Най-известните и широко използвани механични устройства по света са двигателите вътрешно горене (по-долу ICE). Обхватът им е обширен и те се различават по редица характеристики, например броя на цилиндрите, броят на които може да варира от 1 до 24, използвани от горивото.

Работа на бутален двигател с вътрешно горене

Едноцилиндров двигател с вътрешно горене може да се счита за най-примитивен, небалансиран и с неравномерен ход, независимо от факта, че той е отправна точка при създаването на многоцилиндрови двигатели от ново поколение. Днес те се използват в авиационното моделиране, в производството на селскостопански, домакински и градински инструменти. За автомобилната индустрия широко се използват четирицилиндрови двигатели и по-солидни превозни средства.

Как функционира и от какво се състои?

Бутален двигател с вътрешно горене има сложна структура и се състои от:

• Тяло, което включва цилиндров блок, цилиндрова глава;
• Механизъм за разпределение на газ;
• Механизъм на манивела (по-долу KShM);
• Редица помощни системи.

KShM е връзка между енергията, отделяна по време на изгарянето на горивно-въздушната смес (наричана по-долу FA) в цилиндъра и коляновия вал, която осигурява движението на автомобила. Газоразпределителната система е отговорна за обмяната на газ по време на работа на блока: достъпът на атмосферни кислородни и горивни възли до двигателя и навременното отстраняване на газовете, образувани по време на горенето.

Устройството на най-простия бутален двигател

Представени са спомагателни системи:

• Всмукателен, осигуряващ кислород на двигателя;
• Гориво, представено от системата за впръскване на гориво;
• Запалване, осигуряващо искра и запалване на горивни възли за двигатели, работещи на бензин (дизеловите двигатели се отличават със самозапалване на сместа от високи температури);
• Система за смазване, която намалява триенето и износването на свързващи се метални части с използване на машинно масло;
• Охлаждаща система, която предотвратява прегряване на работните части на двигателя, циркулирайки специални течности като антифриз;
• Изпускателна система, която осигурява отвеждане на газовете в подходящ механизъм, състоящ се от изпускателни клапани;
• Система за управление, която следи работата на двигателя с вътрешно горене на електронно ниво.

Разглежда се основният работещ елемент в описания възел бутало на двигателя с вътрешно горене, която сама по себе си е сглобяема част.

Бутално устройство на двигателя с вътрешно горене

Стъпка по стъпка схема на функциониране

Работата на двигателя с вътрешно горене се основава на енергията на разширяващите се газове. Те са резултат от изгарянето на горивни възли вътре в механизма. Този физически процес принуждава буталото да се движи в цилиндъра. Гориво в този случай може да бъде:

• Течности (бензин, дизелово гориво);
• Газове;
• Въглероден оксид в резултат на изгаряне на твърди горива.

Работата на двигателя е непрекъснат затворен цикъл, състоящ се от определен брой удари. Най-често ICE са два вида, различаващи се по броя на циклите:

1. Двутактов, произвеждащ компресия и работен ход;
2. Четиритактов - характеризира се с четири етапа със същата продължителност: всмукване, компресия, работен ход и окончателно - освобождаване, това показва четирикратна промяна в позицията на основния работен елемент.

Началото на хода се определя от местоположението на буталото директно в цилиндъра:

• Горна мъртва точка (по-долу TDC);
• Долна мъртва точка (наричана по-долу BDC).

Изучавайки алгоритъма на четиритактовата проба, можете напълно да разберете принцип на работа на двигателя на автомобила.

Принципът на двигателя на автомобила

Приемането става чрез преминаване от горната мъртва точка през цялата кухина на работещия бутален цилиндър с едновременно прибиране на горивния възел. Въз основа на конструктивните съображения може да се получи смесване на входящите газове:

• Във всмукателния колектор това е важно, ако двигателят е бензинов двигател с разпределено или централно впръскване;
• В горивната камера, в случай на дизелов двигател, както и двигател, работещ на бензин, но с директно впръскване.

Първа мярка преминава с отворени клапани на входа на газоразпределителния механизъм. Броят на всмукателните и изпускателните клапани, времето, когато те остават отворени, техният размер и тяхното износване са фактори, които влияят върху мощността на двигателя. В началния етап на компресия буталото се поставя в BDC. Впоследствие той започва да се движи нагоре и да компресира натрупания горивен възел до размера, определен от горивната камера. Горивната камера е свободното пространство в цилиндъра, което остава между горната част и буталото в горната мъртва точка.

Втора мярка включва затваряне на всички клапани на двигателя. Херметичността на тяхното сцепление пряко влияе върху качеството на компресията на горивния агрегат и последващото му запалване. Също така, качеството на компресията на горивния агрегат се влияе значително от нивото на износване на компонентите на двигателя. Той се изразява в размера на пространството между буталото и цилиндъра, в херметичността на клапаните. Нивото на компресия на двигателя е основният фактор, влияещ върху мощността на двигателя. Измерва се чрез специално устройство, компресометър.

Работен удар стартира, когато процесът е свързан запалителна системагенерираща искра. В този случай буталото е в максимално горно положение. Сместа експлодира, газовете се отделят, създавайки повишено налягане и буталото се привежда в движение. Механизмът на манивелата от своя страна активира въртенето на коляновия вал, което осигурява движението на автомобила. Понастоящем всички клапани на системите са в затворено положение.

Такт на дипломирането е последният в разглеждания цикъл. Всичко изпускателни клапани са в отворено положение, позволявайки на двигателя да "издиша" продуктите от горенето. Буталото се връща в началната точка и е готово за стартиране на нов цикъл. Това движение насърчава изхвърлянето на отработените газове в изпускателната система и след това в околната среда.

