Двигатель Ванкеля

Двигатели наиболее распространены во всем мире. Они стали важной частью всех транспортных средств. Существуют различные типы двигателей в зависимости от потребностей различных областей применения. Двигатель Ванкеля — самый известный тип двигателя внутреннего сгорания. В предыдущей статье мы обсудили различные типы двигателей внутреннего сгорания (ДВС). В этой статье мы рассмотрим в основном двигатель Ванкеля.

Что такое двигатель Ванкеля?

Двигатель Ванкеля — это тип роторного двигателя внутреннего сгорания, который использует вращательное движение треугольного ротора, установленного в эллиптической камере, для преобразования тепловой энергии во вращательное движение без использования традиционного поршня. Двигатель Ванкеля также известен как роторный двигатель, поскольку все его детали вращаются.

По сравнению с поршневыми двигателями, роторные двигатели Ванкеля имеют малый вес, небольшие размеры и более компактны. В отличие от поршневого двигателя поршень возвратно-поступательно движется вверх и вниз внутри цилиндра.

Роторный двигатель Ванкеля имеет меньшую вибрацию и более равномерный крутящий момент, чем поршневой двигатель.

История двигателя Ванкеля

В 1924 году Феликс Генрих Ванкель сделал небольшую лабораторию и начал разрабатывать и исследовать двигатель своей мечты, который мог бы вращаться, всасывать, сжимать, сжигать и выхлопные газы.

В 1951 году компания NSU Motorenwerke AG начала разработку двигателя Ванкеля.

В 1957 году инженер Феликс Генрих Ванкель разработал первый роторный двигатель Ванкеля как замену традиционному поршневому двигателю.

Инженер Ханнс Дитер Пашке разработал второй двигатель KKM, следуя некоторым технологическим изменениям и усовершенствовав технологию двигателя Ванкеля.

Впервые роторный двигатель Ванкеля был представлен специалистам и прессе в 1960 году на конференции Союза немецких машиностроителей в Мюнхене.

В 1960-х годах, благодаря простоте, отличному соотношению прочности и веса, плавности работы и очень высокой эффективности роторных двигателей, они были у всех на устах в автомобильной и мотоциклетной промышленности.

В августе 1967 года компания NSU Motorenwerke AG получила широкую известность благодаря новому автомобилю NSU Ro 80, который имел 115-часовой двигатель Ванкеля с двумя роторами. Это был первый немецкий автомобиль 1968 года, который был выбран «Автомобилем года».

Благодаря превосходным характеристикам двигателя Ванкеля многие крупные автопроизводители (Ford, Toyota, Mercedes-Benz, Porsche, Rolls-Royce и Mazda) в течение следующего десятилетия подписали лицензионные соглашения на производство роторных двигателей Ванкеля, среди которых.

Конструкция роторного двигателя

Роторный двигатель работает по принципу отто-цикла. В отличие от возвратно-поступательного движения поршневого двигателя, в двигателе Ванкеля 4 такта стандартного отто-цикла расположены последовательно вокруг эллиптического ротора. Роторный двигатель имеет один ротор и одну эллиптическую коробчатую окружность с треугольным ротором (трехсторонний ротор Рейло), который вращается и перемещается в коробке. Боковая сторона ротора соединена с тремя камерами сгорания на боковой стороне корпуса, а углы уплотнения ротора — по периметру основной коробки.

По мере вращения ротора вращение и форма корпуса толкают ротор ближе к стенке корпуса, а камеру сгорания двигателя — ближе и дальше по «ходу» возвратно-поступательного движения поршня. Но эти 4-тактные двигатели производят ход сгорания после двух оборотов поршня внутри цилиндра.

Камеры сгорания двигателя Ванкеля производят один «ход» сгорания во время каждого оборота. Поскольку силовой вал Ванкеля вращается со скоростью, в три раза превышающей число оборотов ротора в минуту, получается один «ход» сгорания за один оборот выходного вала ротора, что в два раза больше, чем у четырехтактного поршневого двигателя и эквивалентно двухтактному циклическому двигателю. Эти двигатели имеют высокую выходную мощность по сравнению с четырехтактными бензиновыми двигателями с сопоставимым движением двигателя.

