Войти
Проект-Технарь
Устройство авто.
Данный раздел посвещён вопросам устройства и экстплуатации авто
Здесь Вы сможете найти статьи по устройству, ремонту,
обсуживанию, также деталям и узлам авто.
Также можно найти классификацию нетрадиционных ДВС, их устройство и работу.
Наши контакты:
+7(903) 982 12 16, admin@studiplom.ru
Меню


Скидки - Программа скидок до 50%

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.

Рис. 1

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 окно 9. 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.). Его характеристика показана на графике (рис.2)

Рис. 2

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 двигател

Двигатели с послойным распределением заряда.

Основным препятствием широкому распространению роторных двигателей, как известно, послужила их низкая (на 10-20 %)  экономичность  и  достаточно высокий уровень содержания  в отработавших газах продуктов неполного сгорания топлива (СН и СО).
Непрекращающийся энергетический кризис и дальнейшее ужесточение норм на токсичность отработавших газов с одновременным ростом цен на топливо, все это  вызвало резкое снижение спроса на автомобили с роторными двигателями. Оставшиеся производители роторных двигателей,  которые по-прежнему связывали свои планы на будущее вместе с  двигателями Ванкеля, всерьез искали решение топливной экономичности этого мотора. Не совсем обычная камера сгорания,  обладавшая достаточно причудливой формой располагала к нестандартным техническим приемам.  Большинство же компаний не могло предложить оригинальные идеи, поэтому сначала фирма «Ford» объявила о прекращении доводочных работ, а позже и «General Motors»  сначала задержал, а потом и вовсе отказался от выпуска автомобиля «Chevrolet Monza» с роторным двигателем GMRCE RC2-206. Следом за ними фирма «British Leyland» свернула все исследовательские работы, которые были связанны с этими двигателями.

В такой обстановке фирма «Toyo Kogyo» (будущая «Мазда») наоборот, активизировала  работы, направленные на снижение расхода топлива,  предполагая, что можно получить 40% экономию топлива за счет собственных изобретений (Журнал «Motor» за 1974г. №3755 стр.45-47). Фирмы «Volkswagen, «GMG», «Curtiss-Wright» направили все усилия на повышение эффективности процесса сгорания  путем применения  послойного распределения топлива в заряде. Здесь выявилось два направления: это выделение камеры сгорания из общей камеры сгорания и впрыск топлива в неразделенную камеру.
Один из способов, представленный на рис.3 активно разрабатывался фирмой «Honda Giken Kogyo K.K.»

Рис. 3 , Рис. 4

1-выпускная труба; 2- камера сгорания; 3-
соединительный канал; 4- предкамера; 5-
свеча зажигания; 6- впускной канал; 7-
компрессор; 8- дополнительный карбюратор.
известен и другой вариант той же фирмы (Рис.4), с несколько измененной системой подачи топлива, и эта
схема, также как и предыдущая, рассчитана на работу с бедными смесями.
В корпусе двигателя предусмотрены малая (8) и большая  (9) рабочие секции, в них  вращаются кинематически связанные между собой роторы. Обе секции имеют общую выпускную систему (7). Форкамера (1), в которой установлена свеча зажигания (2), связана с камерами секций (8 и 9 соединительными каналами (3 и 4).
Для подачи топлива предусмотрены отдельные карбюраторы (5 и 6), причем в малую камеру поступает богатая смесь, а в большую - бедная. При одновременном сжатии рабочих смесей давление в малой камере возрастает быстрее, благодаря чему богатая смесь из нее заполняет форкамеру до поступления в нее бедной смеси из большой камеры. Затем с помощью свечи зажигания смесь в форкамере воспламеняется, и фронт пламени распространяется в обе камеры. При этом основной заряд бедной смеси в большой камере воспламеняется факелом пламенных газов от горячей богатой смеси, чем обеспечивается интенсивное сгорание данного заряда.
В двигателях с послойным распределением топлива в заряде при неразделенной камере хорошее сгорание обеспечивается воспламенением слоя более богатой смеси с последующим протеканием через зону горения слоя бедной смеси. Так как в роторном двигателе не обеспечивается вихревое движение заряда (мы уже знаем, что это не так, см.] ), то используют характер изменения скоростей течения газа и форму камеры сгорания. У выступов трохоиды, разделяющих камеру сгорания, поток газа движется с высокой скоростью из задней части камеры сгорания в переднюю. Это способствует  перемещению слоя избыточного воздуха через начальное ядро воспламенившейся богатой смеси. Здесь камера сгорания на поверхности ротора имеет в поперечном сечении выступ, деля камеру на две части. Горение начинается в задней области камеры, куда впрыскивается топливо и где происходит воспламенение от свечи. Воспламенившаяся смесь перетекает в переднюю область для продолжения горения.
Топливо, воспламеняясь в большой по объему задней части, где находится богатая смесь, ограничивает максимальную температуру горения, приводя к снижению содержания NOx . Несгоревшие CO и HC дожигаются в меньшей части камеры.

Значительные по объему работы по роторным двигателям с послойным распределением заряда были проведены концерном GMG.  В своих конструкциях фирма использовала эффект направленного движения заряда в двигателе Ванкеля, чтобы обеспечить расслоение на такте впуска, которое должно сохраняться на тактах сжатия и сгорания. Смесь подавалась через радиальное или боковое окно, или сразу через оба окна. Например, через радиальное окно, открываемое ротором раньше бокового, подается чистый воздух, а затем через боковое окно поступает богатая смесь, которая скапливается в передней части камеры.
  Ими же был запатентован роторный ДВС с послойным распределением заряда,  у которого камеры сгорания форкамерного типа были наглухо заделаны в роторе, поджигание же смеси осуществлялось со стороны боковой крышки.

Остальные же фирмы в основном занимались тем, что меняли местами свечи, форсунки; изготавливали конструкции с двумя свечами в комплекте с дополнительной форсункой, встречались конструкции и с двумя форсунками  и одной свечой, и т.д.

Данный материал подготовлен на основе реферативных журналов и бюллетеней НИИ информации
автомобильной промышленности.