Как работает роторный двигатель Ванкеля

Одна из проблем обычных автомобильных двигателей заключается в том, что поршни движутся по прямой линии вверх и вниз в своих цилиндрах, создавая так называемое возвратно-поступательное движение.

Внутри двухроторного Ванкеля

Однако опорные катки требуют другого вида движения - вращательного движения. Чтобы преобразовать возвратно-поступательное движение во вращательное, поршни соединены с коленчатым валом так, что, когда поршни движутся вверх и вниз, они вызывают вращение коленчатого вала. Затем вращательное движение коленчатого вала может быть передано на опорные колеса, чтобы они вращались.

Автомобильный двигатель был бы намного проще, если бы поршни могли вращаться, а не двигаться вверх и вниз, потому что создаваемое таким образом вращательное движение могло бы затем передаваться непосредственно на опорные колеса (хотя зубчатая передача по-прежнему была бы необходима).

Еще одним преимуществом такого роторного двигателя было бы то, что поршни всегда двигались бы в одном направлении - по кругу. Никакая часть мощности двигателя не будет потрачена впустую, если поршни остановятся в конце их хода и снова разгонят их в противоположном направлении, как это происходит в поршневых двигателях.

Возможности Ванкеля

Конструкция двигателя Ванкеля делает его гораздо более мощным, чем поршневой двигатель той же мощности. Одним из примеров является NSU Wankel Spyder с двигателем объемом 498 куб. см, обеспечивающим максимальную скорость почти 100 миль в час. имеет объем двигателя всего 1308 куб. см (654 куб. см на ротор), но имеет аналогичные рабочие характеристики с Porsche 924S с объемом 2479 куб. нужно умножить на 1,8. Это означает, что двигатель RX-7 объемом 1308 куб. см имеет такую ​​же выходную мощность, что и поршневой двигатель объемом 2354 куб.

Разработка

Несмотря на привлекательность идеи, только один тип роторного двигателя когда-либо успешно использовался в автомобилях. Это двигатель Ванкеля, разработанный Феликсом Ванкелем.

Он начал исследования в области роторных компрессоров в 1938 году. После Второй мировой войны он объединился с NSU (немецкий производитель автомобилей, позже ставший частью VW Audi), чтобы превратить его компрессоры в практичный двигатель внутреннего сгорания.

К 1957 году Ванкель построил экспериментальный роторный двигатель, который работал на испытательном стенде, а в 1964 году этот двигатель был предложен публике в NSU WankelSpyder. Этот небольшой спортивный автомобиль с задним расположением двигателя имел двигатель Ванкеля объемом 498 куб. см, но при этом мог развивать мощность 50 л.с. и развивать максимальную скорость 95 миль в час (152 км в час).

Spyder так и не завоевал популярность у публики, и автомобиль, который действительно принес славу двигателю Ванкеля, был NSU R080, который был признан автомобилем года в 1968 году. ).

Внутри Ванкеля

Сердцем двигателя Ванкеля является трехсторонний поршень, называемый ротором, вращающийся внутри корпуса ротора. На каждой стороне корпуса есть торцевая пластина.

Стороны ротора изогнуты в виде трех лепестков, а корпус ротора имеет форму грубой восьмерки, так что при вращении ротора зазор между каждой стороной ротора и корпусом становится попеременно больше и меньше. Этот постоянно меняющийся зазор является ключом к процессу горения.

Топливно-воздушная смесь поступает в корпус в момент, когда объем, заключенный между стенкой корпуса и одним из лепестков ротора, увеличивается. По мере увеличения этого объема создается вакуум, всасывающий топливно-воздушную смесь через отверстия в корпусе и торцевой пластине.

По мере вращения ротора этот объем начинает уменьшаться, сжимая топливно-воздушную смесь. Затем эта смесь проходит через свечу зажигания, установленную в стенке корпуса. Свеча зажигания воспламеняет смесь, заставляя ее расширяться и вращать ротор по кругу. В этот момент объем между ротором и корпусом увеличивается, чтобы обеспечить расширение газов. Наконец, объем снова уменьшается, выталкивая отработанные газы через выпускные отверстия.

Таким образом, ротор проходит через тот же четырехтактный цикл, что и поршневой двигатель:впуск, сжатие, рабочий и выпускной, но каждый из трех лепестков ротора проходит этот процесс непрерывно, поэтому на каждый оборот ротора приходится три рабочих такта.

Через центр ротора проходит выходной вал, с которым ротор связан системой планетарных передач, подобных системе автоматической коробки передач (см. Системы 44 и 45). Зубчатая передача позволяет ротору двигаться по нецентральной орбите, так что три конца ротора постоянно касаются корпуса.

Когда ротор вращается, он приводит в движение этот вал. Вал передает это вращательное движение на трансмиссию и, таким образом, на опорные катки.

