Двигатель Ванкеля

Эта статья о конкретном беспоршневом роторном двигателе. Информацию о других беспоршневых роторных двигателях см. в разделе «Беспоршневой роторный двигатель» . Информацию о конструкциях поршней, выполненных во вращательной конфигурации, см. в разделе «Роторный двигатель» .

Рисунок 1.
Цикл Ванкеля ККМ:

• A : Вершина ротора.
• B : Эксцентриковый вал.
• Белая часть — это выступ эксцентрикового вала.
• Расстояние между А и В остается постоянным.
• Производит три импульса мощности за каждый оборот ротора.
• Дает один силовой импульс за один оборот выходного вала.

Двигатель Ванкеля ( /ˈvaŋkəl̩/ , VUN -kell ) — это тип двигателя внутреннего сгорания , использующий эксцентриковую вращающуюся конструкцию для преобразования давления во вращательное движение. Концепция была доказана немецким инженером Феликсом Ванкелем , а затем появился коммерчески осуществимый двигатель, разработанный немецким инженером Ханнсом-Дитером Пашке. Ротор двигателя Ванкеля, создающий вращательное движение, по форме похож на треугольник Рело , со сторонами меньшей кривизны. корпуса в форме восьмерки Ротор вращается внутри эпитрохоидального вокруг зубчатой ​​передачи с фиксированными зубьями. Средняя точка ротора движется по кругу вокруг выходного вала, вращая вал через кулачок.

В своей базовой версии, работающей на бензине, двигатель Ванкеля имеет более низкий тепловой КПД и более высокие выбросы выхлопных газов по сравнению с четырехтактным поршневым двигателем с возвратно-поступательным движением. Термическая неэффективность ограничивала использование двигателя с момента его появления в 1960-х годах. Однако многие недостатки были в основном преодолены в последующие десятилетия по мере развития производства дорожных транспортных средств. Преимущества компактной конструкции, плавности хода, меньшего веса и меньшего количества деталей по сравнению с поршневыми двигателями внутреннего сгорания делают двигатель Ванкеля подходящим для таких применений, как бензопилы , вспомогательные силовые установки , барражирующие боеприпасы , самолеты , водные мотоциклы , снегоходы и расширители запаса хода в автомобили . Двигатель Ванкеля также использовался в мотоциклах и гоночных автомобилях .

Концепция

Типы роторных двигателей

Рисунок 2.
Первый двигатель DKM Wankel, разработанный Феликсом Ванкелем , DKM 54 ( Drehkolbenmotor ), в Немецком музее в Бонне.

Рисунок 3.
Двигатель Ванкеля с ротором и выходным валом с зубчатой ​​передачей.

Рисунок 5.
Первый двигатель KKM Ванкеля, основанный на конструкции Ханнса-Дитера Пашке, NSU KKM 57P ( роторно-поршневой двигатель ), на выставке Autovision и Forum.

Рисунок 6.
Первый серийный двигатель Ванкеля; установлен в NSU Spider

Двигатель Ванкеля представляет собой тип роторно-поршневого двигателя и существует в двух основных формах: двигатель Drehkolbenmotor (DKM, «роторно-поршневой двигатель»), разработанный Феликсом Ванкелем (см. Рисунок 2), и двигатель Kreiskolbenmotor (KKM, «контурный поршневой двигатель»). ), дизайн Ханнса-Дитера Пашке (см. рис. 3), из которых только последний вышел из стадии прототипа. Таким образом, все серийные двигатели Ванкеля относятся к типу ККМ.

• В двигателе ДКМ имеется два ротора: внутренний ротор трохоидной формы и внешний ротор, имеющий внешнюю круглую форму и внутреннюю форму восьмерки. Центральный вал неподвижен, а крутящий момент снимается с внешнего ротора, который соединен с внутренним ротором.
• В двигателе ККМ внешний ротор является частью неподвижного корпуса (то есть не движущейся частью). Внутренний вал представляет собой движущуюся часть с эксцентриковым выступом, вокруг которого вращается внутренний ротор. Ротор вращается вокруг своего центра и вокруг оси эксцентрикового вала в виде обруча, в результате чего ротор совершает один полный оборот на каждые три оборота эксцентрикового вала. В двигателе ККМ крутящий момент снимается с эксцентрикового вала, что делает его гораздо более простой конструкцией для адаптации к обычным трансмиссиям.

Разработка двигателя Ванкеля

Феликс Ванкель разработал роторный компрессор в 1920-х годах и получил свой первый патент на роторный двигатель в 1934 году. Он понял, что к треугольному ротору ротационного компрессора можно добавить впускные и выпускные отверстия, создавая двигатель внутреннего сгорания. В конце концов, в 1951 году Ванкель начал работать в немецкой фирме NSU Motorenwerke над разработкой роторного компрессора в качестве нагнетателя для мотоциклетных двигателей NSU. Ванкель придумал конструкцию треугольного ротора компрессора. При содействии профессора Отмара Байера из Штутгартского университета прикладных наук концепция была определена математически. Разработанный им нагнетатель использовался на одном из 50-сантиметровых двигателей NSU. ³ одноцилиндровые двухтактные двигатели. Двигатель развивал мощность 13,5 л.с. (10 кВт) при 12 000   об/мин.

В 1954 году NSU договорился с Феликсом Ванкелем о разработке роторного двигателя внутреннего сгорания на основе конструкции нагнетателя Ванкеля для их мотоциклетных двигателей. Поскольку Ванкель был известен как «трудный коллега», работы по разработке ДКМ велись в частном конструкторском бюро Ванкеля в Линдау. По словам Джона Б. Хеге, Ванкелю помог его друг Эрнст Хёппнер, который был «блестящим инженером». Первый рабочий прототип, DKM 54 (см. рисунок 2), впервые был запущен 1 февраля 1957 года в научно-исследовательском отделе NSU Versuchsabteilung TX . Он производил 21 л.с. (15 кВт). Вскоре после этого был построен второй прототип ДКМ. Он имел объем рабочей камеры Vk ₁₂₅ см3. ³ а также производил 21 кВт (29 л.с.) при 17 000   об / мин. Он мог даже развивать скорость до 25 000   об/мин. Однако такие обороты двигателя исказили форму внешнего ротора, что оказалось непрактичным. По данным инженеров и историков Mazda Motors , всего было построено четыре агрегата двигателя DKM; описывается конструкция с водоизмещением V _h 250 см. ³ (эквивалентно объему рабочей камеры V _k 125 см ³ ). Сообщается, что четвертый построенный агрегат претерпел несколько конструктивных изменений и в конечном итоге произвел 29 л.с. (21 кВт) при 17 000 об / мин; он мог развивать скорость до 22 000 об / мин. Один из четырех построенных двигателей выставлен на статической экспозиции Немецкого музея в Бонне (см. рис. 2).

Из-за сложной конструкции с неподвижным центральным валом двигатель ДКМ был непрактичен. Вольф-Дитер Бенсингер прямо упоминает, что в двигателе DKM невозможно обеспечить надлежащее охлаждение двигателя, и утверждает, что именно по этой причине от конструкции DKM пришлось отказаться. Главный инженер по развитию NSU Вальтер Фрёде решил эту проблему, используя конструкцию Ханнса-Дитера Пашке и преобразовав DKM в то, что позже будет известно как KKM (см. Рисунок 5). ККМ оказался гораздо более практичным двигателем, поскольку имеет легкодоступные свечи зажигания, более простую конструкцию охлаждения и обычный вал отбора мощности. Ванкелю не нравился двигатель KKM Фрёде из-за эксцентрикового движения его внутреннего ротора, которое не было чисто круговым движением, как предполагал Ванкель. Он заметил, что его «скаковая лошадь» превратилась в «плуговую лошадь». Ванкель также жаловался, что на уплотнения вершины KKM будет оказываться большее напряжение из-за эксцентричного движения ротора по принципу «хула-хуп». NSU не мог позволить себе финансировать разработку как DKM, так и KKM, и в конечном итоге решил отказаться от DKM в пользу KKM, поскольку последний казался более практичной конструкцией.

Ванкель получил патент США № 2 988 065 на двигатель KKM 13 июня 1961 года. На этапе проектирования KKM инженерной команде Froede приходилось решать такие проблемы, как повторяющиеся заклинивания подшипников, поток масла внутри двигателя и охлаждение двигателя. Первый полностью работающий двигатель KKM, KKM 125, весом всего 17 кг (37,5 фунта) и объемом 125 см. ³ и производил 26 л.с. (19 кВт) при 11 000   об / мин. Его первый запуск состоялся 1 июля 1958 года.

В 1963 году компания NSU выпустила первый серийный автомобильный двигатель Ванкеля — KKM 502 (см. рис. 6). Он использовался в спортивном автомобиле NSU Spider , которых было выпущено около 2000 штук. Несмотря на свои «проблемы с прорезыванием зубов», KKM 502 был мощным двигателем с приличным потенциалом, плавной работой и низким уровнем шума на высоких оборотах. Это был одновинтовой двигатель ПП рабочим объемом 996 см. ³ (61 дюйм ³ ), номинальная мощность 40 кВт (54 л.с.) при 6000   об/мин и BMEP 1 МПа (145 фунт-сила/дюйм). ² ).

Эксплуатация и дизайн

Рисунок 7.
Схема Ванкеля:

1. Впуск
2. Выхлоп
3. Корпус статора
4. Чемберс
5. Шестерня
6. Ротор
7. Коронная шестерня
8. Эксцентриковый вал
9. Свеча зажигания.

Рисунок 8.
Ротационный цикл:

1. Впускной (синий)
2. Сжатие (зеленый)
3. Зажигание (красное)
4. Выхлоп (желтый)

Продолжительность: 13 секунд. 0:13

Figure 9.
Video of a two rotor Wankel engine

Рисунок 10.
Сравнение двигателей Ванкеля и поршневых двигателей. Впуск Сжатие Расширение Выпуск

Рисунок 11.
Каждый двигатель выдает среднюю суммарную мощность 76,3 кВт при p _mi = 11,1 бар и p _me = 8,88 бар. Давление в камерах, мгновенный унитарный крутящий момент, мгновенный и средний общий крутящий момент в зависимости от угла поворота вала. График мгновенной и средней полной мощности в зависимости от времени.

Двигатель Ванкеля имеет вращающийся эксцентриковый вал отбора мощности, а вращающийся поршень вращается на эксцентриках на валу в виде обруча. Двигатель Ванкеля представляет собой роторный двигатель типа 2:3, т.е. внутренняя сторона его корпуса напоминает двухлепестковую овальную эпитрохоиду (эквивалент перитрохоиде). Напротив, его вращающийся поршень имеет трехвершинную трохоидную форму (похожую на треугольник Рело ). Таким образом, ротор двигателя Ванкеля постоянно образует три движущиеся рабочие камеры. Базовая геометрия двигателя Ванкеля изображена на рисунке 7. Уплотнения на вершинах ротора плотно прилегают к периферии корпуса. Ротор совершает вращательное движение, управляемый шестернями и эксцентриковым выходным валом, а не внешней камерой. Ротор не соприкасается с внешним корпусом двигателя. Сила давления расширенного газа на ротор оказывает давление на центр эксцентриковой части выходного вала.

