1.6. Принцип работы
Действие поршневого двигателя внутреннего сгорания основано на использовании работы теплового расширения нагретых газов во время движения поршня от ВМТ к НМТ. Нагревание газов в положении ВМТ достигается в результате сгорания в цилиндре топлива, перемешанного с воздухом. При этом повышается температура газов и давления. Т. к. давление под поршнем равно атмосферному, а в цилиндре оно намного больше, то под действием разницы давлений поршень будет перемещаться вниз, при этом газы - расширяться, совершая полезную работу. Вот здесь-то и дает о себе знать тепловое расширение газов, здесь и заключается его технологическая функция: давление на поршень. Чтобы двигатель постоянно вырабатывал механическую энергию, цилиндр необходимо периодически заполнять новыми порциями воздуха через впускной клапан и топливо через форсунку или подавать через впускной клапан смесь воздуха с топливом. Продукты сгорания топлива после их расширения удаляются из цилиндра через впускной клапан. Эти задачи выполняют механизм газораспределения, управляющий открытием и закрытием клапанов, и система подачи топлива.
Рис.4. Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания
Наиболее известный альтернативный ДВС – это роторно-поршневой двигатель Винкеля, изобретенный в 1957 году. Это четырехтактный двигатель (только каждый четвертый ход "рабочий"), в котором ротор, напоминающий треугольник, вращается через планетарную передачу, попеременно увеличивающий и уменьшающий объем камеры между ротором и стенками (статором). Достоинства:
более простая конструкция (требует на 35.40% меньше деталей, чем обычный двигатель), почти в 2 раза меньший вес при одинаковой мощности, более компактный, практически без вибраций. Недостатки: малый ресурс из-за плохих материалов уплотнения, больше расход топлива, не простое вращательное движение (сам Винкель был недоволен планетарной концепцией и до конца жизни искал более простой вариант).
Принцип действия роторно-поршневого двигателя Винкеля ясен из анимированного рисунка .gif (если картинка не движется, проверьте настройки вашего браузера).
За рубежом некоторые фирмы оснащали серийный машины роторно- поршневым двигателем, у нас ВАЗ выпускает двигатели Винкеля мощностью 40 л.
с. и оснащает им некоторые модели "девяток". Роторно-поршневые двигатели весьма перспективны для малой авиации. Необходимые мощности - 20.40 л. с.
Главной особенностью любого роторно-поршневого двигателя можно считать применение специального ротора (поршня), имеющего три грани, который вращается внутри специального цилиндра по эпитрохоиде (впрочем, возможны и другие формы цилиндра). Постараемся подробно разобрать конструкцию РПД, его преимущества и недостатки перед другими типами двигателей.
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ РОТОРНО -ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВЕНКЕЛЯ
Впервые, такой тип двигателя был разработан в 1957 году двумя инженерами: Вальтером Фрейде и Феликсом Винкелем. На валу устанавливается ротор, который имеет жесткое соединение со специальным зубчатым колесом. Это колесо входит в зацепление со статором, который имеет вид неподвижной шестерни. Диаметр ротора достаточно сильно превышает диаметр статора, что дает возможность зубчатому колесу полностью обкатываться вокруг статора. Каждая вершина граней ротора движется по эпитрохоидальной поверхности и отделяет три, постоянно меняющихся, объема. Данная конструкция позволяет выполнить действия всех четырех тактов любого из существующих двигателей внутреннего сгорания, причем, без применения механизма, отвечающего за газораспределение. Камеры сгорания герметизируются с помощью специальных пружинных лент и пластин, которые придавливаются к поверхности цилиндра давлением, создаваемым газом. Так как в роторно-поршневом двигателе отсутствует ГРМ, это делает его конструкцию намного проще любого другого двигателя. Кроме того, отсутствие различных тяжелых элементов, таких как, шатуны и коленчатый вал, позволяют сделать его размеры намного меньше, в то время как, мощность увеличивается. Один оборот такого двигателя равняется одному циклу, что можно сравнить с полным оборотом двухцилиндрового поршневого двигателя.
