Роторные двигатели с послойным распределением заряда

Роторные двигатели с послойным распределением заряда

В первые годы после появления двигателя  Ванкеля под капотом микролитражки NSU Ro-80 несколько десятков  фирм приобрели у компании «NSU» лицензию на право производства роторного двигателя - сказался ажиотажный всплеск интереса к необычному автомобилю. Когда выяснилось, что ванкелевское направление требует для стоящих перед ним проблем слишком много капиталовложений, абсолютное большинство компаний, предпочитая больше не рисковать, полностью свернуло все программы, посвященные новому двигателю. Проведенные же ими научно-исследовательские и опытно конструкторские работы позже появились в открытой печати, и многое из того, что было наработано, рано или поздно было использовано компанией «Мазда» для усовершенствования своих серийных двигателей серии RX.

В целом же, за весь период «Ванкелемании» сформировались определенные направления  поисковых работ, в русле которых  и работали компании- лицензиаты, да и не только они.  С  определенной долей условности, разделим  их на:

1.    Работы, посвященные созданию  дизельных версий роторного двигателя. 

2.    Усовершенствования бензиновых  двигателей по оптимизации рабочего  процесса с возможностью сжигания  в роторных двигателях бедных  смесей топлива с воздухом. И  как следствие,  появление двигателей  с послойным распределением заряда.

Дизельный Ванкель

Как известно, все попытки построить  дизельный Ванкель ничем не закончились. Да, были построены вполне работоспособные  образцы, но ни одной фирме не удалось  добиться  существенного прорыва  в этой области.  И это, не смотря на то, что в некоторых случаях  технико-экономические показатели  построенных образцов дизельных  Ванкелей превосходили аналогичные  им бензиновые двигатели. Все равно  это  направление не получило своего дальнейшего развития. И в   этом есть, конечно, свои причины.

Как показали многочисленные эксперименты, основные трудности заключались  в сложности получения высокого давления сжатого воздуха в процессе одноступенчатого сжатия, а также  отсутствие  необходимых условий  для экономического сжигания топлива.

   Одним из таких условий  является достижение минимальной  величины отношения поверхности  камеры сгорания к ее объему, т.е. удельной поверхности камеры  сгорания.

 В быстроходных поршневых  дизелях величина удельной поверхности  камеры сгорания находится в  пределах 2.5 - 7. При более высоких  значениях удельной поверхности  пуск двигателя затрудняется, увеличивается  период задержки воспламенения,  возрастает удельный расход топлива.

 Теоретическая же степень  сжатия для осуществления дизельного  процесса в двигателе Ванкеля  может доходить до 30. Достигнуть  такой степени сжатия можно  путем увеличения отношения производящего  радиуса к радиусу подвижной  шестерни, однако при этом значительно  увеличиваются размеры ротора  и корпуса, а камера сгорания  вырождается в длинную и узкую  щель между ротором и корпусом  с бесконечно большой удельной  поверхностью. Последнее приводит  к повышенному отводу тепла  от сжатого газа в стенки  корпуса и ротора и не обеспечивает  достаточно качественного смесеобразования. Вышеизложенные трудности оказались  непреодолимыми и заставили в  свое время часть фирм (Клекнер,  Гумбольдт и Дейтц) полностью  прекратить работы по дизельному  варианту двигателя Ванкеля.

 В поисках оптимальной формы  камеры сгорания и закона подач  топлива английская фирма «Роллс-Ройс»   испытала свыше 100 различных выемок  в роторе, прежде чем был найден  оптимальный вариант, обеспечивающий  «удовлетворительную» экономичность  дизельной версии роторного двигателя

Примерно по такому же пути пошла  и Японская фирма «Янмар-дизл». Принципиальная схема дизеля «Роллс-Ройс» хорошо видна на рис.1. Дизель состоял из ступени низкого давления 1 и ступени высокого давления 3, размещенных в общем корпусе 8. Полости ступеней соединены между собой соединительными каналами 2 и 6. В нижней части корпуса имеется впускное окно 10 и выпускное окно9. В верхней части корпуса установлена форсунка 4. Роторы 5 и 7 обеих ступеней связаны между собой шестеренчатой передачей и синхронно вращаются в одном направлении.  Ротор ступени высокого давления на рабочих поверхностях имеет специальные выемки, ротор ступени низкого давления таких выемок не имеет.

При отношении полости высокого давления к объему полости низкого  давления ~1 : 3 в дизеле обеспечивается степень сжатия е= 18.

 При синхронном вращении  разных по диаметру роторов,  гранью ротора 7 полость сжатия  низкого давления отсекается  от впускного окна и воздух  по перепускному каналу 2 ротором  7 вытесняется в камеру ступени  высокого давления.