Все практические двигатели Ванкеля являются четырехтактными (т. е. четырехтактными). Теоретически возможны двухтактные двигатели, но они непрактичны, поскольку впускной и выхлопной газы не могут быть должным образом разделены. Принцип действия аналогичен принципу работы Отто; Принцип работы дизеля с воспламенением от сжатия не может быть использован в практическом двигателе Ванкеля. Поэтому двигатели Ванкеля обычно имеют высоковольтную систему искрового зажигания .

В двигателе Ванкеля одна сторона треугольного ротора завершает четырехступенчатый цикл Отто впуска, сжатия, расширения и выпуска при каждом обороте ротора (что эквивалентно трем оборотам вала, см. рисунок 8). Форма ротора между неподвижными вершинами призвана минимизировать геометрический объем камеры сгорания и максимизировать степень сжатия соответственно. Поскольку ротор имеет три стороны, это дает три импульса мощности за один оборот ротора.

Двигатели Ванкеля имеют гораздо меньшую степень неравномерности по сравнению с поршневыми двигателями с возвратно-поступательным движением, что делает работу двигателя Ванкеля намного более плавной. Это связано с тем, что двигатель Ванкеля имеет меньший момент инерции и меньшую площадь избыточного крутящего момента из-за более равномерной передачи крутящего момента. Например, двухроторный двигатель Ванкеля работает более чем в два раза плавнее, чем четырехцилиндровый поршневой двигатель. Эксцентриковый выходной вал двигателя Ванкеля также не имеет связанных с напряжением контуров коленчатого вала поршневого двигателя. Таким образом, максимальные обороты двигателя Ванкеля в основном ограничиваются нагрузкой на зубья синхронизирующих шестерен. Шестерни из закаленной стали используются для длительной работы со скоростью выше 7000 или 8000   об/мин. На практике автомобильные двигатели Ванкеля не работают на гораздо более высоких скоростях выходного вала, чем поршневые двигатели с аналогичной выходной мощностью. Двигатели Ванкеля в автогонках работают на частоте вращения до 10 000   об/мин, как и четырехтактные поршневые двигатели с относительно небольшим рабочим объемом на цилиндр. В самолетах их применяют консервативно, до 6500 или 7500   об/мин.

Объем камеры

В роторном двигателе Ванкеля объем камеры $V_{k}$ эквивалентно произведению поверхности ротора $A_{k}$ и путь ротора $s$. Поверхность ротора $A_{k}$ определяется путем прохождения кончиков ротора через корпус ротора и определяется образующим радиусом $R$, ширина ротора $B$, и параллельные передачи ротора и внутреннего корпуса $a$. Поскольку ротор имеет трохоидную («треугольную») форму, синус 60 градусов описывает интервал, в котором роторы приближаются к корпусу ротора. Поэтому,

$A_{k}=2\cdot B\cdot (R+a)\cdot sin(60^{\circ })={\sqrt {3}}\cdot B\cdot (R+a)$

Путь ротора $s$ можно интегрировать через эксцентриситет $e$ следующее:

$\sum \,ds=\int _{\alpha =0^{\circ }}^{\alpha =270^{\circ }}e\cdot sin{\frac {2}{3}}\alpha \,d\alpha =3e$

Поэтому,

$V_{k}=A_{k}\cdot s={\sqrt {3}}\cdot B\cdot (R+a)\cdot 3e$

Для удобства, $a$ можно опустить, поскольку оно трудно определимо и мало:

$V_{k}={\sqrt {3}}\cdot B\cdot R\cdot 3e$

Другой подход к этому заключается в $a'$ как самый дальний и $a$ как кратчайший параллельный перенос ротора и внутреннего корпуса и полагая, что $R_{1}=R+a$ и $R_{2}=R+a'$. Затем,

$V_{k}={\sqrt {3}}\cdot B\cdot (2\cdot R_{1}+R_{2})\cdot e$

Включение параллельных передач ротора и внутреннего корпуса обеспечивает достаточную точность определения объема камеры.

Эквивалентный рабочий объем и выходная мощность

Со временем для оценки общего объема двигателя Ванкеля по отношению к поршневому двигателю использовались разные подходы: с учетом только одной, двух или всех трех камер. Частично этот спор возник из-за того, что налог на транспортные средства в Европе зависел от объема двигателя, как сообщил Карл Людвигсен .

Если $y$ - количество камер, рассматриваемых для каждого ротора, и $i$ количества роторов, то полный рабочий объем составит:

$V_{h}=y\cdot V_{k}\cdot i.$

Если $p_{me}$ среднее эффективное давление , $N$ вала скорость вращения и $n_{c}$ количество оборотов вала, необходимое для завершения цикла ( $N/n_{c}$ – частота термодинамического цикла), тогда полная выходная мощность составит:

$P=p_{me}\cdot V_{h}\cdot {N \over n_{c}}=p_{me}\cdot y\cdot V_{k}\cdot i\cdot {N \over n_{c}}.$

Учитывая одну камеру

Кеничи Ямамото и Уолтер Дж. Фроде заняли места $y=1$ и $n_{c}=1$:

$P=p_{me}\cdot 1\cdot V_{k}\cdot i\cdot {N \over 1}.$

При этих значениях однороторный двигатель Ванкеля производит ту же среднюю мощность, что и двигатель Ванкеля. $V_{h}$ одноцилиндровый двухтактный двигатель с тем же средним крутящим моментом, с валом, вращающимся с той же скоростью, работающим по циклам Отто с утроенной частотой.

Учитывая две камеры

Рихард Франц Ансдейл, Вольф-Дитер Бензингер и Феликс Ванкель основывали свою аналогию на количестве совокупных ходов расширения за один оборот вала. В роторном двигателе Ванкеля эксцентриковый вал должен совершить три полных оборота (1080°) на камеру сгорания, чтобы завершить все четыре фазы четырехтактного двигателя. Поскольку роторный двигатель Ванкеля имеет три камеры сгорания, все четыре фазы четырехтактного двигателя совершаются за один полный оборот эксцентрикового вала (360°), и при каждом обороте вала создается один импульс мощности. Это отличается от четырехтактного поршневого двигателя, которому необходимо совершить два полных оборота на камеру сгорания, чтобы завершить все четыре фазы четырехтактного двигателя. Так, в роторном двигателе Ванкеля, по Бензингеру, рабочий объем ( $V_{h}$) является:

$V_{h}=2V_{k}\cdot i$

Если мощность должна быть получена от BMEP, применяется формула четырехтактного двигателя:

$P={p_{\text{me}}\cdot V_{\text{h}}\cdot {N \over 2}}$

Учитывая три камеры

Феликс Генрих Ванкель , Ойген Вильгельм Хубер и Карл-Хайнц Кюттнер пересчитали все камеры, поскольку в каждой из них действует свой термодинамический цикл. Так $y=3$ и $n_{c}=3$:

$P=p_{me}\cdot 3\cdot V_{k}\cdot i\cdot {N \over 3}.$

При этих значениях однороторный двигатель Ванкеля производит ту же среднюю мощность, что и двигатель Ванкеля. $V_{h}$ трехцилиндровый четырехтактный двигатель с 3/2 среднего крутящего момента, с валом, вращающимся на 2/3 скорости, работающим по циклам Отто с той же частотой:

$P=p_{me}\cdot 3\cdot V_{k}\cdot {{2 \over 3}N \over 2}.$

2/3 Применяя передачу к выходному валу трехцилиндрового двигателя (или передачу 3/2 к Ванкелю), они аналогичны с термодинамической и механической точки зрения выходной мощности, как указал Хубер.

Примеры (считая две камеры)

ККМ 612 ( НСУ Ро80 )

• е = 14 мм
• Р=100 мм
• а=2 мм
• В=67 мм
• я = 2

$V_{k}={\sqrt {3}}\cdot 67\,mm\cdot (100+2\,mm)\cdot 3\cdot \,14\,mm\approx 498,000\,mm^{3}=498\,cm^{3}$

$V_{h}=2\cdot 498\,cm^{3}\cdot 2=1,992\ cm^{3}$

Mazda 13B-REW ( Мазда RX-7 )

• е = 15 мм
• Р=103 мм
• а=2 мм
• В=80 мм
• я = 2

$V_{k}={\sqrt {3}}\cdot 80\,mm\cdot (103+2\,mm)\cdot 3\cdot \,15\,mm\approx 654,000\,mm^{3}=654\,cm^{3}$

$V_{h}=2\cdot 654\,cm^{3}\cdot 2=2,616\ cm^{3}$

Лицензии выданы

Рисунок 12.
Первый двигатель Ванкеля Mazda , предшественник 10A, в музее Mazda в Хиросиме, Япония.

Рисунок 13.
Разрез двигателя Ванкеля, разработанного General-Motors в 1972 году, с двумя роторами.

NSU лицензировал разработку двигателя Ванкеля компаниям по всему миру в различных формах, при этом многие компании постоянно совершенствовались. В своей книге Rotationskolben-Verbrennungsmotoren 1973 года немецкий инженер Вольф-Дитер Бензингер описывает следующих лицензиатов в хронологическом порядке, что подтверждает Джон Б. Хеге:

• Curtiss-Wright : все типы двигателей, как с воздушным, так и с водяным охлаждением, мощностью 100–1000 л.с. (74–735 кВт), с 1958 г.; лицензия продана Deere & Company в 1984 г.
• Fichtel & Sachs : промышленные и судовые двигатели мощностью 0,5–30 л.с. (0–22 кВт), 1960 г.
• Yanmar Diesel : судовые двигатели мощностью до 100 л.с. (74 кВт) и двигатели, работающие на дизельном топливе мощностью до 300 л.с. (221 кВт), с 1961 г.
• Toyo Kogyo (Mazda) : автомобильные двигатели мощностью до 200 л.с. (147 кВт), с 1961 г.
• Двигатели Perkins : все типы двигателей мощностью до 250 л.с. (184 кВт), с 1961 по <1972 год.
• Клёкнер-Гумбольдт-Дойц : Двигатели, работающие на дизельном топливе; разработка прекращена к 1972 году
• Daimler Benz : все типы двигателей мощностью от 50 л.с. (37 кВт) до 350 л.с. (257 кВт), с 1961 по 1976 год.
• MAN : Двигатели, работающие на дизельном топливе; разработка прекращена к 1972 году
• Крупп : Двигатели, работающие на дизельном топливе; разработка прекращена к 1972 году
• Rheinstahl-Hanomag : бензиновые двигатели мощностью 40–200 л.с. (29–147 кВт), 1963 г.; с 1972 года перешёл во владение Daimler-Benz.
• Alfa Romeo : автомобильные двигатели мощностью 50–300 л.с. (37–221 кВт), 1964 г.
• Rolls-Royce : двигатели для дизельного топлива или многотопливного режима, 100–850 л.с. (74–625 кВт), с 1965 г.
• VEB Automobilbau : Автомобильные двигатели мощностью 0,25–25 л.с. (0–18 кВт) и 50–100 л.с. (37–74 кВт), 1965 г.; лицензия отменена к 1972 г.
• Porsche : двигатели спортивных автомобилей мощностью 50–1000 л.с. (37–735 кВт), 1965 г.
• Подвесной морской мотор : судовые двигатели мощностью 50–400 л.с. (37–294 кВт), 1966 г.
• Comotor ( NSU Motorenwerke и Citroën ): бензиновые двигатели мощностью 40–200 л.с. (29–147 кВт), 1967 г.
• Граупнер : Модели двигателей мощностью 0,1–3 л.с. (0–2 кВт), 1967 г.
• Савкель : Промышленные бензиновые двигатели мощностью 0,5–30 л.с. (0–22 кВт), 1969 г.
• Nissan : автомобильные двигатели мощностью 80–120 л.с. (59–88 кВт), 1970 г.
• General Motors : все типы двигателей, кроме авиационных, вплоть до четырехроторных, с 1970 г.
• Suzuki : мотоциклетные двигатели мощностью 20–90 л.с. (15–66 кВт), 1970 г.
• Toyota : автомобильные двигатели мощностью 75–150 л.с. (55–110 кВт), 1971 г.
• Ford Germany : (включая Ford Motor Company ): автомобильные двигатели мощностью 80–200 л.с. (59–147 кВт), 1971 г.
• Компания BSA : Бензиновые двигатели мощностью 35–60 л.с. (26–44 кВт), 1972 г.
• Yamaha Motor Company : бензиновые двигатели мощностью 20–80 л.с. (15–59 кВт), 1972 г.
• Kawasaki Heavy Industries : бензиновые двигатели мощностью 20–80 л.с. (15–59 кВт), 1972 г.
• Двигатели Brunswick Corporation мощностью 20–100 л.с. (15–74 кВт), 1972 г.
• Ingersoll Rand : двигатели мощностью 350–4500 л.с. (257–3310 кВт), 1972 г.
• American Motors Company : бензиновые двигатели мощностью 80–200 л.с. (59–147 кВт), 1973 г.

