Роторно-поршневий двигун внутрішнього згоряння (РПД, двигун Ванкеля), конструкція якого розроблена в 1957 інженером компанії NSU Вальтером Фройде (англ.), Йому ж належала ідея цієї конструкції. Двигун розроблявся в співавторстві з Феліксом Ванкелем, які працювали над іншою конструкцією роторно-поршневого двигуна.
Особливість двигуна застосування тригранного ротора (поршня), що має вигляд трикутника Рело , Що обертається усередині циліндра спеціального профілю, поверхня якого виконана по епітрохоїді.
трикутник Рело
Колесо Коло. Одним з властивостей кола є її постійна ширина. Проведемо дві паралельні дотичні і зафіксуємо відстань між ними. Почнемо обертати. Крива (в нашому випадку окружність) постійно стосується обох прямих. Це і є визначення того, що замкнута крива має постійну ширину.
Чи бувають криві, відмінні від окружності яких мають однакову ширину? ТАК!
Розглянемо правильний трикутник (з рівними сторонами). На кожній стороні побудуємо дугу окружності, радіусом рівним довжині боку. Ця крива і носить ім'я «трикутник Рело». Виявляється, вона теж є кривої постійної ширини. Як і в разі окружності проведемо дві дотичні, зафіксуємо відстань між ними і почнемо їх вирощують. Трикутник Рело постійно стосується обох прямих. Дійсно, одна точка дотику завжди розташована в одному з «кутів» трикутника Рело, а інша на протилежній дузі кола. Значить, ширина завжди дорівнює радіусу кіл, тобто довжині боку початкового правильного трикутника.
В життєвому сенсі постійна ширина кривої означає, що якщо зробити катки з таким профілем, то книжка буде котитися по ним, не ворухнувшись. Однак колесо з таким профілем зробити не можна, так як центр такої фігури описує складну лінію при коченні фігури по прямій. На будь-якому правильному непарному n-косинці можна побудувати криву постійної ширини по тій же схемі, що був побудований трикутник Рело. З кожної вершини, як з центру, проводимо дугу окружності на протилежній вершині стороні. В Англії монета в 20 пенсів має форму кривої постійної ширини, побудованої на семикутник.
Розглянуті криві не вичерпують весь клас кривих постійної ширини. Виявляється, серед них бувають і несиметричні криві. Розглянемо довільний набір пересічних прямих. Розглянемо один з секторів. Проведемо дугу окружності довільного радіуса з центром в точці перетину прямих, що визначають цей сектор. Візьмемо сусідній сектор, і з центром в точці перетину прямих, що визначають його, проведемо окружність. Радіус підбирається такий, щоб уже намальований шматок кривої безперервно тривав. Будемо так робити далі. Виявляється, при такій побудові крива замкнеться і буде мати постійну ширину. Доведіть це!
Всі криві даної постійної ширини мають однаковий периметр. Коло і трикутник Рело виділяються з усього набору кривих даної ширини своїми екстремальними властивостями. Окружність обмежує максимальну площу, а трикутник Рело - мінімальну в класі кривих даної ширини.
Завантажити відео 320 × 240 - 10 мб
конструкція
Встановлений на валу ротор жорстко з'єднаний з зубчастим колесом, яке входить в зачеплення з нерухомою шестернею - статором. Діаметр ротора набагато перевищує діаметр статора, незважаючи на це ротор із зубчастим колесом обкатується навколо шестерні. Кожна з вершина тригранного ротора робить рух по епітрохоїдальній поверхні циліндра і відсікають змінні об'єми камер в циліндрі за допомогою трьох клапанів.
Цикл двигуна Ванкеля: впуск (блакитний), стиснення (зелений), робочий хід (червоний), випуск (жовтий)
Така конструкція дозволяє здійснити будь-який 4-тактний цикл Дизеля, Стірлінга або Отто без застосування спеціального механізму газорозподілу. Герметизація камер забезпечується радіальними і торцевими пластинами ущільнювачів, притискуються до циліндра відцентровими силами, тиском газу і стрічковими пружинами. Відсутність механізму газорозподілу робить двигун значно простіше чотиритактного поршневого (економія складає близько тисячі деталей), а відсутність сполучення (картера, колінвал і шатуни) між окремими робочими камерами забезпечують надзвичайну компактність і високу питому потужність. За один оборот ванкель виконує три повних робочих циклу, що еквівалентно роботі шестициліндрового поршневого двигуна.
Сумішоутворення, запалення, мастило, охолодження, запуск принципово такі ж, як і у звичайного поршневого двигуна внутрішнього згоряння.
Практичне застосування отримали двигуни з тригранними роторами, з відношенням радіусів шестерні і зубчастого колеса: R: r = 2: 3, які встановлюють на автомобілях, човнах і т. П.
Переваги, недоліки і їх дозвіл
Переваги перед звичайними бензиновими двигунами
- низький рівень вібрацій. РПД повністю механічно урівноважений, що дозволяє підвищити комфортність легких транспортних засобів типу мікроавтомобілів, мотокари і юнікаров;
- головною перевагою роторно-поршневого двигуна є відмінні динамічні характеристики: на низькій передачі можливо без зайвого навантаження на двигун розганяти машину вище 100 км / ч на більш високих оборотах двигуна (8000 об / хв і більше), ніж в разі конструкції звичайного поршневого двигуна внутрішнього згоряння .
