Принцип работы роторного двигателя, устройство, преимущества и недостатки
Содержание:
- История возникновения
- Биография изобретателя
- Конструкция
- Строение
- Принцип работы
- Преимущества
- Недостатки
- Разновидности
- Советы и рекомендации
- Правила эксплуатации
- Какие машины были оснащены РПД?
- Итоги
Что такое роторный двигатель и когда он появился знает не каждый автовладелец. Мотор представляет собой стандартный ДВС, но его устройство иное. Принцип работы РД основывается на высоких оборотах и отсутствии движений, которыми наделен поршневой «движок». Роторный по-другому именуют двигателем Ванкеля. Рассмотрим, почему устройство получило такое название, какие особенности оно имеет и чем отличается от других.
История возникновения
После изобретения ДВС сфера автомобилестроения начала развиваться.
Общее устройство двигателя остается прежним, но силовые агрегаты регулярно модернизируются. Появляются усовершенствованные модели, к примеру, роторного вида. Впервые такая конструкция появилась в 1957 году. Ее испытывали два разработчика: Ф. Ванкель и В. Фройде. Сначала двигатель установили на спортивную машину «Спайдер», после исследований были получены интересные данные. Выяснилось, что спорткар смог набрать скорость 150 км/час при 57 л.с. Со временем двигатель стали устанавливать на марки авто, доступные широкому кругу пользователей (Ситроен, Шевроле).
В России роторный «движок» появился в 1961 году. Советские ученые не могли воспользоваться наработками немецкого инженера, поэтому смастерили конструкцию самостоятельно, опираясь на РПД фирмы NSU. На свет появился односекционный роторно-поршневой двигатель. Произошло это официально в 1976 г. «Движок» испытывали на отечественных машинах. Со временем конструкцию улучшали, выявляя в ней недостатки. Данный тип мотора по-прежнему применяется в автоспорте.
Это обусловлено его экономичностью и малым весом.
На Западе роторные «движки» не стали чем-то уникальным и необычным. Топливный кризис остановил разработки в 1973 году. В те годы стоимость на топливо возросла, поэтому люди старались эксплуатировать машины с меньшим расходом горючего. Продажи авто с РПД упали, но «на помощь» пришла Япония и начала оснащать машины бренда «Мазда» роторными двигателями. Их производство продолжалось даже после распада СССР, но ВАЗ перестал иметь дело с РПД лишь в 2004 году.
Биография изобретателя
Ф.Г. Ванкель — немецкий изобретатель, рожденный в городе Лар в начале XX века. Его отец умер во время боевых действий во время Первой Мировой. По этой причине будущий ученый был вынужден забросить учебу и пойти работать, чтобы содержать себя. Первое время он трудился в лавке, где продавались книги. Во время работы Феликс любил читать. Особенно ему нравилось изучать автомобилестроение. Изобретатель был талантливым человеком со способностями. Говорят, что изобретенный им двигатель приснился ему во сне.
Конструкция
Чтобы выяснить, какой имеет роторный двигатель принцип работы, необходимо изучить конструкционные особенности. В данном типе мотора энергия сгорания воспринимается ротором в форме треугольника.
Ротор находится внутри закрытого элемента, состоящего из боковых и центрального корпуса. Это нужно для создания процесса горения. Он проходит в статоре, а боковые грани создают герметичность.
Статор включает в себя цилиндр, а в нем находится сам ротор. Овальный цилиндр имеет прижатые бока. Именно такая форма дает возможность всем процессам внутри проходить слаженно. Кроме того, статор оснащен окошками для впуска горючего и выпуска газов. На противоположной стороне находятся специальные отверстия для свечей.
Верхушки ротора контактируют с цилиндром, поскольку движение проходит по эксцентриковому типу.
Строение
Ротор с выпуклыми сторонами работает как поршень. Скорость вращения увеличивается благодаря углублениям, которые есть в каждой стороне.
Для твс (топливно воздушной смеси) остается больше пространства. Вершины граней с помощью металлических пластин создают камеры. С каждой стороны ротора также есть металлические кольца, помогающие формировать камерные стенки. В центре ротора расположен круг с зубьями.
Овальная камера создана таким образом, чтобы роторные вершины контактировали со стенками и создавали закрытые газовые объемы. Как было сказано, в РПД — 4 рабочих такта, к которым относят впуск, сжатие, сгорание и выпуск. Впуск и выпуск осуществляется в отверстиях камеры, выхлоп происходит через трубу, а впускное отверстие подсоединено к газу.
Выходной вал работает по аналогии с коленвалом, заменяя его.
Принцип работы
Узнать, как работает роторный двигатель, можно лишь в сравнении его со стандартным ДВС с поршнями. Схема функционирования РПД и ДВС отличается технологией, учитывая что «движки» имеют разные конструкционные особенности.
Принцип работы роторного двигателя схож с ДВС, поскольку он основывается на преобразовании энергии от сгорания горючей смеси.
Но в случае с ДВС давление, полученное от сгорания, заставляет поршни двигаться, тем самым коленвал и шатун преобразуют движения поршней во вращательные, запуская движение колес.
Ротор функционирует в овальной камере, поэтому мощность передается сцеплению с КП. Треугольная форма позволяет выдавить топливную энергию и перенаправить ее на колесную систему.
Внутри капсулы, в которой находится ротор, происходят различные процессы: сжатие твс, впрыск горючего, проникновение кислорода, воспламенение топлива и отправка сгоревших элементов на выпуск. Ротор крепится к механизму, который «бегает» внутри капсулы. В корпусе образуется несколько камер, в каждой из которых происходят определенные процессы. В первой камере возникает смешение топлива с воздушными массами, превращая их в твс. Во второй камере все это сжимается и воспламеняется, а из третьей вытесняется.
Преимущества
Роторный двигатель имеет плюсы и минусы, как и любое механическое устройство.
КПД достигает 40%, это высокий показатель.
Простые конструктивные особенности. РПД не обладает большим количеством узлов, что упрощает его конструкцию в целом.
Концепция. РД вращается, поэтому на остановку в противоположных друг другу точках время не затрачивается. Благодаря этому, мотор можно посчитать высокооборотистым.