В 1961 году советские научно-исследовательские организации НАТИ, НАМИ и ВНИИмотопром приступили к разработке двигателя Ванкеля. В конце концов, в 1974 году разработку передали в специальное конструкторское бюро завода АвтоВАЗ . Джон Б. Хеге утверждает, что ни одному советскому производителю автомобилей лицензия не была выдана.

Инженерное дело

Рисунок 14.
Апексные уплотнения слева NSU Ro 80 ; правая Мазда 12А и 13Б

Рисунок 15.

• Слева : осевое охлаждение развала Mazda L10A.
• В центре : Audi NSU EA871 с осевым водяным охлаждением, только горячая дуга.
• Справа : алмазные двигатели Ванкеля, радиальное охлаждение только горячей дуги.

Феликсу Ванкелю удалось преодолеть большинство проблем, из-за которых предыдущие попытки совершенствования роторных двигателей терпели неудачу, разработав конструкцию с лопастными уплотнениями, имеющими радиус вершины, равный величине «увеличения» формы корпуса ротора по сравнению с теоретическим. эпитрохоид, чтобы минимизировать радиальное движение уплотнения вершины, а также введение цилиндрического газонагруженного штифта вершины, который примыкает ко всем уплотнительным элементам и обеспечивает уплотнение вокруг трех плоскостей на каждой вершине ротора.

Вначале необходимо было создавать уникальные, специализированные производственные машины для жилищ различных размеров. Однако запатентованные конструкции, такие как патент США 3824746 , Дж. Дж. Уотт, 1974 г., на «Машину, производящую цилиндр двигателя Ванкеля», патент США 3916738 «Устройство для механической обработки и/или обработки трохоидальных поверхностей» и патент США 3964367 «Устройство для механической обработки» трохоидальные внутренние стенки» и другие решили проблему.

У двигателей Ванкеля есть проблема, отсутствующая в четырехтактных поршневых двигателях с возвратно-поступательным движением, заключающаяся в том, что в корпусе блока впуск, сжатие, сгорание и выхлоп происходят в фиксированных местах вокруг корпуса. Это вызывает очень неравномерную тепловую нагрузку на корпус ротора. Напротив, четырехтактные поршневые двигатели выполняют эти четыре такта в одной камере, так что крайности «замерзания» впуска и «пылания» выпуска усредняются и защищаются пограничным слоем от перегрева рабочих частей. Университет Флориды предложил использовать тепловые трубки в вентиляторе Ванкеля с воздушным охлаждением, чтобы преодолеть неравномерный нагрев блочного корпуса. Предварительный подогрев некоторых секций корпуса выхлопными газами улучшает производительность и экономию топлива, а также снижает износ и выбросы.

Экраны пограничного слоя и масляная пленка действуют как теплоизоляция, что приводит к низкой температуре смазочной пленки (приблизительно максимум 200 °C или 390 °F на двигателе Ванкеля с водяным охлаждением). Это обеспечивает более постоянную температуру поверхности. Температура вокруг свечи зажигания примерно такая же, как в камере сгорания поршневого двигателя. При окружном или осевом охлаждении разница температур остается допустимой.

Проблемы возникли во время исследований в 1950-х и 1960-х годах. Некоторое время инженеры сталкивались с тем, что они называли «следами вибрации» и «чертовской царапиной» на внутренней поверхности эпитрохоиды, что приводило к сколам хромового покрытия трохоидальных поверхностей. Они обнаружили, что причиной была резонансная вибрация апексных уплотнений, и проблема была решена за счет уменьшения толщины и веса апексных уплотнений, а также использования более подходящих материалов. Царапины исчезли после введения более совместимых материалов уплотнителей и покрытий корпуса. Ямамото экспериментально облегчил апексные уплотнения с отверстиями. Теперь основной причиной стал вес. Затем Mazda использовала углеродные уплотнения с пропиткой алюминием в своих ранних серийных двигателях. NSU использовал углеродистые уплотнения вершины, пропитанные сурьмой, против хрома. Компания NSU довела покрытие ELNISIL до стадии производства и вернулась к металлической уплотнительной ленте для RO80. Mazda продолжала использовать хром, но снабдила алюминиевый корпус стальной оболочкой, которая затем была покрыта тонким слоем оцинкованного хрома. Это позволило Mazda вернуться к металлическим апексным уплотнениям толщиной 3 мм, а позже и 2 мм. Еще одной ранней проблемой было образование трещин на поверхности статора в районе свечного отверстия, которое устранялось установкой свечей зажигания в отдельную металлическую вставку/медную гильзу в корпусе вместо вкручивания свечи непосредственно в корпус блока.

Компания Toyota обнаружила, что замена свечи зажигания на ведущем заводе на свечу накаливания улучшила низкие обороты, частичную нагрузку, удельный расход топлива на 7%, а также выбросы и холостой ход. Более позднее альтернативное решение для охлаждения втулки свечи зажигания представляло собой схему с регулируемой скоростью охлаждающей жидкости для роторов с водяным охлаждением, которая получила широкое распространение и была запатентована Curtiss-Wright. с последним из перечисленных для лучшего охлаждения втулки свечи зажигания двигателя с воздушным охлаждением. Эти подходы не требовали медной вставки с высокой проводимостью, но не исключали ее использования. Форд испытал двигатель Ванкеля со свечами, расположенными в боковых пластинах вместо обычного размещения на рабочей поверхности корпуса ( СА 1036073   , 1978 г.).

Доставка крутящего момента

Двигатели Ванкеля способны работать на высоких скоростях, а это означает, что им не обязательно создавать высокий крутящий момент для производства высокой мощности. Расположение впускного канала и закрытие впускного канала сильно влияют на крутящий момент двигателя. Раннее закрытие впускного канала увеличивает крутящий момент на низких оборотах, но снижает крутящий момент на высоких оборотах (и, следовательно, мощность). Напротив, позднее закрытие впускного канала снижает крутящий момент на низких оборотах, одновременно увеличивая крутящий момент на высоких оборотах двигателя, что приводит к увеличению мощности на более высоких оборотах двигателя.

Периферийное впускное отверстие обеспечивает самое высокое среднее эффективное давление ; однако боковое впускное отверстие обеспечивает более устойчивый холостой ход, потому что это помогает предотвратить обратный выброс сгоревших газов во впускные каналы, что вызывает «пропуски воспламенения», вызванные чередующимися циклами, когда смесь воспламеняется и не воспламеняется. Периферийные порты (PP) обеспечивают лучшее среднее эффективное давление во всем диапазоне оборотов, но PP также был связан с худшей стабильностью холостого хода и производительностью при частичной нагрузке. Ранняя работа Toyota привело к добавлению подачи свежего воздуха к выхлопному отверстию. Также было доказано, что лепестковый клапан во впускном отверстии или воздуховодах улучшены характеристики двигателей Ванкеля на низких оборотах и ​​при частичной нагрузке за счет предотвращения обратного потока выхлопных газов во впускное отверстие и каналы, а также уменьшения высокого уровня рециркуляции отработавших газов, вызывающего пропуски зажигания, за счет небольшой потери мощности на максимальных оборотах. Эластичность повышается за счет увеличения эксцентриситета ротора, аналогично более длинному ходу поршневого двигателя.

Двигатели Ванкеля работают лучше с выхлопной системой низкого давления. Более высокое противодавление выхлопных газов снижает среднее эффективное давление, причем более сильно в двигателях с периферийным впускным отверстием. Двигатель Mazda RX-8 Renesis улучшил характеристики за счет увеличения площади выпускного отверстия вдвое по сравнению с более ранними конструкциями, а также были проведены исследования влияния конфигурации впускного и выпускного трубопровода на производительность двигателей Ванкеля. Боковые впускные каналы (которые используются в двигателе Mazda Renesis) были впервые предложены Ханнсом-Дитером Пашке в конце 1950-х годов. Пашке предсказал, что точно рассчитанные впускные каналы и впускные коллекторы могут сделать двигатель с боковым расположением порта таким же мощным, как двигатель PP.

Материалы

Как описывалось ранее, на двигатель Ванкеля влияет неравномерное тепловое расширение из-за четырех циклов, происходящих в фиксированных местах двигателя. Хотя это предъявляет высокие требования к используемым материалам, простота Ванкеля облегчает использование альтернативных материалов, таких как экзотические сплавы и керамика . Обычным методом для корпусов двигателей, изготовленных из алюминия, является использование напыленного слоя молибдена на корпусе двигателя в области камеры сгорания и напыленного стального слоя в других местах. Корпуса двигателей, отлитые из железа, можно подвергать индукционной пайке, чтобы материал выдерживал тепловую нагрузку при сгорании.

Среди сплавов, рекомендуемых для использования в корпусах Ванкеля, — A-132, Inconel 625 и 356, обработанные до твердости T6. Для покрытия рабочей поверхности корпуса использовалось несколько материалов, в том числе Никасил . Citroën, Daimler-Benz, Ford, AP Grazen и другие подали заявки на патенты в этой области. Выбор материалов для верхушечных уплотнений менялся вместе с накопленным опытом: от углеродистых сплавов до стали, ферритной нержавеющей стали , Ferro-TiC и других материалов. Комбинация материалов покрытия корпуса, а также материалов вершины и боковых уплотнений была определена экспериментально, чтобы обеспечить наилучший срок службы как уплотнений, так и крышки корпуса. Для вала предпочтительны стальные сплавы с небольшой деформацией под нагрузкой, для этого предложено использовать мартенситностареющую сталь.

В первые годы разработки двигателя Ванкеля преобладающим типом топлива был этилированный бензин. Свинец является твердой смазкой, а этилированный бензин предназначен для уменьшения износа уплотнений и корпусов. В первых двигателях подача масла рассчитывалась с учетом смазывающих свойств бензина. Поскольку этилированный бензин постепенно прекращался, двигателям Ванкеля требовалось увеличение количества масла в бензине для обеспечения смазки критически важных частей двигателя. В документе SAE Дэвида Гарсайда подробно описан выбор Norton материалов и охлаждающих ребер.