Работа двигателя Ванкеля

Роторный двигатель Ванкеля — это известный тип двигателя внутреннего сгорания, который работает по основному принципу отто-цикла.

Двигатель Ванкеля имеет четыре такта и работает следующим образом:

• Всасывание
• Сжатие
• Сгорание
• Выхлоп

Впускной или всасывающий ход

Когда наконечник ротора проходит через впускное отверстие, свежий воздух начинает поступать в первый цилиндр, как показано на рисунке выше.

Первый цилиндр продолжает всасывать свежий воздух до тех пор, пока второй кончик ротора не достигнет впускного отверстия и не закроет его.

После этого впускное отверстие закрывается, и свежая топливно-воздушная смесь попадает в первый цилиндр для сжатия и сгорания.

Компрессия

После завершения такта впуска начинается такт сжатия запертой топливно-воздушной смеси.

Когда ротор начинает вращаться, зазор между углом 1 и углом 2 первого цилиндра (как показано на рисунке выше) уменьшается, вследствие чего объем смеси уменьшается, и происходит сжатие смеси.

Когда воздушно-топливная смесь сжимается в соответствии с требованиями, она направляется на процесс сгорания.

Сгорание

Когда смесь в первом цилиндре (между 1 и 2 углами) сжата в соответствии с требованиями, свеча зажигания подает искру внутрь цилиндра, которая воспламеняет воздушно-топливную смесь.

В результате воспламенения смесь преобразуется в газы высокой температуры и давления. Энергия сгоревшей смеси заставляет ротор двигаться вперед. Этот процесс продолжается до тех пор, пока 1-й угол не пройдет мимо выхлопного отверстия.

Выхлоп

Когда угол 1 касается выхлопного или выпускного отверстия, горящие газы под высоким давлением выходят из двигателя.

После выпуска выхлопных газов выпускное отверстие закрывается, и весь цикл повторяется.

Детали роторного двигателя Ванкеля

Роторный двигатель может иметь сложную конструкцию, но у него не так много движущихся частей или компонентов, как у поршневого двигателя. Ниже мы рассмотрим основные компоненты роторного двигателя Ванкеля, чтобы дать вам лучшее представление о том, как все работает.

Роторный двигатель состоит из следующих основных частей:

• Ротор
• свеча зажигания
• Выходной вал
• Корпус
• Впускные и выпускные отверстия

Ротор

Ротор — это треугольная вогнутая часть, которая обеспечивает плотное уплотнение при прижатии к корпусу двигателя. На каждой стороне ротора имеется воздушный карман или воздухозаборник, чтобы впустить больше газа в корпус. Эти впускные отверстия или карманы эффективно увеличивают рабочий объем двигателя Ванкеля.

Ротор вращается на нескольких шестернях, которые соединены с валом. Этот вал устанавливается в центре корпуса. Шестерни позволяют кромкам ротора вращаться таким образом, что они всегда соприкасаются с корпусом, поддерживая три отдельных пакета сгорания.

Корпус или кожух

Корпус — это самая важная часть двигателя. Он также известен как корпус двигателя. Эллиптическая конструкция корпуса помогает максимально увеличить объем двигателя при вращении ротора. Во время вращения ротора его края находятся в постоянном контакте с внутренней стенкой корпуса.

Когда ротор вращается в корпусе, каждый воздушный карман проходит через четыре части цикла сгорания:

1. Всасывание — Сжатие
2. Сгорание — выхлоп.

Топливная форсунка и свеча зажигания вставляются непосредственно в камеру сгорания через стенку корпуса. Внешние проходы позволяют охлаждающей жидкости и маслам протекать мимо системы для поддержания температуры и целостности системы.

Корпус также выступает в качестве защитного кожуха для внутренних деталей двигателя. Он предохраняет внутренние детали от любого типа повреждений в результате падения любой внешней нагрузки на двигатель.

Выходной вал

Выходной вал передает энергию, полученную в результате сжатия и сгорания топлива, в систему трансмиссии для привода колес автомобиля. Он оснащен круглой лопастью, которая касается ротора и вращает вал.

Впускные и выпускные порты

Впускной порт позволяет свежей смеси поступать в камеру сгорания, а выхлопные газы выбрасываются через выпускной или выхлопной порт.

