршень, а фактически ротор.

Всё началось в середине 20-х годов прошлого века. Тогда ещё совсем молодой Ванкель попытался смастерить авто собственной конструкции. Двигатель для своего детища он подыскал на свалке. Но самодельная машина страдала от одного главного недостатка: уж слишком лихорадил мотор легкую конструкцию. Как же избавиться от назойливой вибрации?

Как и многие другие инженеры, я не мог смириться с мыслью, что обычная система, основанная на поступательном движении поршней, является единственно возможным принципом работы двигателей внутреннего сгорания. Для того, чтобы колеса прокручивались, необходимо устранить тряску и превратить вибрирующий ритм взлетающих и опускающихся поршней в гармоничную и ровную работу мотора. А это крайне не просто. Для этого необходимо оснастить двигатель сложными шатунными механизмами и коленчатыми валами, решить массу технических проблем – и всё это для того, чтобы автомобиль сделал нам одолжение и поехал.

— рассказывал впоследстии журналистам Феликс Ванкель.

В результате долгих поисков, он пришел к идее разработать двигатель, работающий по принципу турбины или электромотора. Но только через тридцать лет – в середине 50-х годов – Ванкель пришел к той компактной и лёгкой конструкции, которая соответствовала требованиям автопроизводителей. Вместо кривошипно-шатунного механизма, толкающего поршень, Ванкель установил треугольный поршень. Он укреплен на валу и создает необходимое сжатие горючего, вращаясь внутри камеры сгорания. В том, что Ванкелю всё же удалось довести принципиально новый двигатель до серийного производства, во многом заслуга Некарсульмских моторных заводов или сокращенно NSU. Позднее эту сравнительно небольшую фирму поглотил концерн AUDI. В 1964-м году на дорогах Германии появился небольшой автомобиль-кабриолет под названием Wankel-Spider, оснащенный первым в мире серийным роторно-поршневым двигателем. Плоский и компактный мотор объемом всего в 500 куб.см. и мощностьюв 50 л.с. размещался под багажником. До сотни км. в ч. Spider разгонялся за 16 секунд, а его максимальная скорость составляла 152 км. в ч. Для тех времен это были вполне достойные показатели. В начале Spider страдал от перебоев системы зажигания. Но разработанное в 66-м году транзисторное зажигание помогло избавиться от этой проблемы. Не только фанаты, но и владельцы бензоколонок полюбили этот автомобильчик, потреблявший более 10 литров бензина на сто км и 5 литров масла на тысячу км. Главным недостатком был уровень шума мотора – машину было слышно задолго до её появления из-за поворота. Так что выпускалась она недолго и большим спросом не пользовалась – до октября 68-го года было продано лишь 2375 машины – вдвое меньше, чем планировалось. Зато Spider прекрасно чувствовал себя на виражах и благодаря этому в 1966 году его гоночный вариант выиграл ралли по горам Германии. Однако наиболее продвинутым немецким автомобилем с роторно-поршневым двигателем стал ставший в 1967 году на конвейер Ro-80. В том же году он без труда завоевывает звание «автомобиль года». Ro – означало «ротор», а число 80 должно было символизировать, что в данном случае речь идет об автомобиле будущего – автомобиле восьмидесятых годов. И действительно – эта машина просто опередила время. Фирма NSU использовала компактность роторного двигателя для того, чтобы сделать Ro-80 переприводным с полуавтоматической коробкой. При объеме двигателя всего в один литр машина развивала 115 л.с. Максимальная скорость 180 км в ч. делала её одним из самых быстрых лимузинов той поры. Очертания кузова этой модели и её отдельные детали легко узнаются в AUDI-100 80-х годов. По замыслу стратегов NSU, Ro-80 должен был конкурировать с «Мерседесами». Но двигатели были ещё далеки от совершенства. Фирме пришлось создать целый склад для замены моторов, нередко выбывавших из строя всего после нескольких тысяч пройденных километров. Инженерам так и не удалось добиться полной герметичности статора – по сути, той же болезнью до сих пор страдают и современные варианты роторно-поршневых двигателей. На максимальной скорости Ro-80 расходовал ни много, ни мало — 18 литров бензина, и это на фоне разразившихся в 70-х первых энергетических кризисов. В 1977 году серийный выпуск автомобилей с двигателями Ванкеля в Германии был прекращен. Рассказывает инженер Маркус Трунцер, работавший на NSU:

В 77-м году у нас уже был усовершенствованный вариант роторно-поршневого двигателя, и мы хотели ставить его на дорогие машины верхнего среднего класса, но потом, по техническим причинам и из соображений экономии, решили ограничиться традиционными моторами с поступательным движением поршней. Без сомнения, Wankel-Motor хорош своими небольшими размерами, равномерностью работы и плавностью хода. Однако недостатки, с которыми так и не удалось справиться полностью, перевесили все достоинства. Так, двигатель из-за большой поверхности камеры сгорания, обладал слишком низким термическим КПД, а потому и слишком низкой скоростью преобразования энергии и высокой потерей тепла. Кроме того, расход топлива был на 10-20 процентов выше, чем у традиционного мотора с поступательным движением поршней. Вдвое больше был и выброс вредных веществ. В общем, двигатель Ванкеля ушёл в историю и, по меньшей мере AUDI не собирается работать над его развитием, хотя и вспоминает о нём с удовольствием.

Сегодня только концерн Mazda продолжает работать с роторно-поршневыми моторами. Начали японские инженеры ещё в восьмидесятых со спортивной модели RX-3, оснащенной двигателем Ванкеля мощностью в 105 л.с. Машина была довольно популярной. Во многом благодаря высокому качеству двигателей и хорошему сервису. В середине 80-х заметного успеха добилась модель RX-7, имевшая счетверенный роторно-поршневой двигатель, развивавший до 170 л.с. В 90-х ему на смену пришел ещё более мощный двигатель мощностью в 270 лошадок. Сотни эта машина достигала за 5,3 секунд. В восьмидесятых годах Феликс Ванкель почувствовал себя тем самым пророком, которых, как известно, нет в своем отечестве. В 1988 году, незадолго до смерти, 86-летний Ванкель с горечью констаирует:

Японцы продали полтора миллиона роторно-поршневых моторов. Японцы продают ежегодно около ста тысяч спортивных автомобилей. Однако у нас до сих пор никто даже пальцем не пошевелил.

Дело гениального конструктора живет и сегодня. Правда, по-прежнему в Японии. Прежде всего, это выпускающаяся серийно модель Mazda RX-8. Предлагаемые для неё силовые агрегаты — оба роторно-поршневые (один мощностью в 192, другой в 231 л.с.) При этом автомобиль обладает идеальной для машин с задним приводом развесовкой – 50/50 и очень низким центром тяжести, что крайне важно для управляемости. Машина представляет собой полукупе-полуседан, где, в дополнение к двум передним дверям, сзади, против хода, открываются не полноразмерные двери, а «половинки». На прошедшем совсем недавно Токийском автосалоне концерн Mazda в очередной раз продемонстрировал свою верность принципу Ванкеля. Там был представлен концепт-кар Mazda Senku (что означает в переводе на русский «пионер»), на который установлен двигатель нового поколения. Впрысковый роторно-поршневой мотор у этого похожего на инопланетного хищника автомобиля спарен с гибридным модулем. Силовая установка и батареи расположены по уже сложившейся в концерне традиции таким образом, что на каждую ось пришлась ровно половина веса автомобиля. Сообщается, что электродвигатель не повлиял на спортивные характеристики роторного двигателя, а лишь улучшил экономичность и экологичность концепт-кара. И, наконец, ещё одна разработка под названием Mazda Premacy HRE Hybrid. Этот несколько курьезный силовой агрегат объединил в себе двигатель Ванкеля, функционирующий как на бензине, так и на водороде, а также электродвигатель, который может подрабатывать стартером и помогать двигателю, когда тот работает в зоне низких оборотов. Правда, когда эта концепция дорастет до серийного производства и дорастет ли вообще — пока не сообщается.

Помимо роторно-гибридного двигателя на нынешнем Токио Мотор Шоу были представлены и другие, ещё более смелые концепции. Вообще, всем тем, кто хочет знать, какими будут автомобили лет через десять, было просто необходимо побывать на Токийском автосалоне, закончившемся около неделю назад. По мнению многих экспертов, на этот раз особенно зримыми стали тенденции, наметившиеся в мировом автомобилестроении в последние годы. Машины и всевозможные транспортные средства начинают приспосабливаться к требованиям стареющего общества; всё больше новых моделей ориентированы на индивидуальные запросы покупателей; развернулось настоящее сражение гибридных двигателей с дизельными и оказалось, что ожидание внедрения в серийное производство водородных силовых агрегатов может растянуться на многие годы, если не десятилетия. Но начнем по порядку. Ни для кого не секрет, что средний возраст жителей индустриальных стран стремительно приближается к пожилому. Причем, касается это не только самых развитых стран, таких как США, Япония или европейские государства, но и стран с быстро развивающейся экономикой, как выяснилось, даже Китая. А посему человек пожилой подбирает себе автомобиль по критериям, кажущимся людям молодым несущественными. Особые внимание конструкторы теперь уделяют возможностям посадки и высадки из автомобиля. Привычные двери, становятся, судя по всему, для разработчиков новых моделей табу. Всё большее распространение получают раздвижные двери на соленоидах, а также задние двери, открывающиеся против хода, при отсутствии средних или задних стоек. (Кстати, пионером серийного производства таких кузовов выступила Mazda со своей моделью RX 8). Наиболее яркими примерами тому могут служить показанные в этом году Nissan Foria, созданный по образу и подобию легендарной итальянской Лянчи Фулвии, а также уже упоминавшаяся Mazda Senku. Особого внимания заслуживает Nissan Pivo. Главная его идея – поворачивающаяся на 360 градусов кабина, которая облегчает посадку и высадку в автомобиль, а также делает ненужными развороты машины на узких улочках. Разумеется, такое решение потребовало полного отказа от привычных схем, и управление осуществляется полностью по проводам (By Wire). Необычный концепт прошел испытания на улицах Токио, полностью подтвердив жизнеспособность заложенной в него идеи. Конечно, Nissan не собирается запускать Pivo в серию, но некоторые реализованные в нем решения планируется использовать в серийных автомобилях уже в ближайшее время. С этой точки зрения интересен и коцепт-кар Тойоты под названием Fine-X. У него вся боковая часть, превращена в единую дверь-крыло, поднимающуюся к верху. Любопытно, что сидения поворачиваются на 90 градусов и выдвигаются из салона наружу. Пассажиру или водителю остается только, если можно так выразиться, «плюхнуться» в кресло, остальное берет на себя автоматика. Однако Тойота пошла ещё дальше и разработала концепцию, дающую возможность оставаться так сказать «на колесах» вне автомобиля. Речь идет о Personal Mobility Tool или I-Swing. Это своеобразное средство передвижения транспортирует одного человека, используя при этом в зависимости от скорости и наклона два или три колеса. Пожилые люди могли бы на ездить на нем, например, по пешеходным зонам. Для того, чтобы концепт-кар ни в коем случае не вызывал ассоциаций с современной инвалидной коляской его оформили по-молодежному, снаружи он оснащен большим ЖК-дисплеем, при помощи которого счастливый обладатель I-Swing’a может общаться с себе подобными.