Уплотнение

Ранние конструкции двигателей имели высокую вероятность потери уплотнения как между ротором и корпусом, так и между различными деталями, составляющими корпус. Кроме того, в более ранних моделях двигателей Ванкеля частицы углерода могли застревать между уплотнением и корпусом, вызывая заклинивание двигателя и требующее частичного ремонта. Очень ранние двигатели Mazda обычно требовали ремонта после 50 000 миль (80 000 км). Дополнительные проблемы с уплотнением возникли из-за неравномерного распределения тепла внутри корпусов, что привело к деформации, потере уплотнения и сжатия. Эта термическая деформация также вызвала неравномерный износ между уплотнением вершины и корпусом ротора, что заметно на двигателях с большим пробегом. Проблема усугублялась, когда двигатель подвергался нагрузке до достижения рабочей температуры . Однако двигатели Mazda Wankel решили эти первоначальные проблемы. Современные двигатели состоят из почти 100 деталей, связанных с уплотнениями.

Проблема зазора для вершин горячего ротора, проходящего между ближними в осевом направлении боковыми корпусами в зонах более холодных впускных кулачков, была решена за счет использования осевого пилотного ротора, расположенного радиально внутри сальников, а также улучшенного инерционного масляного охлаждения внутренней части ротора (CW США 3261542   , К. Джонс, 08.05.63, US 3176915   , М. Бентеле, К. Джонс. АХ Рэй. 02.07.62), а также слегка «коронкованные» верхушечные уплотнения (разная высота в центре и на краях уплотнения).

Экономия топлива и выбросы

Как описано в разделе о термодинамических недостатках , ранние двигатели Ванкеля имели плохую топливную экономичность. Это вызвано конструкцией двигателя Ванкеля, формой камеры сгорания и огромной площадью поверхности. С другой стороны, конструкция двигателя Ванкеля гораздо менее склонна к детонации. что позволяет использовать низкооктановое топливо без снижения компрессии. НГУ провел испытания низкооктанового бензина по предложению Феликса Ванкеля.

На опытной основе фирмой «БВ Арал» выпускался 40-й бензин, который использовался в испытательном двигателе Ванкеля ДКМ54 со степенью сжатия 8:1; он работал без нареканий. Это расстроило нефтехимическую промышленность Европы, которая вложила значительные суммы денег в новые заводы по производству бензина более высокого качества.

Двигатели с послойным наддувом и непосредственным впрыском могут работать на топливе с особенно низкими октановыми числами. Например, дизельное топливо, октановое число которого составляет всего ~25. В результате низкой эффективности двигатель Ванкеля с периферийными выпускными отверстиями имеет большее количество несгоревших углеводородов (HC), выбрасываемых в выхлопные газы. (NOx) в выхлопных газах относительно низкие Однако выбросы оксидов азота (EGR) двигателя Ванкеля , поскольку сгорание происходит медленно, а температура ниже, чем в других двигателях, а также из-за хорошего поведения системы рециркуляции выхлопных газов . Выбросы угарного газа (CO) двигателей Ванкеля и Отто примерно одинаковы.

Двигатель Ванкеля имеет значительно более высокую (Δt _K >100 К) температуру выхлопных газов, чем двигатель Отто, особенно в условиях низкой и средней нагрузки. Это происходит из-за более высокой частоты сгорания и более медленного сгорания. Температура выхлопных газов может превышать 1300 К при высокой нагрузке и частоте вращения двигателя 6000 об/мин. ⁻¹ . Чтобы улучшить поведение выхлопных газов двигателя Ванкеля, термический реактор или каталитический нейтрализатор можно использовать для уменьшения содержания углеводородов и окиси углерода в выхлопных газах.

Mazda использует двойную систему зажигания с двумя свечами зажигания на камеру. Это увеличивает выходную мощность и в то же время снижает выбросы углеводородов. В то же время выбросы углеводородов можно снизить за счет уменьшения преждевременного зажигания ведущей свечи Т по сравнению с задней свечой L. Это приводит к внутреннему дожиганию и снижает выбросы углеводородов. С другой стороны, одинаковое время зажигания L и T приводит к более высокому преобразованию энергии. Углеводороды, прилипшие к стенке камеры сгорания, выбрасываются в выхлопные газы через периферийное выпускное отверстие.

В своем двигателе R26B Mazda использовала по 3 свечи зажигания на камеру. Третья свеча зажигания воспламеняет смесь на задней стороне до того, как образуется хлюпанье, вызывая полное сгорание смеси, а также ускоряя распространение пламени, что снижает расход топлива. Согласно исследованию Кертисс-Райт, фактором, который контролирует количество несгоревших углеводородов в выхлопных газах, является температура поверхности ротора, причем более высокие температуры приводят к меньшему количеству углеводородов в выхлопных газах. Компания Curtiss-Wright расширила ротор, сохранив остальную конструкцию двигателя неизменной, тем самым уменьшив потери на трение и увеличив рабочий объем и выходную мощность. Ограничивающим фактором для этого расширения был механический фактор, особенно прогиб вала при высоких скоростях вращения. Закалка является основным источником углеводородов на высоких скоростях и утечек на низких скоростях. Использование боковых отверстий, которые позволяют закрыть выпускное отверстие вокруг верхней мертвой точки и уменьшить перекрытие впуска и выпуска, помогает снизить расход топлива.

Автомобиль Mazda RX-8 с двигателем Renesis (впервые представленный в 1999 году) в 2004 году соответствовал стандарту США для автомобилей с низким уровнем выбросов (LEV-II) . В основном этого удалось достичь за счет использования боковых отверстий: выпускные отверстия, которые в более ранних роторных двигателях Mazda располагались в корпусах роторов, были перенесены в сторону камеры сгорания. Такой подход позволил Mazda устранить перекрытие впускных и выпускных отверстий, одновременно увеличив площадь выхлопных отверстий. Такая конструкция улучшила стабильность сгорания в диапазоне низких скоростей и легких нагрузок. Выбросы углеводородов от роторного двигателя с боковым выхлопным отверстием на 35–50% меньше, чем от двигателя Ванкеля с периферийным выхлопным отверстием. Роторные двигатели с периферийными портами имеют лучшее среднее эффективное давление , особенно на высоких оборотах и ​​с впускным каналом прямоугольной формы. Однако RX-8 не был улучшен для соответствия нормам выбросов Евро-5 и был снят с производства в 2012 году. Новая Mazda 8C Mazda MX-30 R-EV соответствует стандарту выбросов Euro 6d-ISC-FCM.

Лазерное зажигание

Лазерное зажигание было впервые предложено в 2011 году. но первые исследования лазерного зажигания были проведены только в 2021 году. Предполагается, что лазерное зажигание бедных топливных смесей в двигателях Ванкеля может улучшить расход топлива и поведение выхлопных газов. В исследовании 2021 года модель двигателя Ванкеля была испытана с лазерным зажиганием и различными газообразными и жидкими видами топлива. Лазерное зажигание приводит к более быстрому развитию центра горения, тем самым улучшая скорость горения и приводя к снижению выбросов NO _x . Энергия лазерного импульса, необходимая для правильного зажигания, является «разумной» и находится в небольшом однозначном диапазоне мДж. Для лазерного зажигания не требуется существенной модификации двигателя Ванкеля.

Воспламенение от сжатия Ванкеля

Основная статья: Дизельный двигатель Ванкеля

Рисунок 16.
Прототип Rolls-Royce R1C с воспламенением от сжатия

Были проведены исследования ротационных двигателей с воспламенением от сжатия. Основные конструктивные параметры двигателя Ванкеля не позволяют получить в практическом двигателе степень сжатия, достаточную для работы дизеля. Роллс-Ройс и Yanmar с воспламенением от сжатия подход заключался в использовании двухступенчатой ​​установки (см. рисунок 16), в которой один ротор действует как компрессор, а сгорание происходит в другом. Оба двигателя не работали.

Многотопливный двигатель Ванкеля

Подход, отличный от двигателя Ванкеля с воспламенением от сжатия (дизельный двигатель), представляет собой многотопливный двигатель Ванкеля без ХИ, который способен работать на огромном разнообразии видов топлива: дизельном топливе, бензине, керосине, метаноле, природном газе и водороде. Немецкий инженер Данкварт Эйерманн разработал этот двигатель в Wankel SuperTec (WST) в начале 2000-х годов. Имеет объем камеры 500 см. ³ (cc) и указанная выходная мощность 50 кВт (68 лошадиных сил) на ротор. Возможны версии от одного до четырех роторов.

Двигатель WST имеет систему непосредственного впрыска Common-Rail, работающую по принципу послойного наддува. Подобно дизельному двигателю и в отличие от обычного двигателя Ванкеля, двигатель WST сжимает воздух, а не воздушно-топливную смесь, как в фазе сжатия четырехтактного двигателя. Топливо впрыскивается в сжатый воздух незадолго до верхней мертвой точки, что приводит к расслоению заряда (т. е. к отсутствию однородной смеси). Свеча зажигания используется для инициирования горения. Давление в конце фазы сжатия и во время сгорания ниже, чем в обычном дизельном двигателе, и расход топлива эквивалентен небольшому двигателю с непрямым впрыском и воспламенением от сжатия (т.е. >250 г/(кВт·ч)).

Варианты двигателя WST Ванкеля, работающие на дизельном топливе, используются в качестве ВСУ в 60 тепловозах Deutsche Bahn. Дизельные двигатели WST могут развивать мощность до 400 кВт (543 лошадиных силы).

Водородное топливо

Рисунок 15.
Mazda RX-8 Hydrogen RE — автомобиль с роторным двигателем, работающий на водороде

Поскольку топливная смесь водорода и воздуха воспламеняется быстрее и имеет более высокую скорость горения, чем бензин, важной проблемой водородных двигателей внутреннего сгорания является предотвращение преждевременного зажигания и обратного зажигания. В роторном двигателе каждый цикл цикла Отто происходит в разных камерах. Важно отметить, что впускная камера отделена от камеры сгорания, что предотвращает попадание топливовоздушной смеси в локальные горячие точки. Двигатели Ванкеля также не имеют горячих выпускных клапанов, что облегчает их адаптацию к работе на водороде. Другая проблема связана с воздействием гидрогената на смазочную пленку поршневых двигателей. В двигателе Ванкеля проблема гидрогенизата решается за счет использования керамических уплотнений вершины.

В прототипе двигателя Ванкеля, установленном на Mazda RX-8 для исследования работы водорода, Вакаяма и др. обнаружили, что работа на водороде повышает термический КПД на 23% по сравнению с работой на бензине. превосходит японский стандарт SULEV. Дополнительная стехиометическая операция в сочетании с катализатором обеспечивает дополнительное снижение выбросов NOx. Соответственно, автомобиль соответствует стандарту SULEV.

Преимущества

Основными преимуществами двигателя Ванкеля являются:

• Гораздо более высокое соотношение мощности к весу, чем у поршневого двигателя.
• Легче разместить в небольшом пространстве двигателя, чем эквивалентный поршневой двигатель.
• Способен достигать более высоких оборотов двигателя, чем сопоставимый поршневой двигатель.
• Работает практически без вибрации
• Не склонен к детонации двигателя
• Дешевле производить серийно, поскольку двигатель содержит меньше деталей.
• Обеспечение крутящего момента примерно на две трети цикла сгорания, а не на одну четверть для поршневого двигателя.
• Легко адаптируется и отлично подходит для использования водородного топлива.

