Три цикла за оборот: Роторный двигатель

Три цикла за оборот: Роторный двигатель

На юбилее отметились представители всех технологически развитых стран — США, Франции, Англии, Японии. Не было только российской делегации. А ведь к уникальному двигателю наша страна имеет самое непосредственное отношение.

Первый в мире серийный автомобиль с роторно-поршневым двигателем (РПД) вышел из ворот западногерманской компании NSU в 1964 году. Но еще за три года до этого события Минавтопром и Минобороны СССР поставили перед отраслевыми научно-исследовательскими институтами задачу создания отечественного РПД. И не только поставили, но и помогли подробными чертежами. Если быть окончательно точным, то документацией снабжали не министерства, а ГРУ. Поскольку у самого Ванкеля патенты не покупали — не принято было.

Первый работающий роторный двигатель был представлен в 1957 году на конференции Общества германских инженеров (VDI) Феликсом Ванкелем и Вальтером Фройде. Ванкель за свою жизнь перепробовал массу профессий: от ученика наборщика в издательстве научной литературы до младшего продавца, — но так и не удосужился получить высшее образование. В конце концов он остановился на изобретении механических устройств.

Изготовление роторных насосов и компрессоров перемежалось с тюремными отсидками: сначала за критику финансовых злоупотреблений нацистской региональной верхушки, а потом за сотрудничество с теми же нацистами (в годы Второй мировой войны Ванкель успешно решал вопросы уплотнителей для немецких торпед и авиадвигателей). Выйдя на свободу в 1946 году, изобретатель восстановил свою лабораторию в Лин дау, на берегу Боденского озера (ее уничтожили в 1945 году французские войска), и возобновил работы по двигателю. Еще через пять лет Ванкелю удалось заинтересовать своим проектом немецкую компанию NSU. С каждым годом его двигатели работали все дольше и дольше: если в 1957 году один из прототипов наработал 2 часа и развил мощность в 21 л.с., то через год — 100 часов при мощности 29 л.с. Видимо, этих параметров оказалось достаточно, чтобы в мире началась «ванкелемания» — лицензии на двигатель приобретает сначала корпорация Curtiss-Wright, годом спустя Daimler-Benz, MAN, Friedrich Krupp и Mazda. К началу 70-х купили лицензии практически все моторостроительные и автомобильные гиганты мира, включая Rolls-Royce, Porsche, Ford, GM и многие японские компании. Очевидные достоинства РПД перед традиционными поршневыми моторами (у него в несколько раз меньше движущихся деталей, его вес и размеры в 1,5−2 раза меньше, очень низок уровень вибраций и отличные динамические характеристики), казалось, сделают этот двигатель бестселлером. После вышедшего в 1964 году NSU Spyder последовали легендарная модель NSU Ro 80 (в мире до сих пор существует множество клубов владельцев этих машин), Citroen M35 (1970), Mercedes C-111 (1969), Corvette XP (1973). Но единственным массовым производителем роторных автомобилей стала японская Mazda, выпускавшая с 1967 года порой по 23 новые модели с РПД. Роторные двигатели ставили на катера, снегоходы и легкие самолеты. Конец эйфории пришел в 1973 году, в разгар нефтяного кризиса. Тут-то и проявился основной недостаток роторных двигателей — неэкономичность. За исключением Mazda, все автопроизводители свернули роторные программы, а у японской компании продажи по Америке сократились со 104 960 проданных машин в 1973 году до 61 192 — в 1974 м.

Mazda и роторный двигатель Ванкеля

Роторные двигатели Mazda всегда имели репутацию относительно небольшого и мощного двигателя c низко-эффективным расходом топлива. Двигатели стали популярными из-за малого веса, компактных размеров, потенциалом настройки и, по существу, вытекающим высоким соотношением мощности к весу — что является характерным для всех двигателей Ванкеля.

Роторно-поршневые двигатели Ванкеля получат вторую жизнь уже в новой роли. Mazda станет использовать их в качестве так называемого удлинителя хода (range extender) на электромобилях.

