Заняття 1 Конструкція роторно-поршневих двигунів

1. Призначення, характеристика, загальна будова роторно-поршневого двигуна

2. Будова та робота роторно-поршневого двигуна.

1.

Роторно-поршневий двигун

Роторно-поршневий двигун внутрішнього згоряння (РПД, двигун Ванкеля), конструкція якого розроблена в 1957 році інженером компанії NSU Вальтером Фройде, йому ж належала ідея цієї конструкції. Двигун розроблявся в співавторстві з Феліксом Ванкелем, який працював над іншою конструкцією роторно-поршневого двигуна.

Особливість двигуна — застосування тригранного ротора (поршня), що має вид трикутника Рело, який обертається усередині циліндра спеціального профілю. Поверхня його виконана по епітрохоїді. Встановлений на валу ротор жорстко з’єднаний із зубчастим колесом, яке входить у зачеплення з нерухомою шестернею — статором. Діаметр ротора набагато перевищує діаметр статора, незважаючи на це ротор із зубчастим колесом обкатується навколо шестерні. Кожна з вершин тригранного ротора робить рух по епітрохоідальній поверхні циліндра й відсікає змінні обсяги камер у циліндрі за допомогою трьох клапанів.

Така конструкція дозволяє здійснити будь-який 4-тактний цикл Дизеля, Стірлінга або Отто без застосування спеціального механізму газорозподілу. Герметизація камер забезпечується радіальними й торцевими ущільнювальними пластинами, що притискаються до циліндра відцентровими силами, тиском газу й стрічковими пружинами. Відсутність механізму газорозподілу робить двигун значно простіше чотиритактного поршневого (економія становить близько тисячі деталей), а відсутність сполучення (картерний простір, коленвал і шатуни) між окремими робочими камерами забезпечує надзвичайну компактність і високу питому потужність. За один оборот ванкель виконує три повні робочі цикли, що еквівалентно роботі шестициліндрового поршневого двигуна. Сумішоутворення, запалювання, змащення, охолодження, запуск принципово такі ж, як і у звичайного поршневого двигуна внутрішнього згоряння. Практичне застосування отримали двигуни із тригранними роторами, зі співвідношенням радіусів шестерні й зубчастого колеса: R:r = 2:3, які встановлюють на автомобілях, човнах і т.п.Автомобілі із РПД споживають від 7 до 20 літрів палива на 100 км, залежно від режиму руху, мастила — від 0,4 л до 1 л на 1000 км.

Переваги й недоліки

Переваги перед звичайними бензиновими двигунами:

Низький рівень вібрацій. Роторно-поршневий двигун повністю механічно врівноважений, що дозволяє підвищити комфортність легких транспортних засобів типу мікроавтомобілів, мотокарів і юнікарів;

Головною перевагою роторно-поршневого двигуна є відмінні динамічні характеристики: на низькій передачі можливо без зайвого навантаження на двигун розігнати машину вище 100 км/год на більш високих оборотах двигуна (8000 об/хв і більше), ніж у випадку конструкції звичайного двигуна внутрішнього згоряння.

Висока питома потужність(к.с./кг), причини:

Маса частин, що рухаються, у РПД набагато менша, ніж у аналогічних за потужністю «нормальних» поршневих двигунах, тому що в його конструкції відсутні колінчатий вал і шатуни.

До того ж однороторний двигун видає потужність протягом трьох чвертей кожного обороту вихідного валу. На відміну від одноциліндрового поршневого двигуна, який видає потужність тільки протягом однієї чверті кожного обороту вихідного валу. Сучасний серійний РПД із обсягом робочої камери 1300 см³ має потужність 220 л.с., а з турбокомпресором — 350 л.с.

Менші в 1,5- 2 рази габаритні розміри.

Менша на 35-40 % кількість деталей

За рахунок відсутності перетворення зворотно-поступального руху в обертальний, двигун Ванкеля здатен витримувати набагато більші обороти, але з меншими вібраціями, у порівнянні із традиційними двигунами. Роторно-поршневі двигуни мають більш високу потужність при невеликому обсязі камери згоряння, сама ж конструкція двигуна порівняно мала й містить менше деталей. Невеликі розміри поліпшують керованість, полегшують оптимальне розташування трансмісії (розподіл ваги) і дозволяють зробити автомобіль більш просторим для водія й пасажирів.