Двигатели Ванкеля значительно легче и проще, содержат гораздо меньше движущихся частей, чем поршневые двигатели эквивалентной выходной мощности. Клапаны или сложные клапанные механизмы устраняются за счет использования простых отверстий, вырезанных в стенках корпуса ротора. Поскольку ротор вращается непосредственно на большом подшипнике выходного вала, здесь нет шатунов и коленчатого вала . Устранение возвратно-поступательной массы дает двигателям Ванкеля низкий коэффициент неравномерности, а это означает, что они работают намного плавнее, чем сопоставимые поршневые двигатели с возвратно-поступательным движением. Например, двухроторный двигатель Ванкеля работает более чем в два раза плавнее, чем четырехцилиндровый поршневой двигатель.

Четырехтактный цилиндр производит рабочий такт только при каждом втором обороте коленчатого вала, причем три такта являются насосными потерями. Двигатель Ванкеля также имеет более высокий объемный КПД, чем поршневой двигатель возвратно-поступательного движения. Из-за квазиперекрытия рабочих тактов двигатель Ванкеля очень быстро реагирует на увеличение мощности, обеспечивая быструю подачу мощности, когда возникает потребность, особенно на более высоких оборотах двигателя. Эта разница более выражена по сравнению с четырехцилиндровыми поршневыми двигателями и менее выражена по сравнению с двигателями с большим количеством цилиндров.

Из-за отсутствия горячих выпускных клапанов требования к октановому числу топлива двигателей Ванкеля ниже, чем у поршневых двигателей. Как правило, можно считать, что двигатель Ванкеля с объемом рабочей камеры Vk ₅₀₀ см3. ³ а степень сжатия ε=9 хорошо работает на бензине посредственного качества с октановым числом всего 91 АИ. Если в поршневом двигателе с возвратно-поступательным движением во избежание детонации компрессию необходимо уменьшить на одну единицу сжатия, то в сопоставимом двигателе Ванкеля снижение компрессии может не потребоваться.

Из-за меньшего количества форсунок системы впрыска топлива в двигателях Ванкеля дешевле, чем в поршневых двигателях. Система впрыска, позволяющая работать с послойным зарядом , может помочь уменьшить площади обогащенной смеси в нежелательных частях двигателя, что повышает топливную экономичность.

Недостатки

Термодинамические недостатки

Роторные двигатели Ванкеля в основном страдают от плохой термодинамики, вызванной конструкцией двигателя Ванкеля с его огромной площадью поверхности и плохой формой камеры сгорания. В результате этого двигатель Ванкеля имеет медленное и неполное сгорание, что приводит к высокому расходу топлива и плохому поведению выхлопных газов. Двигатели Ванкеля могут достигать типичного максимального КПД около 30 процентов.

В роторном двигателе Ванкеля сгорание топлива происходит медленно, поскольку камера сгорания длинная, тонкая и подвижная. Перемещение пламени происходит почти исключительно в направлении движения ротора, что приводит к плохому тушению топливно-воздушной смеси, которая является основным источником несгоревших углеводородов на высоких оборотах двигателя: задняя сторона камеры сгорания естественным образом создает «сжатый поток». что не позволяет пламени дойти до задней кромки камеры, что усугубляет последствия плохого тушения топливно-воздушной смеси. Прямой впрыск топлива, при котором топливо впрыскивается к передней кромке камеры сгорания, может минимизировать количество несгоревшего топлива в выхлопе.

Механические недостатки

Хотя многие недостатки являются предметом постоянных исследований, на данный момент недостатками двигателя Ванкеля, находящегося в производстве, являются следующие:

Уплотнение ротора

Корпус двигателя имеет совершенно разные температуры в каждой отдельной секции камеры. Различные коэффициенты расширения материалов приводят к несовершенному уплотнению. Кроме того, обе стороны апексных уплотнений подвергаются воздействию топлива, а конструкция не позволяет точно и точно контролировать смазку роторов. Роторные двигатели, как правило, имеют избыточную смазку при любых оборотах и ​​нагрузках, имеют относительно высокий расход масла и другие проблемы, возникающие из-за избытка масла в зонах сгорания двигателя, такие как образование нагара и чрезмерные выбросы при сжигании масла. Для сравнения, поршневой двигатель выполняет все функции цикла в одной и той же камере, что обеспечивает более стабильную температуру, против которой действуют поршневые кольца. Кроме того, только одна сторона поршня в (четырехтактном) поршневом двигателе подвергается воздействию топлива, что позволяет маслу смазывать цилиндры с другой стороны. Компоненты поршневого двигателя также могут быть спроектированы так, чтобы повысить уплотнение колец и контроль масла по мере увеличения давления в цилиндре и уровня мощности. Чтобы преодолеть проблемы двигателя Ванкеля, связанные с разницей температур между различными областями корпуса, боковыми и промежуточными пластинами, а также связанную с этим неравномерность теплового расширения, была использована тепловая трубка для передачи тепла от горячих частей двигателя к холодным. «Тепловые трубы» эффективно направляют горячие выхлопные газы к более холодным частям двигателя, что приводит к снижению эффективности и производительности. В двигателях Ванкеля малого объема с ротором с наддувочным охлаждением и корпусом с воздушным охлаждением это, как было показано, снижает максимальную температуру двигателя с 231 до 129 ° C (от 448 до 264 ° F), а также максимальную разницу между более горячими и более холодными регионами. двигателя со 159 до 18 °C (от 286 до 32 °F).

Лифтинг апексного уплотнения

Центробежная сила прижимает верхнее уплотнение к поверхности корпуса, образуя прочное уплотнение. Зазоры могут образовываться между верхушечным уплотнением и корпусом трохоида при работе с малой нагрузкой, когда возникает дисбаланс центробежной силы и давления газа. При низких оборотах двигателя или в условиях низкой нагрузки давление газа в камере сгорания может привести к отрыву уплотнения от поверхности, что приведет к утечке продуктов сгорания в следующую камеру. Компания Mazda разработала решение, изменив форму трохоидного корпуса, благодаря чему уплотнения остались заподлицо с корпусом. Использование двигателя Ванкеля на устойчивых высоких оборотах помогает избежать отрыва верхнего уплотнения, что делает его пригодным для таких применений, как выработка электроэнергии. В автомобилях двигатель подходит для серийно-гибридных систем. NSU обошла эту проблему, добавив прорези на одной стороне уплотнений вершины, таким образом направляя давление газа в основание вершины. Это эффективно предотвратило отрыв апексных уплотнений.

Хотя в двух измерениях система уплотнений двигателя Ванкеля выглядит даже проще, чем у соответствующего многоцилиндрового поршневого двигателя, в трех измерениях все наоборот. Помимо уплотнений вершины ротора, показанных на концептуальной схеме, ротор также должен герметично прилегать к концам камеры.

Поршневые кольца поршневых двигателей не являются идеальными уплотнениями; у каждого есть зазор для расширения. Уплотнение на вершинах ротора Ванкеля менее критично, поскольку утечка происходит между соседними камерами на соседних тактах цикла, а не в корпус первичного вала. Хотя с годами уплотнение улучшилось, менее эффективное уплотнение Ванкеля, которое в основном связано с недостатком смазки, остается фактором, снижающим его эффективность.

На задней стороне камеры сгорания роторного двигателя образуется сжимающий поток, который отталкивает фронт пламени. Благодаря традиционной системе с одной или двумя свечами зажигания и однородной смесью этот сжатый поток предотвращает распространение пламени к задней стороне камеры сгорания в диапазоне средних и высоких оборотов двигателя. Kawasaki решила эту проблему в своем патенте в США. США 3848574   ; Toyota добилась улучшения экономики на 7% за счет установки свечей накаливания на передней стороне и использования лепестковых клапанов во впускных каналах. В двухтактных двигателях металлические язычки служат около 15 000 км (9 300 миль), а углеродные волокна — около 8 000 км (5 000 миль). Плохое сгорание в задней части камеры является одной из причин того, что в потоке выхлопных газов Ванкеля содержится больше угарного газа и несгоревших углеводородов. Выхлопная система с боковым расположением отверстий, используемая в Mazda Renesis , позволяет избежать перекрытия отверстий, что является одной из причин этого, поскольку несгоревшая смесь не может выйти наружу. В Mazda 26B удалось избежать этой проблемы за счет использования системы зажигания с тремя свечами зажигания и добиться полной переработки атмосферной смеси. В модели 26B верхняя задняя свеча зажигания зажигается до начала потока сжатия.

Правила и налогообложение

Национальные агентства, которые облагают налогом автомобили в зависимости от объема двигателя, и регулирующие органы в автогонках используют различные коэффициенты эквивалентности для сравнения двигателей Ванкеля с четырехтактными поршневыми двигателями. Греция, например, облагала налогом автомобили, исходя из объема рабочей камеры (лицевая сторона одного ротора) , умноженного на количество роторов, что снизило стоимость владения. Япония сделала то же самое, но применила коэффициент эквивалентности 1,5, в результате чего двигатель Mazda 13B соответствовал налоговому лимиту в 2 литра. FIA использовала коэффициент эквивалентности 1,8, но позже увеличила его до 2,0, используя формулу смещения, описанную Бенсингером . Однако DMSB применяет коэффициент эквивалентности 1,5 в автоспорте.

Автомобильные приложения

Автомобили с роторным двигателем

Рисунок 16.
NSU Wankel Spider 1964 года , первый автомобиль, проданный с роторным двигателем.

Рисунок 17.
НГУ Ро80 1967 года выпуска

Рисунок 18.
1967 года Mazda Cosmo — первый спортивный автомобиль с двухроторным роторным двигателем.

Рисунок 19.
1970 года выпуска Mercedes-Benz C111 был оснащен четырехроторным двигателем Ванкеля.

Рисунок 20.
Ситроен Биротор 1973 года

Рисунок 21.
ВАЗ-2106

Рисунок 22.
Спортивный автомобиль Mazda RX-8 выпуска до 2012 года.

Рисунок 23.
Электрический гибрид Mazda MX-30 R-EV 2023 года, первый автомобиль, проданный с трансмиссией с электрическим роторным двигателем.

Первым автомобилем с роторным двигателем, поступившим в продажу, стал NSU Rotary Spider 1964 года . Роторные двигатели постоянно устанавливались на автомобили до 2012 года, когда Mazda прекратила выпуск RX-8 . Mazda представила гибридный электромобиль с роторным двигателем MX-30 R-EV в 2023 году.

НГУ и Мазда

Mazda и NSU подписали исследовательский контракт на разработку двигателя Ванкеля в 1961 году и соревновались за вывод на рынок первого автомобиля с двигателем Ванкеля. Хотя в том же году Mazda выпустила экспериментальный роторный автомобиль , NSU первой представила на продажу роторный автомобиль, спортивный NSU Spider , в 1964 году; Mazda ответила на это демонстрацией двух- и четырехроторных роторных двигателей на Токийском автосалоне в том же году . В 1967 году NSU начал производство роскошного автомобиля с роторным двигателем Ro 80 . Однако NSU не изготовила надежных уплотнений вершины ротора, в отличие от Mazda и Curtiss-Wright. У NSU были проблемы с износом уплотнений вершины, плохой смазкой вала и плохой экономией топлива, что приводило к частым отказам двигателя, которые не были решены до 1972 года, что привело к большим гарантийным расходам, ограничивающим дальнейшую разработку роторных двигателей NSU. Этот преждевременный выпуск нового роторного двигателя создал плохую репутацию для всех марок, и даже когда эти проблемы были решены в последних двигателях, выпущенных NSU во второй половине 70-х годов, продажи не восстановились.

