Принципиальные преимущества роторных двигателей
В данном разделе описываются технические и эксплуатационные возможности конструкции роторного двигателя совершенной компоновки, которая относится по классификации к типу №6 ротных двигателей, и которую автор пытается реализовать в своих экспериментально – опытных работах.
ГЛАВНОЕ — концепция совершенного роторного двигателя, который по своей конструкции принадлежит к 6-му типу роторных двигателй, согласно классификации автора, может и должна превзойти при своей реализации все основные технические характеристики существующих на сегодня тепловых двигателей. А основные хатактеристики это:
— КПД (эффективность использования топлива);
— удельная мощность (выдаваяемая мощность на 1 кг. веса двигателя);
Чуть подробнее о КПД — он состоит из двух основных частей: Индикаторного (термического) КПД и Механического КПД;
Развернуто о КПД читайте на ЭТОЙ СТРАНИЦЕ.
Совершенный роторный двигатель имеет все предпосылки превзойти существующие сегодня тепловые двигатели как по Термическому КПД так и по Механическому КПД.
ПРИ ЭТОМ НАДО ПОНИМАТЬ, ЧТО ОСНОВНЫЕ ПОТЕРИ СЕОГДНЯШНИЕ КОНСТРУКЦИИ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НЕСУТ ИМЕННО В ТЕПЛОВОМ (ТЕРМИЧЕСКОМ) КПД.
Значительное повышение теплового КПД лежит на пути совершенствования организации рабочих процессов преобразования скрытой энергии химических связей молекл топлива через тепловую энергию в механическю работу. Такая возможность у совершенного роторного двигателя есть.
Так же повышение эффективности работы двигателя лежит в области уменьшения механических потерь, т.е. увеличения механического КПД. И такая возможность есть у совершенного роторного двигателя.
Пэтому описание преимуществ конструкции СОВЕРШЕННОГО РОТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ будет излагаться по двум основным разделам — преимущества ведущие к повышению теплового КПД, и преимущества, ведущие к повышению механического КПД.
ПРЕИМУЩЕСТВА в возможности организовать оптимальные рабочие процессы преобразования энергии в работу — т.е. повышение теплового КПД:
Главное и первое принципиальное преимущество роторных двигателей совершенной схемы —
это разделение по разным тактам и технологическим полостям двигателя процесса «ГОРЕНИЯ» и процесса «РАСШИРЕНИЯ».
В традиционных поршневых двигателях именно совмещение в одном такте процесса «горения» и процесса «расширения» ведет к малому термическому КПД. Одномоментное течение двух противоречащих друг другу процессов в одном месте (а в дизеле — сразу трех) очень мешает им.
Второе, преимущество, неразрывно связанное с первым в предлагаемой модели совершенного роторного двигателя камеру сгорания удалось сделать неизменного объёма, т.е. она не меняет своей формы (не имеет движущихся частей), ибо процесс расширения происходит в иной технологической камере (схоже по принципу с газовой турбиной). Поэтому камеру сгорания можно делать оптимальных геометрических форм – вплоть до сферической, и из любых материалов – вплоть до керамики. Этим самым достигать высоких уровней качества сжигания топлива и высокого уровня термического КПД. (РИС.)
Третье преимущество – возможность легко разделить длину (технологические объемы) реализации тактов сжатия и расширения. Принципиально в таком моторе при очень большой длине рабочего хода, длину хода сжатия можно сделать сколь угодно разной – то есть выбрать её любое нужнее значение. Эта особенность технической организации конструкции двигателя приводят к реальной возможности создания многотопливного двигателя. (РИС.)
Четвертое преимущество — в роторном двигателе совершенной схемы легко сделать рабочий ход главного рабочего элемента весьма значительной длины. В конструкции, разрабатываемой автором этого сайта, рабочих ход лопастей ротора от 2,5 до 4 раз больше длинны рабочего хода поршневого двигателя, если брать такой «поршневик» со сравнимой по значению площадью поршня с поверхностью рабочей лопасти ротора предлагаемого автором роторного мотора. (РИС.)