Компактность силового агрегата способствует равномерной развесовки и высокой устойчивости машины при езде по трассе.
Динамические характеристики двигателя позволяют автомобилю разгоняться на порядок быстрее, поэтому РПД устанавливали преимущественно на спорткары.
При увеличении количества оборотов не возникает дополнительных нагрузок. Получается, что можно разогнать транспорт до 100 км/час даже на низкой передаче.
Смотря на внушительный список преимуществ, водители задаются вопросом, почему РПД не смогли вытеснить с рынка стандартные ДВС? Дело в том, что у роторных «движков» есть недостатки, которые не позволили им стать лучше поршневых двигателей.
Недостатки
При составлении плюсов и минусов РПД было выявлено, что с имеющимися характеристиками мотор не сможет реализоваться массово.
Минусы роторных моторов:
Обслуживание. Многих водителей не устраивает высокий расход масла и необходимость его частой замены (каждые 5000 км пробега). Кроме того, РПД потребляет большое количество топлива (20 л на 100 км).
Ограниченность ресурса. Из-за конструктивных особенностей ресурс двигателя сильно ограничен. Он быстро изнашивается, поэтому у него небольшой срок службы.
Маленький срок службы объясняется не только конструкцией, но и перепадами температур, которые сопровождают все рабочие такты.
Низкая экологичность. Серповидная внутренняя часть камер не дает топливу гореть до конца. Ротор выталкивает раскаленный газ в выхлоп, при этом в продуктах сгорания остаются фрагменты масла, что сильно повышает токсичность выброса.
Уплотнители ротора изнашиваются быстрее из-за регулярных перепадов давления и небольшого ресурса самого «движка».
Для производства РПД используется технологичное оборудование. К качеству предъявлены высокие требования.
В конечном итоге роторный двигатель обходится и производителю, и покупателю дороже, чем поршневой.
Разновидности
Узнав устройство роторного двигателя, автовладельцам важно уяснить классификацию РПД. К примеру, камера «движка» бывает замкнутой или незамкнутой, т.е. иметь связь с атмосферой.
Замкнутые моторы также подразделяются на виды по «наличию/отсутствию уплотнительных элементов» или «по режиму функционирования КС». Кстати, большая часть образцов представлена лишь на бумаге, а в реальности их не существует. Классификацию создавал российский инженер И.Ю. Исаев.
Какие существуют роторные ДВС:
Двигатели с ВВД заставляют ротор создавать качания. Лопатки остаются неподвижными, но рабочие такты проходят между ними.
Двигатели с однонаправленным движением. В период сближения роторов на корпусе происходит сжатие между лопастей, а при удалении возникает расширение.
Схема работы двигателя с уплотнительными элементами используется в пневмомоторах. Вращение происходит с помощью сжатого воздуха.
При этом данная схема не смогла найти применения в ДВС, там присутствуют высокие показатели температур и давления.
Существует роторный двигатель с аналогичной предыдущей схеме работы, но уплотнители в этом случае находятся на корпусе.
Более перспективными на данный момент считаются двигатели с равномерным движением элементов. Они способны набирать высокие обороты и мощность, какие для привычных ДВС недопустимы.
Советы и рекомендации
Роторный «движок» разрешено заправлять высококачественным топливом, а именно октановым бензином. Это позволит не допустить детонаций, при этом не даст нагару скопиться на электродах СЗ.
Двигатель имеет повышенную чувствительность к качеству и типу масла. Запрещено заливать синтетику, иначе произойдет быстрое скапливание нагара и падение компрессии. Лучше всего заливать минеральное масло, которое рекомендует сам производитель.
При любых неполадках стоит сразу обращаться к мастерам, а не заниматься ремонтом самостоятельно.
Роторный двигатель требует больших вложений. На сегодняшний день по-прежнему функционируют центры, которые специализируются на дефектовке и ремонте РПД.
Перед непосредственно ездой, роторный «движок» следует прогреть так же, как и поршневой. Нагружать силовой агрегат не рекомендуется до тех пор, пока он не выйдет на рабочую температуру. Своевременное обслуживание, использование только качественных ГСМ поможет продлить срок службы РД.
Правила эксплуатации
Говоря о правилах эксплуатации, эксперты придерживаются строгих тезисов.
Регулярно нужно осматривать масляные форсунки.
/
Замена воздушного фильтра должна проходить каждые 20 000 км.
Свечи зажигания должны быть установлены специальные.
Предпочтительнее всего заправлять бензином марки АИ-98.
При замене масла стоит проверять компрессию через специальный прибор.
Не рекомендуется глушить мотор «на холодную», так как произойдет залив свечей зажигания.
Жидкость тормозной системы стоит менять через каждые 20 000 км пробега.
При проверке компрессия должны быть 6,5-8 атм. Если она ниже, то ремкомплекта будет недостаточно. Возможно, заменить придется всю секцию.
Какие машины были оснащены РПД?
Существуют разные модели автомобилей, на которые ставили РПД.
Перечислим самые популярные из них:
Мазда RX-8. Известная японская компания усовершенствовала двигатель. Последней разработкой стал РПД в 1,3 л, мощностью 215 л.с. Но из-за низкого спроса производство остановлено.
Мазда Космо Спорт. Именно этот автомобиль стал первым транспортным средством, которое оснастили роторным «движком». В 1964 году зрителям продемонстрировали первый готовый вариант. Через год было произведено около 60 аналогичных моделей. Всего до 1968 года было изготовлено 343 модели. Далее производитель усовершенствовал серию «Космо спорт». Теперь машина могла разогнаться до 193 км/час. Данный вариант выпускался до 1972 года включительно.
Мерседес с-111. В первый раз автомобиль представили в 1970 г. Спорткар был оснащен трехкамерным мотором, при этом его максимальная скорость могла составить 275 км/час при пятисекундном разгоне.
Chevrolet Corvette — компания Шевроле получила лицензию на производство РПД. С 1970 года компания начала разрабатывать новые Корветы. В 1971 году модель получила одобрение президента фирмы General Motors. Только через год данная модель была представлена правлению GM.