Схема на работа на двигателя с вътрешно горене, както бе споменато по-горе, се основава на цикличност. След като разгледахме подробно, как работи буталният двигател, можем да обобщим, че ефективността на такъв механизъм е не повече от 60%. Този процент се дължи на факта, че в даден момент работният ход се извършва само в един цилиндър.

Не цялата енергия, получена по това време, е насочена към движението на автомобила. Част от него се изразходва за поддържане на маховика в движение, което по инерция осигурява работата на автомобила по време на останалите три удара.

Определено количество топлинна енергия неволно се изразходва за нагряване на тялото и отработените газове. Ето защо мощността на автомобилния двигател се определя от броя на цилиндрите и като следствие от така наречения обем на двигателя, изчислен по определена формула като общия обем на всички работещи цилиндри.

Основните типове двигатели с вътрешно горене и парни двигатели имат един общ недостатък. Състои се във факта, че възвратно-постъпателното движение изисква трансформация във въртеливо движение. Това от своя страна причинява ниска производителност, както и доста висока степен на износване на частите на механизма, включени в различни видове двигатели.

Доста хора мислеха как да създадат такъв мотор, в който подвижните елементи само да се въртят. Само един човек обаче успя да реши този проблем. Феликс Ванкел, самоук механик, става изобретател на ротационно-буталния двигател. По време на живота си този човек не е получил никаква специалност или висше образование. Нека разгледаме по-подробно ротационно-буталния двигател на Ванкел.

Кратка биография на изобретателя

Феликс Г. Ванкел е роден през 1902 г., на 13 август, в малкия град Лар (Германия). През Първата световна война бащата на бъдещия изобретател умира. Поради това Ванкел трябваше да напусне обучението си в гимназията и да си намери работа като продавач в книжарница в издателство. Благодарение на това той се пристрастява към четенето. Феликс учи спецификации двигатели, автомобилостроене, механика самостоятелно. Той черпеше знания от книги, които се продаваха в магазина. Смята се, че внедрената по-късно схема на двигателя на Ванкел (по-точно идеята за нейното създаване) е била посетена в сън. Не е известно дали това е вярно или не, но със сигурност може да се каже, че изобретателят е имал изключителни способности, жажда за механика и особена

Предимства и недостатъци

Преобразуващото се движение с възвратно-постъпателен характер напълно липсва в ротационен двигател. Образуването на налягане се случва в онези камери, които са създадени от изпъкналите повърхности на триъгълния ротор и различни части на корпуса. Роторът се върти чрез изгаряне. Това може да намали вибрациите и да увеличи скоростта на въртене. Благодарение на подобрената ефективност, ротационният двигател е много по-малък от конвенционалния бутален двигател с еквивалентна мощност.

Ротационният двигател има един основен компонент от всички. Този важен компонент се нарича триъгълен ротор, който се върти вътре в статора. И трите точки на ротора, благодарение на това въртене, са в постоянна комуникация с вътрешната стена на корпуса. С помощта на този контакт се образуват горивни камери или три обема от затворен тип с газ. Когато роторът се върти вътре в корпуса, обемът и на трите образувани горивни камери се променя през цялото време, наподобявайки действията на конвенционална помпа. И трите фланга на ротора действат като бутало.

Вътре в ротора има малка предавка с външни зъби, която е прикрепена към корпуса. Зъбното колело, което е с по-голям диаметър, е свързано с тази неподвижна предавка, която задава самата траектория на въртеливите движения на ротора вътре в корпуса. Зъбите в по-голямата предавка са вътрешни.

Поради факта, че заедно с изходния вал роторът е свързан ексцентрично, въртенето на вала е подобно на това как дръжката ще завърти коляновия вал. Изходният вал ще се завърти три пъти за всеки от оборотите на ротора.

Ротационният двигател има предимството, че е лек по тегло. Най-основният от ротационните блокове на двигателя е с малки размери и тегло. В същото време управляемостта и характеристиките на такъв двигател ще бъдат по-добри. По-малко тегло се получава поради факта, че просто няма нужда от колянов вал, свързващи щанги и бутала.

Ротационният двигател има размери, които са много по-малки от конвенционалните двигатели със съответната мощност. Благодарение на по-малкия размер на двигателя, управлението ще бъде много по-добро, а самата кола ще стане по-просторна както за пътниците, така и за водача.

Всички части на ротационния двигател извършват непрекъснати въртеливи движения в една и съща посока. Промяната в тяхното движение се случва по същия начин, както при буталата на традиционен двигател. Роторните двигатели са вътрешно балансирани. Това води до намаляване на самото ниво на вибрации. Мощността на ротационния двигател изглежда много по-гладка и по-равномерна.

Двигателят на Ванкел има изпъкнал специален ротор с три ръба, който може да се нарече негово сърце. Този ротор се върти в цилиндричната повърхност на статора. Роторният двигател Mazda е първият ротационен двигател в света, който е разработен специално за масово производство. Това развитие е започнато през далечната 1963 година.

Какво е RAP?

В класически четиритактов двигател един и същ цилиндър се използва за различни операции - впръскване, компресия, изгаряне и изпускане.В ротационен двигател всеки процес се извършва в отделно отделение на камерата. Ефектът не се различава много от разделянето на цилиндъра на четири отделения за всяка от операциите.
В буталния двигател налягането се натрупва, докато сместа изгаря, което кара буталата да се движат напред-назад в своите цилиндри. Свързващите щанги и коляновия вал преобразуват това тласкащо движение във въртеливо движение, необходимо за преместване на автомобила.
В ротационен двигател няма праволинейно движение, което би трябвало да се превърне във въртеливо движение. Налягането се натрупва в едно от отделенията на камерата, което кара ротора да се върти, което намалява вибрациите и увеличава потенциалната скорост на двигателя. Резултатът е по-голяма ефективност и по-малки размери за същата мощност като конвенционалния бутален двигател.