Пятое преимущество вытекает из пятого – раз рабочий ход рабочей лопасти будет значительно длиннее рабочего хода поршня в поршневом ДВС, то появляется возможность до конца использовать всю энергию расширения рабочих газов в такте расширения и выпускать в атмосферу отработавшие газы минимальных избыточного давления и температуры. Именно эта конструктивная особенность таких двигателей будет играть на их высокий термодинамический КПД и приводить к высокой топливной экономичности.
Шестое преимущество вытекает из шестого – раз выхлопные газы будут выводиться из корпуса двигателя минимального избыточного давления, то такому роторному двигателю не будет нужна сложная и громоздкая система глушения звуков выхлопа, без которых применение классических поршневых моторов практически невозможно. (РИС.)
Седьмое преимущество – в предлагаемой автором конструкции совершенного роторного двигателя вполне технологично и естественно можно «встроить» паровую фазу в рабочий цикл такого двигателя. Эта особеннность позволяет сразу решить две крупные проблемы любого ДВС — значительно повысить КПД двигателя и создать эффективную и компактную систему охлаждения двигателя. Подробности по развитию этой темы смотрите ЗДЕСЬ- в низу страницы.
ПРЕИМУЩЕСТВА в возможности минимизировать затраты полученного двителем крутящего момента на обслуживание собственных вспомогательных механизмов и внутренние потери — т.е. повышение механического КПД:
Восьмое преимущество совершенного роторного двигателя с простым и равномерным вращением главного рабочего органа и запорных элементов — это полное отсутствие возвратно – поступательных движений любого типа (линейных, дугообразных, планетарных и пр.), а соответственно — нет никаких циклически повторяющихся ускорений и знакопеременных инерционных нагрузок на детали двигателя. Именно подобные нагрузки не дают традиционным поршневым двигателям значительно увеличивать обороты вращения своего вала и наращивать мощность. Поэтому для такой схемы роторного двигателя нет потенциальных ограничений возможности достигать оборотов рабочего вала в десятки тысяч оборотов в минуту, приближаясь тем самым к показателям этой характеристики в газовых турбинах, с соответствующим значительным наращиванием своей мощности.
Девятое преимущество– это прямой и непосредственный перевод простого и непрерывного вращения ротора во вращение рабочего вала двигателя. Именно такая техническая организация кинематической схемы двигателя не требует применения дополнительных механизмов для преобразования типов движения. В традиционном же поршневом двигателе для этой цели применяется громоздкий, малоэффективный и дорогостоящий кривошипно – шатунный механизм. Отсутствие кривошипно – шатунного механизма дает возможность получить очень высокий механический КПД роторного двигателя. (РИС.)
Десятое преимущество – роторный двигатель не нуждается в специальном механизме газораспределения. Такое положение характерно и для двигателя Ванкеля, и для иных роторных двигателей практически всех рассмотренных выше классификационных групп. Функцию главного органа механизма газораспределения выполняет сам ротор и это его очень важная дополнительная функция, либо этим делом «занимаются» запорные барабаны. В наиболее развитых конструкциях схемы совершенного роторного двигателя создаются специальные золотниковые клапаны, которые выполняют функцию органов газораспределения. Но они совершают равномерное вращение и легко встраивются в конструкцию не обременяя ее большим усложнением. Поршневые 4-х тактные моторы нуждаются в специальном, весьма громоздком, сложном и дорогостоящем механизме газораспределения. Именно такой механизм, наряду с кривошипно- шатунной группой служит главным ограничением для увеличения оборотов вращения всей кинематической схемы поршневых двигателей с целью наращивания мощности мотора.
СЛЕДУЮЩИЕ ПОЗИЦИИ ПРЕИМУЩЕСТВ — ДАЮЩИЕ ВЫСОКИЙ УРОВЕНЬ УДЕЛЬНОЙ МОЩНОСТИ.