 В связи с проходящим при  этом уменьшением суммарного  объема происходило предварительное  сжатие воздуха. Перетекание воздуха  из ступени низкого давления  в ступень высокого давления  шло до тех пор, пока грань  ротора  5 не перекрывало перепускной  канал. Воздух при вращении  ротора  5 дополнительно сжимался  и переносился в зону расположения  форсунки 4. В сжатый окончательно  воздух впрыскивалось топливо,  с последующим его воспламенением. Образующиеся продукты сгорания  расширялись в замкнутом объеме  между ротором 5 и корпусом 8 до  тех пор, пока грань ротора  не открывала перепускной канал  6. По этому каналу газы поступали  в ступень низкого давления, где  происходило их дополнительное  расширение. Расширение происходило  до открытия выпускного окна, после чего ротором 7 они выталкивались  в атмосферу.

Мощность двигателя снималась  с эксцентрикового вала ступени  низкого давления. Не- смотря на усложнение конструкции и некоторое увеличение габаритов (на 13 % по сравнению с одноступенчатым  вариантом), применение двух ступеней позволило успешно преодолеть трудности  реализации дизельного цикла в роторном двигателе. В частности, в двухступенчатом  дизеле удельная поверхность камеры сгорания была уменьшена до значений, близких к таковым у поршневых  дизелей.

   Применение двух ступеней  позволило значительно снизить  удельное давления на подшипники  эксцентриковых валов. Начальная  отработка всех вопросов, связанных  с рабочим процессом и проверкой  работоспособности  отдельных  конструктивных элементов ступени  высокого давления имитировалось  подачей предварительно сжатого  воздуха на всасывание и созданием  соответствующего противодавления  на выхлопе.

 В процессе этих экспериментов  были выбраны форма камеры  сгорания, конструкция и материалы  радиальных уплотнений и подшипника  ротора.

 Затем с учетом накопленного  экспериментального материала был  изготовлен и испытан двухступенчатый  дизель R-1 (1971г.

На этом двигателе, подтвердившем  теоретические принципы построения двухступенчатого дизеля, было выбрано  оптимальное положение роторов  относительно друг друга и фазы газораспределения. И только после этого фирмой был  спроектирован дизель 2R-6, который  предполагалось использовать для промышленного  выпуска в качестве транспортной силовой установки. Этот двигатель  имел следующие конструктивные показатели:

Число рабочих отсеков (секций)........................................  2

 Число ступеней каждой секции.........................................  2

 Объем камеры см 3

 ступени низкого давления.................................. 3250

 ступени высокого давления................................  1265

 Общий объем камер двигателя  см3 ................................... 6500

 Мощность двигателя, кВт  (л.с.)      ..................................... 258 (350)

 Число оборотов эксцентрикового  вала 

 в минуту    .............................................................................. 4500

 предполагаемый расход топлива  г/кВт.ч (г/э.л.с.ч)........... 234-246  (172 -181)

 Габаритные размеры, мм .....................................................  726Ч718Ч835

 Объем двигателя  м3   ...........................................................  0.435

 Вес. кг   .................................................................................... 150

Испытанный прототип двигателя  - односекционный опытный дизель R-3 развил мощность 132 кВт  (180 л.с) при 4500 об/мин и имел на этом режиме расход топлива 250 г/кВтч (184 э.л.с.ч.) при коэффициенте избытка воздуха б=2. Минимальный  расход топлива составил 220 г/кВт  (184 г/э.л.с.ч ) при 2503500 об/мин и б=3.3. По заявлению фирмы, дизель обладал  исключительно низким уровнем вибраций.

 Двухступенчатый роторно-поршневой  2R-6 имел в 4 раза меньший вес  по сравнению с дизелем такой  же мощности, не превосходил по  габаритам газотурбинный двигатель,  имея при этом меньшее число  деталей.

Таким образом, работами фирмы «Роллс-Ройс»  была доказана возможность создания достаточно работоспособного компактного  роторного дизеля.

 Несмотря на положительные  результаты, достигнутые фирмами  «Роллс-Ройс» и «Янмар-дизл» по  созданию двухступенчатых дизелей  на базе двигателей Ванкеля,  последний, по заявлению фирмы  «Роллс-Ройс», вряд ли может  найти применение в качестве  гражданской силовой установки.  Причинами этого являются сложность,  высокая стоимость и недостаточный  срок службы двигателя.

 Исходя из сказанного дальнейшие  работы по программе «двухступенчатый  дизельный Ванкель» были свернуты, хотя еще, какое то время  работы над созданием других, более простых вариантов конструкций  роторных дизелей продолжались. Так фирма «Камминс» и английская  фирма «Нейшнл газ турбин эст»  работали над созданием двухступенчатого  роторного дизеля с использованием  турбокомпрессора в качестве  первой ступени. Однако при  этом оставался нерешенным вопрос  пуска двигателя.