Недоліки:

З’єднання ротора з вихідним валом через ексцентриковий механізм, будучи характерною рисою РПД Ванкеля, викликає тиск між поверхнями тертя. В комбінації з високою температурою це призводить до додаткового зношування й нагрівання двигуна. У зв’язку із цим виникає підвищена вимога до періодичної заміни мастила. При правильній експлуатації періодично проводиться капітальний ремонт, що включає в себе заміну ущільнювачів. Ресурс при правильній експлуатації досить великий, але не замінене вчасно мастило неминуче призводить до необоротних наслідків, і двигун виходить із ладу.

Найбільш важливою проблемою вважається стан ущільнювачів. Площа плями контакту дуже невелика, а перепад тиску дуже високий. Наслідком цього невирішеного для двигунів Ванкеля протиріччя є високі витоки між окремими камерами й, як наслідок, падіння коефіцієнта корисної дії й токсичність вихлопу. Проблема швидкого зношування ущільнювачів на високій швидкості обертання валу була вирішена застосуванням високолегованої сталі.

Іншою особливістю двигунів Ванкеля є їх схильність до перегрівання. Камера згоряння має лінзоподібну форму, тобто при маленькому обсязі у неї відносно більша площа. При температурі горіння робочої суміші основні втрати енергії ідуть через випромінювання. Інтенсивність випромінювання пропорційна четвертому ступеню температури, у такий спосіб ідеальна форма камери згоряння — сферична. Промениста енергія не тільки даремно залишає камеру згоряння, але й призводить до перегрівання робочого циліндра. Ці втрати не тільки знижують ефективність перетворення хімічної енергії в механічну, але й викликають проблеми із запаленням робочої суміші, тому в конструкції двигуна часто передбачають 2 свічки.

Високі вимоги до виконання деталей двигуна роблять його складним у виробництві — потрібне застосування високотехнологічного й високоточного устаткування: обладнання, здатного переміщати інструмент по складній траєкторії епітрохоідальної поверхні камери об’ємного витиснення.

При всіх перевагах (висока питома потужність, простота конструкції, нескладний ремонт при правильній експлуатації), важливою проблемою є менша економічність на низьких оборотах у порівнянні зі звичайними ДВЗ.

Застосування

Двигун розроблявся спочатку саме для застосування на автотранспорті. Перший серійний автомобіль із роторним двигуном — німецький спорткар NSU Wankelspider. Перший масовий (37 204 екземпляри) — німецький седан бізнес-класу NSU Ro 80. Автомобіль був досить інновацій не тільки своїм двигуном, зокрема, кузов з рекордно низьким аеродинамічним опором, напівавтоматичну коробку передач із гідротрансформатором, блок-фари, і так далі. Ro80 відрізнявся не тільки унікальною конструкцією, але й передовим дизайном, який виявився незрозумілий публіці середини шістдесятих; через десять років саме він був покладений в основу стилю моделей «Audi» 100 і 200 покоління C2.На жаль, ресурс двигуна виявився досить малий (ремонт був потрібен уже після пробігу близько 50 тис. км), тому автомобіль заслужив погану репутацію і є відносно маловідомим. На багатьох збережених автомобілях оригінальний двигун замінено на поршневий V4 «Essex» фірми Ford.Citroën також експериментував із РПД — проект Citroën M35.Після цього серійне й дрібносерійне виробництво роторно-поршневих двигунів Ванкеля проводилися тільки фірмами Mazda (Японія) і ВАЗ (Росія).