ВАЗ 2109-90. Это служебный автомобиль, который смог за 8 секунд разогнаться до 100 км/час. Машина имела способность развивать скорость до 200 км/час, что помогало гнаться за нарушителями.
Для нужд МВД в свое время закупили ВАЗ 21019 Аркан, который также имел роторный двигатель. Ее предельная скорость составляла 160 км/час.
Самой популярной моделью авто на роторном «движке» по-прежнему является Мазда Rx-8. Если водитель рассматривает этот вариант на вторичном рынке, то ему стоит присмотреться к нему. На фоне конкурентов такое авто продается по привлекательной цене, при этом имеет отличные характеристики.
Конечно, б\\у авто может требовать ремонта и вложений, поэтому стоит приготовиться к дополнительным расходам.
Сегодня производители самолетов выбирают роторные «движки». Это еще раз говорит о том, что мотор не пользуется популярностью, но от этого не является плохим или бесполезным.
Итоги
РПД — интересная и полезная задумка, но такой мотор не прижился, даже несмотря на высокий КПД и мощность. Из-за конструктивных особенностей механизм быстро изнашивается. Кроме того, «движок» требует особых условий эксплуатации и обслуживания. РПД — лучший вариант для гоночных машин и спорткаров. Для них не требуется большой ресурс.
Высокие технические характеристики дают потребителям надежду, что когда-нибудь роторные моторы будут выпускать массово, заранее устранив их недостатки. Перспектива у двигателей есть, но выпуск РД будет налажен после перехода на водородное топливо. Именно такой мотор не подвержен детонации. Одна из последних современных разработок — Premacy Hydrogen RE Hybrid.
Она ничем не уступает по своим характеристикам другим новинкам автомобилестроения.
Выбрать инструктора:
- Автоинструктор Светлана
- Автоинструктор Михаил
- Автоинструктор Светлана
- Автоинструктор Оксана
- Автоинструктор Алексей
- Автоинструктор Игорь
- Автоинструктор Ася
- Автоинструктор Екатерина
- Автоинструктор Алексей
- Автоинструктор Дмитрий
Отзывы:
Все отзывы
Роторный двигатель принцип работы
Роторный двигатель, как и традиционный поршневой, является двигателем внутреннего сгорания, но работает он совершенно иначе. В поршневом двигателе, в одном и том же объеме пространства (в цилиндре) попеременно происходят четыре различные работы — впуск, сжатие, сгорание и выпуск (такты).
- Строение роторного двигателя
- О системе смазки и питании
- Плюсы
- Минусы
Роторный двигатель делает эти четыре такта в одном и том же объеме(камере), но каждый из этих тактов происходит в своей отдельной части этой камеры. Как будто для каждого цикла используется отдельный цилиндр, а поршень перемещается от одного цилиндра к другому.Принцип работы роторного двигателя.
Как и поршневой, роторный двигатель использует давление которое создается при сжигании смеси воздуха и топлива. В поршневых двигателях, это давление создается в цилиндрах, и двигает поршни вперед и назад. Шатуны и коленчатый вал преобразуют возвратно-поступательные движения поршня во вращательное движение, которое может быть использовано для вращения колес автомобиля.
В роторном двигателе, давление сгорания содержится в камере, образованной частью объема камеры закрытой стороной треугольного ротора, который используется в данном случае вместо поршней.Ротор и корпус роторного двигателя от Mazda RX-7: Эти детали заменяют поршни, цилиндры, клапаны, шатуны и распредвалы в поршневых двигателях.
Ротор соединен со стенками камеры каждой из трех своих вершин, создавая три отдельных объема газа. Ротор вращается, и каждый из этих объемов попеременно расширяется и сжимается. Цепная реакция всасывает воздух и топливо в рабочую камеру, сжимает смесь, она расширяясь делает полезную работу, затем выхлопные газы выталкиваются, новая порция воздуха и топлива всасывается, и так далее.
Строение роторного двигателя
Ротор
Ротор имеет три выпуклых стороны, каждая из которых действует как поршень. Каждая сторона ротора имеет углубление в ней, что повышает скорость вращения ротора в целом, предоставляя больше пространства для топливо-воздушной смеси.
На вершине каждой грани находится по металлической пластине, которые и формируют камеры, в которых происходят такты двигателя. Два металлических кольца на каждой стороне ротора формируют стенки этих камер. В середине ротора находится круг, в котором имеется множество зубьев. Они соединены с приводом, который крепится к выходному валу.
Это соединение определяет путь и направление, по которому ротор движется внутри камеры.
Камера
Камера двигателя приблизительно овальной формы (но если быть точным — это Эпитрохоида, которая в свою очередь представляет собой удлиненную или укороченную эпициклоиду, которая является плоской кривой, образуемой фиксированной точкой окружности, катящейся по другой окружности). Форма камеры разработана так, чтобы три вершины ротора всегда находились в контакте со стенкой камеры, образуя три закрытых объемах газа.
В каждой части камеры происходит один из четырех тактов:
— Впуск
— Сжатие
— Сгорание
— Выпуск
Отверстия для впуска и выпуска находятся в стенках камеры, и на них отсутствуют клапаны. Выхлопное отверстие соединено непосредственно с выхлопной трубой, а впускное напрямую подключено к газу.
Выходной вал
Выходной вал имеет полукруглые выступы-кулачки, размещенные несимметрично относительно центра, что означает, что они смещены от осевой линии вала.
Каждый ротор надевается на один из этих выступов. Выходной вал является аналогом коленчатого вала в поршневых двигателях. Каждый ротор движется внутри камеры и толкает свой кулачок.
Так как кулачки установлены несимметрично, сила с которой ротор на него давит, создает крутящий момент на выходном валу, заставляя его вращаться.
О системе смазки и питании
Данный агрегат не имеет отличий в системе топливоподачи. Здесь также используется погружной насос, что подает бензин под давлением из бака. А вот смазочная система имеет свои особенности. Так, масло для трущихся частей двигателя подается прямо в камеру сгорания. Для смазки предусмотрено специальное отверстие. Но возникает вопрос: куда затем девается масло, если оно проникает в камеру сгорания? Здесь принцип работы схож с двухтактным двигателем. Смазка попадает в камеру и сгорает вместе с бензином. Такая схема работы используется на каждом роторно-лопастном двигателе и поршневом в том числе. Ввиду особой конструкции смазочной системы такие моторы не могут отвечать современным экологическим нормам.
