Изобретение роторно-поршневого двигателя

Размещено на http://allbest.ru

Введение

Двигатели Ванкеля, известные миру как роторно-поршневые (РПД), когда-то считались моторами будущего, способными полностью вытеснить традиционные ДВС. Но прошло несколько десятков лет, будущее наступило, а моторы эти как были экзотикой, так и остались.

1. История РПД

Говорят, диковинный мотор приснился Феликсу Ванкелю во сне: треугольный ротор в овальном корпусе вращал вал безо всяких шатунов-кривошипов. Во многом благодаря поддержке высшего руководства Третьего Рейха стало возможным проведение теоретических изысканий по новому мотору. Так, в 1936 году он основал лабораторию в Линдау на средства, выделенные по личному распоряжению Гитлера. Все военные годы Ванкель конструировал авиационные двигатели для люфтваффе. А после разгрома фашизма и лабораторию закрыли, да и вообще работу конструктора Ванкель потерял.

В разоренной войной Европе было не до таких нововведений в автомобилестроении. Черед РПД пришел лишь в середине 50-х, когда весь мир искал альтернативу традиционному двигателю внутреннего сгорания. Роторный двигатель покорял своей простотой: корпус, вал, сам ротор - и все, никаких шатунов-клапанов и прочих мелких (а значит, капризных) деталей. Правда, оставались проблемы с уплотнениями роторов. На их решение ушли десятилетия, и в конце концов срок службы уплотнений удалось довести до ресурса поршневых колец в ДВС. Внутренняя поверхность корпуса получила форму эпитрохоиды, скругленная треугольная призма ротора совершает орбитальные движения, попеременно закрывая впускные и выпускные окна на корпусе, - словом очень простая конструкция. Причем с наибольшей скоростью, нежели ДВС: новый мотор обещал вдвое большую мощность при тех же габаритах, что и традиционный ДВС.

Взявшиеся за идею фирма NSU предложила Ванкелю работу и тут же начала экспериментировать с новым силовым агрегатом, а позже - ставить его на серийные модели. Чуть позже к ней присоединились французский Citroёn, японская Toyo Kogyo, даже Daimler-Benz опробовал "роторник" на знаменитом прототипе С-111. К середине 70-х выпуском автомобилей и мотоциклов с РПД занималось полтора десятка фирм.

Все модели "роторных" машин потерпели крах на рынке, поставив некоторые компании на грань банкротства. Как результат, техника с РПД быстро сошла со сцены. В 1975 году такие моторы выпускала только Toyo Kogyo для своих "двухместок" серии Mazda RX/Cosmo.

И еще инженеры Norton работали над проектом мотоцикла Commando (впоследствии продажи на рынке провалились)... А в СССР, на ВАЗе и во ВНИИ мотопрома, начались изыскания по РПД, подогреваемые ассигнованиями ВПК. Ведь новые моторы как нельзя лучше подходили для привода малоразмерных летательных аппаратов. Да и спецслужбам не мешало бы иметь в наличии автомобили и мотоциклы с более мощными моторами. Через полтора десятка лет одно из двух КБ - то, что на ВАЗе - более-менее довело идею РПД до промышленного производства. Мелкосерийного, измеряющегося сотнями моторов в год, в основном для оснащения автомобилей спецслужб. А в руках гражданских подобные машины и вовсе стали музейной редкостью. Тому есть и объективные, и субъективные причины.

К субъективным следует отнести непривычность РПД как для эксплуатационников ( на всю Москву - два сервиса, специализирующихся на "роторах"), так и для самих владельцев. Ведь этот мотор требует изменения многих привычек. Так, тормозить РПД бесполезно, штурмовать подъемы "внатяг" - тем более. Компактный ротор имеет малую инерцию, в отличие от массивных деталей традиционного ДВС. Частые запуски-выключения заливают свечи топливом. Непривычен и звук мотора, что имеет определенное значение не только для байкеров, но и для многих автомобилистов.