Здесь самое время упомянуть и наиболее смелые концепции, рассчитанные на индивидуальные запросы потребителя. Например, в салоне концепт-кара Honda W.O.W. есть комфортный отсек для собак, оборудованный специальной системой проветривания. Если W.O.W. создан для ублажения четвероногих членов семей, то Suzuki MOM, как следует из названия, предназначен для молодых матерей. Несмотря на скромные размеры, у автомобиля просторный салон, а переднее сидение может складываться, увеличивая пространство для прогулки малыша. Кроме того, в этот раз в Токио были представлены автомобили, рассчитанные на молодых меломанов, такие как концепт от Тойоты под названием bB, стильные машины в стиле пятидесятых годов, например Suzuki LC и Suzuki PX и так далее… Рассказать в одной передаче обо всех концепт-карах представленных на Токио Мотор Шоу попросту не возможно. Однако в наших следующих выпусках мы ещё не раз вернемся к представленным здесь идеям, многие из которых уже достаточно скоро будут реализованы в серийных моделях.

9 преимуществ и 4 недостатка

Содержание статьи

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.

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.

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.

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.

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.

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

Пожалуйста, оцените этот материал!

Загрузка…

Если Вам понравилась статья, поделитесь ею с друзьями!

Wankel Engines — обзор

16.4 Механика изменений

Учитывая, что нам нужны кардинальные изменения для достижения целей нашей дорожной карты, как это достигается? Мы не должны отвергать существующих игроков как потенциальных агентов перемен. Вопреки распространенному мнению, существующая автомобильная промышленность временами была на удивление радикальной и склонной к риску. В 1963 году компания Chrysler Corporation предприняла один из самых смелых экспериментов такого рода, когда она произвела серию из 55 специально разработанных газотурбинных автомобилей и передала 50 из них в руки общественности (Dixon, 1980; www.turbinecar.com; www.geocities.com/motorcity). С 1964 по 1966 год около 203 обычных водителей-добровольцев в 133 городах 48 штатов, а также в округе Колумбия использовали автомобили в течение трехмесячных испытательных периодов. Эта обратная связь была сочтена чрезвычайно полезной и использовалась в последующих поколениях газотурбинных двигателей Chrysler. Проект турбины был окончательно свернут во время финансового кризиса 1979–1980 годов, когда компании Chrysler пришлось обратиться за помощью к правительству. Правительственные чиновники считали турбинную программу несерьезной и не желали ее поддерживать.

Другие смелые технологии вышли на рынок и действительно сохранились до наших дней. Двигатель Ванкеля был смелой технологией небольшой немецкой компании NSU и, можно сказать, стоил фирме ее независимости. В настоящее время компания включена в подразделение Audi Volkswagen Group, хотя сам двигатель Ванкеля сохранился в спортивных автомобилях Mazda, таких как RX-7 и RX-8, а также в ряде других приложений (Hege, 2001). Более удачной оказалась автоматическая бесступенчатая трансмиссия (CVT).Его принципы восходят к зарождению автомобилей с ручными вариаторами, используемыми в транспортных средствах, таких как Fouillaron с ременным приводом 1901 года (van der Brugghen, 1988: 61) и Turicum с фрикционным приводом из Швейцарии (Schmid, 1978: 244). .

Однако настоящий прорыв произошел в 1958 году, когда был выпущен голландский малолитражный автомобиль DAF 600. При этом использовалась автоматическая система вариатора с резиновыми ремнями на шкивах переменного диаметра, управляемая вакуумом двигателя. Эта система «Variomatic» работала хорошо, и помимо обеспечения бесступенчатого автоматического привода, в качестве побочного эффекта она также предлагала антипробуксовочную систему и — вплоть до DAF 55 1968–1972 годов включительно — эффект дифференциала повышенного трения.Система была доступна только на автомобилях DAF и их производных, а после продажи автомобильного бизнеса DAF компании Volvo это были Volvo 66 и 340. В целом это охватило период производства с 1958 по 1990 год. Однако специализированная трансмиссионная компания Transmissie Ван Дорна (VDT) была отделена от компании DAF в 1970-х годах и разработала версию со стальным ремнем, которую можно было адаптировать к любой трансмиссии. Эта система сейчас устанавливается на целый ряд автомобилей, в частности из Японии, и в 2002 году было произведено более миллиона ремней, что привело к вводу в эксплуатацию второго завода в Японии.Хотя это составляет всего 2% мирового производства автомобилей, это составляет более 90% установленных систем вариаторов и около 5% автоматических трансмиссий.

К 2002 году система была установлена ​​на серийные автомобили Subaru, Nissan, Honda, Ford, Fiat, Volvo, MG, Rover и Lancia, а также на несколько экспериментальных автомобилей. Хотя к тому времени компания VDT принадлежала немецкой компании Bosch, технология стала хорошо развитой. Тем временем версия с резиновым ремнем стала в большей степени товарной трансмиссией и теперь устанавливается на мотоциклы, французские «voitures sans permis» и некоторые внедорожники, такие как квадроциклы и skidoo.Высокий риск, который компания DAF пошла на технологию вариатора, может быть продемонстрирована тем фактом, что она оставалась нишевым игроком и была вынуждена продать ее Volvo в 1970-х годах. Только когда Volvo адаптировала модель 340 под обычные механические коробки передач и предложила их на рынке, продажи автомобилей резко пошли вверх. Однако на протяжении всего срока службы модели 340 около 15% были поставлены с вариатором. Альтернативная бесступенчатая трансмиссия (IVT) Torotrak также близка к выходу на рынок сейчас, когда большинство проблем было преодолено, а вариатор с цепным приводом, разработанный ZF, был запущен в Audi A6 в 2001 году.

Что касается временных рамок для внедрения новых автомобильных технологий, мы можем взять в качестве примера внедрение самой технологии Budd. Когда Dodge был одним из первых последователей около 1915 года, а Citroën — около 1923/4 года, основное распространение этой технологии произошло в течение 1920-х и 1930-х годов, когда многие из непосвященных погибли. Дальнейший рост произошел с увеличением спроса на автомобили после Второй мировой войны, и к 1960-м годам эта система стала доминирующей. Фактически, примерно к 1935 году ситуация изменилась в ее пользу, что означало критический период развертывания, продолжавшийся около 20 лет.Вариатор с ременным приводом был разработан примерно за три года в конце 1950-х (van der Brugghen, 1988: 129) и появился на рынке в 1958 году. Однако истинного проникновения на сколько-нибудь значительный уровень не удалось достичь до конца 1990-х — отсюда 40 год развертывания или внедрение технологии. Двигатель Ванкеля был разработан в 1950-х годах, и, как и вариатор DAF, в 1960-х годах в NSU нашел первых пользователей в собственных продуктах. Полного развертывания так и не произошло, поскольку эта технология оставалась второстепенной автомобильной технологией и теперь используется Mazda только на одной модели, поскольку Audi-NSU отказалась от нее в 1977 году, продав более 37000 автомобилей R080 (Sedgwick, 1986: 147).

Используя теорию распространения инноваций Роджерса (1995: 262) и применяя ее к фирмам, можно утверждать, что буддизм достиг практически всех категорий последователей, от новаторов (Dodge, Citroën) до ранних последователей (Ford, Chevrolet). , Morris, Fiat), через Раннее большинство (Renault, Opel), до позднего большинства (Toyota, Nissan, Alfa-Romeo) и отстающих, которые никогда не принимали его (Aston Martin, Lotus, Ferrari). Технология Ванкеля не продвинулась дальше стадии инноваций (NSU, Citroën и Mazda), хотя несколько фирм экспериментировали с ней, в том числе GM и Mercedes-Benz.Бесступенчатая трансмиссия перешла от новаторов (DAF) через ранних последователей (Fiat, Ford, Subaru) к этапу раннего большинства. Возможно, что по-настоящему глобализованный мир позволит быстрее внедрять новые технологии, чем показывают эти исторические примеры. Даже скептики глобализации считают желательным свободный обмен интеллектуальным капиталом между странами. В нынешней мировой автомобильной промышленности меньшее количество крупных фирм могло бы способствовать более быстрому внедрению новых технологий во всем мире.

Как работает двигатель Ванкеля? — MechStuff

Больше никаких скучных представлений, давайте начнем и разберемся, как работает двигатель Ванкеля и что это такое!

История: —
Первый двигатель Ванкеля был разработан немецким инженером — Феликс Ванкель .Ванкель получил свой первый патент на двигатель в 1929 году.
Однако конструкция двигателя Ванкеля, используемая сегодня, разработана Ханнсом Дитером Пашке , который он использовал для создания современного двигателя!