Свеча зажигания

Свеча зажигания — это часть двигателя, используемая для передачи электрического тока от системы зажигания в камеру сгорания двигателя СИ для сжигания сжатой воздушно-топливной смеси с помощью электрической искры. Она имеет металлический корпус с резьбой, который электрически изолирован от центрального электрода керамическим изолятором.

Эта свеча соединяется с катушкой зажигания, которая генерирует высокое напряжение. Когда ток проходит через катушку, между боковым электродом и центральным электродом возникает напряжение. Когда напряжение превышает диэлектрическую прочность газа, газ ионизируется. Ионизированный газ работает как проводник, который пропускает ток через помещение.

Экономия топлива и уровень выбросов роторного двигателя Ванкеля

Когда роторный двигатель сжигает бензин, у него возникает множество проблем с выбросами и эффективностью. По сравнению с водородом 0,6 мм, бензин медленнее воспламеняется, имеет меньшую скорость распространения пламени и большее расстояние до погасания при цикле сжатия 2 мм. Из-за этих факторов двигатель потребляет больше топлива, а эффективность двигателя снижается.

Когда роторный двигатель Ванкеля использует бензин, зазор (на цикле сжатия) между корпусом и ротором становится очень узким, в то время как для водорода этот зазор достаточно широк. Двигателю требуется такой узкий зазор для сжатия.

Когда двигатели используют бензин вместо дизельного топлива, остатки бензина выбрасываются в атмосферу через выпускной клапан. Но эта проблема не возникает, когда двигатель использует водород в качестве топлива. Это происходит потому, что вся топливная смесь сгорает внутри камеры сгорания, что обеспечивает очень низкий уровень выбросов, а эффективность использования топлива также повышается до 23%.

Конструкция камеры сгорания двигателя Ванкеля более устойчива к воспламенению при работе на бензине с более низким октановым числом, чем у аналогичного поршневого двигателя. Конструкция камеры сгорания может привести к неполному сгоранию воздушно-топливной смеси при использовании бензина. Из-за такого неполного сгорания в выхлопе выделяется большое количество несгоревших углеводородов. Хотя температура сгорания роторного двигателя Ванкеля ниже, чем у других двигателей, а ранние двигатели также имеют систему рециркуляции отработавших газов (EGR). Поэтому выбросы выхлопных газов от двигателей Ванкеля относительно низкие.

Роторный двигатель в автомобиле может работать на высокой скорости. Это связано с тем, что большой эксцентриситет ротора, более длинные всасывающие каналы и раннее открытие всасывающего клапана увеличивают крутящий момент на низкой скорости — положение и конструкция углубления ротора влияют на расход топлива и выбросы. Показатели расхода топлива и выбросов зависят от конструкции углубления для сгорания, которое определяет через положение свечи зажигания внутри камеры двигателя.

Преимущества и недостатки роторного двигателя

Роторный двигатель Ванкеля имеет следующие основные преимущества и недостатки:

Преимущества двигателей Ванкеля

• Эти типы двигателей имеют простую конструкцию.
• Роторный двигатель не имеет клапана для работы.
• Этим двигателям не требуется коленчатый вал, шатуны и т.д. Удаление этих компонентов делает двигатель Ванкеля более легким.
• Они имеют широкий диапазон скоростей.
• Они также могут сжигать топливо с высоким октановым числом без стука.
• Эти двигатели имеют множество преимуществ с точки зрения безопасности, что делает их полезными в самолетах.
• На некоторых двигателях Ванкеля не происходит загрязнения картера, что означает отсутствие необходимости в замене топлива.
• У двигателя Ванкеля нет проблем со стуком. Стук возникает из-за неполного сгорания воздушно-топливной смеси.
• Эти двигатели имеют значительно более высокое соотношение мощность/вес, чем колонный двигатель.
• Более просты в размещении на ограниченной площади двигателя, чем поршневой двигатель.
• Этим двигателям не нужны возвратно-поступательные части.
• Роторный двигатель Ванкеля имеет более высокое соотношение оборотов в минуту по сравнению с поршневым двигателем.
• Эти двигатели не производят много шума во время работы.
• Поскольку в двигателе Ванкеля очень мало движущихся компонентов, цена его производства низкая.
• Эти двигатели более компактны, чем поршневые.
• Высокая скорость этих двигателей обеспечивает превосходную приспособляемость.
• Они лучше всего подходят для использования водородного топлива.