Одинадцатое преимущество – большое количество рабочих тактов за один оборот рабочего вала. В 5-ти тактных двигателях в зависимости от компоновки двгатель будет давать от 4 до 9 рабочих тактов за оборот вала. Если вспомнить, что 4-х тактный 4-х цилиндровый поршневой мотор дает за один оборот рабочего вала лишь 1 рабочий такт, то совершенный роторный двигатель будет потенциально в 4-9 раз мощнее близкого по литровому объему 4-х цилиндрового поршневого мотора. (РИС.) А еще можно сделать роторный мотор в исполнении с 2-мя, 3-мя или 4-мя рабочими роторными секциями: 4-х секционный роторный мотор будет давать за один оборот рабочего вала до 36 рабочих тактов. Чтобы достигнуть такого параметра 4-х тактному поршневому мотору надо будет иметь 144 поршней…
Двеннадцатое преимущество вытекает неотъемлемым результатом из девятого преимущества – совершенный роторный двигатель будет иметь непрерывный крутящий момент высокого значения (как у электродвигателя). Дело в том, что в поршневых двигателях именно кривошипно – шатунный механизм выдает на рабочий вал крутящий момент в «рваном режиме» — непрерывно пульсирующий от ноля до некоего максимально возможного значения о обратно. Именно поэтому поршневые двигатели не могут работать на малых оборотах, когда усилия их крутящего момента не хватает даже на совершение работы по осуществлению тактов сжатия рабочей смеси внутри собственных цилиндров, не говоря уже о выдаче заметной мощности на рабочий вал. Нужно признать, что с крутящим моментом у поршневых двигателей откровенно плохо, особенно если сравнивать их по этому параметру с электромоторами. Именно поэтому оптимальную мощность поршневые моторы выдают лишь набрав некие значительные обороты, когда за секунду они в пульсирующем ритме выдают на вал много толчков «прыгающего» крутящего момента. Этиой особенностью объясняется то, что для работы со многими машинами, например – с автомобилем, к поршневому мотору надо присоединять коробку передач, чтобы мотор развивал заметную мощность на высоких оборотах, а на колеса передавать значительно меньшие обороты, но при увеличенном крутящем моменте. Совершенному роторному двигателю, как и электромотору, коробка передач практически будет не нужна. (Статья на эту тему)
Прежде указанное Восьмое преимущество — так же будет играть на увеличение величины крутящего момента.–
Если все эти преимущества суммировать, то от указанного типа совершенных роторных двигателей можно ожидать выхода на показатели удельной мощности многократно превосходящей даже самые легкие и мощные на сегодня двухтактные поршневые моторы. Для подтверждения того, что моторы принципиально новых, по сравнению с привычными поршневыми моторами, схем, могут выходить на показатели мощности недостижимые для традиционных «поршневиков», можно указать, что роторный двигатель Ванкеля рабочим объёмом 1,3 литра, при очень малых габаритах имеет мощность в 250 – 280 лошадиных сил, что принципиально недостижимо дл поршневых моторов сравнимого рабочего объёма. (РИС.- сравнение)
Еще одно замечание – так как предлагаемый совершенный роторный двигатель не имеет в своей кинематической схеме ни одной детали, совершающей возвратно – поступательные (линейные, дугообразно — раскачивающиеся, планетарные и пр.) движения и испытывающей знакопеременные нагрузки, а так же силы давления рабочего тела не прижимают главныей рабочий орган к корпусу двигателя, то и ресурс деталей такого двигателя должен быть весьма велик и, по крайней мере, не уступать эксплуатационному ресурсу традиционных поршневых двигателей.
Cхема- сравнение процессов происходящих в разнах типах двигателей. Чтобы лучше рассмотреть схему- качайте ее.
Перспективные трудности
Как у всякой сложной конструктивной схемы у совершенного роторного двигателя есть неизбежные трудные стороны реализации в жизнь. Кратко остановимся на изложении таких сложных моментов и возможных путях их преодоления:
Система уплотнений – традиционно сложная часть реализации в эффективную конструкцию схемы любого ДВС с запираемыми герметично камерами. Но в данной конструкции она должна решаться на следующем пути. Настоящая схема двигателя должна работать на весьма высоких оборотах, в принципе она должна приближаться по этому показателю к газовым турбинам — 20 тыс. оборотов в минуту. А на оборотах выше 12 тыс оборотов в минуту рабочие газы высокого давления просто не будут успевать просачиваться сквозь тончайшие зазоры толщиной в одну сотую миллиметра между ротором и корпусом. Газу высокого давления быстрее будет сбросить свое давление через наращивание объема сегмента расширения за счет надавливания на лопасть ротора, чем через просачивание сквозь тончайшие щели на весьма длительном пути между ротором и корпусом. Пример газовых турбин, которые вообще не имеют уплотнений, а работают «на проход», говорит о том, что такой путь «ухода от уполтнений» при высоких оборотах ротора вполне возможен.