В конце 1950-х два немецких инженера, работавшие в известной тогда своими мотоциклами фирме NSU Феликс Ванкель и Вальтер Фройде, предложили принципиально новую конструкцию двигателей.

В их двигателе цилиндры отсутствовали как класс: установленный на валу трехгранный ротор был жестко соединен с зубчатым колесом, входившим в зацепление с неподвижной шестерней — статором. По сравнению с обычным поршневым мотором внутреннего сгорания, двигатель Ванкеля имел меньшие в 1,5-2 раза габариты, большую удельную мощность, меньшее число деталей (два-три десятка вместо нескольких сотен), а также — за счет отсутствия коленвала и шатунов — более высокие динамические показатели. Впрочем, были и недостатки, с которыми так и не удалось справиться за все время выпуска автомобилей с роторными двигателями: довольно высокий расход топлива на низких оборотах, повышенное потребление масла и сложность в производстве (из-за необходимости точности геометрических форм деталей).

Электрокроссовер Mazda

Еще в начале 2018 года стало известно о том, что новое поколение РПД станет устанавливаться на беспилотные электрические шаттлы, которые Mazda разрабатывает вместе с Toyota. А теперь японцы изучают возможность использования компактного односекционного РПД для увеличения дальности хода электрического «паркетника» MX-30, который был представлен прошлой осенью, но пока так и не поступил в продажу.

Продажи машин с роторно-поршневым двигателем Ванкеля Mazda прекратила еще в 2012 году (они устанавливались на спорткар RX-8), потратив почти полвека на улучшение капризных агрегатов. Но полностью отказываться от РПД японцы не собирались.

В будущем такие моторы найдут свое применение на беспилотных электромобилях, которые Mazda разрабатывает совместно с Toyota. В планах последней — вывод на рынок автономных шаттлов, которые будут использоваться в качестве маршруток, развозных фургонов и даже мобильных магазинов и кафе. Их и планируется оснащать так называемым удлинителем хода — компактным РПД, который будет приводить в движение генератор для подзарядки батарей электромобилей.

Испытания будущих беспилотников Toyota (к слову, владеющая 5,25-процентной долей в Mazda) планирует начать уже в этом году. Их появление на дорогах ожидается в 2020 году.

Напомним, что MX-30 располагает тяговой батареей откровенно небольшой емкости — всего 35,5 кВт·ч, которых хватит примерно на 200 км паспортного пробега. По расчетам, использование РПД, который будет приводить генератор для подзарядки батареи, позволит увеличить дальность хода кроссовера вдвое.

Любопытно, что сам Ванкель не умел водить автомобиль и не имел водительских прав — поскольку с раннего детства страдал сильной близорукостью. Это, впрочем, не помешало ему доработать первоначально мотоциклетный движок под нужды автопрома, и в 1964 году NSU выпустила первый в мире серийный роторный автомобиль — кабриолет NSU Spider на базе заднеприводной модели Sport Prinz. Машина выпускалась ограниченной серией (за три года было собрано 2375 экземпляров) и была довольно дорога, в пересчете на нынешние деньги — около 22 тысяч долларов за двухместную малолитражку длиной 3,6 метра.

Роторный двигатель

Роторный двигатель — наименование семейства близких по конструкции тепловых двигателей, объединённых ведущим признаком — типом движения главного рабочего элемента. Роторный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — тепловой двигатель, в котором главный подвижный рабочий элемент двигателя — ротор — совершает вращательное движение.

Двигатели должны давать на выходе вращательное движение главного вала. Именно этим роторные ДВС отличаются от наиболее распространенных сегодня поршневых ДВС, в которых главный подвижный рабочий элемент (поршень) совершает возвратно-поступательные движения. В роторных моторах, где главный рабочий элемент и так вращается, не требуется дополнительных механизмов для получения вращательного движения. В поршневых же моторах приходится применять громоздкие и сложные кривошипно-шатунные механизмы для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала.