Это одна из нескольких причин, почему роторные двигатели на ВАЗе и других моделях авто серийно не применяются. Впрочем, сперва отметим преимущества РПД.
Плюсы
Во-первых, данный мотор обладает небольшим весом и размерами. Это позволяет сэкономить место в подкапотном пространстве и разместить ДВС в любом автомобиле. Также низкий вес способствует более правильной развесовке автомобиля. Ведь большая часть массы на авто с классическими ДВС сосредоточена именно в передней части кузова.
Во-вторых, роторно-поршневой двигатель обладает высокой удельной мощностью. По сравнению с классическими моторами, данный показатель в полтора-два раза выше. Также у роторного двигателя более широкая полка крутящего момента. Он доступен практически с холостых оборотов, в то время как обычные ДВС нужно раскручивать до четырех-пяти тысяч. Кстати, роторный мотор намного легче набирает высокие обороты. Это еще один плюс.
В-третьих, такой двигатель имеет более простую конструкцию. Здесь нет ни клапанов, ни пружин, ни кривошипно-шатунного механизма в целом.
Вместе с этим отсутствует привычная система газораспределения с ремнем и распределительным валом. Именно отсутствие КШМ способствует более легкому набору оборотов роторным ДВС. Такой мотор за доли секунды крутится до восьми-десяти тысяч. Ну и еще один плюс – это меньшая склонность к детонации.
Минусы
Первый минус – это высокие требования к качеству масла. Хоть мотор и работает по типу двухтактного, сюда нельзя заливать дешевую «минералку». Детали и механизмы силового агрегата подвергаются существенным нагрузкам, поэтому для сохранения ресурса нужна плотная масляная пленка между трущимися парами. Кстати, регламент замены смазки составляет шесть тысяч километров.
Следующий недостаток касается быстрого износа уплотняющих элементов ротора. Это происходит вследствие малого пятна контакта. Из-за износа уплотнительных элементов, образуется высокий перепад давлений. Это негативно сказывается на производительности роторного двигателя и расходе масла (а соответственно и экологических показателях).
Также роторные двигатели склонны к перегреву. Это происходит из-за особой линзовидной формы камеры сгорания. Она плохо отводит тепло по сравнению со сферической (как на обычных ДВС), поэтому при эксплуатации нужно всегда следить за температурным датчиком. В случае перегрева, деформируется ротор. При работе он будет образовать значительные задиры. В результате ресурс мотора приблизится к концу.
Понравилась статья? Расскажите друзьям:
Оцените статью, для нас это очень важно:
Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.
Как все устроено: двигатель Ванкеля
DeLorean из Назад в будущее установил стандарт для автомобилей будущего — автомобилей 2015 года, согласно фильму. В 1985 году, когда вышел фильм, в большинстве автомобилей все еще использовались колеса, приводимые в движение поршневыми двигателями. Примерно в то же время менее известный двигатель только совершенствовался и за ним полагалось настоящее будущее автомобилей.
Двигатель Ванкеля был тем малоизвестным двигателем, который обещал так много.
Двигатель Ванкеля представляет собой роторный двигатель. Роторные двигатели существуют со времен Первой мировой войны и с тех пор используются в некоторых самолетах, мотоциклах и автомобилях. Двигатель Ванкеля был изобретен Феликсом Ванкелем, инженером NSU Motorenwerke AG. В 1964, NSU представила свой первый автомобиль с этим двигателем, NSU Spider. Журнал Time объяснил, что NSU потребовалось 10 лет разработки, прежде чем этот новый двигатель можно было начать серийное производство с удовлетворительными результатами. Этот новый двигатель, весивший примерно вдвое меньше, чем обычный поршневой двигатель той же мощности, в то время казался многообещающим. Известные компании, такие как Curtiss-Wright Corp., Outboard Marine Corp. и Rolls-Royce, заплатили лицензии NSU на двигатель Ванкеля, поскольку в то время считалось, что двигатели Ванкеля заменят поршневые двигатели.
На протяжении многих лет двигатель Ванкеля использовался в различных целях, в том числе в двигателях самолетов, мотоциклов и гоночных автомобилей. Однако очень немногие автомобильные компании приняли этот двигатель. Японский производитель автомобилей Mazda Motor Corp., в частности, является крупнейшим пользователем двигателей Ванкеля в своих автомобилях. Двигатель Ванкеля производит энергию, вращая ротор внутри корпуса. Ротор треугольный, с выпуклыми сторонами и карманами на трех гранях. Эти карманы содержат топливо и обеспечивают камеру для воспламенения топлива. Корпус имеет примерно овальную форму, напоминающую восьмерку с более широким средним сечением (эта фигура называется эпитрохоидой).
Внутри корпуса ротор вращается вокруг центральной шестерни и выходного вала. Впускные и выпускные отверстия для топлива, а также свечи зажигания находятся на стенках корпуса. Эти порты не требуют клапанов, как в стандартных поршневых двигателях, и напрямую связаны с дросселем и выхлопом соответственно. Это помогает уменьшить сложность двигателя за счет уменьшения количества задействованных деталей.
Роторный двигатель сохраняет часть энергии, которая в противном случае была бы потеряна при изменении направления движения поршней за счет использования энергии для вращения ротора.
В двигателях внутреннего сгорания поршни — или ротор, как в случае роторного двигателя — приводятся в движение за счет воспламенения топлива. В случае поршневых двигателей этим поршням разрешена только одна степень свободы. Поршни должны двигаться вверх по оси, прежде чем изменить направление своего движения и двигаться вниз по той же оси. В роторном двигателе ротору снова разрешена только одна степень свободы: вращательная. Это позволяет вращать ротор непрерывно в одном и том же направлении. Когда ротор вращается, двигатель совершает те же четыре такта, что и обычный поршневой двигатель. Топливо поступает в корпус через впускное отверстие во время такта впуска до того, как ротор сжимает топливо во время второго такта. Свечи зажигания воспламеняют топливо на третьем такте, вызывая быстрое расширение газов, что приводит к дальнейшему вращению ротора и выталкиванию отработавших газов к выпускному отверстию на четвертом такте.