Двигатель Ванкеля: —

Двигатель Ванкеля — это двигатель внутреннего сгорания, в отличие от поршневого цилиндра. В этом двигателе используется эксцентриковая конструкция ротора, которая напрямую преобразует энергию давления газов во вращательное движение. В устройстве поршень-цилиндр поступательное движение поршня используется для преобразования во вращательное движение коленчатого вала.
По сути, ротор вращается в корпусах в виде толстой восьмерки .

Части механизма Ванкеля: —

Для этого слайд-шоу требуется JavaScript.

Ротор: — Ротор имеет три выпуклые поверхности, которые действуют как поршень. 3 угла ротора образуют уплотнение снаружи камеры сгорания. Он также имеет внутренние зубья шестерни в центре с одной стороны. Это позволяет ротору вращаться вокруг фиксированного вала.
Корпус: — Корпус эпитрохоидальной формы (примерно овал).Корпус имеет продуманную конструкцию, так как 3 вершины или угла ротора всегда находятся в контакте с корпусом. Впускной и выпускной патрубки расположены в корпусе.
Впускное и выпускное отверстия: — Впускное отверстие позволяет свежей смеси поступать в камеру сгорания, а отработавшие газы выводятся через выпускное / выпускное отверстие.
Свеча зажигания: — Свеча зажигания подает электрический ток в камеру сгорания, которая воспламеняет топливно-воздушную смесь, что приводит к резкому расширению газа.
Выходной вал: — На выходном валу установлено выступов эксцентрика , что означает, что они смещены на относительно оси
осевой линии вала . Ротор не вращается в чистом виде, но нам нужны эти эксцентрические выступы для чистого вращения вала.

Примечание: — Выходной вал — вещь, которую нельзя полностью объяснить словами. Довольно сложно представить его вклад в работу. эта ссылка на видео может помочь вам понять это.

Рабочий: — Анимация двигателя Ванкеля.

Впуск: —
Когда кончик ротора проходит через впускное отверстие, свежая смесь начинает поступать в первую камеру. Камера всасывает свежий воздух, пока вторая вершина не достигнет впускного отверстия и не закроет его. В настоящий момент свежая топливовоздушная смесь запаяна в первую камеру и отводится на сжигание.

Сжатие: —
Первая камера (между углом 1 и углом 2), содержащая свежий заряд, сжимается из-за формы двигателя к тому времени, когда он достигает свечи зажигания.
При этом новая смесь начинает поступать во вторую камеру (между углом 2 и углом 3).

Четыре такта двигателя с пронумерованными углами.

Сгорание: —
При воспламенении свечи зажигания сильно сжатая смесь взрывно расширяется. Давление расширения толкает ротор вперед. Это происходит до тех пор, пока первый угол не пройдет через выхлопное отверстие.

Выхлоп: —
Когда пиковый угол ИЛИ 1 проходит через выхлопное отверстие, горячие газы сгорания под высоким давлением могут свободно выходить из порта.
По мере того, как ротор продолжает двигаться, объем камеры продолжает уменьшаться, вытесняя оставшиеся газы из порта. К тому времени, когда угол 2 закрывает выпускное отверстие, угол 1 проходит мимо впускного отверстия, повторяя цикл.

Пока первая камера выпускает газы, вторая камера (между углом 2 и углом 3) находится под давлением . Одновременно камера 3 (между углом 3 и углом 1) всасывает свежую смесь .
В этом прелесть двигателя — четыре последовательности четырехтактного цикла, которые последовательно происходят в поршневом двигателе, происходят одновременно в двигателе Ванкеля, вырабатывая мощность в непрерывном потоке.

Преимущества: —

  1. Двигатель Ванкеля имеет очень мало подвижных частей; намного меньше, чем 4-тактный поршневой двигатель. Это делает конструкцию двигателя более простой, а двигатель — надежным.
  2. Это примерно 1/3 размера поршневого двигателя , обеспечивающего такую ​​же выходную мощность.
  3. Может развивать более высокие обороты в минуту, чем поршневой двигатель.
  4. Двигатель Ванкеля весит почти 1/3 веса поршневого двигателя , обеспечивая такую ​​же выходную мощность.Это приводит к более высокому соотношению мощности к весу.

Недостатки: —

  1. Поскольку каждая секция имеет разницу температур, расширение материала корпуса в разных регионах разное. Поэтому ротор иногда не может полностью герметизировать камеру в области высоких температур.
  2. Горение происходит медленно, поскольку камера сгорания длинная, тонкая и подвижная. Следовательно, может существовать вероятность того, что свежий заряд разрядится, даже не сгорая.
  3. Поскольку несгоревшее топливо находится в потоке выхлопных газов, требования по выбросам трудно выполнить.

Сопутствующие товары

Общая информация о роторных двигателях

Роторный двигатель (также известный как двигатель Ванкеля или роторный двигатель Ванкеля) — это двигатель внутреннего сгорания, изобретенный в 1954 году немецким инженером-механиком Феликсом Генрихом Ванкелем в качестве альтернативы классическому поршневому двигателю.

После некоторых технических усовершенствований, внесенных инженером Хансом Дитером Пашке, роторный двигатель Ванкеля был впервые представлен специалистам и прессе на собрании Союза инженеров Германии в Мюнхене в 1960 году.

Благодаря своей простоте, отличному соотношению мощности и веса, а также плавности хода и хорошей работы моторы Ванкеля были у всех на слуху в автомобильной и мотоциклетной промышленности в 1960-х годах. В августе 1967 года NSU Motorenwerke AG привлекло большое внимание к очень современному NSU Ro 80, который имел 115-сильный двигатель Ванкеля с двумя роторами. Это был первый немецкий автомобиль, признанный «Автомобилем года» в 1968 году.

В течение следующих десятилетий ряд крупных производителей автомобилей подписали лицензионные соглашения на разработку роторных двигателей Ванкеля, включая Ford, Toyota, Mercedes-Benz, Porsche, Rolls-Royce и Mazda.

После дальнейших усовершенствований двигателя, в том числе решения проблемы уплотнения верхушки, Mazda успешно использовала двигатели Ванкеля в своих спортивных автомобилях серии RX до 2012 года. Технологическое преимущество роторных двигателей в автомобильной промышленности было подчеркнуто в 1991 году на выставке 24 Hours of Le Мужская гонка, так как автомобиль с 4-роторным двигателем Mazda 26B выиграл престижные соревнования.

В наши дни роторные двигатели Ванкеля, которые постоянно совершенствуются такими компаниями, как Wankel Supertec GmbH, можно найти в мотоциклах, гоночных автомобилях, самолетах, малых судах и генераторах энергии.Следующий этап развития относится к использованию роторных двигателей внутреннего сгорания в наступающей эре низкоуглеродистого, экологически безопасного, надежного и доступного энергоснабжения. Таким образом, успешное испытание роторного двигателя Hydrogen 20 сентября 2019 года позволяет Wankel Supertec с уверенностью смотреть в будущее.

Роторный двигатель — это двигатель внутреннего сгорания, в котором используется один или несколько треугольных роторов для преобразования давления, создаваемого при сгорании топливовоздушной смеси, в кинетическую энергию.Объемы газа, транспортируемые в пространствах между торцами ротора и корпусом, поочередно выполняют четыре разные задачи: а) всасывание; б) Компрессия; в) горение и г) выхлоп. Эти стадии известны как такты, что делает двигатель Ванкеля 4-тактным двигателем, похожим на поршневой двигатель Отто.

ВПУСКНОЙ

Во время этой фазы падение давления, вызванное движением ротора, втягивает воздушно-топливную смесь. Эта смесь втягивается вокруг ротора и нагнетается во второй такт цикла.

СЖАТИЕ

По мере того как ротор продолжает вращаться, захваченный (заштрихованный) объем, заключенный между ротором и корпусом, уменьшается, сжимая топливно-воздушную смесь.

ГОРЕНИЕ

Когда активный объем смеси минимален, одна или несколько свечей зажигания инициируют горение, вызывая быстрое повышение давления и температуры.Внезапное расширение газообразной топливной смеси передает усилие на эксцентрик через ротор.

ВЫХЛОПНАЯ

По мере вращения расширяющиеся газы приводят в движение ротор до тех пор, пока выхлопное отверстие не откроется, выпуская их. Процесс выпуска продолжается, когда впускное отверстие открывается, чтобы начать новый цикл.

Благодаря своей конструкции двигатель Ванкеля намного легче, компактнее и проще классического поршневого двигателя.Нет ни возвратно-поступательного движения, ни кривошипов, клапанов, штоков или других сложных деталей, подверженных отказам. Двигатели Ванкеля содержат всего три движущихся части, что делает их более надежными, долговечными и удобными в обслуживании, чем их соперники с возвратно-поступательным движением. Кроме того, эти движущиеся части непрерывно вращаются в одном направлении, что обеспечивает более высокие рабочие скорости, простоту балансировки и низкий уровень вибрации. Благодаря беспрецедентному соотношению мощности к габаритам и мощности к массе, двигатели Ванкеля незаменимы в различных областях применения, начиная от сектора легких самолетов и комбинированных теплоэнергетических установок и заканчивая морской промышленностью.

Одним из основных недостатков двигателя Ванкеля является его низкий тепловой КПД. Длинная, тонкая и подвижная камера сгорания приводит к медленному и неполному сгоранию топливной смеси. Это приводит к более высоким выбросам углерода и более низкой топливной экономичности по сравнению с поршневыми двигателями. Однако этот недостаток превращается в преимущество при переходе на водородное топливо.

Еще одна слабость двигателей Ванкеля заключается в уплотнении ротора и вершины.Неидеальное уплотнение между краями ротора и корпуса — например, из-за износа или недостаточной центробежной силы в нижних диапазонах частоты вращения — может привести к утечке продуктов сгорания в следующую камеру.

