Характеристика роторно-поршневого двигателя (стр. 1 из 4)

Что это такое РПД?

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.

Как работает РПД?

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

Достоинства и недостатки РПД

Все части роторного двигателя постоянно вращаются в одном направлении, что не создает вибрации, связанной с переменным направлением движения поршней, присущей обычным двигателям.

Наряду с несомненными достоинствами у двигателя Ванкеля существуют и серьезные конструктивные недостатки, преодолеть которые крайне сложно.

Камера сгорания роторного двигателя имеет в плане форму серпа. Поэтому при том же объеме, что и у цилиндрической камеры обычного мотора, площадь ее поверхности намного больше.

Следствие — большая теплонагруженность двигателя и меньший тепловой КПД.

Кроме того, серповидная форма не позволяет организовать вихревое наполнение камеры сгорания, чтобы добиться полного сгорания топливовоздушной смеси.

Отсюда худшая, по сравнению с поршневыми моторами, экономичность и проблемы с выбросом вредных веществ.

Столь же обширен список технологических недостатков. На первом месте — сам процесс изготовления статора сложной формы с износостойкой рабочей поверхностью.

Трудность еще и в том, что статор должен успешно противостоять температурным деформациям: в отличие от обычного мотора, где теплонагруженная камера сгорания частично охлаждается в фазе впуска и сжатия свежей рабочей смесью, здесь процесс сгорания всегда происходит в одной части двигателя, а впуск — в другой.

Еще одна проблема — уплотнения ротора. Если в поршневом моторе кольца соприкасаются с зеркалом цилиндра только одной рабочей кромкой и под постоянным углом, то уплотнения на вершинах ротора касаются статора под постоянно изменяющимися углами, что приводит к большим нагрузкам на их грани.

Кроме того, эти уплотнения работают в условиях ограниченной смазки и плохого теплоотвода — для их смазывания приходится дополнительно впрыскивать масло прямо во впускной коллектор. Нетрудно догадаться, что экологических показателей мотора это тоже не улучшает.

История изобретения и отец двигателя

Феликс Генрих Ванкель (нем. Felix Heinrich Wankel, 13 августа 1902, Лар (Шварцвальд) — 9 октября 1988, Гейдельберг) — немецкий конструктор двигателей. Соавтор изобретения роторно-поршневого двигателя (так называемого двигателя Ванкеля), конструкция которого показана в 1957 вместе с инженером компании NSU Вальтером Фройде (W. Froude), которому и принадлежала идея данной конструкции двигателя. Ванкель всю свою жизнь работал над созданием другого мотора с простым вращением взаимодействующих роторов.

Вместе с Вальтером Фройде и своей группой он провел обширные исследования механических уплотнений вращающихся клапанов (золотников). Они сформулировали также требования к эффективным подвижным уплотнениям. В этой области следует также отметить важную роль группы В. Бензингера (W. Benzinger) фирмы Daimler-Benz.

Биография Ванкеля

Отец Ванкеля погиб в первой мировой войне; оставшийся без отца, бросив гимназию, Феликс Ванкель не смог ни поступить в университет, ни даже получить рабочую специальность. Самостоятельно изучая технические дисциплины, Ванкель уже в 1924 году пришёл к идее роторно-поршневого двигателя. В 1920-е годы Ванкель примкнул к НСДАП, но в 1933 оказался среди противников Гитлера и провёл полгода в тюрьме. В 1936 прототип его роторного двигателя заинтересовал BMW; Ванкель получил финансирование, а в 1936 — собственную мастерскую в Линдау для разработки опытных авиадвигателей под патронажем геринговского министерства авиации.

-В 1945 оборудование Ванкеля было вывезено во Францию по репарациям;

-В 1951, с помощью фирмы Goetze, Ванкель возобновил исследования — сначала в собственном доме

-В 1954 он наконец нашёл оптимальную конфигурацию камеры сгорания РПД;

-В 1958 NSU выпустило первый автомобиль с упрошённым вариантом РПД, однако самого конструктора эта реализация не удовлетворила

-С 1960 Ванкель работает в новом исследовательском центре в Линдау.

-В 1964 году в фирме NSU появился двигатель оригинальной конструкции Ванкеля Ro 80 (всего было выпущено около 40 000 таких машин).

-В 1959—1970 патент Ванкеля приобрели все крупнейшие автопроизводители западного мира, однако в 2007—2008 годах машины с роторно - поршневым двигателем конструкции Ванкеля и Фройда производятся только под маркой Mazda.

-В 1936 Ванкель женился на Эмме Кирн (1905—1975), детей у них не было. Ванкель никогда не имел водительских прав, так как с детства страдал крайней близорукостью. Он не владел основами высшей математики, полагаясь на своё исключительное чувство пространства.

История ротора ВАЗ

Год 1974-й. Приказом генерального директора Волжского автозавода создано специальное конструкторское бюро роторно-поршневых двигателей.

Планы самые грандиозные - создать роторно-поршневой двигатель для автомобилей «ВАЗ», превосходящий по своим показателям традиционный поршневой мотор.

Основу коллектива составили выпускники вузов и специалисты авиационных предприятий Самары. В арсенале у них были молодость и энтузиазм. Начальником СКБ РПД был назначен заместитель технического директора Борис Сидорович ПОСПЕЛОВ, главным конструктором - Михаил Алексеевич КОРЖОВ.

Разработка первых вазовских РПД шла параллельно с изучением конструкций зарубежных образцов и под очень скромные технологические возможности экспериментального цеха, поэтому часть деталей использовалась с импортных двигателей. Первые двигатели не отличались ни изяществом компоновки, ни своими показателями, и это естественно для начала работ с таким сложным изделием, но они позволили накопить опыт и обозначить основные проблемы такой простой на первый взгляд конструкции. Было сделано несколько вариантов компоновки РПД в автомобили «ВАЗ», прежде чем появился прототип, который стал базовым двигателем и который приняли на подготовку производства. Этим двигателем стал односекционный РПД ВАЗ-311 мощностью 70 л.с. с геометрическими параметрами, как у японского 13В. Подготовка производства велась по нереальным планам одновременно с доводкой двигателя: проблем было больше, чем решений. Невзирая на недоведенность конструкции, было принято решение о выпуске опытно-промышленной партии автомобилей ВАЗ-21018 с РПД. После того как автомобили были проданы, разразился скандал, так как массовые дефекты в эксплуатации породили волну рекламаций. Руководство завода вынуждено было заменить на проданных автомобилях роторно-поршневые двигатели на серийные поршневые. Последовали и оргмероприятия: численность СКБ была сокращена вдвое, прекратилось строительство цехов и административного здания. Ушло много высококвалифицированных специалистов. Так закончился период авантюр и фантазий, требовалось серьезно оценить состояние дел.

Обстановка в СКБ была критической. Б.С. Поспелов смог в этой сложной ситуации сохранить самообладание и сделать правильные выводы. Оценка областей применения РПД и их технический уровень показывали, что для выполнения всех требований, которые предъявляются к автомобильному двигателю, необходим большой объем доводочных работ, освоение новых материалов и технологий и проведение длительных испытаний. Возможность установки в вазовский автомобиль двигателя мощностью 120...140 л.с. заинтересовала спецслужбы, требования по ресурсу и расходу топлива были ниже, чем у автомобиля общего назначения, а замена двигателя в ходе эксплуатации ими допускалась. С их стороны гарантировалась квалифицированная эксплуатация и предоставление информации о дефектах. Для СКБ это было идеальным вариантом. Так появился автомобиль специального назначения ВАЗ-21019 с двухсекционным двигателем мощностью 120 л.с.