Недостатки двигателей Ванкеля

• Высокая потеря герметичности: Это также является незначительной проблемой, так как корпус двигателя Ванкеля имеет немного разные температуры в каждом отдельном сегменте камеры. Различные коэффициенты расширения вещества способствуют несовершенному экранированию. Поэтому эти двигатели имеют высокие потери уплотнения.
• Подъем апексного уплотнения: Центробежная сила прижимает вершинное уплотнение к поверхности корпуса двигателя для создания прочного уплотнения. При работе с малой нагрузкой в случае дисбаланса центробежной силы и давления газа могут образоваться зазоры между вершинным уплотнением и корпусом.
• Высокий уровень выбросов: Поскольку несгоревшее топливо находится в выхлопном потоке по мере использования топлива, нормы выбросов трудновыполнимы. Прямой впрыск топлива в камеру сгорания двигателя решит эту проблему.
• Низкая топливная экономичность бензинового топлива: Это происходит из-за подвижной камеры сгорания, что способствует плохому сгоранию и хорошему давлению при частичной нагрузке и низких оборотах. Это приводит к тому, что несгоревшее топливо попадает в выхлопной поток; теряется топливо, не использованное для производства электроэнергии.
• Иногда у роторного двигателя Ванкеля возникают проблемы с пробегом и сгоранием масла.
• Воздушно-топливная смесь не может быть предварительно запасена, так как у этого двигателя нет впускного отверстия.
• Для этих двигателей требуется сложная технология впрыска топлива.
• Эти двигатели имеют низкую степень сжатия. По этой причине они имеют низкую топливную экономичность и тепловую эффективность.
• В выхлопном потоке двигателя Ванкеля может быть большое количество несгоревших углеводородов и окиси углерода.
• Роторный двигатель очень склонен к осечкам, так как потеря хода приводит к тому, что двигатель теряет импульс, а затем снова начинает движение при следующем выстреле в камеру сгорания. Обслуживание системы зажигания необходимо для того, чтобы избежать этой проблемы.

Применение двигателя Ванкеля

• Крошечный двигатель Ванкеля все чаще используется в других функциях, включая картинг, персональные водные суда и вспомогательные силовые установки самолетов.
• Некоторые люди используют двигатели Ванкеля в модификациях, которые в основном использовались с 1970 года. Даже с большим глушителем весь комплект весит всего 13,4 унции (380 грамм).
• Универсальность двигателей Ванкеля делает их подходящими для конструкций малого, микро и микро-мини размера.
• Самый большой двигатель Ванкеля доступен с ротором мощностью 550 л.с. (410 кВт) и двухроторные версии мощностью 1100 л.с. (820 кВт), вытесняет примерно 41 литр ротора в диаметре. Благодаря снижению частоты вращения двигателя всего до 1200 об/мин и использованию природного газа в качестве топлива, двигатели были удачно выбраны для привода насосов на газопроводах.
• Эти двигатели используют в самолетах.
• Эти двигатели используются в автомобилях Mazda.
• Небольшие двигатели Ванкеля также используются в мотоциклах.
• Эти двигатели также используются в лодках.

Двигатель Ванкеля VS. Поршневой двигатель

Благодаря своей конструкции двигатель Ванкеля намного легче, компактнее и проще, чем классический поршневой двигатель. В нем нет ни поршневой массы, ни кривошипов, клапанов, шатунов и других сложных деталей, подверженных отказам. Двигатели Ванкеля содержат только три движущиеся части, что делает их более надежными, долговечными и удобными в обслуживании, чем их поршневые собратья. Кроме того, эти подвижные части находятся в непрерывном однонаправленном вращении, что обеспечивает более высокие рабочие скорости, простоту балансировки и низкий уровень вибрации. Благодаря беспрецедентным соотношениям мощности к размеру и мощности к весу, двигатели Ванкеля незаменимы в различных областях применения, начиная от легкой авиации, комбинированных теплоэнергетических установок и заканчивая морской промышленностью.