В России первым запатентовал двигатель  такого рода инженер Сергей Бородинский  из Москвы 10 октября 2007года.

Основываясь на проведённых расчётах можно утверждать что РДД мощнее, экономичнее и экологически чище всех известных в настоящее время  двигателей внутреннего сгорания

Роторный Дизельный Двигатель (РДД) работает следующим образом.:

 При вращении ротора 3 поршень  4, поворачиваясь на пальце 5 от  воздействия центробежной силы, своим наконечником 8 скользит по  внутренней поверхности корпуса  1, хвостовиком всегда оставаясь  в пазу ротора, и так делит  рабочую полость 2 на подпоршневое  и надпоршневое пространство. В  момент прохождения наконечником  поршня 8 выпускного окна 6 камеры  сгорания 9, клапан 7 открывает окно 6, и газы от сгоревшей смеси  под большим давлением поступают  в надпоршневое пространство, толкают  поршень 4, создавая крутящий момент  на роторе, то есть совершая "рабочий  ход."

 Во время рабочего хода  в подпоршневом пространстве  осуществляется сжатие свежего  заряда воздуха, набранного в  рабочую полость в предыдущем  цикле. В тот момент, когда давление  сжимаемого заряда превысит давление  в надпоршневом пространстве  и камере сгорания, автоматически  открывается впускной клапан 10 и  заряд заполняет камеру сгорания 9. Одновременно с открытием клапана  10 (или немного раньше) выпускной  клапан 7 принудительно закрывается.  При прохождении наконечником  поршня зоны впускного окна 11 камеры сгорания 9, клапан 10 от возникающего  перепада давления (и под воздействием  пружины клапана) автоматически  закрывается, герметизируя окно, при этом выступающая часть  клапана входит в полость окна, уменьшая объём "мёртвой зоны". В это же время клапан 12 открывает  выхлопное окно 13, и отработанные  газы с остаточным давлением  около пяти атмосфер поступают  на лопасти турбины наддува,  устанавливаемой в подшипниках  на выходном валу.

 Таким образом, за пол-оборота  ротора каждый поршень осуществил  такт "рабочий ход" и такт "сжатие заряда".

  Продолжая вращение, поршень  переходит в следующую рабочую  полость и своей внутренней  поверхностью вытесняет выхлопные  газы, давление которых к этому  времени снижается до атмосферного, при этом в момент прохождения  наконечником зоны впускного  окна 15, открывается клапан 14 и рабочая  полость заполняется зарядом  свежего воздуха поступающего  из турбины наддува. При прохождении  наконечником зоны выхлопного  окна 13 оно закрывается клапаном 12, а впускной клапан 14 закрывает  окно 15 в зоне выхода наконечника  из рабочей полости. Момент  впрыска топлива через форсунку 16 зависит от скорости вращения  ротора и рассчитывается так,  чтобы к моменту подхода наконечника  к выпускному окну 6 камеры 

сгорания9 всё топливо успело сгореть, и давление газов было максимальным. Далее наконечник

опять перемещается в следующую  рабочую полость и описанный  выше цикл повторяется.

 Таким образом, за вторые  пол-оборота ротора каждый поршень  осуществил такт "выхлоп" отработанных  газов и такт "всасывание" свежего  заряда.

 На Фиг.1 не показана система  управления клапанами, система  охлаждения двигателя, турбина  наддува и т. д. чтобы не  загромождать чертёж.

 Достоинства Роторного Дизельного  Двигателя:

·         Самым  главным преимуществом Роторного  Дизельного Двигателя перед другими  двигателями внутреннего сгорания является достижение им во время работы такой высокой степени сжатия заряда, которая значительно превышает  геометрическую. А обеспечивается это  тем, что в принципе работы РДД  заложен "эффект двухступенчатого компрессорного сжатия", когда сжимаемый заряд  поступает в камеру сгорания, в  которой уже есть значительное давление газов, оставшихся от предыдущего цикла.

 Этот эффект по определённым  основаниям можно также считать  способом "продолженного расширения".

  ·         Каждый  поршень двигателя за один  оборот совершает один рабочий  ход, причём работают они одновременно, что увеличивает крутящий момент  вдвое.

·         Двигатель  обладает низким внутренним сопротивлением, потому что в РДД, в отличие  от всех других поршневых двигателей, отсутствуют нагрузки на опоры вала от давления газов, т.к. диаметрально-симметричное расположение поршней их взаимно  нейтрализует, что позволяет применять  подшипники качения.

·         РДД в  несколько раз легче и меньше по габаритам, чем КШДД.