Система смазки — традиционно всем, знакомым с особенностями работы роторного двигателя Ванкеля, который потребляет избыточное количество масла, кажется очень сложной для всех типов роторных двигателей. Однако в настоящей конструкции эта проблема не должна стоять особо остро, ибо (в отличие от поршневых моторов и роторного двигателя Ванкеля) в данной конструкции высокое давление газов горения не прижимает главный рабочий орган двигателя к его корпусу. Поэтому вращающийся ротор не будет прижиматься к корпусу. Поэтому и смазка будет нужна в минимальном количестве (либо вообще не нужна). В худшем случае – на первых опытных образцах предлагаемой модели смазка главных рабочих органов будет организована как в двухтактных поршневых моторах – добавлением масла в бензин.
Проблема точности и сложности изготовления: все основные и наиболее ответственные детали совершенного роторного двигателя представляют собой простые фигуры вращения, поэтому они могут без затруднений изготавливаться на стандартных металлорежущих станках. Этим, например, данная концепция совершенного роторного двигателя отличается от двигателя Ванкеля, изготовление которого представляет собой значительную технологическую сложность.
Подводя итог
Из этих же особенностей конструктивной компоновки совершенного роторного двигателя вытекают и реальные возможности по организации его изготовления. Основные и самые крупные его детали – корпус двигателя, его крышки и сами роторы вполне возможно изготовлять на обычных координатно – расточных и токарных станках, так и обрабатывающих центрах с ЧПУ. В отличие от стандартных поршневых моторов, в которых картеры блоков цилиндров и головки блоков цилиндров представляют собой сложные и многообъемные корпусные детали, которые требуют обязательного применения точного литья под давлением. В совершенном роторном двигателе таких сложных и дорогостоящих деталей нет, как нет и сложных и трудных в изготовлении коленчатых валов, поэтому его производство будет значительно проще и дешевле. Малосерийное производство таких двигателей можно вполне развернуть на стандартных производственных линиях из типовых металлорежущих станков, используя в качестве заготовок стандартный металлический прокат круглого профиля диаметром до 240 – 320 мм. То есть организация производства подобных моторов будет обходиться без необходимости применения литья под давлением – одной из самых дорогих и затратных операций машиностроительного производства – и последующей механической обработки сложных корпусных деталей. Все эти особенности, как конструктивной компоновки, так и производственного процесса должны играть на невысокую себестоимость выпуска таких моторов.
К слову — о преимуществах роторных двигателей, можно добавить тему о недостатках и парадоксах традиционных поршневых двигателей. Я на эту тему записал небольшой видеоролик.
- Классификация
- Краткая история
- Принципиальные преимущества роторных двигателей
- Газовые турбины
- Двигатель Ванкеля
- Паровой роторный двигатель Тверского — коловратная паровая машина
- Тема крутящего момента
- Тема КПД двигателя
- В поисках лучшей схемы-вечный тюнинг идеи
- Двигатель автора сайта
- Прочие сведения
- Статьи про двигатели
- Cтатьи других авторов
- Тема тюнинга двигателей
- Детонация — двигатель
Плюсы и минусы роторного двигателя
Такой элемент конструкции, как двигатель — одна из самых важных составляющих любого автомобиля. Он определяет не только его возможности, но, к сожалению, и цену. За всю историю существования автомобиля были разработаны самые разные его типы: рядный, горизонтальный (оппозитный), V-образный, и у каждого есть свои плюсы и минусы. Но на этом конструкторы не остановились. В результате был создан новый вид мотора — роторный.
