Характеристика роторно-поршневого двигателя

Что это такое РПД?

В классическом четырехтактном двигателе один и тот же цилиндр используется для различных операций – впрыск, сжатие, сжигание и выпуска. В роторном же двигателе каждый процесс выполняется в отдельном отсеке камеры. Эффект мало чем отличается от разделения цилиндра на четыре отсека для каждой из операций.

В поршневом двигателе давление возникающее при сгорании смеси заставляет поршни двигаться вперед и назад в своих цилиндрах. Шатуны и коленчатый вал преобразуют это толкательное движение во вращательное, необходимое для движения автомобиля.

В роторном двигателе нет прямолинейного движения которое надо было бы переводить во вращательное. Давление образуется в одном из отсеков камеры заставляя ротор вращаться, это снижает вибрацию и повышает потенциальную величину оборотов двигателя. В результате всего большая эффективность, и меньшие размеры при той же мощности, что и обычного поршневого двигателя.

Как работает РПД?

Функцию поршня в РПД выполняет трехвершинный ротор, преобразующий силу давления газов во вращательное движение эксцентрикового вала. Движение ротора относительно статора (наружного корпуса) обеспечивается парой шестерен, одна из которых жестко закреплена на роторе, а вторая на боковой крышке статора. Сама шестерня неподвижно закреплена на корпусе двигателя. С ней в зацеплении находится шестерня ротора который с зубчатым колесом как бы обкатывается вокруг нее.

Вал вращается в подшипниках, размещенных на корпусе, и имеет цилиндрический эксцентрик, на котором вращается ротор. Взаимодействие этих шестерен обеспечивает целесообразное движение ротора относительно корпуса, в результате которого образуются три разобщенных камеры переменного объема. Передаточное отношение шестерен 2:3, поэтому за один оборот эксцентрикового вала ротор поворачивается на 120 градусов, а за полный оборот ротора в каждой из камер совершается полный четырехтактный цикл.

Газообмен регулируется вершиной ротора при прохождении ее через впускное и выпускное окно. Такая конструкция позволяет осуществлять 4-тактный цикл без применения специального механизма газораспределения.

Герметизация камер обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами. Крутящий момент получается в результате действия газовых сил через ротор на эксцентрик вала Смесеобразование, зажигание, смазка, охлаждение, запуск - принципиально такие же, как и у обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания

Достоинства и недостатки РПД

Все части роторного двигателя постоянно вращаются в одном направлении, что не создает вибрации, связанной с переменным направлением движения поршней, присущей обычным двигателям.

Наряду с несомненными достоинствами у двигателя Ванкеля существуют и серьезные конструктивные недостатки, преодолеть которые крайне сложно.

Камера сгорания роторного двигателя имеет в плане форму серпа. Поэтому при том же объеме, что и у цилиндрической камеры обычного мотора, площадь ее поверхности намного больше.

Следствие — большая теплонагруженность двигателя и меньший тепловой КПД.

Кроме того, серповидная форма не позволяет организовать вихревое наполнение камеры сгорания, чтобы добиться полного сгорания топливовоздушной смеси.

Отсюда худшая, по сравнению с поршневыми моторами, экономичность и проблемы с выбросом вредных веществ.

Столь же обширен список технологических недостатков. На первом месте — сам процесс изготовления статора сложной формы с износостойкой рабочей поверхностью.

Трудность еще и в том, что статор должен успешно противостоять температурным деформациям: в отличие от обычного мотора, где теплонагруженная камера сгорания частично охлаждается в фазе впуска и сжатия свежей рабочей смесью, здесь процесс сгорания всегда происходит в одной части двигателя, а впуск — в другой.

Еще одна проблема — уплотнения ротора. Если в поршневом моторе кольца соприкасаются с зеркалом цилиндра только одной рабочей кромкой и под постоянным углом, то уплотнения на вершинах ротора касаются статора под постоянно изменяющимися углами, что приводит к большим нагрузкам на их грани.

Кроме того, эти уплотнения работают в условиях ограниченной смазки и плохого теплоотвода — для их смазывания приходится дополнительно впрыскивать масло прямо во впускной коллектор. Нетрудно догадаться, что экологических показателей мотора это тоже не улучшает.

История изобретения и отец двигателя

Феликс Генрих Ванкель (нем. Felix Heinrich Wankel, 13 августа 1902, Лар (Шварцвальд) — 9 октября 1988, Гейдельберг) — немецкий конструктор двигателей. Соавтор изобретения роторно-поршневого двигателя (так называемого двигателя Ванкеля), конструкция которого показана в 1957 вместе с инженером компании NSU Вальтером Фройде (W. Froude), которому и принадлежала идея данной конструкции двигателя. Ванкель всю свою жизнь работал над созданием другого мотора с простым вращением взаимодействующих роторов.

Вместе с Вальтером Фройде и своей группой он провел обширные исследования механических уплотнений вращающихся клапанов (золотников). Они сформулировали также требования к эффективным подвижным уплотнениям. В этой области следует также отметить важную роль группы В. Бензингера (W. Benzinger) фирмы Daimler-Benz.

