Роторно-поршневой двигатель или двигатель Ванкеля — это двигатель, в котором основным рабочим элементом является планетарное круговое движение. Это принципиально иной тип двигателя, чем его поршневые собратья из семейства двигателей внутреннего сгорания.
В его конструкции используется ротор (поршень) с тремя торцевыми стенками, внешне образующими треугольник Рэло, который совершает круговые движения в цилиндре со специальным профилем. Чаще всего поверхность цилиндра выполняется на эпитрохоиде (плоская кривая, полученная точкой, жестко связанной с окружностью, которая совершает движение по внешней стороне другой окружности). На практике можно встретить цилиндр и ротор других форм.
Составные элементы и принцип работы
Конструкция двигателя VFD чрезвычайно проста и компактна. Ротор установлен на ведомом валу, который постоянно соединен с шестерней. Последний соединен со статором. Ротор, имеющий три поверхности, движется вдоль эпитрохоидальной цилиндрической плоскости. В результате чередующиеся объемы рабочих камер цилиндра закрываются тремя клапанами. Уплотнительные пластины (торцевого и радиального типа) прижимаются к цилиндру газовой и центростремительной силами и ленточными пружинами. Это создает 3 изолированные камеры с различными размерами объема. Здесь происходят процессы сжатия поступающей топливно-воздушной смеси, расширения газов, оказывающих давление на рабочую поверхность ротора, и продувки камеры сгорания от газов. Эксцентриковая ось передает круговое движение ротору. Сама ось установлена на подшипниках и передает крутящий момент на трансмиссию. В этих двигателях две механические пары работают одновременно. Один, состоящий из шестеренок, управляет движением самого ротора. Другой преобразует вращательное движение поршня во вращательное движение эксцентриковой оси.
Детали роторно-поршневого двигателя
Принцип работы двигателя Ванкеля
Примеры двигателей, устанавливаемых на автомобили ВАЗ, включают следующие характеристики:
— 1 308 куб. см — рабочий объем камеры ППД;
— 103 кВт/6000 мин-1 — номинальная мощность;
— 130 кг — вес двигателя;
— 125 000 км — ресурс двигателя до первого капитального ремонта.
Смесеобразование
Теоретически в ППД используется несколько типов смесеобразования: внешнее и внутреннее, на основе жидкого, твердого, газообразного топлива.
В случае с твердым топливом стоит обратить внимание на его предварительную газификацию в газовых установках, так как она приводит к повышенному образованию золы в баллонах. Поэтому на практике чаще используется газообразное и жидкое топливо.
Сам механизм смесеобразования в двигателях Ванкеля зависит от типа используемого топлива.
Если используется газообразное топливо, оно смешивается с воздухом в специальной камере на входе в двигатель. Горючая смесь поступает в цилиндры, готовая к использованию.
При использовании жидкого топлива смесь готовится следующим образом:
- Воздух смешивается с жидким топливом перед тем, как попасть в цилиндры, в которые поступает горючая смесь.
- Жидкое топливо и воздух поступают в цилиндры двигателя по отдельности и затем смешиваются внутри цилиндра. Горючая смесь образуется из остаточных газов.
Поэтому топливно-воздушная смесь может смешиваться как снаружи, так и внутри цилиндров. Это разделяет двигатели с внутренним или внешним смесеобразованием.
Особенности РПД
Преимущества
Преимущества роторно-поршневых двигателей перед стандартными бензиновыми двигателями:
— Низкий уровень вибрации.
В роторно-поршневых двигателях отсутствует возвратно-поступательное движение, поэтому агрегат может работать на высоких оборотах с меньшей вибрацией.
— Хорошие динамические характеристики.
Установленный в машине двигатель, благодаря своей конструкции, позволяет ей разгоняться до скорости выше 100 км/ч на высоких оборотах без перегрузок.
— Хорошая удельная мощность и малый вес.
Отсутствие коленчатого вала и шатунов означает, что двигатель имеет малую массу движущихся частей.
— Система смазки практически отсутствует.
Масло добавляется непосредственно в топливо. Топливно-воздушная смесь сама осуществляет смазку пар трения.
— Роторно-поршневой двигатель имеет небольшие габаритные размеры.