Первые конструкции роторного двигателя появились ещё в начале прошлого века, однако технологически его освоили лишь в 50-е годы. Впервые на конвейер он встал в автомобилях немецкой компании NSU. Модель RO-80 пользовалась бешеной популярностью у населения.
Mazda Cosmo — первый серийный автомобиль с роторным двигателем. Производители Audi и Mercedes-Benz так же в свое время изготавливали машины с таким мотором, но распространения они не получили. В СССР роторные двигатели разрабатывали на АвтоВАЗе и устанавливали на Жигули для спецслужб. В свободную продажу они не поступали, и, через какое-то время, было решено от них отказаться.
Роторный мотор относится к классу двигателей внутреннего сгорания со всеми тепловыми характеристиками. Принцип его работы заключается во вращении 3-хгранного ротора в специальном цилиндре. Во время вращения образуются камеры сгорания переменного объема. При этом мотор не имеет специального механизма газораспределения, что, несомненно, является большим преимуществом.
Также к плюсам такого двигателя можно отнести меньшую массу и размер, по сравнению с поршневым двигателем, причем не в ущерб мощности и крутящему моменту. Но ничего идеального не бывает, есть и минусы.
Во-первых, у него хороший аппетит и к топливу, и к маслу, при этом к качеству последнего он очень чувствителен. Во-вторых, у него значительно выше рабочая температура со всеми вытекающими техническими проблемами. В-третьих, у него плохо с экологией. И, пожалуй, самое главное, у роторного двигателя значительно меньший ресурс, по сравнению с ДВС.
Сегодня на российском автомобильном рынке только у одного японского бренда есть автомобиль с роторным двигателем. Если сравнить два совершенно одинаковых автомобиля с роторным двигателем и двигателем внутреннего сгорания, то их цена будет одинакова. Более того, цена обслуживания роторного и поршневого двигателя также ничем не отличается.
И, тем не менее, такой важный для российского покупателя момент, как стоимость, все равно не сделал его популярным. Ведь даже будучи современным, роторному агрегату не удалось полностью избавиться от всех недостатков.
Но перспектива у ротора, все же, есть, и она напрямую связана с водородным топливом. Во-первых, он лишится многих технических проблем, а во-вторых, проблема экологии исчезнет совсем. Так что ждем новых известий!
Интернет-магазин «Командир» предлагает большой ассортимент запчастей, комплектующих (с соответствующими сертификатами) и аксессуаров от официального дистрибьютора ГАЗ. Здесь вы сможете найти абсолютно любые запчасти, и приобрести их по самым выгодным ценам. Теперь вы сможете сделать это за один клик!
Роторный двигатель: принцип работы, недостатки и преимущества
Здравствуйте уважаемые автолюбители и читатели блога.Сегодня расскажу Вам, об альтернативном типе двигателя внутреннего сгорания, а именно роторном или же двигателе Ванкеля. Почему его называют роторным? Какие преимущества роторного двигателя внутреннего сгорания, перед обычным поршневым? Из чего он сделан и принцип его работы, почему не получил популярность и многое другое расскажу в этой статье.И так начнем,
Принцип работы роторного двигателя
В отличии, от обычного поршневого двигателя роторный не совершает возвратно поступательных движений, а просто крутится, следовательно и затраты на остановку в верхних и нижних мертвых точках нет. Благодаря этому свойству двигатель Ванкеля высокооборотистый.В плоском цилиндре находится ротор. Цилиндр сделан не круглый, а овальный, ротор имеет треугольную форму. В отличии, от поршневого у роторного двигателя нет коленвала, шатунов, противовесов, головки блока (с клапанами), что делает его конструкцию проще.
Почему не прижился роторный двигатель?