Одним из основных недостатков двигателя Ванкеля является его низкий тепловой КПД. Длинная, тонкая и подвижная камера сгорания приводит к медленному и неполному сгоранию топливной смеси. Это приводит к увеличению выбросов углекислого газа и снижению эффективности использования топлива по сравнению с поршневыми двигателями. Однако этот недостаток превращается в преимущество при переходе на водородное топливо.

Еще один недостаток двигателей Ванкеля связан с уплотнением ротора и вершины. Некачественное уплотнение между краями ротора и корпусом — например, из-за износа или недостаточной центробежной силы на низких оборотах — может привести к утечке продуктов сгорания в следующую камеру.

Поскольку сгорание происходит только в одной секции роторного двигателя, в двух отдельных камерах существует большая разница температур. Как следствие, различные коэффициенты расширения материалов приводят к неоптимальному уплотнению ротора. Расход масла также является проблемой, поскольку масло необходимо впрыскивать в камеры для добавления смазки и поддержания герметичности ротора.

FAQ

Кто изобрел двигатель Ванкеля?

В 1957 году инженер Феликс Генрих Ванкель сконструировал первый двигатель Ванкеля.

Почему роторный двигатель называют двигателем Ванкеля?

Двигатель Ванкеля был изобретен Феликсом Генрихом Ванкелем. Поэтому он известен как двигатель Ванкеля по фамилии его создателя.

Почему роторные двигатели такие мощные?

Благодаря своему революционному движению, роторные двигатели имеют меньшую рабочую вибрацию, чем поршневые. Это позволяет настроить двигатель Ванкеля таким образом, чтобы он работал быстрее и вырабатывал больше мощности.

Какие автомобили имеют двигатель Ванкеля?

Двигатели Ванкеля можно встретить в следующих автомобилях:

• 1969 Citroen M35.
• 1970 Mazda RX-500 concept.
• 1973 Citroen GS Birotor.
• 1970 Mercedes-Benz C111-II.
• 1975 Mazda Roadpacer AP.
• 1973 Chevrolet Corvette XP897 GT concept.
• 1974 Mazda Parkway RE13 Rotary 26 Superdeluxe.
• 2003 Mazda RX-8 Hydrogen RE.

Почему двигатель Ванкеля вышел из строя?

Двигатель Ванкеля выходит из строя по следующим причинам:

Двигатели Ванкеля имеют проблемы с пробегом и сжиганием масла.

Им требуется сложная технология впрыска топлива.

Расход топлива: Двигатель Ванкеля имеет тонкую и длинную камеру сгорания, приводимую в движение ротором. Это замедляет сгорание топлива. В двигателе попытались решить эту проблему с помощью двойных свечей зажигания (начальной и конечной).

Выбросы: В случае роторного двигателя, как несгоревшее топливо, так и масло сгорания являются причиной ужасных выбросов.

Вывод

Эти типы двигателей сгорают не очень чисто и, как следствие, имеют высокий уровень выбросов. Роторные двигатели также имеют высокий износ по сравнению с поршневыми двигателями и служат не так долго.

Еще одна особенность этих двигателей заключается в том, что они ужасно подходят для людей, которые ездят на короткие расстояния. Если вы можете завести их, переместить машину с подъездной дорожки на дорогу и выключить, эти двигатели будут сильно заливать себя. Затем вам придется пройти через процесс очистки от наводороживания. Этот процесс может занять, я думаю, около 20-30 минут, чтобы перезапустить автомобиль. Часто приходится подключать дополнительное питание, чтобы не разрядить аккумулятор. Это также может произойти, если вы проедете совсем небольшое расстояние. Эти преимущества роторных двигателей или двигателей Ванкеля делают их очень плохими для автомобилей на короткие расстояния.

Двигатели Ванкеля также используются для транспортных средств/машин, вращающихся на высоких оборотах в течение длительного времени, например, для самолетов. Это происходит потому, что пик мощности приходится на эти высокие обороты, а крутящий момент у них недостаточен, что делает очень затратным потребление топлива для достижения этой высокой полосы мощности.