Рабочий цикл роторного двигателя Ванкеля

Введение Сжатие Зажигание Выхлоп

Различия

Конструкция двигателя Ванкеля означает, что он не имеет клапанов - топливовоздушная смесь просто входит и выходит из камеры через отверстия в корпусе ротора и торцевой пластине. Поэтому у него также нет коромысла, распределительного вала или толкателей.

Это означает, что у Ванкеля примерно вдвое меньше деталей, чем у поршневого двигателя. Он также легче и компактнее. Тем не менее, он по-прежнему нуждается во многих из тех же вспомогательных устройств, что и другие двигатели - стартер, генератор, система охлаждения, карбюратор или система впрыска топлива, масляный насос и так далее. После того, как все это установлено на двигатель, он теряет большую часть преимуществ своей компактности и меньшего веса.

Тем не менее, двигатель Ванкеля в Ro80 широко хвалили за плавность хода и отсутствие вибрации. Частично это произошло из-за того, что двигатель имел два ротора, установленных на одной линии друг с другом, но в отдельных корпусах. Каждый вращался примерно на одном и том же выходном валу, но их синхронизация была установлена ​​на 180°, так что любая неуравновешивающая сила, создаваемая одним ротором, компенсировалась такими же силами другого ротора, и чтобы они вместе создавали более равномерное вращательное движение.

Ограничения Ванкеля

Несмотря на то, что проблема уплотнений в настоящее время в значительной степени решена, до сих пор невозможно использовать весь потенциал двигателя Ванкеля для использования в транспортных средствах из-за ограничений срока службы компонентов двигателя. Еще одна проблема заключается в том, что обычный поршневой автомобильный двигатель хорошо работает в довольно широком диапазоне скоростей и нагрузок, тогда как двигатель Ванкеля лучше всего работает только в гораздо более узком диапазоне.

Ранние проблемы

Как только базовая конструкция Ванкеля была разработана, проблемы вскоре стали очевидными. Одним из них был износ уплотнения. Роторы герметизированы со всех сторон, чтобы гарантировать, что газы не просачиваются через наконечники из частей корпуса с высоким сжатием в части с низким сжатием. Эти уплотнения были подвержены износу и поломке, что приводило к потере компрессии двигателя и, следовательно, мощности.

В поршневом двигателе это уплотнение обеспечивается частично клапанами и частично поршневыми кольцами, но уплотнения в двигателе Ванкеля создавали особые проблемы.

Уплотнения были наименее эффективны при низких оборотах двигателя, когда их нужно было снабдить пружинами, чтобы удерживать их прижатыми к боковой части корпуса.

Но при высоких оборотах двигателя сочетание центробежных сил и высокого давления газа сильно прижимает уплотнения к корпусу. Возникшее трение означало потерю мощности и значительный износ уплотнений, которые вскоре вышли из строя.

У ранних Ванкелей уплотнения были сделаны из углерода, но у более поздних моделей были уплотнения из специального чугуна, которые оказались более прочными. Для обеспечения дополнительной защиты внутренняя часть корпуса и торцевые пластины были покрыты износостойким покрытием.

Второй серьезной проблемой является износ восьмеричной рабочей поверхности, вызванный «дребезжанием» уплотнений. Это приводит к образованию гофр на рабочей поверхности и сокращает срок службы двигателя.

Формы камеры

Роторный двигатель Mazda 13B

Другой проблемой двигателя Ванкеля является форма камеры сгорания. В типичном поршневом двигателе камера имеет примерно полусферическую форму, что способствует равномерному и постепенному сгоранию топливно-воздушной смеси. В двигателе Ванкеля камера сгорания неизбежно имеет длинную и плоскую форму, что значительно затрудняет оптимальное сгорание.

Частичным решением проблемы с камерой сгорания была установка двух свечей зажигания, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга. Mazda, чей RX-7 теперь является единственным автомобилем с двигателем Ванкеля, продаваемым сегодня в Великобритании (см. Ниже), продвинула этот принцип дальше, установив две свечи зажигания, причем одна свеча срабатывает на долю секунды позже, чем другая. Для такой схемы требуются две отдельные системы зажигания с двумя катушками.

Отсутствие успеха

Несмотря на мощность и плавность хода двигателя Ванкеля, подавляющее большинство производителей автомобилей пока не смогли завоевать его популярность.

Основная причина – высокий расход топлива, вызванный склонностью топливно-воздушной смеси к неравномерному сгоранию. Неравномерное сгорание в двигателе Ванкеля также создает другую проблему - высокий уровень выбросов частично сгоревших углеводородов (загрязнение выхлопных газов).

За годы, прошедшие с тех пор, как R080 привлек внимание к теоретическим преимуществам двигателя Ванкеля, были различные нефтяные кризисы и постоянное давление со стороны правительств и общественности с целью снижения уровня выбросов выхлопных газов и лучшего расхода топлива.

Ни одно из этих требований не благоприятствует двигателю Ванкеля, и, кроме того, это означает, что большинству производителей автомобилей пришлось потратить много времени и денег на повышение эффективности своих существующих двигателей.