Недостатки роторного двигателя:
Так как пятно контакта ротора со стенками цилиндра небольшое, стала проблема герметизация камеры сгорания, впуска-выпуска. Так как при трении металл нагревается и расширяется, то без высокоточных расчетов не было бы никакого эффекта, компрессия бы падала, уменьшался бы КПД при прогревании двигателя. Роторный двигатель склонен к перегревам в отличии от поршневого ДВС.Из рисунка видно что сам овал нагревается неравномерно: в камере сгорания температура выше, чем во впуске – выпуске, следовательно, цилиндр расширяется в разных местах по разному и приходится использовать высокотехнологический материал в разных местах цилиндра.Чтобы поджечь топливо используют две свечи зажигания из за особенностей камеры сгорания, и в отличии от четырехтактного поршневого двигателя мощность выдается 3 /4 рабочего времени ДВС (как 6 цилиндровый), а КПД составляет около 40% против 20% у поршневого двигателя.Это можно отнести к преимуществам роторного двигателя.Из-за таких особенностей ресурс двигателя маленький 60 -80 тыс. км., что делает его непригодным для повседневной езды в городе, к этому же добавляется большой расход топлива на малых оборотов, опять же в сравнении с обычным ДВС. При объеме 1.3 литра двигатель Ванкеля может потреблять до 20 литров топлива в городе и выдавать мощность 250 л.с. и этом быть малогабаритным.Поэтому такой тип двигателя подходит для гонок, где нужна динамика.В нашей стране был разработан такой двигатель и устанавливался на классику (ВАЗ 21079) для спецслужб, но не прижился. Одним из самых распространенных автомобилей с двигателем Ванкеля является Mazda RX 8, который совершенствует его.
На этом все, до новых встреч.
Роторно-поршневой двигатель
Роторно-поршневой двигатель(РПД), или двигатель Ванкеля. Двигатель внутреннего сгорания, разработанный Феликсом Ванкелем в 1957 году в соавторстве с Вальтером Фройде. В РПД функцию поршня выполняет трехвершинный (трехгранный) ротор, совершающий вращательные движения внутри полости сложной формы. После волны экспериментальных моделей автомобилей и мотоциклов, пришедшейся на 60-е и 70-е годы ХХ века, интерес к РПД снизился, хотя ряд компаний по-прежнему работает над совершенствованием конструкции двигателя Ванкеля. В настоящее время РПД оснащаются легковые автомобили компании Mazda. Роторно-поршневой двигатель находит применение в моделизме.
Принцип работы
Сила давления газов от сгоревшей топливо-воздушной смеси приводит в движение ротор, насаженный через подшипники на эксцентриковый вал. Движение ротора относительно корпуса двигателя (статора) производится через пару шестерен, одна из которых, большего размера, закреплена на внутренней поверхности ротора, вторая, опорная, меньшего размера, жестко прикреплена к внутренней поверхности боковой крышки двигателя. Взаимодействие шестерен приводит к тому, что ротор совершает круговые эксцентричные движения, соприкасаясь гранями с внутренней поверхностью камеры сгорания. В результате между ротором и корпусом двигателя образуются три изолированные камеры переменного объема, в которых происходят процессы сжатия топливо-воздушной смеси, ее сгорания, расширения газов, оказывающих давление на рабочую поверхность ротора и очищения камеры сгорания от отработанных газов. Вращательное движение ротора передается на эксцентриковый вал, установленный на подшипниках и передающий вращающий момент на механизмы трансмиссии. Таким образом в РПД одновременно работают две механические пары: первая — регулирующая движение ротора и состоящая из пары шестерен; и вторая — преобразующая круговое движение ротора во вращение эксцентрикового вала. Передаточное соотношение шестерен ротора и статора 2:3, поэтому за один полный оборот эксцентрикового вала ротор успевает провернуться на 120 градусов. В свою очередь за один полный оборот ротора в каждой из трех образуемых его гранями камер производится полный четырехтактный цикл двигателя внутреннего сгорания.
схема РПД
1 — впускное окно; 2 выпускное окно; 3 — корпус; 4 — камера сгорания; 5 – неподвижная шестерня; 6 — ротор; 7 – зубчатое колесо; 8 — вал; 9 – свеча зажигания
Достоинства РПД
Главным достоинством роторно-поршневого двигателя является простота конструкции. В РПД на 35-40 процентов меньше деталей, чем в поршневом четырехтактном двигателе. В РПД отсутствуют поршни, шатуны, коленчатый вал. В «классическом» варианте РПД нет и газораспределительного механизма. Топливо-воздушная смесь поступает в рабочую полость двигателя через впускное окно, которое открывает грань ротора. Отработанные газы выбрасываются через выпускное окно, которое пересекает, опять же, грань ротора (это напоминает устройство газораспределения двухтактного поршневого двигателя).