К началу 1978 года инженеры Audi Рихард ван Басшуйсен и Готлиб Вильмерс спроектировали новое поколение двигателя Audi NSU Ванкеля — KKM 871. Это был двухроторный агрегат с объемом камеры V _k 746,6 см3. ³ , полученная из эксцентриситета 17 мм, образующего радиуса 118,5 мм, эквидистантности 4 мм и ширины корпуса 69 мм. У него были двухсторонние впускные отверстия и периферийное выпускное отверстие; он был оснащен Bosch K-Jetronic системой многоточечного впрыска с непрерывным впрыском топлива . Согласно стандарту DIN 70020, он производил 121 кВт при 6500 об/мин и мог обеспечить макс. крутящий момент 210 Н·м при 3500 об/мин. Ван Басшуйсен и Уилмерс разработали двигатель либо с тепловым реактором, либо с каталитическим нейтрализатором для контроля выбросов. Двигатель имел массу 142 кг, и BSFC примерно 315 г/(кВт·ч) при 3000 об/мин и BMEP 900 кПа. были установлены два двигателя ККМ 871 Для испытаний на испытательные автомобили Audi 100 Type 43 : один с пятиступенчатой ​​механической коробкой передач, другой с трехступенчатой ​​автоматической коробкой передач.

Мазда

Mazda заявила, что решила проблему уплотнения верхушки, проработав испытательные двигатели на высоких оборотах в течение 300 часов без сбоев. После многих лет разработок первым автомобилем Mazda с роторным двигателем стал Cosmo 110S 1967 года . Компания последовала примеру нескольких автомобилей Ванкеля («роторных» в терминологии компании), включая автобус и пикап . Клиенты часто отмечали плавность хода автомобилей. Однако Mazda выбрала метод соблюдения углеводородов стандартов выбросов , который, хотя и был менее затратным в производстве, но увеличивал расход топлива.

Позже Mazda отказалась от роторного двигателя в большинстве своих автомобильных конструкций, продолжив использовать этот двигатель только в линейке спортивных автомобилей . Компания обычно использовала двухроторные конструкции. Более совершенный с двойным турбонаддувом трехроторный двигатель был установлен на спортивном автомобиле Eunos Cosmo 1990 года . В 2003 году Mazda представила двигатель Renesis, установленный на RX-8 . В двигателе Renesis отверстия для выхлопа были перемещены с периферии поворотного корпуса в стороны, что позволило увеличить общие отверстия и улучшить воздушный поток. Renesis имеет мощность 238 л.с. (177 кВт) с улучшенной топливной экономичностью, надежностью и меньшими выбросами, чем предыдущие роторные двигатели Mazda. все с номинальным рабочим объемом 2,6 л, но этого было недостаточно для соответствия более строгим стандартам выбросов. Mazda прекратила производство своего роторного двигателя в 2012 году после того, как двигатель не соответствовал более строгим стандартам выбросов Евро-5 , в результате чего ни одна автомобильная компания не продавала дорожные автомобили с роторным двигателем до 2023 года.

В марте 2023 года Mazda выпустила гибрид MX-30 R-EV , оснащенный расширителем диапазона двигателей Ванкеля. Двигатель Ванкеля не имеет прямой связи с колесами и служит только для зарядки аккумулятора. Это одновинтовая установка длиной 830 см. ³ (50,6 дюйма ³ ) и номинальной мощностью 55 кВт (74 л.с.). Двигатель имеет непосредственный впрыск бензина , рециркуляцию выхлопных газов и систему очистки выхлопных газов с трехходовым катализатором и сажевым фильтром . Двигатель соответствует стандарту Euro 6d-ISC-FCM.

Ситроен

Citroën провел много исследований, выпустив автомобили M35 и GS Birotor , а также RE-2 вертолет с использованием двигателей, произведенных Comotor , совместным предприятием Citroën и NSU.

Даймлер-Бенц

Компания Daimler-Benz установила двигатель Ванкеля в свой концепт-кар C111 . Двигатель C 111-II был безнаддувным, с непосредственным впрыском бензина и имел четыре ротора. Общий рабочий объем составлял 4,8 л (290 кубических дюймов), а степень сжатия - 9,3:1. Он обеспечивал максимальный крутящий момент 433 Нм (44 кпм) при 5000   об/мин и выходную мощность 257 кВт (350 об/мин). PS) при 6000   об/мин.

Американские Моторс

American Motors Corporation (AMC) была настолько убеждена, «… что роторный двигатель будет играть важную роль в качестве силовой установки для легковых и грузовых автомобилей будущего…», что председатель Рой Д. Чапин-младший подписал соглашение, заключенное в феврале 1973 года после годичных переговоров, на производство роторных двигателей как для легковых, так и для военных машин, а также право продавать любые произведенные ею роторные двигатели другим компаниям. Президент AMC Уильям Люнебург не ожидал резкого развития до 1980 года, но Джеральд К. Мейерс , вице-президент AMC по группе инженерной продукции, предложил, чтобы AMC купила двигатели у Curtiss-Wright, прежде чем разрабатывать собственные роторные двигатели, и предсказал, что полный переход на роторную энергию к 1984 году.

Планировалось использовать этот двигатель в AMC Pacer , но разработка была отложена. Компания American Motors разработала уникальный Pacer вокруг двигателя. К 1974 году AMC решила приобрести роторный двигатель General Motors (GM) вместо того, чтобы производить двигатель самостоятельно. И GM, и AMC подтвердили, что эти отношения будут полезны для маркетинга нового двигателя, при этом AMC заявила, что роторный двигатель GM обеспечивает хорошую экономию топлива. Двигатели GM еще не поступили в производство, когда Pacer был выпущен на рынок. Нефтяной кризис 1973 года сыграл свою роль в прекращении использования роторного двигателя. Рост цен на топливо и спекуляции по поводу предлагаемого в США закона о стандартах выбросов также усилили обеспокоенность.

Дженерал Моторс

На своем ежегодном собрании в мае 1973 года General Motors представила двигатель Ванкеля, который планировала использовать в Chevrolet Vega . К 1974 году научно-исследовательскому отделу GM не удалось создать двигатель Ванкеля, отвечающий одновременно требованиям по выбросам и хорошей топливной экономичности, что привело к решению компании отменить проект. Из-за этого решения группа исследований и разработок лишь частично опубликовала результаты своих последних исследований, в которых утверждалось, что они решили проблему экономии топлива и создали надежные двигатели со сроком службы более 530 000 миль (850 000 км). Эти выводы не были приняты во внимание при вынесении постановления об аннулировании. Завершение роторного проекта GM потребовало от AMC, которая должна была приобрести двигатель, переконфигурировать Pacer для установки на него рядного шестицилиндрового двигателя AMC, приводящего в движение задние колеса.

АвтоВАЗ

В 1974 году в Советском Союзе было создано специальное конструкторское бюро двигателей, которое в 1978 году спроектировало двигатель, получивший обозначение ВАЗ-311, для автомобиля ВАЗ-2101 . В 1980 году предприятие начало поставку двухроторного двигателя Ванкеля ВАЗ-411 на автомобили ВАЗ-2106 , всего было выпущено около 200 штук. Большая часть продукции досталась службам безопасности.

Форд

Форд провел исследования в области роторных двигателей, в результате которых были выданы патенты: GB 1460229   , 1974 г., способ изготовления корпусов; US 3833321   , 1974 г., покрытие боковых пластин; US 3890069   , 1975 г., покрытие корпуса; CA 1030743   , 1978: Выравнивание корпусов; CA 1045553   , 1979 г., пластинчатый клапан в сборе. В 1972 году Генри Форд II заявил, что роторный двигатель, вероятно, не заменит поршень «при моей жизни».

Автомобильные гонки

Рисунок 23.
Мазда 787Б

Sigma MC74 с двигателем Mazda 12A была первой моторной и единственной командой из-за пределов Западной Европы и США, финишировавшей все 24   часа «24 часа Ле-Мана» гонки в 1974 году. Ёдзиро Терада Пилотом MC74 был . . Mazda была первой командой из-за пределов Западной Европы и США, которая безоговорочно выиграла Ле-Ман. Это также был единственный автомобиль с непоршневым двигателем, выигравший Ле-Ман, которого компания достигла в 1991 году на своем четырехроторном 787B (5,24 л или 320 куб. Дюймов с рабочим объемом 5,24 л или 320 куб. Дюймов), рассчитанном по формуле FIA на 4,708 л или 287 куб. Дюймов). В классе С2 у всех участников было одинаковое количество топлива. Единственным исключением была нерегулируемая категория C1 1. В этой категории допускались только двигатели без наддува. Mazdas классифицировались как безнаддувные, начиная с веса 830 кг, что на 170 кг меньше, чем у конкурентов с наддувом. Автомобили, соответствующие правилам группы C1 категории 1 на 1991 год, могли быть еще на 80 кг легче, чем 787B. Кроме того, для категории 1 группы C1 были разрешены только 3,5-литровые двигатели без наддува и не было ограничений на количество топлива.

В качестве расширителя запаса хода автомобиля

Рисунок 24.
Конструкция серийно-гибридного автомобиля. Серый квадрат представляет собой дифференциал. Альтернативная конструкция (не показана) предполагает наличие электродвигателей на двух или четырех колесах.

Из-за компактных размеров и высокого соотношения мощности к весу двигателя Ванкеля для электромобилей было предложено использовать его в качестве расширителя запаса хода для обеспечения дополнительной мощности при низком уровне заряда электрической батареи. Двигатель Ванкеля, используемый в качестве генератора, имеет преимущества в компоновке, шуме, вибрации и жесткости при использовании в легковом автомобиле, максимально увеличивая внутреннее пространство для пассажиров и багажа, а также обеспечивая хороший профиль выбросов шума и вибрации. Однако сомнительно, позволяют ли присущие двигателю Ванкеля недостатки использовать двигатель Ванкеля в качестве расширителя запаса хода для легковых автомобилей.

В 2010 году Audi представила прототип серийного гибридного электромобиля A1 e-tron . В нем использовался двигатель Ванкеля с объемом камеры Vk ₂₅₄ см3. ³ , способный выдавать 18 кВт при 5000 об/мин. Он был соединен с электрогенератором, который заряжал аккумуляторы автомобиля по мере необходимости и подавал электроэнергию непосредственно на электродвигатель. Пакет имел массу 70 кг и мог производить 15 кВт электроэнергии.

Рисунок 25.
Прототип Mazda2 электромобиля

В ноябре 2013 года Mazda анонсировала автомобильной прессе прототип серийного гибридного автомобиля Mazda2 EV , использующего двигатель Ванкеля в качестве расширителя запаса хода. Двигатель-генератор, расположенный под задним полом багажного отделения, представляет собой крошечный, почти бесшумный однороторный агрегат объемом 330 куб.см, вырабатывающий 30 л.с. (22 кВт) при 4500   об/мин и поддерживающий постоянную электрическую мощность 20 кВт.