Содержание

• 1 История
• 2 Классификация роторных ДВС
• 3 Литература
• 4 См. также
• 5 Ссылки

История [ править ]

С древности известны колеса ветряных и водяных мельниц, которые можно отнести к примитивным роторным двигательным механизмам. Самый первый тепловой двигатель в истории — эолипил Герона Александрийского (I в. н. э) также относится к роторным двигателям. В XIX веке, вместе с массовым появлением поршневых паровых машин, начинают создаваться и активно использоваться и роторные паровые двигатели. К ним можно отнести как паровые роторные машины с непрерывно открытыми в атмосферу камерами расширения — это паровые турбины, так и паровые машины с герметично запираемыми камерами расширения: к ним, например, можно отнести «коловратную машину» Н. Н. Тверского, которая успешно эксплуатировалась во многих экземплярах в конце XIX века в России.

С началом массового применения ДВС в первые десятилетия XX века начались и работы по попыткам создать эффективный роторный ДВС. Однако эта задача оказалась большой инженерной трудностью, и лишь в 1930-х годах была создана работоспособная дизельная турбина, которая по классификации относится к роторным ДВС с непрерывно открытой в атмосферу камерой сгорания.

Работоспособный роторный ДВС с герметично запираемой камерой сгорания удалось создать лишь в конце 1950-х годов группе исследователей из немецкой фирмы NSU, где Вальтер Фройде и Феликс Ванкель разработали схему роторно-поршневого двигателя.

В отличие от газовых турбин, которые широко и массово применяются уже более 50 лет, роторный двигатель Ванкеля и Фреде не показал очевидных преимуществ перед поршневыми ДВС, а также имел заметные недостатки, которые и сдерживают массовое применение этих моторов в промышленности. Но потенциально широкий набор возможных конструктивных решений создают широкое поле для инженерных поисков, которые уже привели к появлению таких конструкций, как роторно-лопастной двигатель Вигриянова, трёхтактный и пятитактный роторные двигатели Исаева и 2-тактный роторно-поршневой двигатель

Классификация роторных ДВС [ править ]

Главное деление роторных двигателей происходит по типу работы камеры сгорания — запирается она на время герметично, или имеет постоянную связь с атмосферой. К последнему типу относятся газовые турбины, камеры охлаждения которых отделены от выхлопного сопла (от атмосферы) лишь густым «частоколом» лопастей роторной крыльчатки.

В свою очередь, роторные ДВС с герметично запираемыми камерами сгорания делятся на 7 различных конструкционных компоновок:

1. роторные двигатели с неравномерным разнонаправленным (возвратно-вращательным) движением главного рабочего элемента;
2. роторные двигатели с неравномерным однонаправленным (пульсирующе-вращательным) движением главного рабочего элемента;
3. роторные двигатели с простым и равномерным вращательным движением главного рабочего элемента и с уплотнительными заслонками-лопастями, движущимися в роторе. Частный случай — с заслонками-лопастями, отклоняющимися на шарнирах на роторе;
4. роторные двигатели с простым и равномерным вращательным движением главного рабочего элемента и с уплотнительными заслонками, движущимися в корпусе;
5. роторные двигатели с простым и равномерным вращательным движением главного рабочего элемента и с использованием такого же простого вращательного движения уплотнительных элементов;
6. роторные двигатели с простым вращательным движением главного рабочего элемента, без применения отдельных уплотнительных элементов и спиральной организацией формы рабочих камер;
7. роторные двигатели с планетарным вращательным движением главного рабочего элемента и без применения отдельных уплотнительных элементов.

Роторные двигатели Фройде и Ванкеля,и 2-тактный роторно-поршневой двигатель, которые не вполне корректно с технической точки зрения называют «роторно-поршневыми», относятся к 7-й классификационной группе.

Что такое ротационный двигатель

ПЕРСПЕКТИВЫ РОТАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Вадим Георгиевич Некрасов

В журнале за 2009 г. № 4 была опубликована статья И.С. Пятова «Детандеры объемного типа». В редакционном примечании сообщалось, что отзывы по данной теме будут приветствоваться. Кроме того, редакция выражала готовность способствовать контакту заинтересованных сторон как для продолжения дискуссии по теме, так и для организации промышленного применения роторных машин. В порядке ответа на такое предложение автор приводит здесь свои взгляды на поднятую проблему.