Отдельного упоминания заслуживает система смазки, которая в простейшем варианте РПД практически отсутствует. Масло добавляется в топливо — как при эксплуатации двухтактных мотоциклетных моторов. Смазка пар трения (прежде всего ротора и рабочей поверхности камеры сгорания) производится самой топливо-воздушной смесью.
Поскольку масса ротора невелика и легко уравновешивается массой противовесов эксцентрикового вала, РПД отличается небольшим уровнем вибраций и хорошей равномерностью работы. В автомобилях с РПД легче уравновесить двигатель, добившись минимального уровня вибраций, что хорошо сказывается на комфортабельности машины в целом. Особой плавностью хода отличаются двухроторные двигатели, в которых роторы сами являются снижающими уровень вибраций балансирами.
Еще одно привлекательное качество РПД — высокая удельная мощность при высоких оборотах эксцентрикового вала. Это позволяет добиться от автомобиля с РПД отличных скоростных характеристик при относительно небольшом расходе топлива. Малая инерционность ротора и повышенная по сравнению с поршневыми двигателями внутреннего сгорания удельная мощность позволяют улучшить динамику автомобиля.
Наконец, немаловажным достоинством РПД являются небольшие размеры. Роторный двигатель меньше поршневого четырехтактного мотора той же мощности примерно вдвое. И это позволяет рациональней использовать пространство моторного отсека, более точно рассчитывать расположение узлов трансмиссии и нагрузку на переднюю и заднюю ось.
Недостатки РПД
Главный недостаток роторно-поршневого двигателя — невысокая эффективность уплотнений зазора между ротором и камерой сгорания. Имеющий сложную форму ротор РПД требует надежных уплотнений не только по граням (а их четыре у каждой поверхности — две по вершинным, две по боковым граням), но и по боковой поверхности, соприкасающейся с крышками двигателя. При этом уплотнения выполнены в виде подпружиненных полосок из высоколегированной стали с особо точной обработкой как рабочих поверхностей, так и торцов. Заложенные в конструкцию уплотнений допуски на расширение металла от нагрева ухудшают их характеристики — избежать прорыва газов у торцевых участков уплотнительных пластин практически невозможно (в поршневых двигателях используют лабиринтовый эффект, устанавливая уплотнительные кольца зазорами в разные стороны).
В последние годы надежность уплотнений резко возросла. Конструкторы нашли новые материалы для уплотнений. Однако, говорить о каком-то прорыве пока не приходится. Уплотнения до сих пор остаются самым узким местом РПД.
Сложная система уплотнений ротора требует эффективной смазки трущихся поверхностей. РПД потребляет больше масла, чем четырехтактный поршневой двигатель (от 400 граммов до 1 килограмма на 1000 километров). При этом масло сгорает вместе с топливом, что плохо сказывается на экологичности моторов. В выхлопных газах РПД опасных для здоровья людей веществ больше, чем в выхлопных газах поршневых двигателей.
Особые требования предъявляются и к качеству масел, используемых в РПД. Это связано, во-первых, со склонностью к повышенному износу (из-за большой площади соприкасающихся деталей — ротора и внутренней камеры двигателя), во-вторых, к перегреву (опять же из-за повышенного трения и из-за небольших размеров самого двигателя). Для РПД смертельно опасны нерегулярная смена масла — поскольку абразивные частицы в старом масле резко увеличивают износ двигателя, и переохлаждение мотора. Запуск холодного двигателя и недостаточный его прогрев приводят к тому, что в зоне контакта уплотнений ротора с поверхностью камеры сгорания и боковыми крышками оказывается мало смазки. Если поршневой двигатель заклинивает при перегреве, то РПД чаще всего — во время запуска холодного двигателя (или при движении в холодную погоду, когда охлаждение оказывается избыточным).