Двигатель Ванкеля также состоит из меньшего количества и менее сложных деталей, чем поршневые двигатели.
Это позволило построить очень маленькие такие двигатели. В 2001 году Карлос Фернандес-Пелло из Калифорнийского университета в Беркли успешно испытал двигатель Ванкеля размером с пенни. Идея микродвигателей заключается в том, что они производят больше энергии, чем современные силовые элементы того же размера. Их также можно заправлять, а не выбрасывать, что снижает затраты, связанные с отходами и утилизацией. Хотя двигатель Ванкеля имеет инновационную конструкцию и удовлетворительно высокое для двигателя отношение мощности к весу, он не получил широкого распространения, и это в первую очередь связано со сравнительно высокими выбросами. Форма ротора создает ряд проблем, связанных с уплотнениями ротора и корпуса. Этот двигатель также потребляет больше топлива, чем поршневой двигатель, что делает его дорогим предложением для массового автомобиля. В гонках и для винтовых самолетов этот двигатель особенно выгоден благодаря своему легкому весу.
Сегодня двигатель Ванкеля находит все большее применение в других областях, помимо автомобильной промышленности, для которой он изначально предназначался.
Помимо использования в гонках и самолетах, этот двигатель используется в ряде развлекательных приложений, таких как модели самолетов и картинги. Двигатель все еще далек от совершенства и не может конкурировать с современными поршневыми двигателями. Однако после достаточного изучения двигателя Ванкеля нетрудно представить себе 2015 год, по крайней мере, с несколькими DeLorean.
Двигатель Ванкеля: (роторный двигатель Ванкеля) — работа, применение, схема, материал и проблемы
Двигатель Ванкеля (роторный двигатель Ванкеля) Что такое двигатель Ванкеля? Двигатель Ванкеля: Принцип работы и Применение ns: – Двигатель Ванкеля относится к типу двигателя внутреннего сгорания, который работает только за счет использования эксцентриковой вращательной конструкции для преобразования давления во вращательное движение. При сравнении его с возвратно-поступательным поршневым двигателем обнаружено, что двигатель Ванкеля имеет более равномерный крутящий момент и меньшую вибрацию по сравнению с другим двигателем.
Кроме того, он более компактен и весит меньше .
Ротор отвечает за создание вращательного движения, которое по форме очень похоже на треугольник Рело. Двигатели Ванкеля — это двигатели, которые производят три импульса мощности за один оборот ротора, завершая цикл Отто. В то время как на выходном валу используются зубчатые колеса, которые помогают вращать его почти в три раза быстрее и дают ему один импульс мощности на оборот. Один оборот состоит из ротора, который одновременно испытывает импульсы мощности и выпускает газ, при этом четыре стадии цикла Отто происходят через разные промежутки времени.
Например, в двухтактном поршневом двигателе имеется только один импульс мощности на каждый оборот коленчатого вала, тогда как в четырехтактном поршневом двигателе на каждые два оборота приходится один импульс мощности. Многочисленные уровни цикла Отто включают в себя впуск, сжатие, воспламенение и выпуск, которые происходят при каждом обороте ротора на каждой из трех сторон ротора, проходящих внутри овального эпитрохоидного корпуса, чтобы обеспечить три импульса мощности на оборот ротора.
.
Принцип смещения применяется только к одной стороне ротора, так как только одна сторона работает на выходе каждого оборота вала. Двигатель известен как роторный двигатель, потому что название дано совершенно разным конструкциям, к которым относятся роторные двигатели с поршнями и без поршней.
Конструкция двигателя Ванкеля Двигатель Ванкеля сконструирован достаточно компактно и весит меньше по сравнению с любым другим двигателем, в котором используются возвратно-поступательные поршни. Он дает различные применения в транспортных средствах и устройствах, автомобилях, мотоциклах, гоночных автомобилях, самолетах, картингах, гидроциклах, снегоходах, бензопилах и вспомогательных силовых установках. Обнаружено множество двигателей с удельной мощностью около одной лошадиной силы на фунт. В основном все двигатели разработаны с искровым зажиганием, с двигателями с воспламенением от сжатия, которые были построены только в исследовательских проектах.
Обычно в двигателе Ванкеля четыре такта цикла Отто происходят в пространстве внутри каждой грани трехстороннего симметричного ротора, а также внутри дома. Треугольный ротор в форме дуги покрыт эпитрохоидой овальной формы, внешне похожей на треугольник Рело.
Теоретическая форма ротора среди фиксированных вершин приводит к минимизации объема геометрической камеры сгорания и максимизации степени сжатия соответственно. Симметричная кривая используется для соединения двух произвольных роторов максимально развернутой в направлении внутренней формы корпуса с условием, что он не касается корпуса ни при каком угле поворота .
Приводной вал в центре называется эксцентриковым или E-образным валом, который проходит через центр ротора и поддерживается неподвижными подшипниками. Эти роторы вращаются на эксцентриках, которые составляют часть эксцентрикового вала. Оба ротора вращаются вокруг эксцентриков, чтобы совершить орбитальный оборот вокруг эксцентрикового вала.
На частях ротора имеются уплотнения, которые герметизируют его по периферии корпуса и делят его на три подвижные камеры сгорания.
Вращение каждого ротора вокруг собственной оси вызывается и контролируется парой шестерен. Установлено, что шестерни установлены на одной стороне ротора, который входит в зацепление с зубчатым венцом, прикрепленным к ротору, и обеспечивает перемещение ротора на одну треть оборота для каждого эксцентрикового вала. Выходная мощность двигателя не передается синхронизирующими шестернями.
Движение ротора заключается в его вращательном движении, которое направляется шестернями и эксцентриковым валом, а не внешней камерой. Ротор не должен тереться о корпус двигателя. Сила давления газа на ротор оказывает давление на центр эксцентриковой части выходного вала.
Самый точный способ визуализировать действие двигателя в анимации — вообще не смотреть на ротор, где между ним и корпусом образовалась полость.
Двигатель Ванкеля также называют системой с изменяемым объемом полостей, в которой три полости на корпус последовательно повторяют один и тот же цикл. На роторе есть две точки, точки А и В и вал Е, который вращается с разной скоростью, а точка В поворачивается в три раза по сравнению с точкой А.
Это сделано для того, чтобы один полный оборот ротора равнялся три оборота вала Е. Когда ротор совершает орбитальное вращение, каждая сторона ротора приближается к нему, а затем удаляется от стенки корпуса, что сжимает и расширяет камеру сгорания, например, ходы поршня в поршневом двигателе с возвратно-поступательным движением. Вектор мощности любой ступени сгорания проходит через центр смещенного лепестка.
Почему следует предпочесть четырехтактный двигатель? Четырехтактный поршневой двигатель — это двигатель, который совершает только один такт сгорания на цилиндр за каждые два оборота коленчатого вала, что называется тактом половинной мощности на один оборот коленчатого вала на цилиндр в двигателе Ванкеля, который производит один такт сгорания за вращения карданного вала, что означает один рабочий ход за оборот ротора по орбите и три рабочих такта за оборот ротора.
Таким образом, выходная мощность двигателя Ванкеля обычно выше, чем у четырехтактного поршневого двигателя, который в аналогичном состоянии вытесняется более чем четырехтактным поршневым двигателем с аналогичными физическими размерами и масса.
Обычно это двигатели, которые достигают значительно более высоких оборотов двигателя по сравнению с поршневыми двигателями аналогичной мощности. Это сделано для частичного сглаживания присущего круговому движению и того факта, что обороты двигателя идут от выходного вала, что в три раза превышает скорость качающихся частей . Эксцентриковый вал не имеет нагруженных контуров коленчатых валов. Максимальное число оборотов роторного двигателя в некоторой степени ограничено нагрузкой зубьев на шестерни.
Стальные шестерни, которые используются для длительной работы со скоростью выше 7000 или 8000 об/мин, в основном довольно твердые. Применение двигателя Ванкеля в основном в автогонках, которые работают со скоростью выше 10 000 об / мин.
В частности, в случае самолетов, это консервативно до 6500 или 7500 об / мин, но как только давление газа влияет на эффективность уплотнения, двигатель Ванкеля на высоких оборотах работает на холостом ходу, что может привести к выходу двигателя из строя.
Все национальные агентства, которые облагают налогом автомобили в соответствии с рабочим объемом, и регулирующие органы считают двигатель Ванкеля эквивалентным четырехтактному поршневому двигателю с удвоенным рабочим объемом одной камеры на ротор, хотя на ротор приходится три лепестка. он совершает только одну треть оборота за один оборот выходного вала, поэтому за один рабочий оборот на выходном валу происходит только один рабочий ход, а два других лепестка выбрасывают израсходованный заряд, принимая новый, вместо того, чтобы способствовать выходной мощности та революция.
Существуют гоночные серии, которые были запрещены двигателем Ванкеля в сочетании со всеми другими его альтернативами традиционной поршневой четырехтактной конструкции.
Увеличенный рабочий объем и мощность роторного двигателя добавили больше роторов к его базовой конструкции, но по-прежнему существует ограничение на количество роторов, поскольку выходная мощность направляется через последний вал ротора. со всеми напряжениями, присутствующими во всем двигателе, присутствующими в этой конкретной точке. У двигателей были роторы, сопровождаемые двумя наборами двойных роторов, и зубчатая муфта между двумя наборами роторов была успешно испытана.
Недавнее исследование, проведенное в Соединенном Королевстве в рамках проекта «Система охлаждения ротора с самонагнетанием воздуха» (SPARCS), показало, что стабильность холостого хода и экономичность достигаются за счет подачи воспламеняющейся смеси только на один ротор в многороторном двигателе, который ротор с принудительным воздушным охлаждением, очень похожий на конструкцию Norton с воздушным охлаждением.
Основными недостатками двигателя Ванкеля являются:
• Неадекватная смазка
• Охлаждение при температуре окружающей среды
• Короткий срок службы двигателя
• Высокий уровень выбросов
• Низкий КПД топлива
В отличие от поршневого двигателя, в котором цилиндр нагревается в процессе сгорания, а затем охлаждается поступающим зарядом.
Корпус ротора Ванкеля постоянно нагревается с одной стороны и охлаждается с другой, что приводит к высоким локальным температурам и неравномерному тепловому расширению. Это место пользуется большим спросом из-за типа используемого материала, тогда как простота двигателя Ванкеля упрощает его использование в качестве альтернативного материала, такого как сплавы и керамика.
При водяном охлаждении в радиальном или осевом направлении потока и горячей воде из горячей дуги, нагревающей холодную дугу, тепловое расширение остается неизменным. Учитывая, что температура топового двигателя может быть снижена до 129°С при максимальной разнице температур 18°С между частями двигателя за счет использования тепловых труб по периметру корпуса и в боковых пластинах в качестве средства охлаждения.
Для корпусов Ванкеля рекомендуются сплавы A-132, Inconel 625 и 356, обработанные до твердости T6. Для покрытия рабочей поверхности корпуса использовались различные материалы, одним из которых является никасил.
Например, Mercedes-Benz, Ford и т. д. подают заявки на патенты в этой области.
Идеальное сочетание обшивки корпуса, вершины и материалов боковых уплотнений определяется с помощью экспериментов, чтобы получить наилучшую долговечность как уплотнений, так и крышки корпуса. В частности, для валов предпочтительным материалом являются стальные сплавы с небольшой деформацией под нагрузкой. Также для этой цели предлагается использовать мартенситностареющую сталь.
Смазки двигателя ВанкеляОсновным топливом был бензин, доступный в первые годы разработки двигателя Ванкеля. Свинец относится к твердой смазке, которая известна как ведущий бензин и предназначена для уменьшения износа уплотнений и корпусов. Двигатели древней эпохи имели расчетную подачу масла с учетом смазывающих качеств бензина.
После удаления бензина двигателю требуется повышенное количество масла в бензине, чтобы обеспечить смазку критических частей двигателя. Опытные люди советуют, чтобы двигатели с электронным впрыском топлива добавляли не менее 1% масла непосредственно в бензин в качестве меры безопасности на случай, если насос, отвечающий за подачу масла в камеру сгорания, или связанные с ним детали вышли из строя или всосали воздух.