Поскольку сгорание происходит только в одной секции роторного двигателя, существует большая разница температур в двух отдельных камерах. Как следствие, разные коэффициенты расширения материалов приводят к неоптимальному уплотнению ротора. Потребление масла также является проблемой, поскольку масло необходимо впрыскивать в камеры, чтобы добавить смазки и помочь сохранить герметичность ротора.

Математическое моделирование поршневого двигателя, роторного двигателя Сореньи и роторного двигателя Ванкеля

В этом документе дается объяснение геометрии, конструкции и принципов работы трех двигателей; Особое внимание уделяется роторному двигателю Сореньи, который имеет деформирующий ромб, вращающийся внутри статора, имеющего математическую форму. Было выполнено базовое идеальное математическое моделирование этих двигателей, предполагая цикл Отто для трех двигателей.Кроме того, он предполагает 100% объемный КПД, полностью открытый дроссель (WOT), отсутствие детонации, механических или тепловых потерь. Эта симуляция фокусируется на том, как топливо сгорает во время сгорания, создавая давление и, следовательно, чистую работу. Проведено сравнение следов давления и характеристик цикла. Исследование завершается анализом и сравнением опережения зажигания; поиск наилучшего продвижения для каждого двигателя, таким образом, сеть между тремя двигателями в течение одного рабочего цикла. Наконец, в этой статье анализируется, как различный коэффициент изменения объема для камеры сгорания Сореньи, Ванкеля и поршневого двигателя влияет на давление, чистую работу и тепловой КПД, генерируемые внутри камеры во время сгорания для каждого рабочего цикла.

1 Введение

Роторные двигатели

за прошедшие годы претерпели множество различных конструкций. Самый успешный из них, двигатель Ванкеля, достиг производительности, но у него были другие проблемы, такие как высокие выбросы углеводородов, повышенный расход масла и топлива, более дорогие производственные затраты и ограниченная топливная гибкость [1]. По этой причине они не получили такого развития, как поршневые двигатели. В 2004 году Питер Сореньи вместе со своим партнером Питером Кингом получил патент на двигатель внутреннего сгорания с шарнирным ротором.Двигатель Сореньи может иметь некоторые преимущества перед роторным двигателем Ванкеля и поршневым двигателем [2].

В этой статье исследуется потенциал двигателя Сореньи по сравнению с существующим роторным двигателем Ванкеля и поршневым двигателем. В результате будут определены преимущества и недостатки двигателя Сореньи перед поршневым двигателем и роторным двигателем Ванкеля.

Путем запуска серии базовых симуляций сгорания топлива при разных углах опережения и одинаковой угловой скорости.Их давление, объемы, сетка и термический КПД будут сравниваться при одинаковых рабочих условиях. Также предполагаются оптимальные условия: без учета самовоспламенения, тепловых, механических потерь и потерь на трение. Как следствие, различия в том, как изменяется объем, будут влиять на степень изменения давления и чистую работу, полученную от них в течение цикла.

2 Фон

Поршневые двигатели состоят из поршня внутри цилиндра для создания переменного давления и объема [3].Но это не единственные двигатели внутреннего сгорания. Роторные двигатели являются промежуточным звеном между поршневыми двигателями и турбинами. Роторные двигатели образуют «множество камер переменного объема» между ротором и внешней частью, известной как статор [4]. К сожалению, роторные двигатели имеют ряд недостатков, таких как более высокий расход топлива и выбросы. Кроме того, они являются менее гибкими в отношении топлива двигателями, имеющими герметичность, срок службы, недостатки степени сжатия и более длинный путь распространения пламени и другие эффекты сгорания, которые делают сгорание нестабильным [5–8].

2.1 Роторные двигатели

2.1.1 Двигатель Ванкеля

Двигатель Ванкеля — роторный двигатель, наиболее успешная разновидность которого имеет ротор треугольной формы. Этот ротор «совершает планетарное вращательное движение относительно внешнего корпуса» [4]. Это движение создается планетарной зубчатой ​​передачей на боковой пластине для поддержания правильной фазы между вращением ротора и эксцентрикового вала, но при этом возникают неуравновешенные силы. Эти силы можно нейтрализовать, просто добавив балансировочные грузы для уравновешивания ротора [7, 8].Он также заставляет ротор вращаться со скоростью две трети угловой скорости кривошипа, что означает, что он производит три рабочих хода на каждые два оборота коленчатого вала [5, 7–9]. Наконец, дыхание осуществляется через отверстия, которые могут находиться на лицевой стороне статора или по бокам корпуса [5, 9, 10].

2.1.1.1 Геометрия двигателя Ванкеля

Двигатель Ванкеля имеет эпитрохоидный статор, в котором вращается ротор. (1) и (2) определяют координаты по осям X и Y статора, показанного на рис.1. Также они использовались для определения объема одной камеры в любой момент времени [7, 11, 12].

Икс знак равно е ⋅ потому что 3 β + р ш ⋅ потому что β (1)

Y знак равно е ⋅ грех 3 β + р ш ⋅ грех β (2)

2.1.2 Двигатель Сореньи

Двигатель Szorenyi имеет четырехсегментный шарнирный роторный узел, который во время вращения деформируется и непрерывно адаптируется к профилю статора, изменяясь от квадрата к ромбу и обратно. Таким образом, Сореньи — роторный двигатель с четырьмя камерами сгорания [2, 13]. Поскольку зацепления нет, он имеет четыре такта на оборот коленчатого вала. Таким образом, один ротор двигателя Сореньи производит такое же количество рабочих ходов, что и поршневой четырехтактный двигатель с восемью цилиндрами [2, 13].Следовательно, двигатель Сореньи должен иметь более высокую выходную мощность при более низких оборотах и ​​меньшую механическую сложность [13].

2.1.2.1 Геометрия Сореньи

Кривая статора, запатентованная как кривая Сореньи, определяется прямым равнобедренным треугольником, как показано на рис. 2 [6]. Он «образуется крайними основаниями A и B равнобедренного прямого угла, перемещающегося и одновременно вращающегося треугольника» [2]. В настоящей статье на рис. 1 показан угол, используемый для получения координат x и y профиля статора.Угол поворота коленчатого вала двигателя Сореньи, используемый в этой статье, определяется как угол между положительной вертикальной осью и центром сегмента ротора. Используя обозначения на рис. 1, (3) и (4) определите все точки на кривой статора в декартовых координатах [13]. Тогда можно найти объем в любой момент времени, используя ту же базовую концепцию, что и в объеме двигателя Ванкеля [7].

Фиг.2

Схема построения кривой двигателя

Сореньи

Икс А знак равно 1 2 { c 2 — s я п 2 2 θ — грех 2 θ } { грех θ — потому что θ } (3)

Y А знак равно 1 2 { c 2 — s я п 2 2 θ — грех 2 θ } { 1 — 2 грех 2 θ грех θ + потому что θ } (4)

3 Метод

3.1 Тепловое моделирование

Для целей настоящего моделирования общий объем камеры для трех двигателей был определен на 125 куб. Объемы на нескольких этапах были рассчитаны и проверены с помощью программного обеспечения САПР. Моделирование было выполнено с помощью электронной таблицы для расчета объема камеры, сожженной фракции топлива, давления и температуры конечного газа в любое время. В расчетах использовались общие и конкретные параметры для каждого двигателя, чтобы получить чистую выходную мощность за цикл камеры трех двигателей в эквивалентных условиях.Эти параметры описаны в таблице 1 для моделирования двигателей [9, 10, 14–20].

Таблица 1

Предположения сделаны для всех двигателей

Величина Шт.
CR 10: 1
A / F смесь 14,7: 1
P o 101325 Па
T o 293 К
R ВОЗДУХ 287.06 Дж / (° К-моль)
Q LHV 44 МДж
к 1,3
X d 0,9933
м 2
ρ ВОЗДУХ 1.204 кг / м 3
R 8,3145 Дж / (° К-моль)
С В 27,715 Дж / (° К-моль)
м ВОЗДУХ 0,0001505 кг
м F 1.02388E-5 кг
С 5
Отношение ход / диаметр 3.3
л 0,1276 м
0,058 м
Соотношение шатун / рычаг коленчатого вала 1,1
Вт R 0,105 м
e 0,015 м
Глубинный сегмент Ванкеля 1.37 см
ω 4,2
Соренный сегмент глубина 3,514 см
Масштабный коэффициент Сореньи 1,85

Из-за ограниченного объема данной статьи следует отметить, что настоящее моделирование не рассматривает насос, тепло, механические потери, детонацию, а также их различную эффективность.

Примечание : Та же самая степень сжатия может быть достигнута с использованием другого значения ω путем удаления или добавления материала на поверхность ротора. Целью данной работы не является определение оптимального значения «ω». Хотя это повлияет на объемную историю камеры сгорания. Объем данной статьи не распространяется на оптимизацию значения «ω». Изменяя значение «ω», можно оптимизировать объемную историю камеры, и это может привести к другим результатам для двигателя Сореньи, чем те, которые представлены в документе.

3.2 Камера сгорания двигателей

Для роторных двигателей Сореньи и Ванкеля моделировалась только одна камера для каждого двигателя. При моделировании двигателя определяется объем камеры сгорания в любой момент рабочего цикла. Затем определялись точки контакта сегмента ротора со статором в любой момент времени. После этого рассчитывался объем между ротором и статором в любой момент времени. Полученная площадь умножалась на глубину ротора и масштабный коэффициент для определения рабочего объема [7].

Для роторного двигателя Сореньи, чтобы моделирование было как можно более простым, значение ’ω’, показанное в (3) и (4), было изменено до достижения желаемой степени сжатия. Чтобы проверить геометрию, координаты, сгенерированные при математическом моделировании, были экспортированы в программное обеспечение САПР, как показано на рис. 3. Кроме того, на рис. 3 показана концепция расчета площади проекции рабочей камеры роторного двигателя Сореньи.