Установленный роторно-поршневой двигатель максимально использует полезное пространство моторного отсека, равномерно распределяет нагрузку по осям автомобиля и лучше рассчитывает положение компонентов и узлов трансмиссии. Например, четырехтактный двигатель такой же мощности был бы в два раза больше роторного двигателя.
Недостатки двигателя Ванкеля
— Качество моторного масла.
При эксплуатации данного типа двигателя необходимо уделять должное внимание качеству масла, используемого в двигателях Ванкеля. Ротор и внутренняя камера двигателя имеют большую площадь контакта, что приводит к повышенному износу и постоянному перегреву. При нерегулярной замене масла двигателю наносится большой ущерб. Износ двигателя многократно увеличивается из-за абразивных частиц, содержащихся в отработанном масле.
— Качество свечей зажигания.
Операторы этих двигателей должны обращать особое внимание на состав свечей зажигания. Камеру сгорания трудно воспламенить из-за ее малого объема, вытянутой формы и высокой температуры. Это приводит к высокой рабочей температуре и периодической детонации в камере сгорания.
— Материалы уплотнительных элементов.
Существенным недостатком двигателя типа PDE является ненадежная организация зазоров между камерой сгорания и ротором. Конструкция ротора такого двигателя довольно сложна, поэтому требуются уплотнения как по краям ротора, так и на боковой поверхности, контактирующей с крышками двигателя. Поверхности, подверженные трению, должны смазываться постоянно, что приводит к повышенному расходу масла. Практика показывает, что двигатель, работающий на оборотах, может потреблять от 400 грамм до 1 кг масла на каждые 1000 км. Экологичность двигателя снижается, так как топливо сгорает вместе с маслом, выделяя в окружающую среду большое количество вредных веществ.
Из-за своих недостатков эти двигатели не получили широкого распространения в автомобильной и мотоциклетной промышленности. Но компрессоры и насосы изготавливаются на основе ЧРП. Авиамоделисты часто используют такие двигатели при строительстве своих моделей. Из-за низких требований к эффективности и надежности конструкторы не используют в таких двигателях сложную систему уплотнений, что значительно снижает их стоимость. Благодаря своей простоте его легко встроить в модель самолета.
КПД роторно-поршневой конструкции
Несмотря на многочисленные недостатки, исследования показали, что общая эффективность двигателя Ванкеля довольно высока по современным стандартам. Она составляет от 40% до 45%. Для сравнения, у поршневого двигателя внутреннего сгорания КПД составляет 25%, а у современного турбодизельного двигателя — около 40%. Наибольший КПД поршневого дизельного двигателя составляет 50%. На сегодняшний день ученые все еще работают над поиском способов повышения эффективности двигателей.
Общая эффективность двигателя состоит из трех основных частей:
- Топливная эффективность (показатель, характеризующий рациональное использование топлива в двигателе).
Исследования в этой области показывают, что только 75 процентов топлива сгорает полностью. Считается, что эта проблема решается путем разделения процессов сгорания и расширения газа. Необходимо обеспечить специальные камеры с оптимальными условиями. Сгорание должно происходить в замкнутом контуре, с возрастающими значениями температуры и давления; процесс расширения должен происходить при низких температурах.
- Механический КПД (описывает работу, которую производит крутящий момент главной оси, передаваемый потребителю).
Примерно 10% мощности двигателя используется для привода вспомогательных агрегатов и механизмов. Этот недостаток можно устранить, внеся изменения в двигатель: главный приводной элемент не касается неподвижного корпуса. На протяжении всего хода основного рабочего органа должно присутствовать постоянное плечо крутящего момента.
- Тепловой КПД (мера количества тепловой энергии, создаваемой при сгорании топлива, которая преобразуется в полезную работу).
На практике 65% вырабатываемой тепловой энергии уходит с выхлопными газами во внешнюю среду. Ряд исследований показал, что термический КПД может быть увеличен, если конструкция двигателя позволяет сжигать топливо в изолированной камере, так что максимальная температура достигается с самого начала, а в конце эта температура снижается до минимума за счет включения паровой фазы.