В марте 2023 года Mazda представила MX-30 R-EV с расширителем диапазона двигателей Ванкеля. Двигатель Ванкеля автомобиля представляет собой безнаддувный одновинтовой агрегат с объемом камеры V _k 830 см3. ³ (50,6 дюйма ³ ), степенью сжатия 11,9 и номинальной мощностью 55 кВт (74 л.с.). Он имеет непосредственный впрыск бензина , рециркуляцию выхлопных газов и систему очистки выхлопных газов с TWC и сажевым фильтром . По данным Auto Motor und Sport , двигатель соответствует стандарту Euro 6d-ISC-FCM.

Приложения для мотоциклов

Первым мотоциклом с двигателем Ванкеля был MZ построенный MZ ES 250 , оснащенный двигателем Ванкеля KKM мощностью 175 Вт с водяным охлаждением. В 1965 году последовала версия с воздушным охлаждением, названная KKM 175 L. Двигатель развивал мощность 24 л.с. (18 кВт) при 6750   об/мин, но мотоцикл так и не пошел в серийное производство.

Нортон

Рисунок 26.
Norton Classic с воздушным охлаждением Двухроторный мотоцикл

Рисунок 27.
Прототип Нортона Интерпола2

В Великобритании компания Norton Motorcycles разработала роторный двигатель Ванкеля для мотоциклов на основе ротора Ванкеля с воздушным охлаждением Sachs, который использовался на мотоцикле DKW/Hercules W-2000. Этот двухроторный двигатель входил в состав Commander и F1 . Нортон усовершенствовал систему воздушного охлаждения Sachs, представив водоотводящую камеру. Компания Suzuki с двигателем Ванкеля также выпустила серийный мотоцикл RE-5 , в котором использовались верхние уплотнения из ферро- TiC- сплава и ротор NSU в успешной попытке продлить срок службы двигателя.

В начале 1980-х годов, используя более ранние разработки BSA , Norton выпустил двухвинтовой Classic с жидкостным охлаждением с воздушным охлаждением, за которым последовали Commander и Interpol2 (полицейская версия). Последующие велосипеды Norton Wankel включали Norton F1 , F1 Sports, RC588, Norton RCW588 и NRS588. Нортон предложил новую двухроторную модель объемом 588 куб.см под названием «NRV588» и версию с объемом 700 куб.см под названием «NRV700». Бывший механик Norton Брайан Крайтон начал разработку собственной линейки мотоциклов с роторным двигателем под названием «Roton», которая выиграла несколько австралийских гонок.

Несмотря на успехи в гонках, с 1992 года мотоциклы с двигателями Ванкеля не производились для продажи широкой публике для использования на дорогах.

Ямаха

В 1972 году компания Yamaha RZ201 представила на Токийском автосалоне — прототип с двигателем Ванкеля массой 220 кг и мощностью 60 л.с. (45 кВт) от двухроторного 660-кубового двигателя (патент США N3964448). В 1972 году компания Kawasaki представила прототип двухроторного роторного двигателя Kawasaki X99 (патенты США N 3848574 и 3991722). И Yamaha, и Kawasaki утверждали, что решили проблемы плохой экономии топлива, высоких выбросов выхлопных газов и плохой долговечности двигателей ранних Ванкелей, но ни один из прототипов не дошел до производства.

Геркулес

В 1974 году Hercules произвела мотоциклы W-2000 Wankel, но низкие объемы производства привели к тому, что проект оказался убыточным, и производство было прекращено в 1977 году.

Сузуки

С 1975 по 1976 год компания Suzuki производила RE5 однороторный мотоцикл Ванкеля . Это была сложная конструкция с жидкостным и масляным охлаждением , а также с несколькими смазки и карбюратора системами . Он работал хорошо и плавно, но не очень хорошо продавался, поскольку был тяжелым и имел скромную выходную мощность 62 л.с. (46 кВт). Suzuki выбрала сложную систему масляного и водяного охлаждения. Выхлопные трубы сильно нагреваются, поэтому Suzuki выбирает ребристый выпускной коллектор, двухстенные выхлопные трубы с охлаждающими решетками, термостойкую обертку труб и глушители с тепловыми экранами. У Suzuki было три системы смазки, а у Garside была одна система впрыска масла с полной потерей жидкости, которая питала как главные подшипники, так и впускные коллекторы. Suzuki выбрала один ротор, который был довольно гладким, но с неровностями при 4000 об/мин. Suzuki установил массивный ротор высоко в раме. Хотя было описано, что он хорошо управляется, в результате Suzuki оказался тяжелым, слишком сложным, дорогим в производстве и при мощности 62 л.с.

Ван Вин

Голландский импортер и производитель мотоциклов Van Veen в период с 1978 по 1980 год произвел небольшое количество двухроторного мотоцикла OCR-1000 с двигателем Ванкеля, используя излишки Comotor двигателей . В двигателе OCR 1000 использовался модифицированный двигатель ККМ 624, изначально предназначавшийся для автомобиля Citroën GS Birotor . При этом электронная карта зажигания от Hartig заменила распределитель зажигания.

Применение внедорожных транспортных средств

Самолет

Рисунок 28.
Авиационный роторный двигатель Ванкеля RC2-60

Рисунок 29.
British MidWest AE110 БРЭМ Super2 с двухроторным двигателем Ванкеля

Рисунок 30.
Diamond DA20 с алмазным двигателем Ванкеля

Рисунок 31.
Беспилотный летательный аппарат (БПЛА) Sikorsky Cypher с двигателем Ванкеля UEL AR801

Рисунок 32.
Вертолет Citroën RE-2 1975 года.

В принципе, роторные двигатели идеальны для легких самолетов, поскольку они легкие, компактные, практически невибрационные и имеют высокую удельную мощность . Дополнительные авиационные преимущества роторного двигателя включают:

1. Двигатель не подвержен «ударному охлаждению» при спуске;
2. Двигатель не требует обогащенной смеси для охлаждения на большой мощности;
3. Отсутствие частей, совершающих возвратно-поступательное движение, снижает вероятность повреждения, когда двигатель вращается со скоростью, превышающей расчетную максимальную.

В отличие от автомобилей и мотоциклов, роторный авиационный двигатель достаточно прогреется до того, как от него потребуется полная мощность, из-за времени, затрачиваемого на предполетные проверки. Кроме того, при движении к взлетно-посадочной полосе охлаждение происходит минимально, что позволяет двигателю достичь рабочей температуры для достижения полной мощности при взлете. Авиационный двигатель Ванкеля проводит большую часть своего рабочего времени на высокой мощности с небольшим холостым ходом.

Поскольку роторные двигатели работают с относительно высокой скоростью вращения , при 6000   об/мин выходного вала, ротор вращается только со скоростью примерно одной трети этой скорости. При относительно низком крутящем моменте винтовые самолеты должны использовать блок снижения скорости винтов для поддержания винтов в расчетном диапазоне скоростей. В экспериментальных самолетах с двигателями Ванкеля используются агрегаты снижения скорости винтов; например, двухроторный двигатель MidWest имеет редуктор 2,95:1.

Первый самолет с роторным двигателем появился в конце 1960-х годов в виде экспериментальной Lockheed гражданской версии США Q-Star разведывательного QT-2 армии Schweizer , по сути планера с двигателем . Самолет был оснащен роторным двигателем Curtiss-Wright RC2-60 Wankel мощностью 185 л.с. (138 кВт). Эта же модель двигателя также использовалась в Cessna Cardinal и вертолете, а также в других самолетах. Французская компания Citroën с роторным двигателем RE-2 разработала вертолет в 1970-х годах. В Германии в середине 1970-х годов был разработан самолет с толкающим вентилятором и модифицированным многороторным роторным двигателем NSU как в гражданской, так и в военной версиях - Fanliner и Fantrainer.

Примерно в то же время, когда были проведены первые эксперименты с полномасштабными самолетами с роторными двигателями, модели размером с самолеты были впервые разработаны совместными усилиями известной японской фирмы OS Engines и существовавшей тогда немецкой Graupner фирмы по производству авиамоделей под руководством лицензия НГУ. Двигатель Ванкеля модели Граупнера имеет объем камеры V _k 4,9 см3. ³ и производит 460 Вт при 16 000 об/мин. ⁻¹ ; его масса 370 г. Его производили двигатели ОС Японии.

Роторные двигатели устанавливались на самодельные экспериментальные самолеты, такие как ARV Super2 , некоторые из которых были оснащены British MidWest авиационными двигателями . Большинство из них представляют собой автомобильные двигатели Mazda 12A и 13B, переоборудованные для использования в авиации. Это очень экономичная альтернатива сертифицированным авиационным двигателям, обеспечивающая двигатели мощностью от 100 до 300 лошадиных сил (220 кВт) за небольшую часть стоимости традиционных поршневых двигателей. Первоначально эти преобразования произошли в начале 1970-х годов. Питер Гаррисон, пишущий редактор журнала Flying , написал: «По моему мнению… наиболее многообещающим двигателем для использования в авиации является роторный двигатель Mazda».

Производитель планеров . Schleicher использует двигатель Austro Engines AE50R Wankel в своих самозапускающихся моделях АСК-21 Ми , АШ-26Э , АШ-25 М/Ми , АШ-30 Ми , АШ-31 Ми , ASW-22 БЛЕ и АСГ-32 Ми .

В 2013 году авиакомпания e-Go , базирующаяся в Кембридже , Великобритания, объявила, что ее новый одноместный самолет «утка» будет оснащен роторным двигателем от Rotron Power.

В самолете DA36 E-Star, разработанном компаниями Siemens , Diamond Aircraft и EADS , используется серийная гибридная силовая установка, в которой пропеллер приводится в движение электродвигателем Siemens мощностью 70 кВт (94 л.с.). Целью является снижение расхода топлива и выбросов до 25%. Бортовой роторный двигатель и генератор Austro Engines мощностью 40 л.с. (30 кВт) обеспечивают электроэнергию. Устранен блок снижения скорости винта. Электродвигатель использует электроэнергию, накопленную в батареях, при выключенном двигателе генератора для взлета и набора высоты, снижая уровень шума. Последовательно-гибридная силовая установка с использованием двигателя Ванкеля снижает массу самолета на 100 кг по сравнению с предшественником. DA36 E-Star впервые поднялся в воздух в июне 2013 года, что стало первым в истории полетом с серийно-гибридной трансмиссией. Diamond Aircraft утверждает, что технологию роторного двигателя можно масштабировать до 100-местного самолета.

Поезда

С 2015 года в общей сложности 60 поездов в Германии были оснащены вспомогательными энергосистемами с двигателями Ванкеля, работающими на дизельном топливе. На локомотивах используется дизельный двигатель WST KKM 351 Ванкеля.

Другое использование

Рисунок 33.
UEL UAV-741 Двигатель Ванкеля для БПЛА

Двигатель Ванкеля хорошо подходит для устройств, в которых человек-оператор находится рядом с двигателем, например, ручных устройств, таких как бензопилы. Отличные пусковые характеристики и малая масса делают двигатель Ванкеля также хорошей силовой установкой для переносных пожарных насосов и переносных электрогенераторов.

Маленькие двигатели Ванкеля используются в таких устройствах, как картинги , водные мотоциклы и вспомогательные силовые установки для самолетов. Кавасаки запатентовал роторный двигатель смешанного охлаждения (патент США 3991722). Японский производитель дизельных двигателей Yanmar и Dolmar-Sachs из Германии имел цепную пилу с роторным двигателем (документ SAE 760642) и подвесные лодочные двигатели, а французская компания Outils Wolf изготовила газонокосилку (Rotondor) с роторным двигателем Ванкеля. Ротор находился в горизонтальном положении для экономии производственных затрат, а уплотнения на нижней стороне отсутствовали.

Простота роторного двигателя делает его хорошо подходящим для конструкций мини-, микро- и микро-мини-двигателей. Лаборатория микроэлектромеханических систем роторных двигателей (MEMS) Калифорнийского университета в Беркли ранее проводила исследования по разработке роторных двигателей диаметром до 1 мм и рабочим объемом менее 0,1 куб.см. Материалы включают кремний, а движущая сила — сжатый воздух. Целью таких исследований была в конечном итоге разработка двигателя внутреннего сгорания, способного выдавать 100 милливатт электроэнергии, причем сам двигатель служил ротором генератора , а магниты были встроены в сам ротор двигателя. Разработка миниатюрного роторного двигателя была остановлена ​​в Калифорнийском университете в Беркли по окончании контракта с DARPA.

В 1976 году компания Road & Track сообщила, что компания Ingersoll-Rand разработает двигатель Ванкеля с объемом камеры Vk ₁₅₀₀ куб.см. ³ (25 дм ³ ) с номинальной мощностью 500 л.с. (373 кВт) на ротор. В итоге было построено 13 единиц предлагаемого двигателя, хотя и большего объема, с общим наработкой более 90 000 часов. Двигатель был выполнен с объемом камеры V _к 2500 куб. ³ (41 дм ³ ) и выходной мощностью 550 л.с. (410 кВт) на ротор. Производились как одновинтовые, так и двухвинтовые двигатели (мощностью 550 л.с. (410 кВт) или 1100 л.с. (820 кВт) соответственно. Двигатели работали на природном газе и из-за его применения имели относительно низкую частоту вращения.

В феврале 1984 года компания Deere & Company приобрела подразделение роторных двигателей Curtiss-Wright, производя большие многотопливные прототипы, некоторые из которых имели 11-литровый ротор для больших транспортных средств. Разработчики попытались использовать концепцию стратифицированного заряда. Технология была передана RPI в 1991 году.

Японская компания Yanmar производила небольшие роторные двигатели с наддувочным охлаждением для бензопил и подвесных моторов. Одним из ее продуктов является двигатель LDR (выемка ротора в передней кромке камеры сгорания), который имеет лучшие характеристики выбросов выхлопных газов, а также впускные каналы, управляемые пластинчатым клапаном, которые улучшают характеристики при частичной нагрузке и низких оборотах.

В 1971 и 1972 годах компания Arctic Cat производила снегоходы с двигателями Sachs KM 914 объемом 303 куб.см и KC-24 объемом 294 куб.см производства Германии.

В начале 1970-х годов Outboard Marine Corporation продавала снегоходы под маркой Johnson и других марок, оснащенные двигателями OMC мощностью 35 или 45 л.с. (26 или 34 кВт).

Немецкая компания Aixro производит и продает двигатель для картинга с ротором наддувочного охлаждения объемом 294 куб.см и корпусами жидкостного охлаждения. Среди других производителей — Wankel AG, Cubewano, Rotron и Precision Technology.

Невнутреннее сгорание

Рисунок 34.
Огура Ванкель Компрессор системы кондиционирования

Помимо применения в качестве двигателя внутреннего сгорания, базовая конструкция Ванкеля также использовалась для газовых компрессоров и нагнетателей для двигателей внутреннего сгорания, но в этих случаях, хотя конструкция по-прежнему обеспечивает преимущества в надежности, основные преимущества Ванкеля в размер и вес по сравнению с четырехтактным двигателем внутреннего сгорания не имеют значения. В конструкции, использующей нагнетатель Ванкеля на двигателе Ванкеля, нагнетатель в два раза больше двигателя.

Конструкция Ванкеля используется в ремней безопасности . системе преднатяжителей в каком-нибудь Мерседес-Бенц и Фольксваген автомобили. Когда замедления датчики обнаруживают потенциальную аварию, небольшие взрывчатые патроны срабатывают электрически, и полученный сжатый газ подается в крошечные двигатели Ванкеля, которые вращаются, компенсируя провисание систем ремней безопасности, надежно фиксируя водителя и пассажиров на сиденье перед столкновение.

См. также

• Роторный двигатель внутреннего сгорания General Motors
• Универсальная машина Гундерсона
• Mazda RX-8 Водород RE
• Двигатель Мазды Ванкеля
• Мерседес-Бенц М 950
• Мерседес-Бенц С111
• OS Engines , единственный лицензированный производитель двигателей моделей Ванкеля.
• Беспоршневой роторный двигатель
• Квазитурбины
• двигатель РКМ
• Жидкий поршень

Ссылки

• Ямагучи, Джек К. (2003). Mazda RX-8: первый в мире 4-дверный 4-местный спортивный автомобиль, а также полная история разработки роторных двигателей Mazda и гонок на роторных двигателях по всему миру . Мазда Мотор. ISBN  4-947659-02-5 .
• Ямагучи, Джек К. (1985). Новые спортивные автомобили Mazda RX-7 и Mazda с роторным двигателем . Нью-Йорк: Пресса Святого Мартина. ISBN  0-312-69456-3 .
• Норбай, Ян П. (1973). «Берегитесь Мазды!». Автомобильный ежеквартальный журнал . XI.1 : 50–61.
• Ямамото, Кеничи (1971). Роторный двигатель .
• Ямамото, Кеничи (1981) Роторный двигатель . Санкайдо  978-99973-41-17-4 .
• Ф. Феллер и М. И. Мех: «Двухступенчатый роторный двигатель - новая концепция дизельной энергетики», Rolls-Royce, Институт инженеров-механиков, Труды 1970–71, Vol. 185, стр. 139–158, D55–D66. Лондон
• Ансдейл, РФ (1968). Радиоуправляемый двигатель Ванкеля, дизайн и характеристики . Илифф. ISBN  0-592-00625-5 .
• П. В. Ламарк, «Проектирование ребер охлаждения для мотоциклетных двигателей», журнал The Institution of Automobile Engineers Magazine , Лондон, март 1943 г., а также в «The Institution of Automobile Engineers Proceedings», XXXVII, сессия 1942–1943, стр. 99–134 и 309–312.
• Уолтер Г. Фроде (1961): «Вращающийся двигатель внутреннего сгорания NSU-Ванкеля», технический документ SAE 610017.
• М.Р. Хейс и Д.П. Боттрилл: «NSU Spider - Анализ транспортных средств», Мира (Ассоциация исследований автомобильной промышленности, Великобритания), 1965.
• К. Джонс (Кертисс-Райт), «Роторный двигатель внутреннего сгорания такой же аккуратный и аккуратный, как авиационная турбина», SAE Journal, май 1968 г., том 76, № 5: 67–69. Также в документе SAE 670194.
• Ян П. Норбай: «Соперники Ванкеля», Popular Science, январь 1967 г.; «Двигатель Ванкеля. Проектирование, разработка, приложения»; Чилтон, 1972 год. ISBN   0-8019-5591-2
• Норбай, Ян П. (1971). Приложения для разработки двигателя Ванкеля . Чилтон. ISBN  0-8019-5591-2 .
• Т.В. Роджерс и др. (Mobil), «Смазочные роторные двигатели», Automotive Engineering (SAE), май 1972 г., том 80, № 5: 23–35.
• К. Ямамото и др. (Mazda): «Свойства сгорания и выбросов роторных двигателей», Automotive Engineering (SAE), июль 1972 г.: 26–29. Также в документе SAE 720357.
• Л. В. Мэнли (Mobil): «Низкооктановое топливо подходит для роторных двигателей», Automotive Engineering (SAE), август 1972 г., том 80, № 8: 28–29.
• Бенсингер, Вольф-Дитер (1973). Роторно-поршневые двигатели внутреннего сгорания (на немецком языке). Берлин Гейдельберг: Springer Verlag. ISBN  978-3-642-52173-7 .
• Райнер Никульски: «Ротор Norton вращается в моем Hercules W-2000», «Двигатель Sachs KC-27 с каталитическим нейтрализатором» и другие статьи в: «Wankel News» (на немецком языке, от Hercules Wankel IG)
• «Всемирное ротационное обновление», Automotive Engineering (SAE), февраль 1978 г., том 86, № 2: 31–42.
• Б. Лоутон: «Дизельный двигатель Ванкеля с турбонаддувом», C68/78, из: «Публикации конференции Института инженеров-механиков». 1978–2, Турбонаддув и турбокомпрессоры, ISBN   0 85298 395 6 , стр. 151–160.
• Т. Коно и др. (Toyota): «Улучшенное сгорание роторного двигателя при небольшой нагрузке», Automotive Engineering (SAE), август 1979 г.: 33–38. Также в документе SAE 790435.
• Крис Перкинс: Norton Rotaries , 1991 Osprey Automotive, Лондон. ISBN   1855321 81 5
• Карл Людвигсен: Двигатели Ванкеля от А до Я , Нью-Йорк, 1973. ISBN   0-913646-01-6
• Лен Лаутан (корпорация AAI): «Разработка легкого роторного двигателя на тяжелом топливе», документ SAE 930682.
• Номенклатура и терминология роторно-трохоидных двигателей - SAE J1220 , Общество инженеров автомобильной промышленности, июнь 1978 г.
• Патенты: США 2988065   , 1958 г. - Ванкель; США 3848574   , 1974 г. - Кавасаки; ГБ 1460229   , 1974 г. - Форд; США 3833321   , 1974 г.; США 3981688   , 1976 г. - Форд; СА 1030743   , 1978 г.; CA 1045553   , 1979 г. - Форд.
• Дун-Зен Дженг и др.: «Численное исследование производительности роторного двигателя с утечками, различными видами топлива и размерами выемок», документ SAE 2013-32-9160, и тот же автор: «Влияние впускной и выхлопной трубы на роторный двигатель». Производительность», документ SAE 2013-32-9161.
• Вэй Ву и др.: «Роторный двигатель Ванкеля с воздушным охлаждением и тепловой трубкой для повышения долговечности, мощности и эффективности», документ SAE 2014-01-2160
• Альберто Боретти: «CAD/CFD/CAE-моделирование двигателей Ванкеля для БПЛА», технический документ SAE 2015-01-2466
• Корп, Дитер (1975). Протокол изобретения - Двигатель Ванкеля (на немецком языке). Штутгарт: Motorbuch Verlag Штутгарт. ISBN  3-87943-381-Х .

Внешние ссылки

• Патент США 2 988 008
• «Как работают двигатели Ванкеля» . Howstuffworks.com . 9 февраля 2021 г. Проверено 19 января 2023 г.
• Скотт, Дэвид (март 1960 г.). «Автодвигатель без поршней» . Популярная наука . п. 82.
• Норбай, Ян П. (январь 1967 г.). «Соперники Ванкеля: обзор роторных двигателей» . Популярная наука . п. 80. Примеры Кауэрца, Чуди, Вирмеля, Мерсера, Селвуда, Йернеса. {{cite magazine}}: CS1 maint: постскриптум ( ссылка )
• Людвигсен, Карл (2003). «Насколько велики двигатели Ванкеля?» . Издательство Бентли.