Тема 32 роторно-поршневі двигуни

 

У роторно-поршневих двигунах усунутий зворотно-поступальний рух поршнів, однак, на відміну від турбін, зберігається циклічність термодинамічних процесів. Обертовий ротор, що має складну форму, разом із корпусом утворить замкнуті порожнини, об'єм яких у часі міняється аналогічно зміні робочих об'ємів у звичайному поршневому двигуні. Унаслідок відсутності деталей, що рухаються поступально, мається можливість значно збільшити число оборотів цих двигунів і, отже, підвищити потужність з одиниці робочого об'єму циліндра. Ці двигуни при збереженні приблизно однакової економічності значно компактніше, ніж 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 (ФРН) у 1957р.

У роторно-поршневому двигуні (малюнок 32.1) ротор 5, що має форму трикутника, зі сторонами, що описані дугами, обертається вільно на підшипниках 4 на ексцентричному валу 6, що у той же час є валом добору потужності. При обертанні вала центр трикутного ротора рухається по окружності. Одночасно шестерня внутрішнього зачеплення 2, скріплена з ротором і розташована на одній з ним осі, обкатується навколо нерухомої шестірні, яка установлена на корпусі 1 двигуна. Передаточне відношення зубчастої передачі дорівнює 3:2. Отже, за три обороти ексцентричного вала ротор повертається на один оборот. За цей час відбувається три робочих цикли в порожнинах роторно-поршневого двигуна. Таким чином, у цьому двигуні за кожний оборот ексцентричного вала відбувається один робочий хід.

При русi центра трикутного ротора по окружності й одночасному обертанні його внаслідок обкатування планетарної шестерні щодо нерухомої шестерні вершини трикутного ротора описують епитрохоіду.

У вершинах трикутного ротора встановлені ущільнення, що розділяють порожнини. Крім того, маються торцеві ущільнення. У торцевій стінці корпуса розташовані впускні й випускні вікна, а також свіча запалювання. Центр ваги обертового ротора рухається по окружності, отже, у системі виникає відцентрова сила, яку врівноважують спеціальними противагами, виконаними як одне ціле з маховиками. Маховики звичайно розташовують із двох боків ротора.

Корпус, як і в поршневих двигунах, необхідно прохолоджувати. В існуючих конструкціях в основному застосовується водяне охолодження, але можливе застосування і повітряне охолодження.

Ротор двигуна при роботі сильно нагрівається. Тому його звичайно прохолоджують циркулюючию маслом.

Роторно-поршневі двигуни роблять бензиновими із запалюванням від електричної іскри, тому що створення дизельного варіанта утрудняється через невигідну форму камери згоряння. Розподіл палива по такій камері згоряння за допомогою паливовприскуючої апаратури практично важко здійсненно. У випадку зовнішнього сумішоутворення рівномірність заповнення пальною сумішшю камери згоряння набагато краще.

Робочий процес здійснюється за чотири такти, чергування яких можна простежити на малюнку 32.2, де приведені також схеми, що відповідають процесам, які відбуваються у звичайному поршневому двигуні. Тривалість кожного такту в кожній порожнині відповідає 270° кута повороту ексцентричного вала, тобто чотиритактний цикл в одній порожнині відбувається за три обороти ексцентричного вала за один оборот ротора.

Роторно-поршневі двигуни мають менші габаритні розміри й масу, ніж рівні за потужністю звичайні поршневі двигуни, більш низьку вартість виготовлення і меншу шумність роботи унаслідок відсутності клапанних і кривошипно-шатунних механізмів. Однак термін служби ущільнень ротора недостатній у порівнянні з терміном служби поршневих кілець звичайного двигуна. Система сумішоутворення й запалювання принципових відмінностей від звичайних поршневих двигунів не має.

 

Малюнок 32.1 - Двороторний двигун 12А фірми Мазда. Ефективна потужність 80кВт при частоті обертання 6000 об/хв.

 

 

Малюнок 32.2 - Схема роботи РПД із планетарним рухом ротора:

1 - впуск; II - стиск; III - запалення; IV - розширення; V - випуск

 

 

Усі деталі ущільнення ротора (радіальні пластини і торцеві ущільнення) притискаються до поверхонь корпуса пластинчастими пружинами - експандерами. Тому що радіальні пластини при русi по епитрохоіде випробовують позитивні й негативні прискорення, то на деяких ділянках вони прагнуть відірватися від поверхні ковзання. Тому сила пружин, що притискають пластини, повинна бути більше сили інерції, що відриває пластину. Порушення ущільнення в якій-небудь порожнині може викликати прорив гарячих газів і запалення свіжого заряду в сусідній порожнині.

Умови роботи деталей ущільнення значно тяжкіше, 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 епитрохоідної поверхні приводить до значного стирання пластини і погіршенню ущільнення через утворення клиноподібного зазору між поверхнями пластини й корпуса. Весь перепад тиску між камерою згоряння й порожниною, у якій здійснюється стиск, сприймається одним ущільненням, а не декількома кільцями, як у звичайному поршневому двигуні. Унаслідок цього витоку газу з порожнини, де відбувається згоряння, відносно більше, ніж у звичайному двигуні.

При роботі роторно-поршневого двигуна 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 епитрохоідної поверхні, погіршенню умов ущільнення порожнин роторного двигуна і значному збільшенню зносу робочих поверхонь. Унаслідок сильного нагрівання ротора його варто інтенсивно прохолоджувати маслом. Для охолодження масла необхідна установка масляного радіатора.

Питома витрата палива роторно-поршневого двигуна трохи вище, ніж у сучасних поршневих двигунах, і складає приблизно 300 - 350 г/(кВт ч).

У випускних газах роторно-поршневих двигунів міститься підвищена кількість оксиду вуглецю (унаслідок фіксації продуктів неповного горіння поблизу відносно холодних стінок ротора і корпуса двигуна), що не задовольняє нормам по змісту токсичних речовин. Унаслідок цього в сучасних роторно-поршневих двигунах застосовують каталітичні нейтралізатори чи дожигачи продуктів неповного горіння. Застосування нейтралізаторів збільшує вартість силової установки і знижує її економічність.

Створення дизеля на базі роторно-поршневого двигуна утруднено через неможливість одержання високих ступенів стиску.

Останнім часом роботи з удосконалювання роторних двигунів спрямовані на зниження втрат тертя між епитрохоідальним корпусом і ущільненнями ротора, оптимізацію форми камери згоряння й застосування турбо- і інерційного наддуву. Зниження тертя досягається пористим хромуванням поверхні епитрохоіди і подачею на поверхню в області стиску через свердління мастила. Крім того, частина масла распилюються в потоці усмоктуваного повітря.

Форму камери вибирають такою, щоб не було перешкоди поширенню фронту полум'я при положенні ротора біля ВМТ. Застосування турбонаддуву, а також інерційного наддуву дозволяє підвищити потужність роторного двигуна без значного збільшення його маси. Для зменшення небезпеки появи детонації при збільшенні тиску наддуву частина випускних газів перепускається через байпасний клапан повз турбіну у випускний трубопровід. Інерційний наддув організують вибором довжини випускного трубопроводу чи використанням коливань тиску у впускному трубопроводі, що виникають при відкритті впускного вікна сусіднього ротора (при багатороторної конструкції двигуна).