Были различные подходы, которые включали твердые смазочные материалы и даже добавляли MoS2 из расчета 1 см3 на литр топлива. Многие инженеры согласились с тем, что добавление масла в бензин в старых двухтактных двигателях было более безопасным подходом к надежности двигателя по сравнению с впрыскиванием масляного насоса во впускную систему или непосредственно в часть, требующую смазки.
Проблемы с уплотнением в двигателе ВанкеляДвигатели древней эпохи были сконструированы таким образом, что они имели высокую степень потери уплотнения между ротором и корпусом, а иногда также между различными деталями, составляющими корпус. Это были двигатели Mazda, которые требовали ремонта через каждые 50 000 миль или 80 000 км пробега. Помимо этого, проблемы с уплотнением сохранялись из-за неравномерного распределения тепла внутри корпуса, что вызывало деформацию и потерю уплотнения и сжатия.
Проблема сохранялась, когда двигатель подвергался нагрузке до достижения рабочей температуры.
Принимая во внимание, что роторные двигатели Mazda успешно решили эти первоначальные проблемы. Эта проблема зазора для горячих вершин ротора проходила между аксиально более близкими боковыми корпусами в зонах более холодных впускных кулачков, которые решались с помощью осевого пилота ротора радиально внутри сальников, включая улучшенное инерционное масло, которое охлаждало внутреннюю часть ротора.
Двигатель Ванкеля имеет определенные проблемы с топливной экономичностью и выбросами при сжигании бензина. Бензиновые смеси довольно медленно воспламеняются, а также имеют медленную скорость распространения пламени с более высоким расстоянием гашения на такте сжатия 2 мм по сравнению с водородом, составляющим 0,6 мм. В сочетании с этими факторами отработанное топливо создало энергию, которая снизила его эффективность.
Зазор между ротором и корпусом двигателя слишком узок для бензина в такте сжатия, но достаточно широк для водорода.
Узкий зазор сохраняется для создания сжатия. Как только двигатель использует бензин, оставшийся бензин выбрасывается в атмосферу через выхлоп. Это не является ограничением при использовании водородного топлива, так как вся топливная смесь в камере сгорания сгорает, что практически не дает выбросов и увеличивает эффективность топлива на 23%.
Форма камеры сгорания Ванкеля разработана таким образом, чтобы сделать ее более устойчивой к предварительному зажиганию на более низком октановом числе бензина по сравнению с поршнем. двигатель. Форма камеры сгорания также может привести к неполному сгоранию топливовоздушной смеси при использовании бензинового топлива. Это может привести к выбросу большего количества несгоревших углеводородов из выхлопных газов.
Принимая во внимание, что выхлопные газы имеют относительно низкий уровень выбросов, поскольку температуры сгорания в основном ниже по сравнению с другими двигателями, а также из-за рециркуляции отработавших газов (EGR) в ранних двигателях.
В начале 1920-х годов было известно, что доля выхлопных газов во впускной смеси увеличилась на 1%, что привело к снижению температуры пламени на 7 °C. Это помогает модели Mazda соответствовать законам США о чистом воздухе 1970 года в 19 году.73, простым и недорогим способом, который представлял собой увеличенную камеру в выпускном коллекторе.
За счет уменьшения соотношения воздуха и топлива несгоревшие углеводороды в выхлопных газах поддерживали процесс горения в тепловом реакторе. Автомобили с поршневым двигателем требуют дорогостоящего каталитического нейтрализатора, чтобы справиться как с несгоревшими углеводородами, так и с их выбросами.
Решение по увеличению расхода топлива оказалось неэкономичным. В то время как продажи автомобилей с роторным двигателем пострадали из-за нефтяного кризиса 1973, что подняло цену на бензин, что снизило продажи. Впрыск воздуха в зону выхлопного отверстия, который улучшил экономию топлива и уменьшил выбросы, был обнаружен Toyota.
SPARCS, Compact-SPARCS, CREEV (составной роторный двигатель для электромобилей) обеспечивают отвод тепла и эффективны в тепловой балансировке, что оптимизирует смазку. Ограничение, которое существовало с роторными двигателями, заключалось в том, что корпус двигателя во время работы имеет постоянно холодную и горячую поверхность.
Это приводит к чрезмерному нагреву внутри двигателя, что приводит к быстрому разрушению смазочного масла. Система SPARCS уменьшает большой перепад температур нагрева корпуса двигателя, что также обеспечивает охлаждение ротора изнутри корпуса двигателя.
Это приводит к уменьшению износа двигателя, что продлевает срок его службы. Самодавление захватывается за счет продувки бокового ротора газом, уплотняющим рабочие камеры. CREEV относится к выхлопному реактору, который содержит вал и ротор внутри, имеющие форму, отличную от ротора двигателя Ванкеля.
Реактор, расположенный внутри выхлопного потока, потребляет несгоревшие выхлопные продукты без использования второй системы зажигания перед отправкой сгоревших газов в выхлопную трубу.
Мощность в лошадиных силах передается на вал реактора, что помогает снизить выбросы и повысить эффективность использования топлива. Принимая во внимание, что все три патента в настоящее время лицензированы для инженеров Великобритании.
Mazda отвечает за изменение системы каталитического нейтрализатора в соответствии с исследовательским фактором, который контролирует количество несгоревшего углеводорода, который находится в выхлопных газах, создавая температуру поверхности ротора, при более высокой температуре меньше углеводородов.
Ротор также можно расширить, что остальная часть двигателя останется неизменной, что уменьшит трение и увеличит рабочий объем и выходную мощность. Фактор, ограничивающий расширение, был механическим, особенно когда отклонение вала наблюдалось при более высоких скоростях вращения . Тушение является наиболее доминирующим источником углеводородов при сравнительно высокой скорости и утечке при низкой скорости.
Автомобили с роторными двигателями Ванкеля способны работать на высоких скоростях. Принимая во внимание, что было показано, что раннее открытие впускного отверстия, длинные впускные каналы и большой эксцентриситет ротора увеличивают крутящий момент при более низких оборотах. Форма и положение выемки в роторе составляют большую часть камеры сгорания, что влияет на уровень выбросов и экономию топлива.
