Роторно-поршневой двигатель

Материал из Викитаки

Перейти к: навигация, поиск
Полезная статья
Роторно-поршневой двигатель в разрезе
Роторно-поршневой двигатель в разрезе

Ро́торно-поршнево́й дви́гатель (РПД, двигатель Ва́нкеля) - оригинальный двигатель внутреннего сгорания, конструкция которого разработана в 1957 году инженером компании NSU Вальтером Фройде, ему же принадлежала идея этой конструкции. Двигатель разрабатывался в соавторстве с Феликсом Ванкелем, работавшим над несколько иной 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. Благодаря этому можно отказаться от применения коленчатого вала, что позволяет при необходимости выполнить вал двигателя полым.

Содержание

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 отсекает переменные объёмы камер в цилиндре с помощью трёх клапанов.

Цикл двигателя Ванкеля: впуск (голубой), сжатие (зелёный), рабочий ход (красный), выпуск (жёлтый)
Цикл двигателя Ванкеля: впуск (голубой), сжатие (зелёный), рабочий ход (красный), выпуск (жёлтый)
Роторно-поршневой двигатель
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 двигатель 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 использования обычного двигателя внутреннего сгорания.
  • Высокая удельная мощность(л.с./кг), 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 вала, в отличии от одноцилиндрового поршневого двигателя, который выдаёт мощность только в течение одной четверти каждого оборота 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.
  • меньшая на 35—40 % номенклатура деталей.

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

Трёхмерная модель РПД в динамике.
Трёхмерная модель РПД в динамике.

С другой стороны, сопряжение ротора с выходным валом через эксцентриковый механизм, являясь характерной особенностью РПД Ванкеля, вызывает повышенное механическое напряжение между трущимися поверхностями, что в сочетании с высокой температурой, приводит к дополнительному износу и нагреву двигателя.

В связи с этим возникают повышенные требования к качеству и периодичности замены моторного масла. При правильной эксплуатации периодически производится капитальный ремонт, включающий в себя замену уплотнений. Ресурс при правильной эксплуатации достаточно велик, но не заменённое вовремя масло неизбежно приводит к необратимым последствиям, и двигатель выходит из строя.

Наиболее важной проблемой считается состояние уплотнений. Площадь пятна контакта со стенками камеры очень невелика, а перепад давлений в процессе работы очень высокий. Следствием этого неразрешимого для двигателей Ванкеля противоречия является неизбежный перепуск между отдельными камерами и, как следствие, некоторое падение коэффициента полезного действия и повышение токсичности выхлопа. Проблема быстрого износа уплотнений на высоких оборотах была частично решена применением высоколегированной стали.

При всех преимуществах (высокая удельная мощность, простота устройства, несложный ремонт при правильной эксплуатации), важную проблему представляет собой меньшая экономичность на низких оборотах по сравнению с обычными ДВС, что является закономерным следствием более высокой удельной мощности.

Другой особенностью двигателей Ванкеля является его склонность к перегреву. Камера сгорания имеет линзовидную форму, то есть при маленьком объёме у неё относительно большая площадь стенок. В процессе сгорания рабочей смеси основные потери энергии приходятся на тепловое излучение. Интенсивность излучения пропорциональна четвёртой степени от температуры, таким образом идеальная форма камеры сгорания — сферическая. В случае с РПД тепловая 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 такого двигателя часто предусматривают 2 свечи.

Высокие требования к исполнению деталей двигателя с минимальными допусками делают его сложным в производстве — требуется применение высокотехнологичного и высокоточного оборудования: станков, способных перемещать инструмент по сложной траектории эпитрохоидальной поверхности камеры объёмного вытеснения.

Кроме того, в силу объективных особенностей конструкции РПД является существенно более сложно масштабируемой конструкцией, чем обычный поршневой двигатель, для которого добавление или изъятие одного-двух цилиндров не представляет существенной инженерной проблемы. В случае с РПД каждый блок в двух-трёхблочных двигателях представляет собой по сути отдельный двигатель, и требует для реализации сопряжения с соседними таких же инженерных решений, какие применяются при создании спарок обычных поршневых ДВС. Это неизбежно приводит к увеличению потерь, из-за чего РПД редко имеют более четырёх секций. Аналогично, увеличение мощности односекционных РПД ограничивается технологически допустимыми размерами рабочего цилиндра (и, следственно, объема камеры сгорания), на современном уровне развития технологий это порог в пределах 400 л.с..

Применение

NSU Ro80.
NSU Ro80.

Двигатель разрабатывался изначально именно для применения на автотранспорте. В 1957 году Ванкель и Фройде продемонстрировали на конференции Общества германских инженеров работающий четырехтактный двигатель DKM 54 с поршнем-ротором, снабженным механическими уплотнениями. Этот двигатель бироторной конструкции оказался чрезвычайно сложным (например, свечи зажигания устанавливались в роторе) и ненадежным, но он доказал принципиальную работоспособность всей предложенной концепции. На следующий год фирма NSU продемонстрировала сразу две модели РПД: трехкамерный ККМ 125 (объем каждой из трех рабочих камер 125 см3) и однокамерный ККМ 250 (объем 250 см3), в которых свечи зажигания размещались в неподвижном корпусе (статоре) и были легко доступными для обслуживания.

Первый серийный автомобиль с роторным двигателем — немецкий спорткар NSU Wankelspider.

Первый массовый (37 204 экземпляра) автомобиль — немецкий седан бизнес-класса NSU Ro 80. Он имел достаточно инноваций и помимо двигателя, в частности, кузов с рекордно низким для того времени аэродинамическим сопротивлением, полуавтоматическую коробку передач с гидротрансформатором, блок-фары, и т.д.. Ro80 отличалась не только уникальной конструкцией, но и передовым дизайном, который не смогла оценить по достоинству публика 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.

Малоизвестно, что кузов отечественных автомобилей ЗАЗ-966 и ЗАЗ-968 был скопирован с кузова автомашин NSU серии Prince (конкретно ЗАЗ-966 это Prince IV), которые также оснащались РПД и, в отличии от своих советских копий, позиционировались как весьма престижные молодёжные спорткары-купе.

Citroën также экспериментировал с РПД — проект Citroën M35.

Вспышка интереса к РПД пришлась на конец пятидесятых-начало семидесятых годов: первой лицензию на производство у NSU приобрела всемирно известная корпорация Curtiss-Wright в 1958 году, а в 1960-1961 годах к ней присоединились крупнейшие германские моторостроительные фирмы Fichtel&Sachs, Daimler-Benz AG, MAN, Friedrich Krupp GmbH, Klockner-Humboldt-Deutz AG и две японские - Yanmar Diesel Co. и Toyo Kogyo Co., а также английская фирма F/Perkins Ltd. В 1965 году лицензии приобрели такие авторитетные компании, как Rolls-Royce, OMC и Porsche KG. Очередь гигантов класса Nissan Motor Co., General Motors Corp., Suzuki Motor Co., Toyota Motor, Ford-Werke AG, Ingersoll-Rand, Mercury Div., Brunswick Corp., Yamaha Motor, Kawasaki Heavy Industries Ltd. и American Motors Corp. пришла в 1970-1973 годах. Всего было заключено около 30 лицензионных соглашений на право производства.

После этого серийное и мелкосерийное производство роторно-поршневых двигателей Ванкеля велось только фирмами Mazda (Япония) и ВАЗ (Россия)[2].

Современные двигатели

Двигатель Mazda RENESIS 16X
Двигатель Mazda RENESIS 16X
Mazda RX-8 Hydrogen RE
Mazda RX-8 Hydrogen RE
Mazda RX-8 Hydrogen RE
Mazda RX-8 Hydrogen RE

Инженерам фирмы Mazda удалось решить все основные проблемы РПД — токсичность выхлопа и неэкономичность. По сравнению с двигателями-предшественниками, на двигателе «Renesis» им удалось сократить потребление масла на 50 %, бензина на 40 % и довести выброс вредных продуктов сгорания до норм, соответствующих Euro IV. Двухкамерный двигатель «Renesis» объёмом всего 1,3 л выдаёт мощность в 250 л. с. и занимает гораздо меньше места в моторном отсеке, чем традиционный двигатель. Следующая модель двигателя Renesis 2 16X имеет объём 1.6 литра, и бо́льшую мощность, меньше нагревается.

Автомобили марки Mazda с буквами RE в наименовании[3] могут использовать в качестве топлива как бензин, так и водород. Это явилось вторым витком роста внимания к РПД со стороны разработчиков. Двигатель успешно может использовать водород, так как менее чувствителен к детонации, чем обычный двигатель, использующий возвратно-поступательное движение поршня.

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

Отечественные РПД

История отечественных РПД началась в 1961 году, когда Минавтопром и Минсельхозмаш СССР поставили соответствующую задачу перед научно-испытательными институтами - НАМИ, НАТИ и ВНИИмотопромом. Параллельно по линии Минобороны изучением РПД занялся НИИД. В числе создателей отечественных конструкций роторно-поршневого двигателя можно назвать фамилии Чистозвонова, Ханина, Турянского, Зиновьева (НАМИ), Гостева и Бениовича (НАТИ), а также Иваницкого, Карманова и Александрова (ВНИИмотопром).

В период 1961-78 годов в отраслевых НИИ и учебных институтах СССР были проведены исследовательские и опытно-конструкторские работы, которые завершились созданием опытных образцов РПД различного назначения и технологий для их производства.

В 1974 году решением правительства дальнейшие работы по РПД были поручены Волжскому автозаводу, где развертывалось специальное конструкторское бюро (СКБ РПД). Это решение, с одной стороны, придало новый импульс разработке отечественного варианта РПД (начались, в частности, проектные работы по строительству цехов для серийного производства), а с другой - привело к фактической утрате многого из того, что наработали институты, поскольку в качестве прототипа специалисты ВАЗа решили ориентироваться на двигатель фирмы Mazda и опыт его массового производства (т.е. по сути просто скопировать двигатель "Мазды" вместо того, чтобы реализовать отечественные разработки[4]). У истоков СКБ стояли такие специалисты как В.Н. Поляков, Е.А. Башинджагян, А.А. Житков, Б.С. Поспелов и М.А. Коржов. Ныне СКБ РПД ВАЗа возглавляет В.А. Шнякин.

В Научно-техническом центре ВАЗ была создана линейка автомобильных РПД ВАЗ-416, ВАЗ-426, ВАЗ-526 и авиационных ВАЗ-1187, ВАЗ-1188. Некоторые из них устанавливались на малых сериях спецмашин производства ВАЗ. Кроме того, небольшие серии таких двигателей устанавливались на спецавтомобили других производителей, в частности ЗАЗ-965 и ЛуАЗ-969. К началу 2000-х годов РПД оснащались малые партии автомобилей ВАЗ-2105, ВАЗ-2107, ВАЗ-2108, ВАЗ-2109, ВАЗ-21099, на ВАЗ-2110 ставились двигатели ВАЗ-415. Для установки на ВАЗ-1111 "Ока" был разработан двигатель ВАЗ-1185.

Применение в авиации

В 1990 году по заказу МВЗ им. М.Л. Миля в СССР началась разработка авиационного роторного двигателя ВАЗ-430, предназначавшегося для легкого вертолета Ми-34ВАЗ. При этом предполагалось, что доступ к авиационным технологиям позволит быстро создать качественный РПД, но эти надежды не оправдались, причем камнем преткновения стало не только отсутствие государственного финансирования, но и утраченный авиационной промышленностью опыт создания малоразмерных двигателей внутреннего сгорания и соответствующих агрегатов.

Впоследствии на базе автомобильного двигателя для "Оки" был разработан легкий авиационный РПД ВАЗ-1187 мощностью 40 л.с. для дельталетов и его усовершенствованный вариант ВАЗ-1188 (60 л.с.). Был сделан вывод о целесообразности создания авиационных РПД в диапазоне мощности 40-300 л.с., где они конкурентоспособны с классическими поршневыми двигателями. В настоящее время усилия СКБ сосредоточены на разработке авиационного трёхсекционного РПД ВАЗ-426 мощностью до 240 л.с. Об уровне совершенства современных РПД конструкции Волжского СКБ свидетельствует тот факт,что масса двигателя составляет всего 145 кг, а удельный расход топлива при работе на автомобильном бензине на крейсерской мощности не превышает 205 г/л.с. в час.

В настоящее время наиболее перспективной сферой применения РПД в авиации являются БПЛА - разведывательные, метеорологические, а также самолеты-ретрансляторы и даже небольшие транспортные машины. Приемник глобальной навигационной системы (NAVSTAR и пр.) позволяет новейшим БПЛА летать на огромные расстояния, не сбиваясь с курса, а цифровая автоматизированная система взлета/посадки DGPS обеспечивает сохранность груза. Современный БПЛА Hermes 1500 UAV с двумя РПД способен нести 350 кг полезной нагрузки и держаться в воздухе 30 ч, а его летный ресурс достигает 20 000 ч.

Примечания

  1. Иван Пятов. РПД изнутри и снаружи, Журнал Двигатель, № 5-6 (11-12) сентябрь-декабрь 2000
  2. http://www.ladaonline.ru/catalog/index.php?SECTION_ID=355&SHOWALL_1=1
  3. первые буквы от названия «Renesis», производным от слов (англ. Rotary Engine:роторный двигатель и Genesis:процесс становления, название говорящее о появлении нового класса двигателей)
  4. Подобная практика вообще традиционна для отечественного автопрома.

Ссылки

РПД СССР/России

Авиационные РПД

См. также

Личные инструменты
© В.Звягинцев. "Одиссей покидает Итаку".
© ITAKA.PW
| книга | информация | комментарии | форум | о сайте |