Рис.3

Szorenyi Площадь поперечного сечения камеры двигателя при 0, 30, 60 и 90 градусах угла поворота коленчатого вала.

Для роторного двигателя Ванкеля, чтобы иметь желаемую степень сжатия, поверхность ротора дополнительно модифицируется за счет образования расчетной полости ротора, что уменьшает объем в камерах. Таким образом, увеличивая степень сжатия до желаемого значения [17].

Как и в двигателе Сореньи, в роторном двигателе Ванкеля особое внимание было уделено тому, чтобы в любой момент определить зону между ротором и статором, как показано на рис.4 [7].

Фиг.4

Площадь поперечного сечения камеры двигателя Ванкеля при различных положениях ротора, соответствующих каждые 45 градусов поворота коленчатого вала

Аналогичным образом объем цилиндра при любом угле поворота коленчатого вала был рассчитан для поршневого двигателя [10].

3.2.1 Сожженная топливная фракция — функция Вибе

Для создания точной модели двигателя, которая определяет температуру и давление во время рабочего такта, важно знать, сколько топлива сжигается внутри камеры сгорания.Функция Вибе используется для определения этого основного параметра, как показано в (5) [9, 10, 20–23].

Икс б знак равно 1 — е Икс п [ — C ( θ — θ 0 Δ θ ) м + 1 ] ; C знак равно пер ( 1 — Икс d ) (5)

Все три двигателя вращаются с одинаковой скоростью, но их конструкция заставляет их иметь циклы сгорания с разной продолжительностью .Чтобы сравнить сгорание всех трех двигателей эквивалентным способом, массовая доля сожженного топлива mfb, которая представляет собой топливо, сожженное с момента возникновения искры, сравнивалась с процентом периода сгорания, как показано на рис. Можно видеть, что поршневые двигатели и двигатели Ванкеля имеют очень похожую Mfb, если сравнивать ее с процентом сгорания. А у двигателя Сореньи кривая немного ниже, а это означает, что топливо сгорает медленнее в начале и быстрее в конце.Это повлияет на то, как создается давление в камере сгорания.

Фиг.5

Доля топлива, сожженная при сгорании

3.3 Определение изменения давления

Постепенное изменение давления в камере сгорания получается на основе закона идеального газа, первого закона термодинамики, закона Майера, отношения удельных теплоемкостей и уравнения тепловыделения [10, 15, 24].Результирующий прирост давления можно выразить в виде (6) [15, 23].

d п знак равно Q L ЧАС V * м ж * d Икс б * ( k — 1 ) — k * п о * d V V (6)

3.4 Определение работы и термическая эффективность

Результирующие данные моделирования, основанные на диаграмме P-V и при условии, что значение трения равно нулю, позволяет определить чистую работу, выполненную за цикл [10].

Тепло не может быть полностью преобразовано в работу [24]. Поэтому был рассчитан тепловой КПД, чтобы показать, насколько эффективен двигатель в преобразовании подводимого тепла в механическую работу [10].

4 Результаты и обсуждение

Настоящее исследование и моделирование процессов горения основано на параметрах, представленных ранее в Таблице 1.Для определения наилучшего опережения зажигания было проведено несколько симуляций с использованием термодинамической модели на основе Вибе. Лучшее опережение зажигания — это то, которое обеспечивает максимальную чистую работу для каждого двигателя.

Модель учитывает только положительную чистую работу, создаваемую двигателем. Не учитывает отрицательную работу впуска и выпуска. Предполагается, что дроссельная заслонка полностью открыта.

4.1 Вытесненный объем

Что касается положения коленчатого вала, объем камеры сгорания двигателя Сореньи, роторного двигателя Ванкеля и поршневого двигателя различен на протяжении рабочего цикла.История объема всех из них сравнивалась во время фазы сжатия, как показано на рис. 6.

Фиг.6

Объем в% от фазы сжатия

Рис. 6 показывает, что двигатель Сореньи имеет самую медленную и лучшую скорость изменения объема около ВМТ и самую быструю около НМТ. Более медленная скорость изменения около ВМТ ближе к идеальному циклу Отто, поскольку она обеспечивает более стабильный объем для сгорания.Следовательно, сжигается более высокая массовая доля топлива.

4.2 Чистая работа

Чистая пиковая выходная мощность по отношению к моменту зажигания показана на рис. 7.

Фиг.7

Вариация сети, производимой двигателем Сореньи, двигателем Ванкеля и поршневым двигателем при разном опережении зажигания

Следовательно, на рис. 7 видно, что чистая работа роторного двигателя Сореньи является наибольшей за рабочий цикл, за ним следует роторный двигатель Ванкеля и, наконец, поршневой двигатель, как показано в таблице 2.

Таблица 2

Сравнение чистой работы двигателей

Чистая работа Вт чистая [Дж]
Сорень 213,859
Ванкель 213.043
Поршневой 212,876

P-V-диаграммы трех двигателей при их оптимальном опережении зажигания показаны на рис.8. Это приводит к самому высокому максимальному давлению для двигателя Сореньи, за которым следует двигатель Ванкеля. И максимальное давление, и работа выше, чем у поршневого двигателя.

Замкнутые области диаграммы P-V были вычислены с результатом, что двигатель Ванкеля в идеале производит на 0,10% больше чистой работы за цикл, чем двигатель с возвратно-поступательным движением. Кроме того, двигатель Сореньи в идеале производит на 0,462% больше работы за цикл, чем эквивалентный поршневой двигатель.

Рис.8

Сравнение диаграмм P-V двигателей Сореньи, Ванкеля и поршневого двигателя

Кроме того, на рис. 9 верхнее давление двигателя Ванкеля на 4,58% выше, чем у поршневого двигателя, а у двигателя Сореньи на 5,515% выше, чем у такого же поршневого двигателя. Это приводит к более высокой идеальной чистой работе за цикл для двигателя Сореньи, за которым следует двигатель Ванкеля, и наименьшая чистая работа за цикл производится поршневым двигателем.

Фиг.9

Сравнение давления в полном цикле двигателей Сореньи, Ванкеля и поршневых двигателей

4.3 Тепловой КПД

Тепловой КПД рассчитан для двигателей Сореньи, Ванкеля и поршневого двигателя. Результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3

Сравнение эффективности преобразования топлива между двигателями Сореньи, Ванкеля и поршневыми двигателями

n f
Сорень 0.474707
Ванкель 0,472900
Поршневой 0,472524

Из таблицы 3 видно, что при одинаковых условиях работы двигатель Ванкеля имеет тепловой КПД на 0,079% выше, чем поршневой двигатель. Кроме того, у двигателя Сореньи тепловой КПД на 0,462% выше, чем у такого же поршневого двигателя.

4.4 Мощность

Мощность является функцией времени и крутящего момента, поэтому для одной камеры каждого двигателя, и три двигателя, вращающиеся с одинаковой скоростью на коленчатом валу, 3000 об / мин, будут иметь разные вариации камеры. Поэтому в таблице 4 указана идеальная выходная мощность для каждого двигателя при одинаковой частоте вращения коленчатого вала.

Таблица 4

Сравнение выходной мощности одной камеры двигателей Сореньи, Ванкеля и поршневого двигателя

Мощность (Вт)
Сорень 7128.6
Ванкель 4734,2
Поршневой 3547,9

5 Выводы

В результате математического моделирования установлено, что:

  1. Двигатель Сореньи более чувствителен к изменениям опережения зажигания относительно угла поворота коленчатого вала, чем поршневой двигатель, и имеет большее влияние на производимую чистую работу.

  2. Двигатель Сореньи имеет более короткое вращение коленчатого вала во время сгорания, чем поршневые двигатели и двигатели Ванкеля. Следовательно, он должен иметь меньшее опережение зажигания, чем поршневой двигатель и двигатель Ванкеля по отношению к коленчатому валу.

  3. Чистая работа за цикл, производимая двигателем Ванкеля, на 0,079% выше, чем у поршневого двигателя. Кроме того, роторный двигатель Szorenyi на 0,462% больше поршневого двигателя при том же смещенном объеме.

  4. Двигатель Сореньи имеет самую высокую полезную работу за цикл и, следовательно, самый высокий тепловой КПД, как показано в Таблице 2 и 3. За чистой работой и тепловым КПД двигателя Сореньи следует двигатель Ванкеля и, наконец, поршневой двигатель имеет самая низкая чистая работа за цикл.

  5. У двигателя Szorenyi более высокая выходная мощность на 100,90% выше, чем у поршневого двигателя. Также двигатель Ванкеля 33.На 43% выше, чем у поршневого двигателя. Эти различия создаются чистой работой, тепловым КПД и количеством рабочих ходов на оборот коленчатого вала каждого двигателя, когда все двигатели работают с одинаковой частотой вращения коленчатого вала.