Куда серьезнее органические недостатки, присущие РПД. Во-первых, это низкая эластичность характеристики и повышенный расход топлива. Последнее объясняется высокими потерями тепла через стенки камеры, далекой от оптимальной. Во-вторых, особенно велик расход масла. Дело в том, что смазка рабочих поверхностей "на прогар", с помощью лубрикатора, как и двухтактных моторов скутеров и снегоходов. Ресурс такого мотора также ниже, чем у традиционного, из-за быстрого износа уплотнений ротора (правда, замена уплотнений ротора с самим ротором намного проще, чем капремонт обычного двигателя). Именно на "роторах" находят первоочередное применение износостойкие покрытия корпуса и уплотнений. Компания "Suzuki" добились резкого увеличения ресурса своих моторов (обычных, четырехцилиндровых) для мотоциклов, участвующих в многочасовых гонках благодаря технологии, использованные ею при производстве роторного мотоцикла "RE-5" в 1976 году. В 1976-м, причем для мотора, по тем временам не обладавшим долговечностью. Если же современные технологические наработки в области РПД внедрить в производство традиционных ДВС, то можно сказать, что: поршневые кольца будут служить дольше, чем кузов машины. Немаловажную роль играет и жесткость внешней характеристики РПД, требующей более частых манипуляций рычагом КПП - на практике это выражается в более "коротком" передаточном ряде, а значит, увеличенным числом передач. Идеальной была бы установка вариатора, но на спортивных машинах "автоматы" не прижились, а на семейной легковушке увидеть РПД было бы странно -- хотя бы по причине недостаточной экономичности.

Кто-то, наверное, обратил внимание: недостатки РПД практически те же, что и у двухтактных поршневых моторов. Самое интересное, что и ремонтируются многие из этих неисправностей аналогично. Повышенный расход топлива -- непосредственным впрыском топлива, недостаточная эластичность -- изменяемыми фазами и конфигурацией трубопроводов (только у "двухтактных ДВС" на выпуске, а у "роторов" на впуске). Что и было сделано на двигателе "Renesis" компании "Mazda", предназначенного для купе "RX-8". По три трубопровода разной длины на секцию, впрыск масла непосредственно в камеру, впускные-выпускные каналы сбоку (а не в торце, как обычно), рециклизация отработанных газов... Мы же только готовимся к отказу от карбюраторов, об остальном пока приходится лишь задумываться, в том числе и о турбонаддуве -- он также смог бы значительно повысить КПД мотора. Интересно то, что тольяттинские РПД и ведут свою родословную от фирмы "Mazda" начала 70-х, темпы прогресса в российском и японском двигателестроении, сильно отличаются. Тем не менее ВАЗовские РПД имеют права на существование. Тем более, что с ними связаны надежды не только автомобилистов, но и авиаторов, чьи заказы начинают мало-помалу преобладать в программе тольяттинского СКБ. Более того, по некоторым сведениям работы над проектами РПД для поклонников роторных ВАЗов закончится: подразделения завода, занятые проектированием и выпуском РПД, переориентируются на авиапромышленность, и не исключено, что полностью. Авиационные "роторники" будут мощнее, экономичнее (в первую очередь -- за счет впрыска топлива) и... в несколько раз дороже автомобильных.

2. Кратко о роторно-поршневом двигателе

В классическом четырехтактном двигателе один и тот же цилиндр используется для различных операций - впрыск, сжатие, сжигание и выпуска. В роторном же двигателе каждый процесс выполняется в отдельном отсеке камеры. Эффект мало чем отличается от разделения цилиндра на четыре отсека для каждой из операций. В поршневом двигателе давление возникающее при сгорании смеси заставляет поршни двигаться вперед и назад в своих цилиндрах. Шатуны и коленчатый вал преобразуют это толкательное движение во вращательное, необходимое для движения автомобиля.

В роторном двигателе нет прямолинейного движения которое надо было бы переводить во вращательное. Давление образуется в одном из отсеков камеры заставляя ротор вращаться, это снижает вибрацию и повышает потенциальную величину оборотов двигателя. В результате всего большая эффективность, и меньшие размеры при той же мощности, что и обычного поршневого двигателя.

Рис. 1. Роторно-поршневой двигатель в разрезе

3. Конструкция и принцип работы РПД

Рис. 2. Конструкция РПД: 1 - впускное окно; 2 выпускное окно; 3 - корпус; 4 - камера сгорания; 5 - неподвижная шестерня; 6 - ротор; 7 - зубчатое колесо; 8 - вал; 9 - свеча зажигания

Функцию поршня в РПД выполняет трехвершинный ротор, преобразующий силу давления газов во вращательное движение эксцентрикового вала. Движение ротора относительно статора (наружного корпуса) обеспечивается парой шестерен, одна из которых жестко закреплена на роторе, а вторая на боковой крышке статора. Сама шестерня неподвижно закреплена на корпусе двигателя. С ней в зацеплении находится шестерня ротора который с зубчатым колесом как бы обкатывается вокруг нее.

