Роторно-поршневой двигатель

Роторно-поршневой двигатель

Ро́торно-поршнево́й дви́гатель внутреннего сгорания (РПД, двигатель Ва́нкеля), конструкция которого разработана в 1957 инженером Феликсом Ванкелем. Особенность двигателя — применение вращающегося ротора (поршня), размещённого внутри цилиндра, поверхность которого выполнена по эпитрохоиде.

Конструкция

Установленный на валу ротор жёстко соединён с зубчатым колесом, которое входит в зацепление с неподвижной шестернёй. Ротор с зубчатым колесом как бы обкатывается вокруг шестерни. Его грани при этом скользят по эпитрохоидальной поверхности цилиндра и отсекают переменные объёмы камер в цилиндре.

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

Роторно-поршневой двигатель

Такая конструкция позволяет осуществить любой 4-тактный цикл Дизеля, Стирлинга или Отто без применения специального механизма газораспределения. Герметизация камер обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами. Отсутствие механизма газораспределения делает двигатель значительно проще четырехтактного поршневого (экономия состовляет около тысячи деталей), а отсутстве сопряжения (картерное пространство, коленвал и шатуны) между отдельными рабочими камерами обеспечивают необычайную компактность и высокую удельную мощность. За один оборот ванкель выполняет три полных рабочих цикла, что эквивалентно работе шестицилиндрового поршневого двигателя.

Смесеобразование, зажигание, смазка, охлаждение, запуск принципиально такие же, как и у обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Практическое применение получили двигатели с трёхгранными роторами, с отношением радиусов шестерни и зубчатого колеса: r:R = 2:3, которые устанавливают на автомобилях, лодках и т. п.

Преимущества и недостатки

Роторно-поршневой двигатель несложен конструктивно, и благодаря простоте своего устройства и заметно меньшему числу деталей, чем у обычного ДВС легок, компактен. Но высокие требования к точности исполнения деталей делают его сложным не только в ремонте, но в производстве. Его производство требует отдельных высокоточных станков способных перемещать резец по эпитрохоидальной поверхности цилиндра.

При выработке ресурса, как правило, производится капитальный ремонт, включающий в себя замену всевозможных уплотнений, а также ротора и, иногда, статора, что зачастую оказывается дороже покупки нового двигателя.

Но основной проблемой ванкеля является его низкая экономичность и склонность к перегреву. Оба эти явления по сушеству две стороны одной медали, а именно геометрии камеры сгорания. На рисунке видно, что камера имеет линзовидную форму, то есть при низком обьеме у нее высокая площадь. При температуре горения рабочей смеси основные потери энергии идут через излучение (из курса статистической физики известно, что интенсивность излучения пропорциональна четвертой степени температуры, таким образом идеальная форма камеры сгорания — сферическая). Лучистая энергия не только бесполезно покидает камеру сгорания, но и приводит к перегреву рабочего цилиндра. Эти потери не только снижают эффективность преобразования химической энергии в механическую, но и вызывают проблемы с воспламенением рабочей смеси. На фотографиях двигателя часто видно по две свечи зажигания, хотя казалось бы достаточно одной.

Второй проблемой, по праву считаются уплотнители. Площадь пятна контакта очень невелика, а перепад давления очень высокий. Следствием этого неразрешимого для ванкеля противоречия, являются высокие утечки между отдельными камерами, и как следствие падение КПД и экологические проблемы. Для примера, при прохождении радиальным уплотнителем свечи падение давления составляет не менее двух атмосфер. Кроме того, при увеличении скорости вращения трехгранного поршня центробежная сила (которой якобы на самом деле не существует) все сильнее прижимает уплотнители к стенке цилиндра (сила пропорциональна квадрату частоты вращения). Нагрузки быстро разрушают уплотнители, так что для их производства используется высоколегированная сталь.

При всех преимуществах (высочайший КПД, простота устройства, ремонтопригодность), явным недостатком двигателя Ванкеля является несколько меньшая экономичность (а у отечественных РПД — ещё и весьма малый ресурс) по сравнению с обычными ДВС. Помимо этого, роторно-поршневой двигатель Renesis (наиболее современный на данный момент), устанавливаемый на автомобили Mazda RX-8, весьма чувствителен к выбору масла: синтетические и полусинтетические масла приводят к разрушению кольцевых уплотнений, что в конечном итоге приводит к серьёзному ускорению износа двигателя и увеличению расхода масла.

Автомобили с РПД потребляют до 20 литров топлива на 100 км, и от 0,4л до 1л масла на 1000 км. Активнее всего потребляют масло РПД отечественного производства. Сказываются проблемы с точностью исполнения деталей. Для двигателей Mazda нормой является 0,4-0,6л на 1000 км. Японцы настолько «вылизали» свой агрегат, что он без проблем может эксплуатироваться в Калифорнии, традиционно славящейся жесткостью своего экологического законодательства.

В настоящее время исследование этого типа двигателя активно продолжает японский автоконцерн Мазда (автомобили серии RX).

См. также

• Роторно-лопастной двигатель Вигриянова
• Бензиновый двигатель внутреннего сгорания

Литература

• Роторно-поршневой двигатель // Большая советская энциклопедия

Ссылки

• Анимация: Двигатель Ванкеля