Глоссарий терминов

Обозначение Описание Шт.
a радиус кривошипа м
A / F смесь Соотношение топливовоздушной смеси
B Диаметр отверстия м
С Коэффициент эффективности для уравнения Вибе
CR Степень сжатия
C p Удельная теплоемкость при постоянном давлении Дж / (° К-моль)
C v Удельная теплоемкость при постоянном объеме Дж / (° К-моль)
dP Изменение давления Па
dT Изменение температуры ° К
дт Перевод времени сек
DV Изменение объема м 3
dX b Изменение функции Wiebe
e Эксцентриситет м
л Ход м
л длина шатуна м
к Коэффициент удельной теплоемкости
М Масса кг
м Показатель Вибе
м ВОЗДУХ Объемная масса воздуха кг
м f Масса топлива на единицу объема кг
n f Тепловой КПД
п. Абсолютное давление Па
P f Конечное давление Па
P o Начальное давление Па
Q LHV Нижняя теплота сгорания МДж
R Газовая постоянная Дж / (° К-моль)
R ВОЗДУХ Универсальная газовая постоянная для воздуха Дж / (° К-моль)
r Смещение вершины равнобедренного треугольника внутри двигателя Сореньи
T f Конечная температура ° К
T o Начальная температура ° К
В Том м 3
В С Объем при максимальном сжатии (ВМТ) куб.см
В Т Общий объем камеры куб.см
Вт нетто Чистая работа за цикл одной камеры Дж
Вт R Радиус формирования Ванкеля м
w Ширина поверхности ротора по сравнению с радиусом четырехлистного клевера (единица)
X b Функция Wiebe
x d Общая доля сожженного топлива
x Прямоугольные координаты по оси X статора роторного двигателя
Y Прямоугольные координаты по оси Y статора роторного двигателя
ρ ВОЗДУХ Плотность воздуха кг / м 3
м ˙ ж Массовый расход топлива г / с
β Угол образования для уравнения профиля статора двигателя Ванкеля градусов
θ Угол поворота коленчатого вала градусов
Также угол образования четырехлистного клевера для кривой Сореньи
Δθ Продолжительность горения относительно положения коленчатого вала градусов
θ 0 Угол поворота коленчатого вала при начале сгорания градусов

Список литературы

[1] S.Пехан и Б. Кегл. (2001). Конструкция роторного двигателя [Технический документ SAE 2001-01-3194]. Доступно: http://dx.doi.org/10. 4271 / 2001-01-3194 Искать в Google Scholar

[2] П. Сореньи, «Двигатель внутреннего сгорания с шарнирным ротором», Патент США US 6.718.938 B2, 13 апреля 2004 г. Искать в Google Scholar

[3 ] З. Спаковски, М. Грейцер и И. Вайц. (10 октября 2008 г.). Термодинамика и движение. Доступно: http://web.mit.edu/16.unified/www/SPRING/propulsion/notes/node25.html Поиск в Google Scholar

[4] F.Ванкель и Э. Хёппнер, «Роторный двигатель внутреннего сгорания», патент США 2988065, 13 июня 1961 г. Поиск в Google Scholar

[5] Л. Пэн, «Фундаментальные исследования уникальной роторной машины», доктор философии, Высшая школа Исследования, Университет Макмастера, Канада, 1994. Поиск в Google Scholar

[6] Р. У. Ричардсон, «Автомобильные двигатели для 1980-х годов», в документе Eaton Worldwide Analysis of Future Automotive Power Plants, Eaton Corporation, ed, 1973, 40-41. Искать в Google Scholar

[7] K.Ямамото, Роторный двигатель. Япония: Toyo Koyo co. Ltd., 1971. Искать в Google Scholar

[8] К. Ямамото, Роторный двигатель. Хиросима, Япония: Санкайдо, 1981. Поиск в Google Scholar

[9] Т.Дж. Норман, «Эксплуатационная модель двигателя Ванкеля с искровым зажиганием: включая влияние объема щелей, утечки газа и теплопередачи», степень магистра , Кафедра машиностроения, Массачусетский технологический институт, 1983. Поиск в Google Scholar

[10] Дж. Б. Хейвуд, Основы двигателя внутреннего сгорания, том.930: Макгроу-Хилл, Нью-Йорк, 1988. Поиск в Google Scholar

[11] Р. Сиренс, Р. Бэрт, Д. Е. Винтербоун и П. К. Баруа, «Комплексное исследование производительности двигателя Ванкеля», 1983. Поиск в Google Scholar

[12] М. Александру-Каталин и Б.Н.С. Ливиу-Константин, «РОТАЦИОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ», Морской университет Констанцы. Analele, 2014, 15, 93–99. Поиск в Google Scholar

[13] П. Кинг. (2013, август 2013) Роторный четырехкамерный роторный двигатель Сореньи.Автоинженер [Технический разговор]. 4. Выполните поиск в Google Scholar

[14] Дж. Хейвуд и П. Уоттс, «Параметрические исследования расхода топлива и выбросов NO при работе двигателя с разбавленным искровым зажиганием с использованием моделирования цикла», в публикации C конференции Института инженеров-механиков, 1979, 117-127. Поиск в Google Scholar

[15] Г. Х. Абд Алла, «Компьютерное моделирование четырехтактного двигателя с искровым зажиганием», Energy Conversion and Management, 2002, 43, 1044-1047. Искать в Google Scholar

[16] A.Боретти, С. Цзян и Дж. Скалцо, «Новый двигатель Ванкеля с реактивным зажиганием и портом или прямым впрыском для более быстрого и полного сгорания, специально разработанный для газообразного топлива», Технический документ SAE 0148-7191, 2015 г. Поиск в Google Scholar

[17] М.С. Раджу и Е.А. Уиллис, «Трехмерный анализ и моделирование двигателя Ванкеля», Технический документ SAE 0148-7191, 1991. Поиск в Google Scholar

[18] А. Боретти, «CAD / CFD» / CAE Моделирование двигателей Ванкеля для БПЛА », Технический документ SAE 0148-7191, 2015.Поиск в Google Scholar

[19] С. Д. Хайрес, Р. Дж. Табачински и Дж. М. Новак, «Прогнозирование задержки воспламенения и интервалов горения для однородного заряда, двигатель искрового зажигания», транзакции SAE, 1978, 1053-1067. Поиск в Google Scholar

[20] Дж. И. Гойел, «Обзор разработки и приложений функции wiebe: дань уважения вкладу Ивана Вибе в исследования двигателя», Международный журнал Engine Research, 2010 г., 11, 297-312 . Искать в Google Scholar

[21] G.Аббасзадехмосайеби и Л. Ганиппа, «Определение коэффициента теплоемкости и анализ ошибок для расчетов тепловыделения двигателя», Applied Energy, 1/6/2014, 122, 144. Поиск в Google Scholar

[22] Г. Аббасзадехмосайеби и Л. Ганиппа, «Характеристика уравнения Вибе для анализа тепловыделения на основе коэффициента горения (Ci)», Топливо, 1/3/2014, 119, 301. Поиск в Google Scholar

[23] С. Кляйн и Г. Неллис. (2011). Термодинамика. Доступно: http://RMIT.eblib.com.au/patron/FullRecord.aspx? p = 807134 Искать в Google Scholar

[24] С. Кляйн и Г. Неллис, Термодинамика: Cambridge University Press, 2012. Искать в Google Scholar

Поступила: 03.07.2017

Пересмотрено: 28 марта 2018 г.

Принято к печати: 06.07.2018

Опубликовано в сети: 15.10.2018

Опубликовано в печати: 28.01.2019

© 2019 Л.F. Espinosa и P. Lappas, опубликованные De Gruyter.

Это произведение находится под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 Public License.

Изобретатель роторного двигателя Феликс Ванкель родился

Немецкий инженер Феликс Ванкель, изобретатель роторного двигателя, который будет использоваться в гоночных автомобилях, родился 13 августа 1902 года в Ларе, Германия.

Сообщается, что Ванкель придумал основную идею нового типа бензинового двигателя внутреннего сгорания, когда ему было всего 17 лет.В 1924 году Ванкель основал небольшую лабораторию, где он начал исследования и разработку двигателя своей мечты, который мог бы обеспечивать впуск, сжатие, сгорание и выхлоп во время вращения. Свои знания в области поворотных клапанов он принес в свою работу с Немецким институтом авиационных исследований во время Второй мировой войны и в ведущую немецкую мотоциклетную компанию NSU Motorenwerk AG, начиная с 1951 года. Ванкель завершил свою первую конструкцию роторно-поршневого двигателя в 1954 году. , а первый агрегат прошел испытания в 1957 году.

В других двигателях внутреннего сгорания движущиеся поршни выполняли работу по запуску процесса сгорания; в роторном двигателе Ванкеля для этой цели служил вращающийся ротор в форме изогнутого равностороннего треугольника. Меньшее количество движущихся частей позволило создать двигатель с плавной работой, который был легким, компактным, недорогим и требовал меньшего количества ремонтов. После того, как NSU официально объявило о завершении роторного двигателя Ванкеля в конце 1959 года, около 100 компаний по всему миру поспешили предложить партнерские отношения, которые позволят внедрить двигатель в их продукцию.Mazda, японский автопроизводитель, подписала официальный контракт с NSU в июле 1961 года после получения одобрения от правительства Японии.

Пытаясь поэкспериментировать с роторным двигателем и усовершенствовать его для использования в своих транспортных средствах, Mazda создала в 1963 году исследовательский отдел RE (Rotary Engine). Cosmo Sport, выпущенный Mazda в мае 1967 года, был первым на планете двойным двигателем. роторный роторный двигатель автомобиля. Благодаря футуристическому стилю и превосходным характеристикам Cosmo поразил автолюбителей во всем мире. Mazda начала устанавливать роторные двигатели на свои седаны и купе в 1968 году, и эти автомобили попали в категорию U.S. в 1971 году. После глобального нефтяного кризиса 1973-74 годов Mazda постоянно работала над улучшением своих роторных двигателей для повышения топливной экономичности, и к концу того десятилетия ее спортивные автомобили стали популярными как в Европе, так и в странах Европы. Соединенные Штаты Помимо Mazda, ряд других компаний лицензировали двигатель Ванкеля в 1960-х и 1970-х годах, в том числе Daimler-Benz, Alfa Romeo, Rolls Royce, Porsche, General Motors, Suzuki и Toyota.

Тем временем Ванкель продолжил свою собственную работу с роторно-поршневым двигателем, основав в середине 1970-х годов свое собственное исследовательское учреждение в Линдау, Германия.В 1986 году он продал институт за 100 миллионов немецких марок (около 41 миллиона долларов) компании Daimler Benz, производителю Mercedes. Ванкель подал новый патент только в 1987 году; в следующем году он умер после продолжительной болезни.

Роторный двигатель Mazda Wankel | Как работает роторный двигатель

Мы не видели последнего вращающегося треугольника.

Еще в марте Мартин тен Бринк, вице-президент Mazda Motor Europe по продажам и обслуживанию клиентов, повсюду зажигал редукторы, когда он сказал голландскому изданию автомобильных новостей ZERauto, что роторный двигатель Ванкеля вернется в производство.