Поршневые двигатели, как известно, появились еще в XVIII веке в виде паровых машин, а XIX век вообще считается веком паровых машин. В середине XIX века на смену паровым машинам появились двигатели внутреннего сгорания. Но в ДВС цилиндр и поршень остались основными элементами, обеспечивающими преобразование потенциальной энергии газа под давлением в движение поршня, т.е. в механическую энергию, преобразуемую далее во вращательное движение вала двигателя.

Но поршневая схема двигателя имеет существенные недостатки. Поршень совершает периодическое возвратно-поступательное движение, появляются инерционные силы, требуется механизм преобразования движения. Это было выяснено с самого начала появления поршневых машин. И в то же самое время начался поиск более рациональной схемы — коловратных машин или, по современной терминологии, ротационных машин. Имеются десятки патентов на схемы ротационных паровых машин, которые начали регистрироваться с 1765 г. и продолжают появляться до последних лет.

Следует отметить, что работоспособная паровая машина ротационного принципа все же была создана, но уже в ХХ веке. Это винтовая машина. Винтовые компрессоры с рабочим органом типа винтового модуля Лисхольма были разработаны в тридцатых годах ХХ века. В последние годы ХХ века винтовые компрессоры разных типоразмеров стали выпускать много фирм. Но винтовая машина, как всякая объемная машина, обратима. На основе винтовых модулей были созданы винтовые двигатели, работающие на водяном паре. Имеется даже производственная компания, которая занимается монтажом таких винтовых агрегатов.

Здесь следует отметить, что степень расширения винтовых машин небольшая — при начальном давлении пара 1,3 МПа на выходе он имеет давление 0,5. 0,6 МПа. Температура тоже ограничена, не более 250. 300 °С. Есть опыт последовательного включения двух винтовых машин для ступенчатого расширения пара. Но он пока единичный и не получил распространения. Следовательно, пока рано считать, что применение ротационных расширительных машин даже на водяном паре — вопрос решенный.
Необходимо сделать еще одно замечание. Здесь не рассматриваются паровые и газовые турбины. Это ротационные, но не объемные, а лопаточные машины, преобразующие кинетическую энергию газа в механическую мощность. Они эффективны только при больших мощностях, когда объемы газов большие. При мощности порядка 100 кВт требуется применение объемных машин. К ним и возвращаемся.

Многочисленные попытки выполнить ротационную расширительную машину, но уже в роли двигателя внутреннего сгорания, не прекращаются и сейчас, о чем свидетельствуют многочисленные публикации и патенты со схемами и даже фотографиями работающих моделей с многообещающими показателями. Но реально успехи далеко не такие. Из всех вариантов роторных машин на практике показала возможность реального выполнения двигателя схема на основе трохоидального принципа.

Трохоида — плоская кривая, представляющая собой траекторию точки, связанной с окружностью, катящейся без скольжения по прямой. При направляющей, отличающейся от прямой, образуется серия различных вариантов трохоид.

В настоящее время известен только один тип двигателя такого типа, это роторно-поршневой двигатель Ванкеля. В нем внутренняя поверхность корпуса имеет форму эпитрохоиды. Внутри расположен трехгранный ротор; за один оборот ротора в разных частях статора совершаются процессы четырехтактного цикла, включающие впуск воздуха, его сжатие, сгорание топлива и расширение газов, а также выпуск отработавших газов.

Появились также предложения по конструкции роторных компрессоров трохоидального типа. Разработан и применен в разработках АМО «ЗИЛ» и НАМИ ротационный компрессор трохоидального типа. В этих компрессорах процесс проще, происходит только впуск и сжатие с выпуском сжатого воздуха. Поэтому статор такого компрессора выполняется по кардиоиде, одной из разновидностей трохоид, а ротор имеет чечевицеобразную симметричную форму с двумя вершинами, контактирующими с внутренней поверхностью статора машины. При вращении вала ротор совершает планетарное движение, т.е. вращается при одновременном перемещении центра вращения по круговой орбите. За счет этого ротор разделяет объем статора на две полости, объем одной из них при вращении ротора увеличивается, обеспечивая впуск воздуха, а объем второй полости при этом сокращается, производя сжатие воздуха и выталкивание его в выпускной канал. За один оборот вала ротор совершает половину оборота, возвращаясь в исходное положение, но в перевернутом виде.