- Мала питома маса при високій питомій потужності, причини:
- Маса рухомих частин в РПД значно менше, ніж в аналогічних за потужністю «нормальних» поршневих двигунах, так як в його конструкції відсутні колінчастий вал і шатуни.
- До того ж однороторний двигун видає потужність протягом трьох чвертей кожного обороту вихідного валу. На відміну від одноциліндрового поршневого двигуна, який видає потужність тільки протягом однієї чверті кожного обороту вихідного валу. (Сучасний серійний РПД з об'ємом робочої камери +1300 см³ має потужність 220 к.с., а з турбокомпресором - 350 к.с.)
- менші в 1,5-2 рази габаритні розміри.
- менше на 35-40% число деталей
За рахунок відсутності перетворення зворотно-поступального руху в обертальний двигун здатний витримувати бо? Льшие обороти з меншими вібраціями, в порівнянні з традиційними двигунами. Роторно-поршневі двигуни володіють вищою потужністю при невеликому об'ємі камери згоряння, сама ж конструкція двигуна порівняно мала і містить менше деталей. Невеликі розміри покращують керованість, полегшують оптимальне розташування трансмісії і дозволяють зробити автомобіль більш просторим для водія і пасажирів. З'єднання ротора з вихідним валом через ексцентриковий механізм, будучи характерною особливістю РПД Ванкеля, викликає тиск між поверхнями, що труться, що в поєднанні з високою температурою, призводить до додаткового зносу і нагріву двигуна.
У зв'язку з цим виникає підвищена вимога до періодичної заміни масла. При правильній експлуатації періодично проводиться капітальний ремонт, що включає в себе заміну ущільнювачів. Ресурс при правильній експлуатації досить великий, але не замінене вчасно масло неминуче призводить до незворотних наслідків, і двигун виходить з ладу. Важливою проблемою вважається стан ущільнювачів. Площа зони контакту дуже невелика, а перепад тиску дуже високий. Наслідком цього, нерозв'язного для двигунів Ванкеля, протиріччя є високі витоку між окремими камерами і, як наслідок, падіння коефіцієнта корисної дії і токсичність вихлопу. Проблема швидкого зносу ущільнювачів на високій швидкості обертання була дозволена застосуванням високолегованої сталі.
При всіх перевагах (висока питома потужність, простота пристрою, нескладний ремонт при правильній експлуатації), важливою проблемою є менша економічність на низьких оборотах в порівнянні зі звичайними ДВС.
Іншою особливістю двигунів Ванкеля є його схильність до перегріву. Камера згоряння має линзовидную форму, тобто при маленькому обсязі у неї відносно велика площа. При температурі горіння робочої суміші основні втрати енергії йдуть через випромінювання. Інтенсивність випромінювання пропорційна четвертого ступеня температури, таким чином ідеальна форма камери згоряння - сферична. Промениста енергія не тільки марно покидає камеру згоряння, а й призводить до перегріву робочого циліндра. Ці втрати не тільки знижують ефективність перетворення хімічної енергії в механічну, але і викликають проблеми із запалюванням робочої суміші, тому в конструкції двигуна часто передбачають 2 свічки. Високі вимоги до точності виконання деталей роблять його складним у виробництві. Воно вимагає високотехнологічного і високоточного обладнання - верстатів, здатних переміщувати інструмент по складній траєкторії епітрохоїдальній поверхні камери об'ємного витіснення.
сучасні двигуни
Інженерам фірми Mazda вдалося вирішити всі основні проблеми РПД - токсичність вихлопу і неекономічність. У порівнянні з двигунами-попередниками «Renesis», вдалося скоротити споживання масла на 50%, бензину на 40% і довести викид шкідливих оксидів до норм, відповідних Euro IV. Двоциліндровий двигун «Renesis» об'ємом всього 1,3 л видає потужність в 250 л. с. і займає набагато менше місця в моторному відсіку. Наступна модель двигуна Renesis 2 16X має менший обсяг, але більшу потужність, менше нагрівається.
Автомобілі марки Mazda з буквами RE в найменуванні можуть використовувати в якості палива як бензин, так і водень. Це стало другим витком зростання уваги до РПД двигуну з боку розробників. Двигун успішно може використовувати водень, так як менш чутливий до детонації, ніж звичайний двигун, який використовує зворотно-поступальний рух поршня.
Автомобілі з РПД споживають від 7 до 20 літрів палива на 100 км, в залежності від режиму руху, і масла від 0,4 л до 1 л на 1000 км (для двигунів Mazda 0,4 - 0,6 л.). В даний час дослідження цього типу двигуна активно веде японський автоконцерн Mazda, оснащуючи доробленими моделями роторних двигунів автомобілі серії RX.
Інформацію зібрав і відредагував Vdovin / по джерелу ...
Чи бувають криві, відмінні від окружності яких мають однакову ширину?