Это приводит к экономии топлива и выбросам выхлопных газов, которые варьируются и зависят от формы камеры сгорания и определяются размещением свечей зажигания в каждой камере отдельного двигателя.
Автомобили с низким уровнем выбросов Автомобиль с двигателем Renesis может соответствовать требованиям экономии топлива штата Калифорния, включая стандарты для транспортных средств с низким уровнем выбросов (LEV). Это было достигнуто за счет различных нововведений. При этом роторы Mazda также располагались в корпусах роторов. Это помогло решить проблему ранней золы, образовавшейся в двигателе, и термической деформации боковых впускных и выпускных отверстий.
Также было добавлено скребковое уплотнение по бокам ротора, включая некоторые керамические детали, которые использовались в двигателе. Это помогло Mazda устранить перекрытие между отверстием впускного и выпускного отверстий, постоянно увеличивая площадь выпускного отверстия.
Боковой порт застревает в камере несгоревшего топлива, что снижает расход масла, а также улучшает стабильность горения в диапазоне низких оборотов и малых нагрузок. Выбросы УВ из бокового выхлопного окна двигателя Ванкеля снижены на 35–50% по сравнению с выбросами из периферийного выхлопного отверстия двигателя Ванкеля благодаря нулевому открытию впускного и выпускного отверстий. Роторные двигатели с периферическим расположением каналов имели сравнительно лучшее давление, особенно на высоких оборотах, и впускное отверстие прямоугольной формы.
Двигатели Ванкеля следующего поколения Mazda все еще разрабатывает двигатели Ванкеля следующего поколения. Компания намерена производить двигатели с лазерным зажиганием, которые исключат обычные свечи зажигания и будут работать с непосредственным впрыском топлива или безискровым зажиганием HCCI и SPCCI.
Это приводит к большему эксцентриситету ротора с улучшенной эластичностью и более низкому крутящему моменту во времени.
Исследования показали, что установка камеры сгорания улучшила частичную нагрузку и уменьшила число оборотов в минуту с экономией топлива 7%. Мотивом было повышение эффективности использования топлива, для чего Mazda надеется использовать Wankel в качестве расширителя диапазона в своей серии гибридных автомобилей и анонсирует прототип. Эта конфигурация помогает повысить эффективность использования топлива и уровень выбросов. Преимущество заключается в том, что работа двигателя Ванкеля на постоянной скорости продлит срок службы двигателя.
В 2015 году появилась новая система, которая снизила выбросы и повысила эффективность использования топлива с двигателями Ванкеля, которая была разработана британскими инженерами после лицензионного соглашения с целью использования патентов роторного двигателя Norton. создатель двигателя.
Система Compound Rotary Engine for Electric Vehicles (CREEV) использует вторичный ротор для извлечения энергии из выхлопных газов, которые потребляют несгоревшие продукты выхлопа, в то время как расширение происходит на стадии вторичного ротора, чтобы уменьшить общие выбросы и расход топлива.
расходы за счет возмещения энергии выхлопных газов, которая в противном случае была бы потеряна. Чтобы расширить выхлопные газы до давления, близкого к атмосферному, Гарсайд позаботился о том, чтобы выхлопные газы двигателя оставались более холодными и производили меньше шума 9.0021 .
Раньше свечи зажигания нужно было вдавливать в стенки камеры сгорания, что позволяло вершине ротора активироваться и проходить мимо. Когда вершина ротора проходит уплотнения вокруг отверстия свечи зажигания, очень небольшое количество сжатого заряда теряется из зарядной камеры выхлопной камеры, что влечет за собой топливо в выхлопе и, таким образом, снижает его эффективность, что приводит к более высокому выбросы.
Это точки, которые были преодолены с помощью лазерного зажигания и, таким образом, устранены более ранние свечи зажигания, а также удалена узкая щель в корпусе двигателя, чтобы можно было полностью выметать верхние уплотнения ротора без потери компрессии из соседних камер.
Лазерная свеча может стрелять через узкую щель, которая помогает стрелять глубоко в камеру сгорания с помощью многократного лазера. Поэтому предпочтительнее более высокая степень сжатия. Непосредственный впрыск топлива в двигатель Ванкеля подходит и сочетается с помощью лазерного зажигания в одной или нескольких лазерных свечах, что было показано для улучшения двигателя за счет уменьшения недостатков.
Воспламенение от сжатия гомогенного заряда (HCCI) включает использование предварительно смешанной воздушно-топливной смеси, которая сжимается до точки самовоспламенения, поэтому электронное искровое зажигание исключается. Бензиновые двигатели сочетают в себе искровое зажигание с однородным зарядом (HC) (SI), которое также известно как HCSI. Дизельные двигатели сочетаются с послойным зарядом (SC) и воспламенением от сжатия (CI), которые вместе известны как SCCI. Двигатели HCCI обеспечивают выбросы, подобные бензиновым двигателям, с помощью эффективности, подобной двигателю с воспламенением от сжатия, и более низкие уровни выбросов оксидов азота без использования какого-либо каталитического нейтрализатора.
0005
Mazda провела различные исследования зажигания HCCI для последнего проекта роторного двигателя с помощью исследований в рамках своей программы SkyActiv Generation 2. Основное ограничение роторного двигателя заключается в том, что его необходимо сместить за пределы свечи зажигания камеры сгорания, чтобы ротор мог пронестись мимо.
Зажигание от сжатия с искровым управлением (SPCCI)Mazda провела успешное исследование зажигания от сжатия с контролируемым искровым зажиганием (SPCCI) на роторных двигателях, в котором говорится, что недавно представленные роторные двигатели будут включать SPCCI. SPCCI внедряет искровое зажигание и зажигание от сжатия, которые сочетают в себе преимущества бензиновых и дизельных двигателей для достижения целей по экологичности, мощности, ускорению и расходу топлива.
В процессе горения всегда требуется искра, которая зависит от нагрузки, которая может возникнуть при искровом зажигании. Следовательно, искра необходима для контроля всякий раз, когда происходит сгорание.