Биография Ванкеля

Отец Ванкеля погиб в первой мировой войне; оставшийся без отца, бросив гимназию, Феликс Ванкель не смог ни поступить в университет, ни даже получить рабочую специальность. Самостоятельно изучая технические дисциплины, Ванкель уже в 1924 году пришёл к идее роторно-поршневого двигателя. В 1920-е годы Ванкель примкнул к НСДАП, но в 1933 оказался среди противников Гитлера и провёл полгода в тюрьме. В 1936 прототип его роторного двигателя заинтересовал BMW; Ванкель получил финансирование, а в 1936 — собственную мастерскую в Линдау для разработки опытных авиадвигателей под патронажем геринговского министерства авиации.

-В 1945 оборудование Ванкеля было вывезено во Францию по репарациям;

-В 1951, с помощью фирмы Goetze, Ванкель возобновил исследования — сначала в собственном доме

-В 1954 он наконец нашёл оптимальную конфигурацию камеры сгорания РПД;

-В 1958 NSU выпустило первый автомобиль с упрошённым вариантом РПД, однако самого конструктора эта реализация не удовлетворила

-С 1960 Ванкель работает в новом исследовательском центре в Линдау.

-В 1964 году в фирме NSU появился двигатель оригинальной конструкции Ванкеля Ro 80 (всего было выпущено около 40 000 таких машин).

-В 1959—1970 патент Ванкеля приобрели все крупнейшие автопроизводители западного мира, однако в 2007—2008 годах машины с роторно - поршневым двигателем конструкции Ванкеля и Фройда производятся только под маркой Mazda.

-В 1936 Ванкель женился на Эмме Кирн (1905—1975), детей у них не было. Ванкель никогда не имел водительских прав, так как с детства страдал крайней близорукостью. Он не владел основами высшей математики, полагаясь на своё исключительное чувство пространства.

История ротора ВАЗ

Год 1974-й. Приказом генерального директора Волжского автозавода создано специальное конструкторское бюро роторно-поршневых двигателей.

Планы самые грандиозные - создать роторно-поршневой двигатель для автомобилей «ВАЗ», превосходящий по своим показателям традиционный поршневой мотор.

Основу коллектива составили выпускники вузов и специалисты авиационных предприятий Самары. В арсенале у них были молодость и энтузиазм. Начальником СКБ РПД был назначен заместитель технического директора Борис Сидорович ПОСПЕЛОВ, главным конструктором - Михаил Алексеевич КОРЖОВ.

Разработка первых вазовских РПД шла параллельно с изучением конструкций зарубежных образцов и под очень скромные технологические возможности экспериментального цеха, поэтому часть деталей использовалась с импортных двигателей. Первые двигатели не отличались ни изяществом компоновки, ни своими показателями, и это естественно для начала работ с таким сложным изделием, но они позволили накопить опыт и обозначить основные проблемы такой простой на первый взгляд конструкции. Было сделано несколько вариантов компоновки РПД в автомобили «ВАЗ», прежде чем появился прототип, который стал базовым двигателем и который приняли на подготовку производства. Этим двигателем стал односекционный РПД ВАЗ-311 мощностью 70 л.с. с геометрическими параметрами, как у японского 13В. Подготовка производства велась по нереальным планам одновременно с доводкой двигателя: проблем было больше, чем решений. Невзирая на недоведенность конструкции, было принято решение о выпуске опытно-промышленной партии автомобилей ВАЗ-21018 с РПД. После того как автомобили были проданы, разразился скандал, так как массовые дефекты в эксплуатации породили волну рекламаций. Руководство завода вынуждено было заменить на проданных автомобилях роторно-поршневые двигатели на серийные поршневые. Последовали и оргмероприятия: численность СКБ была сокращена вдвое, прекратилось строительство цехов и административного здания. Ушло много высококвалифицированных специалистов. Так закончился период авантюр и фантазий, требовалось серьезно оценить состояние дел.

Обстановка в СКБ была критической. Б.С. Поспелов смог в этой сложной ситуации сохранить самообладание и сделать правильные выводы. Оценка областей применения РПД и их технический уровень показывали, что для выполнения всех требований, которые предъявляются к автомобильному двигателю, необходим большой объем доводочных работ, освоение новых материалов и технологий и проведение длительных испытаний. Возможность установки в вазовский автомобиль двигателя мощностью 120...140 л.с. заинтересовала спецслужбы, требования по ресурсу и расходу топлива были ниже, чем у автомобиля общего назначения, а замена двигателя в ходе эксплуатации ими допускалась. С их стороны гарантировалась квалифицированная эксплуатация и предоставление информации о дефектах. Для СКБ это было идеальным вариантом. Так появился автомобиль специального назначения ВАЗ-21019 с двухсекционным двигателем мощностью 120 л.с.

Ситуация в СКБ стабилизировалась, начался плодотворный период доводки, было реальное продвижение по пути улучшения показателей двигателя. Появились положительные отзывы о нашем автомобиле и его незаменимости при выполнении оперативной работы. Символично, что работавшие на автомобилях с РПД называли его «Аркан».