В частности, тен Бринк сказал, что роторный двигатель может стать расширителем запаса хода для электромобиля в 2019 году, и пока это всего лишь слухи. Mazda Motor of America не будет обсуждать и подтверждать комментарии десяти Бринка, сообщая нам только, что «Mazda не объявила о каких-либо конкретных продуктах с роторным двигателем в настоящее время. Однако Mazda продолжает работать над технологиями роторных двигателей ».

Так что же такого особенного в этом легендарном двигателе, который так взволновал всех своим возвращением? И почему на этот раз все может быть иначе?

Как это работает

Getty Images

Роторный двигатель — это бочкообразный двигатель внутреннего сгорания, в котором отсутствуют многие основные детали, которые можно найти в обычном поршневом двигателе.Во-первых, нет поршней, которые поднимаются и опускаются. Скорее округло-треугольные роторы — чаще всего два, но иногда один или три — вращаются вокруг вала через полый цилиндр.

Топливо и воздух закачиваются в пространства между сторонами роторов и внутренними стенками ствола, где они воспламеняются. Быстрое расширение взрывающихся газов вращает роторы, генерируя таким образом энергию. Роторы выполняют ту же задачу, что и поршни в поршневом двигателе, но с гораздо меньшим количеством движущихся частей, что делает роторный двигатель легче и меньше, чем поршневой двигатель эквивалентного рабочего объема.

Базовая конструкция — вековая. Сам Феликс Ванкель был немецким инженером, который в 1920-х годах придумал свою версию роторного двигателя. Однако, поскольку он был занят разжиганием войны от имени нацистской партии, у него не было возможности развить свое видение слишком далеко до 1951 года, когда немецкий автопроизводитель NSU пригласил его разработать прототип.

Сложная конструкция Ванкеля фактически проиграла более простому прототипу, разработанному инженером Ханнсом Дитером Пашке, которого NSU также пригласил, чтобы взломать оригинальную концепцию Ванкеля.Двигатель Пашке — это двигатель, которым Mazda станет обладать и станет лидером в 21 веке. Таким образом, современный Ванкель — это не совсем Ванкель.

Getty Images

Не говоря уже о проблемах, Ванкель — это наиболее распространенная и успешная конструкция роторного двигателя, и единственная, которая была запущена в серийное производство. Еще в начале 60-х у NSU и Mazda было дружеское совместное соревнование по продаже первого автомобиля с двигателем Ванкеля, поскольку они исправляли недостатки незрелого дизайна.NSU первым вышел на рынок в 1964 году, но в течение следующего десятилетия он разрушил свою репутацию, поскольку частые отказы двигателей снова и снова отправляли владельцев в магазин. Вскоре нередко можно было найти NSU Spider или Ro 80 с тремя или более двигателями.

Проблема заключалась в уплотнениях на вершине — тонких полосах металла между концами вращающихся роторов и корпусами ротора. НСУ сделало их из трех слоев, что привело к неравномерному износу, из-за которого они стали гранатометами. Mazda придумала уплотнения вершины, сделав их из одного слоя, и представила свой Wankel в роскошном спортивном автомобиле Cosmo 1967 года.

В начале 70-х Mazda представила себе целую линейку автомобилей с двигателями Ванкеля, мечту, которая была разбита нефтяным кризисом 1973 года. Но роторный двигатель стал единственной силовой установкой для трех поколений спортивных Mazda RX-7 с 1978 по 2002 год, когда двигатель Ванкеля почитали и осуждали.

Любят и ненавидят

Популярная механика

Редукторы

любят ротор отчасти потому, что он другой.Автолюбители всегда питали слабость к двигателю, который, если не считать внутреннего сжигания бензина, едва ли похож на обычный поршневой двигатель. Роторный двигатель выдает мощность линейно до 7000 или 8000 об / мин, в зависимости от характеристик двигателя, и этот ровный диапазон мощности отличает его от поршневых двигателей с оптимальным числом оборотов, которые слишком часто расходуют мощность на высоких оборотах, чувствуя себя безжалостно на низких оборотах.

Автопроизводителям также понравился поворотный механизм за его плавность. Роторы, вращающиеся вокруг центральной оси, обеспечивают незначительное отсутствие вибрации по сравнению с поршневым двигателем, у которого движение поршня вверх-вниз более резкое.Но необычный двигатель — незнакомое животное, поэтому поляризующий Ванкель также вызывает свою долю ненависти среди автолюбителей и механиков. Это простой дизайн — без ремня ГРМ, без распределительного вала, без коромысел — но незнакомость порождает недоверие, а у Ванкеля есть причуды, требующие внимания.

Этот контент импортирован из {embed-name}. Вы можете найти тот же контент в другом формате или найти дополнительную информацию на их веб-сайте.

Роторный двигатель сжигает масло по своей конструкции, закачивая небольшое количество моторного масла в камеры сгорания для смазки роторов, создавая обычный поток синего дыма, вырывающийся из выхлопной трубы, когда вы заводите машину.Честно говоря, людей это пугает — синий дым выхлопных газов является сигналом бедствия, когда исходит от поршневого двигателя.

Роторы также предпочитают минеральное масло синтетическому, и их конструкция означает, что вы должны периодически доливать масло, потому что двигатель постоянно его потребляет. Эти верхние уплотнения, как правило, не прослужат долго, прежде чем их потребуется заменить. Восстановление Ванкеля на пробеге 80 000–100 000 миль является обычным делом, и раньше, чем большинство поршневых двигателей, нуждаются в такой кропотливой работе.

Современные водители также наиболее чувствительны к другим недостаткам роторного двигателя, более низким выбросам и экономии топлива из-за тенденции двигателя не полностью сжигать топливно-воздушную смесь перед ее выпуском.Для RX-8 Mazda решила эти проблемы, разместив выхлопные отверстия по бокам камер сгорания. Выбросы топлива также стали строже с годами. Это одна из причин, по которой RX-8, последний автомобиль с двигателем Ванкеля, поступил в продажу в 2002 году и был снят с производства в 2012 году.

Время для второго поворота

Вернемся к слухам вице-президента Mazda Мартина тен Бринка о том, что Mazda может использовать какой-нибудь роторный двигатель в качестве расширителя диапазона для электромобиля. В этом есть смысл. Еще в 2012 году Mazda арендовала 100 электромобилей Demio EV в Японии, но небольшой запас хода в 124 мили был болезненным моментом.Итак, в 2013 году Mazda создала прототип, который включал в себя поворотный расширитель диапазона, чтобы почти удвоить этот диапазон, и назвала его Mazda2 RE Range Extender (Mazda2 — это то, что Demio называют за пределами Японии). Колеса прототипа приводились в движение электродвигателем, а 0,33-литровый 38-сильный роторный двигатель раскручивался для подзарядки аккумуляторов электродвигателя, если они разряжались, а поблизости негде было подзарядить.

Поскольку роторный двигатель не мог приводить в движение колеса, Mazda2 RE не была гибридом, как Volt или Prius.Ванкель был скорее бортовым генератором, который увеличивал дальность действия автомобиля. Та же компактность и легкий вес, которые сделали Wankel отличным двигателем для спортивного автомобиля, такого как RX-7, также делают его идеальным в качестве генератора с увеличенным запасом хода на автомобиле, особенно на том, у которого уже есть электродвигатели и батареи, конкурирующие за пространство и не позволяю себе набирать лишний вес. Но концепция расширителя запаса хода не попала в производство, и Mazda не продала электромобили со времени тех 100 электромобилей Demio.

Тем не менее, роторный двигатель заработал свою репутацию в основном как двигатель спортивного автомобиля, а не как генератор, приводимый в движение электродвигателями. Пока ходят слухи о возрождении роторного типа, автолюбители будут мечтать об этом суетливом, причудливом двигателе, который снова приводит колеса в крутую, крутую поездку.

Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты. Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на пианино.io

двигатель Ванкеля | Инжиниринг | Fandom

Двигатель Ванкеля в Немецком музее Мюнхена, Германия

Роторный двигатель Ванкеля — это двигатель внутреннего сгорания, изобретенный немецким инженером Феликсом Ванкелем, в котором вместо поршневых поршней используется ротор. Эта конструкция обещает плавную мощность на высоких оборотах от компактного и легкого двигателя;

Критика []

Однако двигатели

Ванкеля критикуют за низкую топливную экономичность и низкий уровень выбросов выхлопных газов.

Именование []

С момента своего появления в автомобилях NSU Motorenwerke AG (NSU) и Mazda в 1960-х годах двигатель обычно назывался роторным двигателем , это название также применялось к нескольким совершенно различным конструкциям двигателей.

Хотя многие производители лицензировали дизайн, и Mercedes-Benz использовал его для своего концептуального автомобиля C-111, только Mazda производила двигатели Ванкеля в больших количествах. С 2005 года двигатель доступен только в Mazda RX-8.

Как это работает []

Цикл Ванкеля. Буквой «А» отмечена одна из трех вершин ротора. Буквой «B» отмечен эксцентриковый вал, который поворачивается три раза за каждый оборот ротора.

В двигателе Ванкеля четыре такта типичного двигателя с циклом Отто расположены последовательно вокруг овала, в отличие от возвратно-поступательного движения поршневого двигателя. В базовом однороторном двигателе Ванкеля единственный овальный (технически эпитрохоидный) корпус окружает трехсторонний ротор (треугольник Рило), который вращается и перемещается внутри корпуса.Стороны ротора уплотняют стороны корпуса, а углы ротора уплотняют внутреннюю периферию корпуса, разделяя его на три камеры сгорания.