Подача топлива в камеру сгорания, смазка подвижных частей двигателя, охлаждение и запуск осуществляются точно также, как и на обычном ДВС. Расход топлива может варьироваться от
Преимущества
Прежде всего, такой двигатель обладает самым низким уровнем вибраций. Его конструкция абсолютно уравновешена и делает движение на легких транспортных средствах намного комфортнее.
Очень высокие динамические характеристики. Такой двигатель позволяет разогнать транспортное средство на первой передаче до 100 километров в час, при низкой нагрузке на механизмы. Двигатель достаточно долгое время выдерживает число оборотов, достигающее 8000 об/мин.
Движущиеся части механизма имеют очень низкую массу, а ротор двигателя выдает мощность в течение всех четвертей каждого оборота. Это позволяет добиться достаточно большой удельной мощности, в отличие от обычного поршневого двигателя. Для сравнения, роторно-поршневой двигатель с рабочим объемом 1.3 литра, выдает мощность, равную 220 лошадиным силам, в то время как, обычный поршневой двигатель с тем же объемом выдает мощность, не превышающую 100 лошадиных сил.
Вместо сотен различных деталей, в роторно-поршневых двигателях применяется всего 2-3 десятка. Кроме того, размеры и масса РПД намного меньше, чем у обычных двигателей с шатунами и коленчатым валом.
Недостатки
Соединение вала ротора с выходным валом, посредством экс центрированного механизма, вызывает слишком большое давление между соединяемыми трущимися деталями. Это приводит к лишнему перегреву двигателя и повышенному износу деталей механизма. В связи с этим, появляется острая необходимость в периодической замене масла и уплотнительных элементов. Если выполнять данные требования в соответствии с регламентом, то ресурс двигателя значительно увеличивается, в противно случае, происходит поломка, которая непременно выведет агрегат из строя.
Камера сгорания имеет форму линзы, это означает, что при очень малом объеме она имеет очень большую площадь. Все это приводит к образованию лучистой энергии, которая бесполезно влияет на работу двигателя и также приводит к излишнему перегреву. Таким образом, КПД двигателя значительно снижается, что не позволяет использовать его в полной мере.
На пониженной передаче такой двигатель обладает очень большим расходом топлива, по сравнению с обычными ДВС.
Площадь соприкосновения уплотнителей и вращающихся деталей быстро снижается, это говорит о быстром износе сальников, которые способствует утечке смазывающего вещества и попаданию масла в камеру сгорания. В результате выхлоп получается очень токсичным, а ресурс двигателя быстро снижается. Тем не менее, данную проблему устранили применением высоколегированных сталей при изготовлении РПД.
В связи со строгими требованиями к геометрии всех деталей механизма, возникает необходимость в высокоточном оборудовании для изготовления таких двигателей. Это усложняет и делает дороже процесс их производства.
ГДЕ ПРИМЕНЯЮТ РОТОРНО-ПОРШНЕВЫЕ ДВИГАТЕЛИ?
Изначально, разработка роторно-поршневых двигателей велась для спортивных автомобилей. Ведь для гоночных автомобилей не столь важен большой ресурс, так как ремонт поршневых двигателей тоже требовался и после первого заезда. В серийном производстве РПД устанавливался на автомобили немецкого производства. Это был седан представительского класса NSU Ro 80. Автомобиль для своего времени был достаточно современным, так как имел привлекательный дизайн и хорошие аэродинамические свойства. Однако, ввиду серьезных недостатков роторно-поршневых двигателей, связанных со слишком частым техническим обслуживанием, получил отрицательную оценку, в связи с чем, стал оснащаться обычными поршневыми двигателями. Это связано с тем, что двигатель приходил в негодность уже после 50 тысяч километров, что являлось малоэкономичным показателем.
В настоящее время роторно-поршневые двигатели изготавливают только два завода в мире – это ВАЗ (Россия) и Mazda (Япония).
Рис.5. Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания