Роторно-поршневой двигатель Ванкеля (РПД)
Использование двигателей Ванкеля в RX-8 позволило концерну Mazda придать своему детищу 190
1000
или даже 230 лошадиных сил при объеме двигателя 1.3 литра. Эти двигатели легче и у них значительно меньше подвижных частей по сравнению с обычными атмосферными. Как это возможно?! Эта статья объяснит вам все, что вы когда либо хотели знать, но боялись спросить.
Немного истории
Джеймс Ватт был изобретателем роторного парового двигателя, а так же пионером в исследовании роторных двигателей внутреннего сгорания. Первые результаты были получены в 1924 году. Феликс Ванкель (которому в то время было уже 22 года) занимался исследованиями различных возможностей роторных двигателей и нашел оптимальную конструкцию статора и самого ротора. Сотрудничество с производителем мотоциклов NSU, и годы работы и экспериментов представили миру в 1957 году первый роторно-поршневой двигатель Ванкеля, доказав, что роторные двигатели теперь не просто мечта. Однако двигатель требовал доработок, и дабы убрать очевидные недостатки, в последующие два года его конструкция продолжала меняться. В ноябре 1959 года NSU официально объявила о завершении работ над двигателем.
Президент корпорации Mazda господин Матсуда, видя огромный потенциал этих двигателей лично договорился с NSU о сотрудничестве. Сегодня, кстати, довольно популярна mazda 6 новая. А в 1963 году новый исследовательский отдел RE (Rotary Engine) приступил к развитию массового производства роторных двигателей.
30 мая 1967 года Mazda начала продажи первого автомобиля оснащенного роторным двигателем – Cosmo Sport – C мощностью в 110 лошадиных сил. Дальнейшие исследования помогли на 40 процентов снизить расход топлива и улучшить экологичность этих двигателей. К 1970 году суммарная продажа автомобилей с роторными двигателями достигла 100 тыс., в 1975 – 500 тыс., а к 1978 – перевалила за миллион.
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. Самашестерня 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 эксцентри
1000
кового 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
Отсутствие поршней, а с ними и коленчатых валов с шатунами помогает уменьшить размеры и массу двигателей Ванкеля, что означает улучшение характеристик и управляемости автомобиля. Пропорционально выходной мощности РПД значительно меньше поршневых.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 топливо-воздушной 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.