Роторно-поршневых двигателей

Объект исследования: роторно-поршневой двигатель.

Результаты, полученные лично автором: выявлены основные преимущества инедостатки роторно-поршневых двигателей.

Ро́торно-поршнево́й дви́гатель (РПД, двигатель Ва́нкеля) — роторный двигатель внутреннего сгорания, конструкция которого разработана в 1957 году инженером компании NSU Вальтером Фройде, в соавторстве с Феликсом Ванкелем, работавшим над другой конструкцией роторно-поршневого двигателя.Особенность двигателя — применение трёхгранного ротора (поршня),вращающегося внутри цилиндра специального профиля, поверхность которого выполнена по эпитрохоиде— плоская кривая, образуемая точкой, жёстко связанной с окружностью, катящейся по внешней стороне другой окружности. Главное отличие и положительный момент роторного двигателя Ванкеля—это отсутствие масс с возвратно-поступательными движениями. Все движущиеся механизмы, а главное и сам ротор-поршень, двигаются по кругу без резких остановок.Установленный на валу ротор жёстко соединён с зубчатым колесом, которое входит в зацепление с неподвижной шестернёй — статором. Диаметр ротора намного превышает диаметр статора, несмотря на это ротор с зубчатым колесом обкатывается вокруг шестерни. Каждая из вершин трёхгранного ротора совершает движение по эпитрохоидальной поверхности цилиндра. 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, а отсутствие сопряжения между отдельными рабочими камерами обеспечивают необычайную компактность и высокую удельную мощность. За один оборот эксцентрикового вала двигатель выполняет один рабочий цикл, что эквивалентно работе двухцилиндрового 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. Автомобили с РПД потребляют от 7 до 20 литров топлива на 100 км, в зависимости от режима движения, масла — от 0,4 л до 1 л на 1000 км.

Преимущества перед поршневыми двигателями:

- низкий уровень вибраций;

- высокие динамические характеристики;

- высокая удельная мощность (л. с./кг);

- масса движущихся частей в РПД гораздо меньше, чем в аналогичных по мощности поршневых двигателях, так как в его конструкции отсутствуют коленчатый вал и шатуны;

- однороторный двигатель выдаёт мощность в течение трёх четвертей каждого оборота выходного вала. В отличие от четырёхтактного поршневого двигателя, который выдаёт мощность только в течение одной четверти каждого оборота выходного вала (современный серийный РПД с объёмом рабочей камеры 1300 см³ имеет мощность 220 л. с., а с турбокомпрессором — 350 л. с.);

- меньшие в 1,5—2 раза габаритные размеры;

- меньшее число деталей (два-три десятка вместо нескольких сотен).

Недостатки:

- соединение ротора с выходным валом через эксцентриковый механизм, являясь характерной особенностью РПД, вызывает давление между трущимися поверхностями, что в сочетании с высокой температурой приводит к дополнительному износу и нагреву двигателя. В связи с этим возникает повышенное требование к периодической замене масла;

- состояние уплотнителей. Площадь пятна контакта очень невелика, а перепад давления очень высокий. Следствием износа уплотнителей являются высокие утечки между камерами и, как следствие, падение КПД и токсичность выхлопа. Проблема быстрого износа уплотнителей на высокой скорости вращения вала была решена применением высоколегированной стали;

- склонность к перегреву. Камера сгорания имеет линзовидную форму, то есть при маленьком объёме у неё относительно большая площадь;

- меньшая экономичность на низких оборотах по сравнению с ДВС;

- высокие требования к геометрической точности изготовления деталей двигателя делают его сложным в производстве — требуется применение высокотехнологичного и высокоточного оборудования: станков, способных перемещать инструмент по сложной траектории эпитрохоидальной поверхности камеры объёмного вытеснения.

Материал поступил в редколлегию 17.04.2017г.

УДК 621.165

А.О. Сороковой

Научный руководитель: доцент кафедры «Тепловые двигатели», к.т.н.

М.А. Шилин

max05t@mail.ru