Современное состояние роторно-поршневого двигателя
Массовому применению двигателя мешали значительные технические трудности:
— развитие качественного рабочего процесса в камере неблагоприятной формы;
— обеспечивая герметичность рабочего объема;
— проектирование и изготовление корпусных деталей, которые надежно выдерживали бы весь срок службы двигателя, не деформируясь при неравномерном нагреве этих деталей.
В результате обширных исследований и разработок этим компаниям удалось решить практически все наиболее сложные технические проблемы при разработке ПМП и достичь стадии их промышленного производства.
Первым серийно выпускаемым NSU Spider с RHD был NSU Motorenwerke. Из-за частых ремонтов двигателей, вызванных вышеупомянутыми техническими проблемами на ранней стадии разработки двигателя Ванкеля, гарантийные обязательства NSU привели к финансовому краху и банкротству компании, за которым последовало слияние с Audi в 1969 году.
В период с 1964 по 1967 год было выпущено 2 375 автомобилей. В 1967 году модель Spider была снята с производства и заменена моделью NSU Ro80 с роторным двигателем второго поколения; за десять лет производства Ro80 было выпущено 37398 автомобилей.
С этими проблемами лучше всего справились инженеры Mazda. Это единственный массовый производитель автомобилей с роторно-поршневыми двигателями. Модифицированный двигатель был запущен в серийное производство в 1978 году для модели Mazda RX-7. С 2003 года преемственность перешла к Mazda RX-8, которая в настоящее время является серийной и единственной версией автомобиля с двигателем Ванкеля.
Российские РПД
Первое упоминание о роторном двигателе в Советском Союзе относится к 1960-м гг. Исследовательские работы по роторно-поршневым двигателям начались в 1961 г. по соответствующему постановлению Министерства автомобильной промышленности и Министерства сельского хозяйства СССР. Промышленные исследования с последующим вводом в эксплуатацию этой конструкции начались в 1974 году на ВАЗе. Поскольку лицензию приобрести не удалось, был разобран и скопирован серийный «ванкель» от NSU Ro80. На этой основе был разработан и собран двигатель Ваз-311, и это знаменательное событие произошло в 1976 году. На ВАЗе была разработана целая линейка двигателей ППД мощностью от 40 до 200 л.с. На завершение проекта ушло почти шесть лет. Был успешно решен ряд технических задач по изготовлению газовых и масляных уплотнений, подшипников, отладке эффективного процесса работы в камере неблагоприятной формы. Первый серийный автомобиль ВАЗ с роторным двигателем под капотом был представлен публике в 1982 году, это был ВАЗ-21018. Внешне и конструктивно он был таким же, как и все модели линейки, за одним исключением, а именно односекционным роторным двигателем мощностью 70 л.с. под капотом. Длительность разработки не помешала компромиссу: все 50 прототипов имели отказы двигателя, что вынудило завод заменить его на обычный поршневой двигатель.
ВАЗ 21018 с роторно-поршневым двигателем
После того, как было установлено, что причиной отказов была вибрация механизма и ненадежные уплотнения, конструкторы попытались спасти конструкцию. Уже в 83-м году были представлены двухсекционные Ваз-411 и Ваз-413 (120 и 140 л.с. соответственно). Несмотря на низкую эффективность и малый ресурс, для использования роторных двигателей было найдено место — Госавтоинспекции, КГБ и МВД требовались мощные и неприметные машины. Автомобили «Жигуль» и «Волга» с роторными двигателями легко обгоняли иномарки.
Начиная с 1980-х годов, SKB была увлечена новой темой — использованием роторных двигателей в смежной отрасли — авиации. Отход от основной отрасли применения ППД привел к тому, что роторный двигатель Ваз-414 был разработан для переднеприводных автомобилей только в 1992 году, и на его доводку ушло еще три года. В 1995 году Ваз-415 был представлен на сертификацию. В отличие от своих предшественников, он универсален и может устанавливаться под капот как заднеприводных («классика» и ГАЗ), так и переднеприводных автомобилей (ВАЗ, «Москвич»). Его рабочий объем составляет 1308 куб. см, а мощность — 135 л.с. при 6 000 об/мин. «Девяносто девятый» разгоняется до сотни за девять секунд.