Как работи RAP?

Функцията на буталото в RPD се изпълнява от три върхов ротор, който преобразува силата на налягането на газа във въртеливото движение на ексцентричния вал. Движението на ротора спрямо статора (външната обвивка) се осигурява от двойка зъбни колела, едната от които е здраво закрепена към ротора, а втората към страничния капак на статора. Самата предавка е фиксирана към корпуса на двигателя. При него роторното зъбно колело е закрепено със зъбно колело, като че ли се търкаля около него.
Валът се върти в лагери, поставени върху корпуса, и има цилиндричен ексцентрик, върху който се върти роторът. Взаимодействието на тези зъбни колела осигурява целесъобразно движение на ротора спрямо корпуса, в резултат на което се образуват три отделни камери с променлив обем. Съотношението на предавките е 2: 3, следователно при един оборот на ексцентричния вал роторът се връща на 120 градуса и за пълен оборот на ротора се случва пълен четиритактов цикъл във всяка от камерите.

Обменът на газ се регулира от горната част на ротора, когато преминава през входните и изходните отвори. Този дизайн позволява 4-тактов цикъл, без да се използва специален механизъм за синхронизация на клапаните.

Камерите са уплътнени от радиални и крайни уплътнителни плочи, притиснати към цилиндъра чрез центробежни сили, газово налягане и лентови пружини. Въртящият момент се получава в резултат на действието на газови сили през ротора върху вала ексцентрично Смесване, възпаление, смазване, охлаждане, стартиране - по същество са същите като при конвенционален бутален двигател с вътрешно горене

Образуване на смес

На теория RAP използва няколко вида образуване на смеси: външни и вътрешни, базирани на течни, твърди, газообразни горива.
По отношение на твърдите горива трябва да се отбележи, че те първоначално се газифицират в газови генератори, тъй като водят до повишено образуване на пепел в цилиндрите. Следователно газообразните и течните горива стават все по-широко разпространени на практика.
Самият механизъм на образуване на смес в двигателите на Ванкел ще зависи от вида на използваното гориво.
Когато се използва газообразно гориво, то се смесва с въздух в специално отделение на входа на двигателя. Горимата смес влиза в цилиндрите в готов вид.

Сместа се приготвя от течно гориво, както следва:

1. Въздухът се смесва с течно гориво преди да влезе в цилиндрите, където горивната смес навлиза.
2. Течното гориво и въздух влизат отделно в цилиндрите на двигателя и вече вътре в цилиндъра те се смесват. Работната смес се получава чрез контакт с остатъчни газове.

Съответно, сместа гориво-въздух може да се приготви извън или вътре в цилиндрите. От това произтича отделянето на двигатели с вътрешно или външно образуване на смес.

Спецификации на ротационния бутален двигател

произведени модели

Ефективност на конструкцията с въртящо се бутало

Въпреки редица недостатъци, проучванията показват, че общата ефективност на двигателя на Ванкел е доста висока според съвременните стандарти. Стойността му е 40 - 45%. За сравнение, за буталните двигатели с вътрешно горене ефективността е 25%, за съвременните турбодизели - около 40%. Най-висока ефективност за буталото дизелови двигатели е 50%. Досега учените продължават да работят за намиране на резерви за подобряване на ефективността на двигателите.

Крайната ефективност на работата на двигателя се състои от три основни части:

Изследванията в тази област показват, че само 75% от горивото е напълно изгорено. Смята се, че този проблем се решава чрез разделяне на изгарянето и разширяването на газовете. Необходимо е да се предвиди подреждането на специални камери при оптимални условия. Изгарянето трябва да става в затворен обем, при повишаване на температурата и налягането, процесът на разширяване трябва да се извършва при ниски температури.

1. Механична ефективност (характеризира работата, която е довела до образуването на въртящия момент на главната ос, предаван на потребителя).

Около 10% от работата на мотора се изразходва за задвижване на спомагателни възли и механизми. Този дефект може да бъде коригиран чрез промени в конструкцията на двигателя: когато основният движещ се работен елемент не докосва неподвижното тяло. По цялото траекторията на основния работен елемент трябва да присъства рамо с постоянен въртящ момент.

1. Топлинна ефективност (показател, отразяващ количеството топлинна енергия, генерирана от изгарянето на гориво, което се превръща в полезна работа).

На практика 65% от генерираната топлинна енергия се изпарява с отпадъчни газове през външна среда... Редица проучвания показват, че е възможно да се постигне увеличаване на показателите за топлинна ефективност в случая, когато конструкцията на двигателя би позволила изгарянето на гориво в топлоизолирана камера, така че от самото начало да се достигнат максималните температурни стойности, а в края тази температура да се намали до минимални стойности чрез включване на фазата на парите.

Ротационен бутален двигател Wankel

Както бе споменато по-горе, термичното разширение се използва в двигателя с вътрешно горене. Но как се прилага и каква функция изпълнява, ще разгледаме, като използваме примера за работата на бутален двигател с вътрешно горене. Двигателят е машина с енергийна мощност, която преобразува всяка енергия в механична работа. Двигателите, при които се създава механична работа в резултат на преобразуването на топлинната енергия, се наричат \u200b\u200bтоплинни двигатели. Топлинната енергия се получава чрез изгаряне на всяко гориво. Топлинен двигател, при който част от химическата енергия на горивото, изгорено в работната кухина, се превръща в механична енергия, се нарича бутален двигател с вътрешно горене. (Съветски енциклопедичен речник)

3. 1. Класификация на двигателите с вътрешно горене

Както бе споменато по-горе, ДВЗ, при които процесът на изгаряне на гориво с отделянето на топлина и превръщането му в механична работа, се извършва директно в цилиндрите, е най-широко разпространен като електроцентрали за автомобили. Но в повечето съвременни автомобили са инсталирани двигатели с вътрешно горене, които се класифицират според различни критерии: По метода на образуване на смес - двигатели с външно образуване на смес, при които горимата смес се приготвя извън цилиндрите (карбуратор и газ) и двигатели с вътрешно образуване на смес (работната смес се формира вътре в цилиндрите) -дизели; По начин на изпълнение на работния цикъл - четиритактов и двутактов; Според броя на цилиндрите - едноцилиндров, двуцилиндров и многоцилиндров; Според разположението на цилиндрите - двигатели с вертикално или наклонено разположение на цилиндрите в един ред, V-образни с разположение на цилиндрите под ъгъл (с разположение на цилиндрите под ъгъл 180, двигателят се нарича двигател с противоположни цилиндри, или противоположен); По метод на охлаждане - за двигатели с течно или въздушно охлаждане; По вида на използваното гориво - бензин, дизел, газ и много гориво; От степента на компресия. В зависимост от степента на компресия се прави разлика между

двигатели с висока (E \u003d 12 ... 18) и ниска (E \u003d 4 ... 9) компресия; Чрез метода за пълнене на цилиндъра със свеж заряд: а) атмосферни двигатели, в които се впръсква въздух или горима смес поради вакуум в цилиндъра по време на хода на засмукване на буталото;) двигатели с компресор, при които въздух или горима смес се инжектират в работния цилиндър под налягане, създаден от компресора, за да увеличи заряда и да получи увеличена мощност на двигателя; Според честотата на въртене: нискоскоростни, високоскоростни, високоскоростни; По предназначение се отличават стационарни двигатели, автотрактор, кораб, дизел, авиация и др.

3.2. Основи на буталния двигател с вътрешно горене

Буталните двигатели с вътрешно горене се състоят от механизми и системи, които изпълняват възложените им функции и взаимодействат помежду си. Основните части на такъв двигател са кривошипният механизъм и газоразпределителният механизъм, както и системите за захранване, охлаждане, запалване и смазване.

Механизмът на манивелата преобразува праволинейното възвратно-постъпателно движение на буталото във въртеливо движение на коляновия вал.

Механизмът за разпределение на газ осигурява навременното постъпване на горимата смес в цилиндъра и отстраняването на продуктите от горенето от него.

Електрическата система е предназначена за приготвяне и подаване на горима смес в цилиндъра, както и за отстраняване на продуктите от горенето.

Системата за смазване служи за подаване на масло към взаимодействащите части с цел намаляване на силата на триене и частичното им охлаждане, заедно с това циркулацията на маслото води до измиване на въглеродните отлагания и отстраняване на продуктите от износване.

Охлаждащата система поддържа нормална работна температура на двигателя, осигурявайки отвеждане на топлината от частите на цилиндрите на буталната група и клапанния механизъм, които са много горещи по време на изгарянето на работната смес.

Системата за запалване е проектирана да запали работната смес в цилиндъра на двигателя.

И така, четиритактовият бутален двигател се състои от цилиндър и картер, който е затворен отдолу с картер. Вътре в цилиндъра се движи бутало с компресионни (уплътняващи) пръстени под формата на стъкло с дъно в горната част. Буталото е свързано чрез бутален болт и свързващ прът към коляновия вал, който се върти в основните лагери, разположени в картера. Коляновият вал се състои от основни списания, бузи и свързваща щанга. Цилиндърът, буталото, свързващият прът и коляновият вал съставляват така наречения механизъм на манивела. Отгоре цилиндърът е покрит с глава с клапани, чието отваряне и затваряне е строго координирано с въртенето на коляновия вал и, следователно, с движението на буталото.

Движението на буталото е ограничено до две крайни положения, при които скоростта му е нула. Най-горната позиция на буталото се нарича горна мъртва точка (TDC), най-долната му позиция е долната мъртва точка (BDC).

Безспирното движение на буталото през мъртвия център се осигурява от маховик под формата на диск с масивна джанта. Разстоянието, изминато от буталото от TDC до BDC, се нарича ход на буталото S, който е равен на удвоения радиус R на манивелата: S \u003d 2R.

Пространството над короната на буталото, когато е в TDC, се нарича горивна камера; неговият обем се обозначава с Vc; пространството на цилиндъра между две мъртви точки (BDC и TDC) се нарича неговият работен обем и се обозначава с Vh. Сумата от обема на горивната камера Vc и работния обем Vh е общият обем на цилиндъра Va: Va \u003d Vc + Vh. Работният обем на цилиндъра (измерва се в кубични сантиметри или метри): Vh \u003d pD ^ 3 * S / 4, където D е диаметърът на цилиндъра. Сборът от всички работни обеми на цилиндрите на многоцилиндров двигател се нарича работен обем на двигателя, той се определя по формулата: Vр \u003d (pD ^ 2 * S) / 4 * i, където i е броят на цилиндрите. Съотношението на общия обем на цилиндъра Va към обема на горивната камера Vc се нарича степен на компресия: E \u003d (Vc + Vh) Vc \u003d Va / Vc \u003d Vh / Vc + 1. Степента на компресия е важен параметър за двигателите с вътрешно горене, тъй като оказва силно влияние върху неговата ефективност и мощност.

Ротационен бутален двигател(RPD), или двигател на Ванкел. Двигател с вътрешно горене, разработен от Феликс Ванкел през 1957 г. в сътрудничество с Валтер Фройд. В RPD функцията на буталото се изпълнява от три върхов (триъгълен) ротор, който прави въртеливи движения вътре в кухина със сложна форма. След вълната от експериментални модели автомобили и мотоциклети през 60-те и 70-те години на ХХ век интересът към RPD намалява, въпреки че редица компании все още работят за подобряване на дизайна на двигателя на Ванкел. В момента RPD е оборудван с леки автомобили mazda... Ротационният бутален двигател намира приложение в моделирането.

Принцип на действие

Силата на налягането на газа от изгорялата въздушно-горивна смес задвижва ротора, който е монтиран върху ексцентричния вал чрез лагери. Движението на ротора спрямо корпуса на двигателя (статора) се осъществява чрез двойка зъбни колела, една от които с по-голям размер е фиксирана върху вътрешната повърхност на ротора, а втората, поддържаща една, с по-малък размер, е здраво закрепена към вътрешната повърхност на страничния капак на двигателя. Взаимодействието на зъбните колела води до факта, че роторът прави кръгови ексцентрични движения, докосвайки ръбовете с вътрешната повърхност на горивната камера. В резултат на това между ротора и корпуса на двигателя се образуват три изолирани камери с променлив обем, в които протичат процесите на компресия на горивно-въздушната смес, нейното изгаряне, разширяване на газовете, оказващи натиск върху работната повърхност на ротора и почистване на горивната камера от отработените газове. Ротационното движение на ротора се предава на ексцентричен вал, монтиран на лагери и предаващ въртящ момент към трансмисионните механизми. По този начин две механични двойки работят едновременно в RPD: първата регулира движението на ротора и се състои от двойка зъбни колела; а вторият преобразува кръговото движение на ротора във въртене на ексцентричния вал. Предавателното отношение на роторните и статорните зъбни колела е 2: 3, следователно при един пълен оборот на ексцентричния вал роторът има време да се завърти на 120 градуса. На свой ред, за един пълен оборот на ротора във всяка от трите камери, образувани от неговите ръбове, се извършва пълен четиритактов цикъл на двигателя с вътрешно горене.
rPD схема
1 - входен прозорец; 2 изходен прозорец; 3 - калъф; 4 - горивна камера; 5 - фиксирана предавка; 6 - ротор; 7 - зъбно колело; 8 - вал; 9 - свещ

Предимства на RPD

Основното предимство на ротационния бутален двигател е неговата простота на дизайн. RPD има 35-40 процента по-малко части от четиритактовия бутален двигател. В RPD липсват бутала, свързващи щанги и колянов вал. В "класическата" версия на RPD също няма механизъм за разпределение на газ. Сместа гориво-въздух навлиза в работната кухина на двигателя през входящия прозорец, който отваря ръба на ротора. Отработените газове се отвеждат през изпускателния отвор, който отново пресича ръба на ротора (това напомня на устройството за разпределение на газ на двутактов бутален двигател).
Специално споменаване заслужава системата за смазване, която на практика липсва в най-простата версия на RPD. Маслото се добавя към горивото, точно както при двутактовите мотоциклетни двигатели. Двойките на триене (предимно роторът и работната повърхност на горивната камера) се смазват от самата смес гориво-въздух.
Тъй като масата на ротора е малка и лесно се балансира от масата на ексцентричните противотежести на вала, RPD има ниско ниво на вибрации и добра равномерност на работа. В автомобилите с RPD е по-лесно да балансирате двигателя, като сте постигнали минимално ниво на вибрации, което има добър ефект върху комфорта на автомобила като цяло. Двигателите с два ротора са особено гладко работещи, при които самите ротори са балансиращи вибрации.
Друго атрактивно качество на RPD е високата плътност на мощността при високи обороти ексцентричен вал. Това прави възможно постигането на отлични скоростни характеристики от автомобил с RPD с относително нисък разход на гориво. Ниската инерция на ротора и увеличената плътност на мощността в сравнение с буталните двигатели с вътрешно горене подобряват динамиката на автомобила.
И накрая, важно предимство на RPD е неговият малък размер. Ротационен двигател е приблизително половината от размера на бутален четиритактов двигател със същата мощност. И това дава възможност за по-ефективно използване на пространството на двигателното отделение, по-точно изчисляване на местоположението на трансмисионните възли и натоварването на предния и задния мост.

Недостатъци на RPD

Основният недостатък на ротационния бутален двигател е ниската ефективност на уплътняване на процепа между ротора и горивната камера. Роторът RPD със сложна форма изисква надеждни уплътнения не само по краищата (и има четири от тях на всяка повърхност - две отгоре, две на страничните ръбове), но и на страничната повърхност в контакт с капаците на двигателя. В този случай уплътненията са направени под формата на пружинени ленти от високолегирана стомана с особено прецизна обработка както на работните повърхности, така и на краищата. Допустимите отклонения за разширяване на метала от нагряване, включени в конструкцията на уплътненията, влошават техните характеристики - почти е невъзможно да се избегне пробивът на газове в крайните секции на уплътнителните плочи (при бутални двигатели се използва лабиринтният ефект, като се уплътняват пръстените с пролуки в различни посоки).
През последните години надеждността на пломбите се увеличи драстично. Дизайнерите са намерили нови материали за пломбите. Все още обаче не е необходимо да се говори за някакъв пробив. Уплътненията все още са пречка за RPD.
Сложната уплътнителна система на ротора изисква ефективно смазване на триещите се повърхности. RPD консумира повече масло от четиритактовия бутален двигател (от 400 грама до 1 килограм на 1000 километра). В този случай маслото изгаря заедно с горивото, което има лош ефект върху екологичността на двигателите. В отработените газове на RPD има повече вещества, опасни за човешкото здраве, отколкото в отработените газове на буталните двигатели.
Налагат се специални изисквания за качеството на маслата, използвани в RPD. Това се дължи, първо, на тенденцията към повишено износване (поради голямата площ на допиращите се части - ротора и вътрешната камера на двигателя), и второ, до прегряване (отново поради повишено триене и поради малкия размер на самия двигател ). За RPD нередовната смяна на маслото е смъртоносна - тъй като абразивните частици в старото масло драстично увеличават износването на двигателя и хипотермията на двигателя. Стартирането на студен двигател и недостатъчното нагряване води до факта, че има малко смазване в контактната зона на уплътненията на ротора с повърхността на горивната камера и страничните капаци. Ако буталният двигател се задръсти при прегряване, тогава RPD най-често - по време на стартиране на студен двигател (или при шофиране в студено време, когато охлаждането е прекомерно).
В общи линии работна температура RPD е по-висока от тази на буталните двигатели. Най-термично натоварената зона е горивната камера, която има малък обем и съответно повишена температура, което усложнява процеса на запалване на горивно-въздушната смес (RPD, поради разширената форма на горивната камера, са склонни към детонация, което също може да се отдаде на недостатъците на този тип двигатели). Оттук и взискателността на RPD към качеството на свещите. Обикновено те се инсталират в тези двигатели по двойки.
Ротационните бутални двигатели с отлични характеристики на мощност и скорост са по-малко гъвкави (или по-малко еластични) от буталните двигатели. Те осигуряват оптимална мощност само при достатъчно високи обороти, което принуждава дизайнерите да използват RPD, сдвоени с многостепенни скоростни кутии и усложнява дизайна автоматични кутии предавка. В крайна сметка RPD не са толкова икономични, колкото би трябвало да бъдат на теория.

Практическо приложение в автомобилната индустрия

RPD са били най-широко използвани в края на 60-те и началото на 70-те години на миналия век, когато патентът за двигателя на Ванкел е закупен от 11 водещи производители на автомобили в света.
През 1967 г. германската компания NSU пуска сериал кола бизнес класа NSU Ro 80. Този модел се произвежда в продължение на 10 години и се продава по целия свят в размер на 37 204 копия. Автомобилът беше популярен, но недостатъците на инсталирания в него RPD в крайна сметка развалиха репутацията на тази прекрасна кола. На фона на трайни конкуренти моделът NSU Ro 80 изглеждаше „блед“ - пробегът преди основен ремонт на двигателя с декларираните 100 хиляди километра не надвишаваше 50 хиляди.
Концернът Citroen, Mazda, VAZ експериментира с RPD. Най-големият успех беше постигнат от Mazda, която пусна своя лек автомобил с RPD през 1963 г., четири години преди появата на NSU Ro 80. Днес Mazda оборудва спортни автомобили от серията RX с RPD. Модерни автомобили Mazda RX-8 е пощадена от много от недостатъците на RPD на Феликс Ванкел. Те са доста екологични и надеждни, въпреки че се считат за "капризни" сред собствениците на автомобили и специалистите по ремонт.

Практическо приложение в мотоциклетната индустрия

През 70-те и 80-те години някои производители на мотоциклети експериментират с RPD - Hercules, Suzuki и други. В момента малкото производство на „ротационни“ мотоциклети е установено само в Нортън, който произвежда модела NRV588 и подготвя мотоциклета NRV700 за серийно производство.
Norton NRV588 е спортен велосипед, оборудван с двигател с два ротора с общ обем 588 кубически сантиметра и мощност 170 конски сили... При сухо тегло на мотоциклет от 130 кг, съотношението мощност / тегло на спортния велосипед изглежда буквално непосилно. Двигателят на тази машина е оборудван с променливи всмукателни системи и електронно инжектиране гориво. Всичко, което е известно за NRV700, е, че мощността на RPD на този спортен велосипед ще достигне 210 к.с.

Ротационно-бутален двигател или двигател на Ванкел е двигател, при който планетарните кръгови движения се извършват като основен работен елемент. Това е коренно различен тип двигател, различен от аналозите на буталата в семейството ICE.

При проектирането на такава единица се използва ротор (бутало) с три лица, външно образуващ триъгълник на Reuleaux, който извършва кръгови движения в цилиндър със специален профил. Най-често повърхността на цилиндъра се изпълнява по епитрохоида (плоска крива, получена от точка, която е твърдо свързана с кръг, който се движи по външната страна на друг кръг). На практика можете да намерите цилиндър и ротор с други форми.

Компоненти и принцип на действие

Устройството на двигателя тип RPD е изключително просто и компактно. На оста на агрегата е монтиран ротор, който е здраво свързан към зъбното колело. Последният се свързва със статора. Роторът, който има три лица, се движи по епитрохоидалната цилиндрична равнина. В резултат на това променящите се обеми на работните камери на цилиндъра се отрязват с помощта на три клапана. Уплътнителните плочи (краен и радиален тип) се притискат към цилиндъра с газ и чрез центростремителни сили и лентови пружини. Оказва се 3 изолирани камери с различни обемни размери. Тук се извършват процесите на компресиране на входящата смес от гориво и въздух, разширяване на газовете, упражняване на натиск върху работната повърхност на ротора и почистване на горивната камера от газове. Кръговото движение на ротора се предава на ексцентричната ос. Самата ос е върху лагери и предава въртящия момент към трансмисионните механизми. В тези двигатели работят две механични двойки едновременно. Едната, която се състои от зъбни колела, регулира движението на самия ротор. Другият преобразува въртеливото движение на буталото във въртеливо движение на ексцентричната ос.

Ротационни бутални части на двигателя

Принцип на работа на двигателя на Ванкел

Използвайки примера на двигатели, инсталирани на автомобили VAZ, могат да се нарекат следните технически характеристики:
- 1.308 cm3 - работният обем на камерата RPD;
- 103 kW / 6000 min-1 - номинална мощност;
- 130 кг тегло на двигателя;
- 125 000 км - живот на двигателя преди първия му пълен ремонт.

Образуване на смес

На теория RAP използва няколко вида образуване на смеси: външни и вътрешни, базирани на течни, твърди, газообразни горива.
По отношение на твърдите горива трябва да се отбележи, че те първоначално се газифицират в газови генератори, тъй като водят до повишено образуване на пепел в цилиндрите. Следователно газообразните и течните горива стават все по-широко разпространени на практика.
Самият механизъм на образуване на смес в двигателите на Ванкел ще зависи от вида на използваното гориво.
Когато се използва газообразно гориво, то се смесва с въздух в специално отделение на входа на двигателя. Горимата смес влиза в цилиндрите в готов вид.

Сместа се приготвя от течно гориво, както следва:

1. Въздухът се смесва с течно гориво преди да влезе в цилиндрите, където горивната смес навлиза.
2. Течното гориво и въздух влизат отделно в цилиндрите на двигателя и вече вътре в цилиндъра те се смесват. Работната смес се получава чрез контакт с остатъчни газове.

Съответно, сместа гориво-въздух може да се приготви извън или вътре в цилиндрите. От това произтича отделянето на двигатели с вътрешно или външно образуване на смес.

Характеристики на RPD

Ползи

Предимствата на ротационните бутални двигатели в сравнение със стандартните бензинови двигатели:

- Ниски нива на вибрации.
При двигателите от тип RPD няма преобразуване на възвратно-постъпателно движение във въртеливо движение, което позволява на устройството да издържа на високи скорости с по-малко вибрации.

- Добро динамично представяне.
Благодарение на своя дизайн, такъв мотор, инсталиран в автомобила, му позволява да ускорява над 100 км / ч при високи скорости без прекомерно натоварване.

- Добра плътност на мощността с ниско тегло.
Поради липсата на колянов вал и свързващи щанги в конструкцията на двигателя се постига малка маса движещи се части в RPD.

- В двигатели от този тип практически няма система за смазване.
Маслото се добавя директно към горивото. Самата смес гориво-въздух смазва триещите се двойки.

- Ротационно-буталният двигател има малки габаритни размери.
Инсталираният ротационен бутален двигател позволява максимално използване на полезното пространство на моторното отделение на автомобила, равномерно разпределение на товара върху осите на автомобила и по-добро изчисляване на местоположението на елементите и възлите на редуктора. Например, четиритактов двигател със същата мощност би бил два пъти по-голям от ротационен двигател.

Недостатъци на двигателя на Ванкел

- Качеството на моторното масло.
При работа с този тип двигатели трябва да се обърне дължимото внимание на качествения състав на маслото, използвано в двигателите на Ванкел. Роторът и камерата на двигателя вътре имат голяма контактна площ, съответно износването на двигателя е по-бързо и такъв двигател постоянно прегрява. Нередовната смяна на маслото отнема огромна жертва на двигателя. Износването на двигателя се увеличава значително поради наличието на абразивни частици в използваното масло.

- Качеството на свещите.
Операторите на такива двигатели трябва да бъдат особено взискателни към качеството на свещите. В горивната камера, поради малкия си обем, удължена форма и висока температура, процесът на запалване на сместа е труден. Последицата е повишена работна температура и периодична детонация на горивната камера.

- Материали от уплътняващи елементи.
Значителен недостатък в двигателя тип RPD е ненадеждната организация на пролуките между камерата, където горивото гори и ротора. Устройството на ротора на такъв двигател е доста сложно, поради което са необходими уплътнения както по краищата на ротора, така и върху страничната повърхност, която е в контакт с капаците на двигателя. Повърхностите, които са подложени на триене, трябва постоянно да се смазват, което води до увеличена консумация масла. Практиката показва, че двигателят тип RPD може да консумира от 400 g до 1 kg масло на всеки 1000 км. Екологичните характеристики на двигателя са намалени, тъй като горивото изгаря заедно с маслото, в резултат на което в околната среда се отделя голямо количество вредни вещества.

Поради недостатъците си такива двигатели не се използват широко в автомобилната индустрия и в производството на мотоциклети. Но на базата на RPD се произвеждат компресори и помпи. Моделните самолетостроители често използват такива двигатели, за да проектират своите модели. Поради ниските изисквания за ефективност и надеждност, дизайнерите не използват сложна система от уплътнения в такива двигатели, което значително намалява цената му. Простотата на дизайна му позволява лесно да се интегрира в самолетен модел.

Ефективност на конструкцията с въртящо се бутало

Въпреки редица недостатъци, проучванията показват, че общата ефективност на двигателя на Ванкел е доста висока според съвременните стандарти. Стойността му е 40 - 45%. За сравнение, за буталните двигатели с вътрешно горене ефективността е 25%, за съвременните турбодизели тя е около 40%. Най-високата ефективност на буталните дизелови двигатели е 50%. Досега учените продължават да работят за намиране на резерви за подобряване на ефективността на двигателите.

Крайната ефективност на работата на двигателя се състои от три основни части:

1. Горивна ефективност (индикатор, характеризиращ рационалното използване на горивото в двигателя).

Изследванията в тази област показват, че само 75% от горивото е напълно изгорено. Смята се, че този проблем се решава чрез разделяне на изгарянето и разширяването на газовете. Необходимо е да се предвиди подреждането на специални камери при оптимални условия. Изгарянето трябва да става в затворен обем, при повишаване на температурата и налягането, процесът на разширяване трябва да се извършва при ниски температури.