Сучасний стан

Інженерам фірми Mazda, які створили роторно-поршневий двигун «Renesis» (похідне від слів (англ. Rotary Engine:роторний двигун і Genesis:процес становлення. Назва говорить про появу нового класу двигунів), вдалося вирішити основні проблеми таких двигунів — токсичність вихлопу й неекономічність. У порівнянні із двигунами-попередниками, вдалося скоротити споживання мастила на 50 %, бензину на 40 % і довести викиди шкідливих окисів до норм, що відповідають Euro IV. Двокамерний двигун «Renesis» обсягом усього 1,3 л видає потужність в 250 л. с. і займає набагато менше місця в моторному відсіку. Наступна модель двигуна Renesis 2 16X має обсяг 1,6 літри, і більшу потужність, менше нагрівається.Автомобілі марки Mazda з буквами RE у назві (перші букви від назви «Renesis») можуть використовувати в якості палива як бензин, так і водень (тому що менш чутливі до детонації, ніж звичайні двигун, що використовують зворотно-поступальний рух поршня). Це стало другим витком росту уваги до РПД із боку розробників.Автомобілі із РПД споживають від 7 до 20 літрів палива на 100 км, залежно від режиму руху, і мастила від 0,4 л до 1 л на 1000 км (для двигунів Mazda 0,4-0,6 л.). У цей час автоконцерн Mazda активно веде дослідження цього типу двигуна, оснащуючи допрацбованими моделями роторних двигунів автомобілі серії RX. Така конструкція дозволяє здійснити будь-який 4-тактний цикл Дизеля, Стірлінга або Отто без застосування спеціального механізму газорозподілення. Герметизація камер забезпечується радіальними й торцевими ущільнювальними пластинами, що притискаються до циліндра відцентровими силами, тиском газу й стрічковими пружинами. Відсутність механізму газорозподілення робить двигун значно простішим чотиритактного поршневого (економія становить близько тисячі деталей), а відсутність сполучення (картерний простір, колінчастий вал і шатуни) між окремими робочими камерами забезпечують надзвичайну компактність і високу питому потужність. За один оберт ванкель виконує три повні робочі цикли, що еквівалентно роботі шестициліндрового поршневого двигуна. Сумішоутворення, запалювання, змащення, охолодження, запуск принципово такі ж, як і у звичайного поршневого двигуна внутрішнього згоряння.

Конструкція: встановлений на валу ротор жорстко з’єднаний із зубчастим колесом, яке входить у зачеплення з нерухомою шестернею — статором. Діаметр ротора набагато перевищує діаметр статора, незважаючи на це ротор із зубчастим колесом обкатується навколо шестерні. Кожна з вершин тригранного ротора робить рух по епітрохоідальній поверхні циліндра й відсікає змінні обсяги камер у циліндрі за допомогою трьох клапанів.

2. Сила тиску газів від згорілої паливо-повітряної суміші приводить в рух ротор, насаджений через підшипники на ексцентриковий вал. Рух ротора щодо корпусу двигуна (статора) здійснюється через пару шестерень, одна з яких, більшого розміру, закріплена на внутрішній поверхні ротора, друга, опорна, меншого розміру, жорстко прикріплена до внутрішньої поверхні бічної кришки двигуна. Взаємодія шестерень призводить до того, що ротор здійснює кругові ексцентричні руху, стикаючись гранями з внутрішньою поверхнею камери згоряння. В результаті між ротором і корпусом двигуна утворюються три ізольовані камери змінного об'єму, в яких відбуваються процеси стиснення паливо-повітряної суміші, її згоряння, розширення газів, які чинять тиск на робочу поверхню ротора і очищення камери згоряння від відпрацьованих газів. Обертальний рух ротора передається на ексцентриковий вал, встановлений на підшипниках і передавальний крутний момент на механізми трансмісії. Таким чином у РПД одночасно працюють дві механічні пари: перша - регулююча рух ротора і складається з пари шестерень; і друга - перетворююча круговий рух ротора в обертання ексцентрикового валу. Передавальне співвідношення шестерень ротора і статора 2:3, тому за один повний оберт ексцентрикового валу ротор встигає провернутися на 120 градусів. У свою чергу за один повний оберт ротора в кожній з трьох утворених його гранями камер проводиться повний чотиритактний цикл двигуна внутрішнього згоряння.

схема РПД.

РОТОРНО-поршневі двигуни (СТАВР) (далі - РПДС) (варіант 1) містить корпус 1 з робочою камерою 2, розподільними каналами 3, в якому з можливістю обертання встановлений вихідний (вхідний) вал 4, жорстко пов'язаний з маховиком 5, в тілі якого ексцентрично розміщений ковзний вкладиш 6, в тілі якого, у свою чергу, ексцентрично встановлена вісь 7 обертання ротора-поршня 8, пристрої подачі палива і його займання (фіг.1).