Вал вращается в подшипниках, размещенных на корпусе, и имеет цилиндрический эксцентрик, на котором вращается ротор. Взаимодействие этих шестерен обеспечивает целесообразное движение ротора относительно корпуса, в результате которого образуются три разобщенных камеры переменного объема. Передаточное отношение шестерен 2:3, поэтому за один оборот эксцентрикового вала ротор поворачивается на 120 градусов, а за полный оборот ротора в каждой из камер совершается полный четырехтактный цикл. Газообмен регулируется вершиной ротора при прохождении ее через впускное и выпускное окно. Такая конструкция позволяет осуществлять 4-тактный цикл без применения специального механизма газораспределения. Герметизация камер обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами. Крутящий момент получается в результате действия газовых сил через ротор на эксцентрик вала Смесеобразование, зажигание, смазка, охлаждение, запуск - принципиально такие же, как и у обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Рис. 3. Цикл двигателя Ванкеля: впуск (голубой), сжатие (зелёный), рабочий ход (красный), выпуск (жёлтый)

4. Достоинства РПД

Главным достоинством роторно-поршневого двигателя является простота конструкции. В РПД на 35-40 процентов меньше деталей, чем в поршневом четырехтактном двигателе. В РПД отсутствуют поршни, шатуны, коленчатый вал. В «классическом» варианте РПД нет и газораспределительного механизма. Топливо-воздушная смесь поступает в рабочую полость двигателя через впускное окно, которое открывает грань ротора. Отработанные газы выбрасываются через выпускное окно, которое пересекает, опять же, грань ротора (это напоминает устройство газораспределения двухтактного поршневого двигателя).

Отдельного упоминания заслуживает система смазки, которая в простейшем варианте РПД практически отсутствует. Масло добавляется в топливо - как при эксплуатации двухтактных мотоциклетных моторов. Смазка пар трения (прежде всего ротора и рабочей поверхности камеры сгорания) производится самой топливо-воздушной смесью. Поскольку масса ротора невелика и легко уравновешивается массой противовесов эксцентрикового вала, РПД отличается небольшим уровнем вибраций и хорошей равномерностью работы. В автомобилях с РПД легче уравновесить двигатель, добившись минимального уровня вибраций, что хорошо сказывается на комфортабельности машины в целом. Особой плавностью хода отличаются двухроторные двигатели, в которых роторы сами являются снижающими уровень вибраций балансирами.

Еще одно привлекательное качество РПД - высокая удельная мощность при высоких оборотах эксцентрикового вала. Это позволяет добиться от автомобиля с РПД отличных скоростных характеристик при относительно небольшом расходе топлива.

Малая инерционность ротора и повышенная по сравнению с поршневыми двигателями внутреннего сгорания удельная мощность позволяют улучшить динамику автомобиля. Наконец, немаловажным достоинством РПД являются небольшие размеры. Роторный двигатель меньше поршневого четырехтактного мотора той же мощности примерно вдвое. И это позволяет рациональней использовать пространство моторного отсека, более точно рассчитывать расположение узлов трансмиссии и нагрузку на переднюю и заднюю ось.

5. Недостатки РПД

Главный недостаток роторно-поршневого двигателя - невысокая эффективность уплотнений зазора между ротором и камерой сгорания. Имеющий сложную форму ротор РПД требует надежных уплотнений не только по граням (а их четыре у каждой поверхности - две по вершинным, две по боковым граням), но и по боковой поверхности, соприкасающейся с крышками двигателя.

При этом уплотнения выполнены в виде подпружиненных полосок из высоколегированной стали с особо точной обработкой как рабочих поверхностей, так и торцов. Заложенные в конструкцию уплотнений допуски на расширение металла от нагрева ухудшают их характеристики - избежать прорыва газов у торцевых участков уплотнительных пластин практически невозможно (в поршневых двигателях используют лабиринтовый эффект, устанавливая уплотнительные кольца зазорами в разные стороны). В последние годы надежность уплотнений резко возросла. Конструкторы нашли новые материалы для уплотнений. Однако, говорить о каком-то прорыве пока не приходится. Уплотнения до сих пор остаются самым узким местом РПД.

Сложная система уплотнений ротора требует эффективной смазки трущихся поверхностей. РПД потребляет больше масла, чем четырехтактный поршневой двигатель (от 400 граммов до 1 килограмма на 1000 километров). При этом масло сгорает вместе с топливом, что плохо сказывается на экологичности моторов. В выхлопных газах РПД опасных для здоровья людей веществ больше, чем в выхлопных газах поршневых двигателей.

Особые требования предъявляются и к качеству масел, используемых в РПД. Это связано, во-первых, со склонностью к повышенному износу (из-за большой площади соприкасающихся деталей - ротора и внутренней камеры двигателя), во-вторых, к перегреву (опять же из-за повышенного трения и из-за небольших размеров самого двигателя).

Для РПД смертельно опасны нерегулярная смена масла - поскольку абразивные частицы в старом масле резко увеличивают износ двигателя, и переохлаждение мотора.

Запуск холодного двигателя и недостаточный его прогрев приводят к тому, что в зоне контакта уплотнений ротора с поверхностью камеры сгорания и боковыми крышками оказывается мало смазки.

Если поршневой двигатель заклинивает при перегреве, то РПД чаще всего - во время запуска холодного двигателя (или при движении в холодную погоду, когда охлаждение оказывается избыточным).

В целом рабочая температура РПД выше, чем у поршневых двигателей. Самая термонапряженная область - камера сгорания, которая имеет небольшой объем и, соответственно, повышенную температуру, что затрудняет процесс поджига топливо-воздушной смеси (РПД из-за протяженной формы камеры сгорания склонны к детонации, что тоже можно отнести к недостаткам этого типа двигателей).

Отсюда требовательность РПД к качеству свечей. Обычно их устанавливают в эти двигатели попарно. Роторно-поршневые двигатели при великолепных мощностных и скоростных характеристиках оказываются менее гибкими (или менее эластичными), чем поршневые.

Они выдают оптимальную мощность только на достаточно высоких оборотах, что вынуждает конструкторов использовать РПД в паре с многоступенчатыми КП и усложняет конструкцию автоматических коробок передач.

В конечном итоге РПД оказываются не такими экономичными, какими должны быть в теории.

6. Практическое применение в автопромышленности

Рис. 4. Автомобиль NSU Ro 80 с РПД

Наибольшее распространение РПД получили в конце 60-х и начале 70-х годов прошлого столетия, когда патент на двигатель Ванкеля был куплен 11 ведущими автопроизводителями мира.

В 1967 году немецкая компания NSU выпустила серийный легковой автомобиль бизнес-класса NSU Ro 80. Эта модель выпускалась в течение 10 лет и разошлась по миру в количестве 37204 экземпляров.

Автомобиль пользовался популярностью, но недостатки установленного в нем РПД, в конце концов, испортили репутацию этой замечательной машины.

На фоне долговечных конкурентов модель NSU Ro 80 показала себя не с лучшей стороны пробег до капитального ремонта двигателя при заявленных 100 тысячах километров не превышал 50 тысяч. С РПД экспериментировали концерн Citroen, Mazda, ВАЗ. Наибольших успехов добилась Mazda (рис.), которая выпустила свой легковой автомобиль с РПД еще в 1963 году, на четыре года раньше появления NSU Ro 80. Сегодня концерн Mazda оснащает РПД спорткары серии RX. Современные автомобили Mazda RX-8 избавлены от многих недостатков РПД Феликса Ванкеля. Они вполне экологичны и надежны, хотя среди автовладельцев и специалистов по ремонту считаются «капризными».

роторный карбюраторный двигатель автомобильный

7. Практическое применение в мотопромышленности

В 70-е и 80-е годы с РПД экспериментировали некоторые производители мотоциклов - Hercules, Suzuki и другие. В настоящее время мелкосерийное производство «роторных» мотоциклов налажено только в компании Norton, выпускающей модель NRV588 и готовящей к серийному выпуску мотоцикл NRV700.

Norton NRV588 - спортбайк, оснащенный двухроторным двигателем общим объемом в 588 кубических сантиметров и развивающим мощность в 170 лошадиных сил. При сухом весе мотоцикла в 130 кг энерговооруженность спортбайка выглядит в буквальном смысле запредельной. Двигатель этой машины оснащен системами впускного тракта переменной величины и электронного впрыска топлива. О модели NRV700 известно лишь то, что мощность РПД у этого спортбайка будет достигать 210 л.с.

8. Любопытные факты

1. Роторно-поршневые двигатели получили распространение среди авиамоделистов. Поскольку в модельном двигателе требования к надежности и экономичности снижены до предела, производство этих моторов оказывается недорогим. В этих двигателях уплотнений ротора либо нет вообще, либо эти уплотнения имеют простейшую конструкцию. Главное достоинство авиамодельного РПД в том, что его можно легко встроить в летающую масштабную модель. В частности, модельные РПД применяются при создании копий реактивных самолетов.

2. Получив патент на РПД в 1936 году Феликс Ванкель стал изобретателем не только двигателя внутреннего сгорания, но еще и роторно-поршневых насоса и компрессора. И эти устройства можно встретить гораздо чаще, чем РПД - на производстве, в ремонтных мастерских, в быту. Например, портативные электрические компрессоры для автомобилистов очень часто устроены по принципу роторно-поршневого насоса.

