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:

Воздух смешивается с жидким топливом перед поступлением в цилиндры, куда поступает горючая смесь.
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:

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.

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.

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.