Варіант 2. Вихідний (вхідний) вал 4 жорстко пов'язаний з коронною шестірнею 9, ковзний вкладиш 6 пов'язаний з сателітом 10, встановленим з можливістю обертання на осі вкладиша, порожнина в корпусі 1 має зубчастий вінець 11, всі три зубчастих елемента являють собою редуктор з проміжним тілом обертання (планетарний), маховик 5 встановлений з можливістю вільного обертання на вхідному (вихідному) валу 4 (Фіг.2).

Працює РПМС наступним чином. Через вікна впускних клапанів в порожнину над ротором (поршнем) 8 нагнітається робоче тіло (газ, рідина) (фіг.1). Зображене на схемі положення ротора відповідає верхній мертвій точці (ВМТ). Виходячи з того, що спочатку валу 4 і маховика 5 був даний імпульс певного напрямку (у випадку з двигуном), тиск робочого тіла змушує переміщатися одне з плечей ротора з опорою на друге. При цьому в тому ж напрямку переміщається вісь 7 ротора 8, приводячи в обертання ковзний вкладиш 6. Ротор 8 здійснює обертання третього порядку навколо осі 7, яка здійснює обертання другого порядку навколо центру ковзного вкладиша 6, коїть обертання першого порядку навколо центру маховика 5. Траєкторія руху центру ротора за один оборот в даному випадку не збігається з дельтоидами, і її довжина трохи більше цієї гіпоциклоїди (Фіг.3), внаслідок цього її можна найменувати квазіціклоідой або псевдоціклоідой. Один такт роботи РПМК відповідає одному кроку ротора, тобто його переміщенню до наступної ВМТ або однієї третини обороту валу. Одночасно машина дозволяє здійснювати два протилежних робочих такту - один відбувається над поршнем, інший під ним.

Можливий також варіант виконання РПМС із зубчастим зачепленням обертових елементів (фіг. 2). Шестерня 10 грає роль сателіта в планетарній передачі між стаціонарним зубчастим колесом 11 і коронної шестернею 9 і при роботі котиться по вінця корпусу, приводячи в обертання центральну шестерню, з'єднану з валом.

При використанні машини в якості РПД можливе здійснення її роботи як по 2-тактний, так і по 4-тактний циклам.

Конструктивні особливості: за два обороти вихідного валу здійснюється три робочих циклу (в 4-тактном ДВС). Для порівняння: двигун Ф. Ванкеля за те ж число обертів вала здійснює два робочих циклу, двигун Отто - один цикл. Наслідком чого є можливість зниження мінімально стійких оборотів вихідного валу, що укупі з широким діапазоном оборотів може представляти інтерес для малої авіації, тому що не вимагає додаткової редукції обертів вала двигуна перед гвинтом. До інших достоїнств можна віднести високу щільністю компоновки (відношення робочого об'єму до об'єму двигуна), відсутність радіальних і інерційних сил у поршневий групі і приводі вихідного (вхідного) валу, максимальні оберти вихідного валу значно перевищують аналогічні параметри традиційної схеми, механізм повністю збалансований, т. к. не містить ексцентрикових елементів, має просту форму камери і ротора. Не містить шестернею в сінхронізірущем механізмі, камери згоряння герметичні (головні недоліки більшості схем роторно-лопатевого двигуна РЛД). Можливе використання спільно з механічною трансмісією. На відміну від роторно-хвильового двигуна (РВД) має більш просту форму ротора і камери згоряння і простіший механізм передачі крутного моменту на вихідний вал. Форма камери згоряння дозволяє розробляти одноступінчатий ДВС з високим ступенем стиснення, що працює на дизельному паливі (на відміну від РПД Ванкеля).

Пропонована схема поєднує гідності кривошипно-шатунного механізму, при якому протікання робочого процесу найбільш оптимально (зупинка поршня в ВМТ і згоряння паливо-повітряної суміші в постійному обсязі) і роторного механізму, в якому відсутня зворотно-поступальний переміщення поршня. В економічному режимі протягом одного робочого ходу здійснюється безпосередньо робоче дію газів (від ВМТ до НМТ) і дорасшіреніе відпрацьованих газів (від НМТ до ВМТ) перед їх видаленням з робочої порожнини. Найменування ВМТ і НМТ умовно, тому в цих точках при рівномірному обертанні вихідного вала є уповільнення руху поршня-ротора, але немає перекладки (зміни вектора кутової швидкості на протилежний) в його русі.