Стали поступать предложения от других предприятий о разработке РПД для мотоцикла, летательных аппаратов, амфибийных судов, подвесных лодочных моторов. Работы велись по хоздоговорам и частично компенсировали затраты на содержание СКБ.

К концу 80-х стало возможным вернуться к проекту автомобиля общего назначения с выполнением всех норм. Поэтому, когда СКБ был заказан двигатель для автомобиля специального назначения «Таврия», Поспелов поставил задачу - спроектировать двигатель, который бы, кроме автомобиля «ЗАЗ», мог быть установлен в автомобиль ВАЗ-2108 без доработки кузова и трансмиссии. Что и было сделано. Двигатель получился на редкость удачным, первые же образцы без особых проблем прошли испытания в составе автомобилей «ВАЗ» и «ЗАЗ». Мощность этого двигателя 105 л.с. была достаточной для «Таврии» (максимальная скорость более 200 км/ч) и мала для переднеприводных автомобилей «ВАЗ», поэтому планировалась разработка двигателя большего рабочего объема для автомобилей семейства ВАЗ-2108. Но этому не суждено было случиться. 16 января 1987 г. умер Борис Сидорович Поспелов. Конструктор, энергичный и справедливый руководитель, достойный человек. На общем собрании СКБ РПД начальником был избран Владимир Андреевич ШНЯКИН.

Главным стратегическим направлением стало создание двигателей для авиации общего назначения. Автомобильный двигатель становится второстепенной работой, хотя производство устаревшей «классики» ВАЗ-21079 с карбюраторным РПД ВАЗ-4132 продолжается. Работы над двигателем для переднеприводных автомобилей «ВАЗ» были прекращены.

Бесспорно, в России с ее огромной территорией считается странным тот факт, что отсутствует авиация общего назначения, т.е. небольшие 2...7-местные самолеты. Привлекательна перспектива - быть монополистом на этом еще только зарождающемся рынке.

Но за этой привлекательностью кроется огромная работа по созданию целой отрасли, не существующей пока еще в нашем государстве. Огромны и технические проблемы, связанные с выполнением специфических авиационных требований, которые не имеют места при создании автомобильного мотора.

Необходимость финансирования услуг сторонних организаций не позволяет совсем отказаться от выпуска автомобилей с РПД. Это обстоятельство в 1994 г. заставляет заняться разработкой двигателя мощностью 140 л.с. для семейства автомобилей ВАЗ-2108. Работы ведутся спешно, в результате новый двигатель ВАЗ-415 имел много дефектов, устранить которые можно было только заменой двигателя. С большим трудом удалось устранить большинство из этих дефектов, выполнить российские нормы токсичности и получить сертификат, позволяющий продавать автомобиль с РПД. И все же это был и есть двигатель 80-х годов, с карбюратором.

Эксплуатация автомобилей с РПД показала наличие устойчивого спроса на автомобиль с повышенными динамическими качествами. Разгон автомобиля с РПД ВАЗ-415 до 100 км/ч составляет 9 сек. и максимальная скорость - 190 км/ч.

Но сегодня для продолжения производства требуется серьезная модернизация выпускаемого РПД ВАЗ-415. Это прежде всего внедрение мероприятий для выполнения современных норм токсичности и адаптация двигателя под семейство автомобилей ВАЗ-2110. И как ни странно, но, кроме технических проблем, обозначились и другие сложности.

Опыт работы СКБ над автомобильным и авиационным двигателями одновременно показал несовместимость этих работ по большинству конструкторских решений. Частично могут быть единой технологическая и производственные базы, а разработчики авиационного и автомобильного двигателей должны быть рядом, но отдельно. Требования к автомобильному и авиационному двигателям во многом противоположны. Так, например, режимы работы автомобильного двигателя, определяющие его экономичность и токсичность в городском цикле, для авиационного двигателя не регламентируются вообще. И наоборот: главные режимы работы авиационного мотора - «взлетный» и «крейсерский» - малозначимы для автомобильного двигателя. Особая проблема - материалы. Общепринятые в автомобилестроении материалы не могут быть применены для авиационного двигателя. Поэтому работа конструкторов одновременно и над авиационным, и над автомобильным двигателями малопродуктивна. Здесь требуется командная работа, когда конкретные люди занимаются конкретным делом.

Что касается техники, то современные технологии и электронные системы, внедренные за последние годы, позволяют в короткие сроки успешно решить все проблемы, связанные с экологией, ресурсом и топливной экономичностью, что и продемонстрировала Mazda. Очевидные преимущества РПД позволяют расширить мощностной ряд автомобилей «ВАЗ» и предложить покупателю, кроме массового автомобиля, динамичную высокоскоростную модель, демонстрируя тем самым, что заводу не чужды уникальные технологии. А это уже имидж и реклама. Все это реально.

Роторно-поршневой двигатель имеет достаточный потенциал, чтобы быть конкурентоспособным и равным среди лучших. А пока производство СКБ РПД продолжает выпуск автомобилей семейства ВАЗ-2108 с роторно-поршневым карбюраторным двигателем мощностью 140 л.с.

Технические характеристики роторно-поршневого двигателя (рпд) ВАЗ-4132 и ВАЗ-415