Велись работы и по разработке расширительных машин роторного типа трохоидальной конструкции, в частности, в НАМИ, ВНИИМотопром, РПД ВАЗ. Сообщалось, что их к.п.д. превышал 0,7. Но, по имеющейся информации, это были двигатели по схеме Ванкеля, т.е. совмещавшие в себе и компрессор, и детандер одновременно.

Применение автономного компрессора и отдельно расширительной машины позволяет реализовать двигатель по циклу Брайтона, при котором сжатие воздуха производится в отдельном компрессоре, затем воздух поступает в камеру сгорания, откуда газы направляются на расширительную машину. Сегодня понятие цикла Брайтона применяют к принципу работы газотурбинных установок с лопаточными машинами как для компрессора, так и для расширительной части — турбины. Но газотурбинные установки эффективны при больших мощностях. Цикл Брайтона применим и для объемных машин. При применении объемных машин ротационного типа эффективность существенно возрастает. Прецедент подобного решения имеется. Двигатель по циклу Брайтона на основе объемных ротационных машин трохоидального типа, исследован в Техасском университете в США. Эффективность такого двигателя на основе трохоидальных машин оценивают величиной 64%, что существенно выше, чем у дизельных турбокомпаундированных двигателей.

В настоящее время применение альтернативного топлива на основе азотных соединений считается перспективным направлением. Азотное топливо — это раствор смеси химических соединений, содержащих как горючий компонент, так и окислитель. Это монотопливо (унитарное топливо); оно по-существу относится к веществам типа пороха. Отличие состоит в том, что это водный раствор, то есть не обычный, а «жидкий порох».

Для реагирования азотного топлива необходимо создать в реакционной камере соответствующие условия — давление и температуру. Поскольку воздух для реагирования не требуется весь двигатель состоит из топливного насоса, реакционной камеры и расширительной машины. Термический к.п.д. азотного топлива существенно выше, чем для углеводородного топлива ввиду отсутствия необходимости сжатия воздуха и высокой степени расширения газов. Применение в качестве расширительной машины детандера трохоидального типа с высоким механическим к.п.д. позволит получить высокую эффективность всего цикла.

Двигатели на монотопливе существуют, на нем работают двигатели американских и российских торпед, но пока это двигатели обычной конструкции известных типов: либо поршневые, либо газотурбинные. Монотопливо для гражданского применения использовано в промышленных условиях в нефтяной промышленности для разогрева высоковязкой нефти непосредственно в пласте залегания на глубине 900 м. Камера сгорания для монотоплива в этом случае полностью идентична таковым для двигательных установок.

Из проведенного анализа следует, что применение расширительной машины (детандера) ротационного типа трохоидной конструкции, обладающей более высокими технико-экономическими показателями по сравнению с поршневым вариантом, в составе двигателя, работающего на азотном топливе, обеспечит высокий эффективный к.п.д.

Исходя из этого можно считать целесообразным конструирование и выполнение ротационного детандера трохоидного типа для применения его в качестве расширительной машины для двигателей на азотном топливе. Такая расширительная машина возможна и в составе двигателей, работающих на углеводородном топливе, при их выполнении по циклу Брайтона, если снабдить двигатель воздушным компрессором. Применение компрессора ротационного типа тоже не исключается.

В настоящее время творческий коллектив, занимающийся освоением азотного топлива, проводит исследование сгорания монотоплива в реакционных камерах импульсного типа и постоянного давления.
Следующим этапом реализации комплексного двигателя с высокими технико-экономическими и экологическими показателями должна стать разработка конструкции и выполнение расширительной машины. Из проведенного анализа следует, что наилучшими перспективами обладает детандер трохоидальной формы.

Мы готовы организовать тесное сотрудничество со специалистами и организациями, имеющими опыт в разработке объемных машин такого типа .