1. Механична ефективност (характеризира работата, която е довела до образуването на въртящия момент на главната ос, предаван на потребителя).

Около 10% от работата на мотора се изразходва за задвижване на спомагателни възли и механизми. Този дефект може да бъде коригиран чрез промени в конструкцията на двигателя: когато основният движещ се работен елемент не докосва неподвижното тяло. По цялото траекторията на основния работен елемент трябва да присъства рамо с постоянен въртящ момент.

1. Топлинна ефективност (показател, отразяващ количеството топлинна енергия, генерирана от изгарянето на гориво, което се превръща в полезна работа).

На практика 65% от получената топлинна енергия се изхвърля с отработените газове във външната среда. Редица проучвания показват, че е възможно да се постигне увеличаване на показателите за топлинна ефективност в случая, когато конструкцията на двигателя би позволила изгарянето на гориво в топлоизолирана камера, така че от самото начало да се достигнат максималните температурни стойности и в края тази температура да се намали до минимални стойности чрез включване на фазата на парите.

Текущото състояние на ротационния бутален двигател

Значителни технически затруднения пречат на масовото прилагане на двигателя:
- разработване на висококачествен работен процес в неблагоприятна камера;
- осигуряване на херметичност на запечатването на работните обеми;
- проектиране и създаване на структурата на частите на тялото, които надеждно ще обслужват целия жизнен цикъл на двигателя, без да се изкривяват при неравномерно нагряване на тези части.
В резултат на огромната научноизследователска и развойна дейност, тези фирми успяха да решат почти всички най-сложни технически проблеми по пътя на създаването на RPD и да влязат в етапа на тяхното индустриално производство.

Първото масово произведено превозно средство NSU Spider с RPD беше пуснато от NSU Motorenwerke. Поради честите ремонти на двигателя поради гореспоменатите технически проблеми на ранен етап от развитието на дизайна на двигателя на Ванкел, поетата от NSU гаранция го доведе до финансова разруха и фалит и последващо сливане с Audi през 1969 г.
Между 1964 и 1967 г. са произведени 2375 автомобила. През 1967 г. Spider е спрян и заменен от NSU Ro80 с ротационен двигател от второ поколение; за десет години производство на Ro80 са произведени 37398 автомобила.

Инженерите на Mazda са се справили най-успешно с тези проблеми. Той остава единственият масов производител на машини с ротационни бутални двигатели. Модифицираният двигател започна да се инсталира последователно автомобил Mazda RX-7 от 1978г. От 2003 г. наследството е взето модел на Mazda RX-8, в момента е масовата и единствена версия на автомобила с двигател на Ванкел.

Руски RPD

Първото споменаване на ротационен двигател в Съветския съюз датира от 60-те години. Изследователската работа върху ротационните бутални двигатели започва през 1961 г., съгласно съответното постановление на Министерството на автомобилната индустрия и Министерството на земеделието на СССР. Промишленото проучване с по-нататъшното заключение за производството на този дизайн започва през 1974 г. във VAZ. специално за това е създадено Специалното конструкторско бюро за ротационни бутални двигатели (SKB RPD). Тъй като нямаше начин да закупите лиценз, серийният "Wankel" от NSU Ro80 беше разглобен и копиран. На тази основа е разработен и сглобен двигателят Vaz-311 и това значимо събитие се е случило през 1976 година. VAZ разработи цяла гама RPD от 40 до 200 здрави двигатели... Завършването на дизайна се проточи почти шест години. Беше възможно да се решат редица технически проблеми, свързани с работоспособността на уплътненията, лагерите за скрепер на газ и масло, да се отстрани ефективен работен процес в камера с неблагоприятна форма. VAZ представи на публиката първата си серийна кола с ротационен двигател под предния капак през 1982 г. Това беше VAZ-21018. Външно и структурно автомобилът беше като всички модели от тази линия, с едно изключение, а именно едносекционен ротационен двигател с мощност 70 к.с. беше под капака. Продължителността на разработката не попречи на неудобството: при всичките 50 прототипа по време на работа възникнаха повреди на двигателя, което принуди централата да замени конвенционалното бутало на негово място.

VAZ 21018 с ротационен бутален двигател

След като установиха, че причината за неизправността е вибрацията на механизмите и ненадеждността на пломбите, дизайнерите се ангажираха да спасят проекта. Още през 83-та се появиха двусекционни Vaz-411 и Vaz-413 (с мощност съответно 120 и 140 к.с.). Въпреки ниската ефективност и малкия ресурс, обхватът на приложение на ротационния двигател все още беше открит - КАТ, КГБ и Министерството на вътрешните работи изискваха мощни и незабележими превозни средства. Жигули и Волга, оборудвани с ротационни двигатели, лесно биха могли да настигнат чуждестранните автомобили.

От 80-те години на 20-ти век SKB е очарован от нова тема - използването на ротационни двигатели в свързана индустрия - авиацията. Отклонението от основната индустрия на приложението RPD доведе до факта, че за автомобилите с предно предаване роторният двигател VAZ-414 е създаден едва до 1992 г. и дори три години по-късно. През 1995 г. Vaz-415 е подаден за сертифициране. За разлика от своите предшественици, той е универсален и може да се монтира под капака както на задно предаване ("класически" и GAZ), така и на автомобили с предно предаване (VAZ, Moskvich). Двусекционният "Ванкел" има работен обем от 1308 см 3 и развива мощност от 135 к.с. при 6000 об / мин "Деветдесет и девети" той ускорява до сто за 9 секунди.

Ротационен бутален двигател VAZ-414

В момента проектът за разработване и внедряване на вътрешния РПУ е замразен.

По-долу има видеозапис на устройството и работата на двигателя на Ванкел.