9. Современное состояние

Инженерам фирмы Mazda, создавшим роторно-поршневой двигатель «Renesis» (производное от слов (англ. Rotary Engine:роторный двигатель и Genesis:процесс становления, название говорящее о появлении нового класса двигателей), удалось решить основные проблемы таких двигателей -- токсичность выхлопа и неэкономичность. По сравнению с двигателями-предшественниками, удалось сократить потребление масла на 50 %, бензина на 40 % и довести выброс вредных окисей до норм, соответствующих Euro IV. Двухкамерный двигатель «Renesis» объёмом всего 1,3 л выдаёт мощность в 250 л. с. и занимает немного места в моторном отсеке.

Следующая модель двигателя Renesis 2 16X имеет объём 1,6 литра, и при большей мощности, нагревается меньше. Автомобили марки Mazda с буквами RE в наименовании (первые буквы от названия «Renesis») могут использовать в качестве топлива как бензин, так и водород (так как менее чувствителен к детонации, чем обычный двигатель, использующий возвратно-поступательное движение поршня). Это явилось вторым витком роста внимания к РПД со стороны разработчиков.Последнее, третье поколение RX-7 (рис. 5) было полнокровным японским спортивным автомобилем. Под капот ставился роторный двигатель модели 13B-REW, оснащавшийся двумя турбинами, стоящими друг за другом. Система работы двух турбин была разработана вместе с фирмой Хитачи и обкатана на модели Cosmo, продававшейся на внутреннем рынке. Первая турбина была маленькой и работать начинала на малых оборотах двигателя (примерно с 1800 об/мин), чтобы на них не возникала «турбояма». Вторая турбина была побольше и включалась в работу с 4000 об/мин. Их совместная работа была отлажена настолько, что крутящего момента «хватало» всегда. Платформа FD была оценена как разработка мирового класса. Длительная работа над улучшением ходовых качеств, отточенное шасси, низкий центр тяжести и равномерное распределение веса по осям привели к появлению очень серьёзного автомобиля.

Рис. 5. Mazda RX-7

10. Авиационные двигатели

В начале 1950-х годов была создана серия авиадвигателей ВП-760, ВП-1300, ВП-2650 -- пятилучевых двухтактных звёзд мощностью от 40 до 130 л. с. и весом от 25 до 100 кг авиационного инженера В. Полякова (поршневики; вращающийся золотниковый ГРМ и двухступенчатые поршни, совмещённые с нагнетательными, никакого отношения к Ванкелю не имеют) созданных для лёгкой авиационной техники и прошедших успешные испытания в небольшой серии в ДОСААФ.[4] Несмотря на ряд попыток установки двигателя Ванкеля на самолетах (опытные образцы испытывались в разных странах с 1950-х годов), он не нашел широкого применения в авиации. В настоящее время (2011) двигатель Ванкеля устанавливается на некоторые модели мотопланеров Schleicher.

Вывод

РПД имеют право на жизнь, какими бы недолговечными они не были. Опыт немногочисленных владельцев машин, на которых установлены моторы РПД, является довольно успешным. Залогом «живучести» мотора РПД на сегодняшний день являются качественные моторные масла и бережная эксплуатация мотора. Но есть ряд немаловажных факторов, которые надо исправлять, чтобы сделать РПД конкурентоспособными с обычными поршневыми двигателями.

Главным отягощающим фактором РПД является карбюраторная система питания. Необходимость замены такой системы питания на инжекторную возникла уже давно. Впрыск даёт более стабильную работу мотора, лучшее смесеобразование, лучшие мощностные показатели, позволяет детально отслеживать все сбои в работе системы. И самое главное, с ним выполняются жёсткие нормы EURO 1, EURO 2 и EURO 3.

Вторым отягощающим фактором является качество запчастей. Особенно сильно оно проявляется в РПД, так как мотор по нагрузке деталей превосходит обычный поршневой мотор. Необходимо внедрять в такой мотор новейшие технологии и разработки науки для достижения высокого КПД и ресурса.

Третий, немаловажный фактор - торгово-розничная сеть. При СССР роторы в свободную продажу не поставлялись, принимались только заказы от государственных служб. В дальнейшем такая тенденция сохранилась к машинам с «классической», заднеприводной компоновкой. Переднеприводные машины стали поступать в свободную продажу, но их доля очень невелика. А ведь РПД пользовался бы спросом, будь хоть какая-то реклама этих машин. Именно реклама является «двигателем» торговли, необходимо очень грамотно представить товар покупателю.

Размещено на Allbest.ru