Роторно-поршневі двигуни

 

Рисунок 17.4. Роторно-поршневий ДВЗ (Mazda Renesis, кращий двигун 2003 р.)

 

У роторних (1.3) (роторно-поршневих) двигунах (рис. 17.4) усунено зворотно-

поступальний рух поршнів, однак, на відміну від турбін, зберігається циклічність

термодинамічних процесів. Ротор, що має складну форму, разом з корпусом утворює замкнуті

порожнини, об`єм яких у часі змінюється аналогічно зміні робочих об`ємів у звичайному

поршневому двигуні. Унаслідок відсутності поступально рухомих мас є можливість значно

збільшити число обертів цих двигунів і, отже, підвищити потужність з одиниці робочого об`єму

циліндра. Ці двигуни при збереженні приблизно однакової економічності значно компактніше за

звичайні поршневі. Головною перешкодою для їхнього широкого поширення є труднощі

створення надійного ущільнення камер згоряння. Принцип обертового поршня відомий з XVI

століття, однак про серйозне конструктивне рішення можна говорити тільки з моменту появи

двигуна Ф.Ванкеля (Німеччина) у 1957 р.

У роторно-поршневому двигуні (РПД) ротор („дельтроїд”), що має форму трикутника, зі

сторонами, описаними дугами, обертається вільно на підшипниках на ексцентриковому валу, що

у той же час є валом відбору потужності (рис. 17.5). При обертанні вала центр трикутного ротора

рухається по окружності. Одночасно шестірня внутрішнього зачеплення, скріплена з ротором і

розташована на одній з ним осі, обкатується навколо нерухомої шестірні, установленої на

корпусі двигуна (рис. 17.6). За три обороти ексцентрикового вала ротор повертається на один

оборот. За цей час відбувається три робочі цикли у порожнинах роторно-поршневого двигуна.

Таким чином, у цьому двигуні за кожний оборот ексцентрикового вала відбувається один

робочий хід.

 

 

Рисунок 17.5. Схема роботи роторно-поршневого ДВЗ:

а, б, в – порожнини

 

Рисунок 17.6. Шестерні обертання ротора

 

 

У вершинах трикутного ротора встановлені ущільнення, що розділяють порожнини (рис.

17.7). Крім того, маються торцеві ущільнення. У торцевій стінці корпуса розташовані впускне і

випускне вікна, а також свічі запалювання. Корпус, як і у поршневих двигунах, необхідно

охолоджувати. В існуючих конструкціях в основному застосовується рідинне охолодження.

Ротор двигуна при роботі сильно нагрівається, тому його звичайно охолоджують циркулюючим

маслом.

 

Рисунок 17.7. Секція роторно-поршневого двигуна

 

 

Роторно-поршневі двигуни зазвичай виготовляють бензиновими з запалюванням від

електричної іскри, тому що створення дизельного варіанта утрудняється через невигідну форму

камери згоряння і неможливість одержання високих ступенів стиску. Розподіл палива по такій

камері згоряння за допомогою паливовпорскувальної апаратури практично важко здійснити. У

випадку зовнішнього сумішоутворення рівномірність заповнення камери згоряння пальною

сумішшю (1.30) набагато краще. Для збільшення потужності кількість секцій збільшується до

2ч4.

РПД мають менші габаритні розміри і масу, ніж рівні за потужністю звичайні поршневі

двигуни, більш низьку вартість виготовлення і меншу гучність роботи внаслідок відсутності

клапанних і кривошипно-шатунних механізмів, кращу зрівноваженість. Однак термін служби

ущільнень ротора недостатній у порівнянні з терміном служби поршневих кілець звичайного

двигуна. Система сумішоутворення і запалювання принципових відмінностей не має.

 

Умови роботи деталей ущільнення значно важче, ніж поршневих кілець звичайних

двигунів, тому що пластина ущільнення безупинно притиснута до однієї сторони канавки

ротора, що викликає її швидке пригоряння. Зміна кута нахилу торцевої поверхні до епітрохоїдної

поверхні приводить до значного стирання пластини і погіршення ущільнення через утворення

клиноподібного зазору між поверхнями пластини і корпуса. Весь перепад тиску між камерою

згоряння і порожниною, у якій здійснюється стиск, сприймається одним ущільненням, а не

декількома кільцями, як у звичайному поршневому двигуні. Унаслідок цього виток газу з

порожнини, де відбувається згоряння, відносно більший, ніж у звичайному двигуні.

При роботі РПД спостерігаються теплові деформації корпуса двигуна внаслідок

нерівномірного нагрівання. Та частина стінки корпуса, що знаходиться за свічею запалювання

(якщо дивитися в напрямку обертання ротора) і обмежує камеру згоряння, нагрівається значно

сильніше інших стінок, що приводить до перекручування епітрохоїдної поверхні, погіршення

умов ущільнення порожнин роторного двигуна і значного збільшення зносу робочих поверхонь.

Питома витрата палива роторно-поршневого двигуна трохи вище, ніж у сучасних

поршневих двигунів, і складає приблизно 300ч350 г/(кВт·год).

У випускних газах роторно-поршневих двигунів міститься підвищена кількість оксиду

вуглецю (внаслідок фіксації продуктів неповного горіння поблизу холодних стінок ротора і

корпуса двигуна), що не задовольняє нормам зі вмісту токсичних речовин. Унаслідок цього в

сучасних роторно-поршневих двигунах застосовують каталітичні нейтралізатори чи допалювачі

продуктів неповного горіння. Застосування нейтралізаторів здорожує силову установку і знижує

її економічність.

На даний час єдиним світовим автовиробником, який масово випускає транспорт з РПД, є

фірма Mazda. У 2006 році ними була розроблена навіть модель двигуна, що працювала на водні.