В целом рабочая температура РПД выше, чем у поршневых двигателей. Самая термонапряженная область — камера сгорания, которая имеет небольшой объем и, соответственно, повышенную температуру, что затрудняет процесс поджига топливо-воздушной смеси (РПД из-за протяженной формы камеры сгорания склонны к детонации, что тоже можно отнести к недостаткам этого типа двигателей). Отсюда требовательность РПД к качеству свечей. Обычно их устанавливают в эти двигатели попарно.
Роторно-поршневые двигатели при великолепных мощностных и скоростных характеристиках оказываются менее гибкими (или менее эластичными), чем поршневые. Они выдают оптимальную мощность только на достаточно высоких оборотах, что вынуждает конструкторов использовать РПД в паре с многоступенчатыми КП и усложняет конструкцию автоматических коробок передач. В конечном итоге РПД оказываются не такими экономичными, какими должны быть в теории.
Практическое применение в автопромышленности
Наибольшее распространение РПД получили в конце 60-х и начале 70-х годов прошлого столетия, когда патент на двигатель Ванкеля был куплен 11 ведущими автопроизводителями мира.
В 1967 году немецкая компания NSU выпустила серийный легковой автомобиль бизнес-класса NSU Ro 80. Эта модель выпускалась в течение 10 лет и разошлась по миру в количестве 37204 экземпляров. Автомобиль пользовался популярностью, но недостатки установленного в нем РПД, в конце концов, испортили репутацию этой замечательной машины. На фоне долговечных конкурентов модель NSU Ro 80 выглядела «бледно» — пробег до капитального ремонта двигателя при заявленных 100 тысячах километров не превышал 50 тысяч.
С РПД экспериментировали концерн Citroen, Mazda, ВАЗ. Наибольших успехов добилась Mazda, которая выпустила свой легковой автомобиль с РПД еще в 1963 году, на четыре года раньше появления NSU Ro 80. Сегодня концерн Mazda оснащает РПД спорткары серии RX. Современные автомобили Mazda RX-8 избавлены от многих недостатков РПД Феликса Ванкеля. Они вполне экологичны и надежны, хотя среди автовладельцев и специалистов по ремонту считаются «капризными».
Практическое применение в мотопромышленности
В 70-е и 80-е годы с РПД экспериментировали некоторые производители мотоциклов — Hercules, Suzuki и другие. В настоящее время мелкосерийное производство «роторных» мотоциклов налажено только в компании Norton, выпускающей модель NRV588 и готовящей к серийному выпуску мотоцикл NRV700.
Norton NRV588 — спортбайк, оснащенный двухроторным двигателем общим объемом в 588 кубических сантиметров и развивающим мощность в 170 лошадиных сил. При сухом весе мотоцикла в 130 кг энерговооруженность спортбайка выглядит в буквальном смысле запредельной. Двигатель этой машины оснащен системами впускного тракта переменной величины и электронного впрыска топлива. О модели NRV700 известно лишь то, что мощность РПД у этого спортбайка будет достигать 210 л.с.
Любопытные факты
1. Роторно-поршневые двигатели получили распространение среди авиамоделистов. Поскольку в модельном двигателе требования к надежности и экономичности снижены до предела, производство этих моторов оказывается недорогим. В этих двигателях уплотнений ротора либо нет вообще, либо эти уплотнения имеют простейшую конструкцию. Главное достоинство авиамодельного РПД в том, что его можно легко встроить в летающую масштабную модель. В частности, модельные РПД применяются при создании копий реактивных самолетов.
2. Получив патент на РПД в 1936 году Феликс Ванкель стал изобретателем не только двигателя внутреннего сгорания, но еще и роторно-поршневых насоса и компрессора. И эти устройства можно встретить гораздо чаще, чем РПД — на производстве, в ремонтных мастерских, в быту. Например, портативные электрические компрессоры для автомобилистов очень часто устроены по принципу роторно-поршневого насоса.
Статья в журнале об РПД польского инженера Рожицкого, «За рулем» №12, 1961