Когда ротор вращается, его движение и форма корпуса заставляют каждую сторону ротора приближаться и дальше от стенки корпуса, сжимая и расширяя камеру сгорания аналогично «ходам» в поршневом двигателе. Однако, в то время как обычный четырехтактный двигатель производит один такт сгорания на цилиндр на каждые два оборота (то есть, половину рабочего хода мощности на оборот на цилиндр), каждая камера сгорания каждого ротора в двигателе Ванкеля генерирует один такт сгорания на один оборот. (то есть три рабочих хода на оборот ротора).Поскольку выходной вал Ванкеля предназначен для вращения со скоростью, в три раза превышающей скорость ротора, получается один такт сгорания на оборот выходного вала на ротор, в два раза больше, чем у четырехтактного поршневого двигателя, и аналогично выходу двухтактного двигателя. тактовый двигатель. Таким образом, выходная мощность двигателя Ванкеля обычно выше, чем у четырехтактного поршневого двигателя аналогичного рабочего объема в аналогичном состоянии настройки, и выше, чем у четырехтактного поршневого двигателя аналогичных физических размеров и веса.

Налогообложение []

Национальные агентства, взимающие налоги с автомобилей в соответствии с рабочим объемом и регулирующие органы в автомобильных гонках, по-разному считают, что двигатель Ванкеля эквивалентен четырехтактному двигателю с рабочим объемом в 1,5–2 раза; некоторые регулирующие агентства гонок считают, что это дает настолько явное преимущество, что они вообще запрещают его.

Преимущества []

Двигатели Ванкеля

имеют несколько основных преимуществ по сравнению с поршневыми поршнями, а также более высокую мощность при аналогичном рабочем объеме и физических размерах.Двигатели Ванкеля значительно проще и содержат гораздо меньше движущихся частей. Например, поскольку клапаны выполняются с помощью простых отверстий, прорезанных в стенках корпуса ротора, они не имеют клапанов или сложных клапанных цепей; Кроме того, поскольку ротор соединен непосредственно с выходным валом, нет необходимости в шатунах, обычном коленчатом валу, балансировочных грузах коленчатого вала и т. д. Устранение этих деталей не только делает двигатель Ванкеля намного легче (обычно вдвое меньше, чем у двигателя Ванкеля). обычный двигатель с эквивалентной мощностью), но он также полностью устраняет возвратно-поступательную массу поршневого двигателя с его внутренней деформацией и присущей ему вибрацией из-за повторяющихся ускорений и замедлений, обеспечивая не только более плавный поток мощности, но и способность производить больше мощности при работе на более высоких оборотах.

В дополнение к повышенной надежности за счет устранения этой возвратно-поступательной нагрузки на внутренние части, конструкция двигателя с железным ротором в корпусе из алюминия, который имеет большее тепловое расширение, гарантирует, что даже при сильном перегреве двигатель Ванкеля двигатель не заклинивает, как это может случиться с перегретым поршневым двигателем; это существенное преимущество в плане безопасности при использовании воздушного судна.

Простота конструкции и меньшие размеры двигателя Ванкеля также позволяют снизить затраты на строительство по сравнению с поршневыми двигателями сопоставимой выходной мощности.

В качестве еще одного преимущества форма камеры сгорания Ванкеля и турбулентность, создаваемая движущимся ротором, предотвращают образование локализованных горячих точек, что позволяет использовать топливо с очень низким октановым числом без предварительного воспламенения или детонации, что является особым преимуществом для автомобилей с водородом. . Эта особенность также вызвала большой интерес в Советском Союзе, где высокооктановый бензин был редкостью.

Недостатки []

Конструкция двигателя Ванкеля требует наличия множества скользящих уплотнений и корпуса, который обычно представляет собой сэндвич из чугуна и алюминия, которые расширяются и сжимаются в разной степени под воздействием циклов нагрева и охлаждения.Эти элементы приводили к очень высокой частоте потери уплотнения как между ротором и корпусом, так и между различными деталями, составляющими корпус. Дальнейшие инженерные работы Mazda позволили решить эти проблемы, но затем компания столкнулась с внезапной глобальной озабоченностью как по поводу выбросов углеводородов, так и по поводу роста стоимости бензина — двух наиболее серьезных недостатков двигателя Ванкеля.

Так же, как форма камеры сгорания Ванкеля предотвращает преждевременное возгорание, она также приводит к неполному сгоранию воздушно-топливного заряда, при этом оставшиеся несгоревшие углеводороды выбрасываются в выхлоп.Сначала, когда производители автомобилей с поршневыми двигателями обращались к дорогостоящим каталитическим нейтрализаторам для полного окисления несгоревших углеводородов, Mazda смогла избежать этих затрат, парадоксальным образом обогатив топливно-воздушную смесь в достаточной степени, чтобы получить поток выхлопных газов, достаточно богатый углеводородами. фактически поддерживать полное сгорание в «термическом реакторе» (просто увеличенная открытая камера в выпускном коллекторе) без необходимости в каталитическом нейтрализаторе, тем самым производя чистый выхлоп за счет некоторого дополнительного расхода топлива.

Связанная причина неожиданно низкой экономии топлива связана с присущей конструкцией ротора Ванкеля слабостью при использовании с обычным топливом. Некоторые исследования показали, что на высоких скоростях скорость увеличения объема камеры сгорания в моменты после воспламенения фактически превышает расширение горящего топлива. В результате на высоких скоростях из того же объема топлива извлекается меньше полезной энергии, поскольку выхлопные газы должны тратить время и энергию, «догоняя» ротор, прежде чем он сможет выполнить какую-либо работу.

В типичном серийном двухроторном двигателе Ванкеля не используется подшипник между двумя роторами, что позволяет использовать цельный эксцентриковый вал. Этот компромисс позволяет удешевить производство за счет пиковых оборотов двигателя из-за изгиба эксцентрикового вала. В двигателях, имеющих более двух роторов, или в двигателях с двумя обгонами ротора, предназначенных для использования на высоких оборотах, должен использоваться составной эксцентриковый вал, позволяющий установить дополнительные подшипники между роторами. Хотя этот подход действительно увеличивает сложность конструкции эксцентрикового вала, он успешно используется в производстве трехроторных двигателей некоторыми автопроизводителями, а также многих гоночных двигателей небольшого производства.

Многие недостатки двигателя Ванкеля были устранены другим производителем. Выхлопные отверстия, которые в прежних роторных двигателях располагались в корпусах ротора, были перенесены в стороны от камеры сгорания. Такой подход позволил более раннему производителю устранить перекрытие между отверстиями впускного и выпускного отверстий, одновременно увеличив площадь выпускного отверстия. Расход топлива теперь находится в пределах нормы, установленной некоторыми государственными требованиями к выбросам.

Авиационные двигатели []

Превосходная удельная мощность, надежность и небольшая площадь лобовой части самолета Ванкеля делают его особенно подходящим для использования с авиационными двигателями.К этой роли они проявляли большой интерес в 1950-х годах, когда их конструкция впервые стала широко известной, но в то же время почти вся промышленность переходила на реактивный двигатель, который, как многие считали, будет единственным используемым двигателем. в течение десятилетия. Ванкель страдал от отсутствия интереса, и когда позже выяснилось, что реактивный двигатель был слишком дорог для всех ролей, мир авиации общего назначения уже сжался настолько, что на новые конструкции двигателей было мало денег.Тем не менее интерес к ним для малой авиации не исчез.

Самолеты Ванкельса вернулись в последующие годы. Ни одно из их преимуществ не было потеряно по сравнению с другими двигателями, а использование более качественных материалов помогло решить проблему торцевого уплотнения (Apex-seal). Их все чаще можно встретить в ролях, где важны их компактный размер и бесшумность, особенно в дронах или БПЛА. Многие компании и любители адаптируют роторные двигатели Mazda к использованию в самолетах; другие, в том числе сама Wankel GmbH, производили роторные двигатели Wankel, предназначенные для этой цели.

Другое применение []

Малые двигатели Ванкеля все чаще используются для других целей, например, для картингов, личных водных судов и вспомогательных силовых установок для самолетов. Некоторые использовали двигатель Ванкеля для авиамоделей, который производился практически без изменений с 1970 года; даже с большим глушителем вся упаковка весит всего 380 граммов.

Простота двигателя Ванкеля делает его идеальным для мини-, микро- и микро-мини-двигателей.

Самый большой двигатель Ванкеля был доступен в версиях с одним ротором мощностью 550 л.с. (410 кВт) и двумя роторами (1100 л.с. (820 кВт)) с рабочим объемом 41 литр на ротор с диаметром ротора приблизительно один метр.За счет ограничения частоты вращения двигателя до 1200 об / мин и использования природного газа в качестве топлива двигатели были выбраны для привода насосов на трубопроводах природного газа.

Было также выпущено ограниченное количество мотоциклов с двигателями Ванкеля.

Помимо использования для двигателей внутреннего сгорания, базовая конструкция Ванкеля также использовалась для воздушных компрессоров и нагнетателей для двигателей внутреннего сгорания, но в этих случаях, хотя конструкция по-прежнему предлагает преимущества в надежности, основные преимущества Ванкеля по размеру и весу по сравнению с четырехтактным двигателем внутреннего сгорания значения не имеют.В конструкции, использующей нагнетатель Ванкеля на двигателе Ванкеля, нагнетатель в два раза больше двигателя!

Возможно, наиболее экзотическое использование конструкции Ванкеля — это система преднатяжителя ремня безопасности Volkswagen New Beetle. В этом автомобиле, когда датчики замедления обнаруживают потенциальную аварию, небольшие патроны взрывчатого вещества срабатывают электрически, и образующийся под давлением газ подается в крошечные двигатели Ванкеля, которые вращаются, чтобы компенсировать провисание систем ремней безопасности, надежно закрепляя водителя и пассажиров на сиденье. перед любым столкновением.

См. Также []

Список литературы []

  • цитировать книгу | автор = Ямагути, Джек К. | title = Новые спортивные автомобили Mazda RX-7 и Mazda с роторным двигателем | издатель = St. Martin’s Press, Нью-Йорк | год = 1985 | id = ISBN 0312694563
  • цитировать в Интернете | title = Сборник производственных и экспериментальных данных двигателя Ванкеля | работа = Monito.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *