Дизельный двигатель Ванкеля

Дизельный двигатель Ванкеля описывает идею использования принципа дизеля в роторном двигателе Ванкеля . В 1960-х и 1970-х годах различные инженеры и производители предприняли несколько попыток создать такой двигатель. Из-за технических проблем и общих недостатков конструкции Ванкеля дизельный двигатель Ванкеля так и не вышел из стадии прототипа, и поэтому создание дизельного двигателя Ванкеля, способного работать на собственном ходу, считается невозможным.

Концепция дизайна

Характеристики Дизельного двигателя

Воспламенение от сжатия
Образование смеси внутри камеры сгорания
Частота вращения двигателя зависит исключительно от качества смеси.
Неоднородная топливовоздушная смесь
Высокое соотношение воздуха
Диффузионное пламя
Топливо с высокими характеристиками воспламенения

Источник: ^[1]

Прототип Rolls-Royce 2-R6, имеющий форму 8-значной цифры.

Дизельный двигатель Ванкеля имеет такую же базовую конструкцию (ротор треугольной формы в овальном корпусе в форме эпитрохоида), что и обычный двигатель Ванкеля. Ключевое отличие состоит в том, что он разделяет все свои эксплуатационные характеристики с дизельным двигателем. В дополнение к этому требуется наддув: обычный дизельный двигатель обеспечивает воспламенение от сжатия за счет высокой степени сжатия, чего невозможно добиться в двигателе Ванкеля из-за формы камеры сгорания Ванкеля; наддув «искусственно» увеличивает степень сжатия, чтобы обеспечить воспламенение от сжатия. ^[2] Существует несколько различных подходов к проектированию нагнетателя для дизельного двигателя Ванкеля. Ванкель разработал внешний нагнетатель. ^[3] тогда как Rolls-Royce добавил вторичный ротор наддува большего размера, сделав двигатель двухступенчатым роторным, что придало корпусу внешний вид, напоминающий цифру «8». ^[4]

Причины создания дизельного двигателя Ванкеля

По сравнению с дизельным двигателем обычный бензиновый двигатель имеет меньший тепловой КПД . Однако в 1960-х годах преимущества бензиновых двигателей в виде меньшей массы, меньшего количества вибраций и меньшего уровня шума, которые важны для легковых автомобилей, все еще преобладали. Малая масса и плавная работа двигателя также являются характеристиками двигателя Ванкеля: сочетание конструкции Ванкеля с характеристиками дизеля приведет к созданию эффективного двигателя с малой массой и низким уровнем вибраций. Создание двигателя Ванкеля, который может сжигать дизельное топливо, но не использует принцип дизеля, может быть полезным, если дизельное топливо дешевле, чем бензин. ^[5] В исследовании 1974 года, проведенном для Агентства по охране окружающей среды , была предпринята попытка определить, имеет ли дизельный двигатель Ванкеля лучшие характеристики выхлопа, чем обычный бензиновый двигатель с циклом Отто . ^[6]

Причины неосуществимости

Основной причиной неработоспособности дизеля Ванкеля является форма камеры сгорания, расположенной во вращающемся поршне. Он удлиненный и выпуклый, что не позволяет обеспечить достаточно высокую степень сжатия (без слишком больших потерь тепла), ^[7] даже в сочетании с нагнетателем (только с приводом от коленчатого вала или от выхлопных газов). Это означает, что двигатель работает только в том случае, если в него подается сжатый воздух извне, поскольку для его работы требуется больше работы , чем он может произвести. Кроме того, разработка правильной камеры сгорания, расположенной под правильным углом к форсунке для обеспечения правильного образования смеси, оказалась довольно сложной; ^[8] Исследование Агентства по охране окружающей среды доказывает, что выхлопы дизельного двигателя Ванкеля содержат непропорционально высокий уровень угарного газа (CO) и углеводородов (HC), что указывает на неполное сгорание. ^[6]

Разработка прототипа

Дизель-Ринг

Компания Diesel-Ring была совместным предприятием немецких производителей дизельных двигателей Daimler-Benz , MAN , Krupp и KHD . Разработка была прекращена в 1969 году, поскольку форма камеры сгорания двигателя Ванкеля считалась неприемлемой для дизельного принципа. ^[8]^[7] В Diesel-Ring были предприняты попытки изменить геометрию сальникового узла и ротора таким образом, чтобы можно было достичь более высокой степени сжатия. Это было сделано без увеличения числа К и, следовательно, непропорционально увеличения общего объема двигателя. Эти попытки не увенчались успехом, так как приводили к вибрациям уплотнителя вершины из-за чрезмерного перемещения в канавке. ^[9]

Роллс-Ройс

Компания Rolls-Royce начала разработку легкого военного дизельного двигателя Ванкеля для Минобороны в 1964 году. ^[4] Фриц Феллер был ведущим инженером проекта. ^[10] Вскоре стало очевидно, что обычный двигатель Ванкеля не подойдет для высокой степени сжатия, необходимой для воспламенения от сжатия, что привело к идее использования еще одного роторного поршня в качестве нагнетателя. Первые испытания проводились с модифицированным двигателем Ванкеля NSU, в который подавался предварительно нагретый сжатый воздух для достижения воспламенения от сжатия. Этот тестовый двигатель объемом 0,25 литра проработал 94 часа, прежде чем сломался; расход топлива варьировался от 0,84 фунта/л.с.ч до 1,4 фунта/л.с.ч (от 511 до 852 г/кВтч). ^[11] Уплотнительного материала оказалось недостаточно, что привело к большим потерям уплотнения; пришлось разработать новые материалы. Кроме того, разработка хорошей камеры сгорания, обеспечивающей хорошее смешивание воздуха и топлива, оказалась значительно сложной и, следовательно, потребовала большой работы по разработке. ^[12] Чтобы избежать проблемы, связанной со сложной камерой сгорания в роторе, форкамеры , но позже от нее отказались, поскольку создание корпуса с подходящей камерой предварительного сгорания казалось невозможным. рассматривалась возможность использования ^[13]

Первый прототип, изготовленный на основе двигателя Ванкеля NSU KKM 502, назывался R1 и имел двухступенчатую конструкцию с двумя несущими винтами и 8-образным корпусом. Он имел объем камеры сжатия 1,126 литра и объем камеры сгорания 0,5 литра позаимствован у KKM 502. ^[14] Всего было создано восемь различных модификаций R1 , названных в алфавитном порядке ( R1A, R1B, R1C,... ). ^[15] Пятая эволюция, получившая название R1E , имела увеличенную камеру сжатия объемом 1,265 л, но сохранила камеру сгорания объемом 0,5 л. Его выходная мощность составляла около 40 кВт; ^[16] расход топлива составлял примерно 220 г/кВт·ч. ^[17] R2 имел трехвинтовую конструкцию и дальше эскизного проекта не вышел; R3 был первым вариантом силовой установки большего рабочего объема, способным развивать большую мощность. ^[18] Первые прототипы, имевшие запланированный объём двигателя, назывались R4 и R5. В R5 первая ступень ротора использовалась только для сжатия всасываемого воздуха, выхлопные газы для его питания не использовались. Вместо этого выхлопные газы направлялись через внешнюю турбину выхлопных газов. ^[19]

В начале 1970 года ^[20] прототип 2-Р6 был завершен. ^[21] Это также двухступенчатый роторный двигатель, в котором меньший ротор внутреннего сгорания расположен над большим ротором сжатия. Роторы соединены передаточным числом 1:1 и вращаются в одном направлении. В отличие от прототипа R5, 2-R6 использует энергию выхлопных газов с помощью ротора сжатия вместо внешней турбины выхлопных газов. Крутящий момент снимается не с ротора сгорания, а с ротора сжатия. Двигатель имеет объем 396 дюймов. ³ (6,5 л) и должен был иметь мощность 350 л.с. (261 кВт), ^[17] но имеющий массу всего 929 фунтов (421 кг). В то время это составляло 50% массы сопоставимого поршневого дизельного двигателя той же выходной мощности. ^[4] В дальнейшие планы входила более мощная версия двигателя мощностью 700 л.с. (522 кВт) в дополнение к обычному варианту мощностью 350 л.с. ^[17]^[21] Однако, несмотря на использование специальных сплавов, масса двигателя составила 1150 фунтов (522 кг). ^[22] а мощность 180 л.с. (134 кВт) едва превышала 50% проектных 350 л.с. Все испытания на испытательном стенде требовали использования внешнего сжатого воздуха, двигатель никогда не работал на собственном ходу. ^[19] Говорят, что из-за финансовых проблем проект дизельного двигателя Ванкеля был отменен в 1974 году. Предполагалось, что Война Судного дня привела к тому, что британские военные потеряли интерес к компактной танковой силовой установке, что привело к сокращению государственных субсидий. ^[21] Однако гораздо более вероятно, что спроектировать работающий дизельный двигатель Ванкеля просто невозможно. ^[23]

Феликс Ванкель

Ванкель разработал дизельный двигатель Ванкеля с двумя корпусами в форме клевера и компрессором между ними. В отличие от обычного двигателя Ванкеля, роторные поршни имеют форму не треугольника Рело, а выпуклого квадрата. Ротор компрессора имеет форму эллипса. Несмотря на необычную конструкцию, этот двигатель работоспособен в условиях испытаний на испытательном стенде. Для испытаний был изготовлен второй прототип всего с одним ротором. Он имел рабочий объем 0,7 литра и прошел 20-часовой испытательный пробег, продемонстрировав максимальный крутящий момент 60 Н·м. ^[3]

Библиография

Фриц Феллер: Двухступенчатый роторный двигатель - новая концепция дизельной энергетики , Труды Института инженеров-механиков, 1970–71, Том. 185 13/71, с. 139–158

Ссылки

^ Стефан Пишингер, Ульрих Зейферт (2016). Руководство по автомобильным технологиям Vieweg . 8-е издание, Спрингер, Висбаден. п. 348. ISBN 978-3-658-09528-4 .
^ Вольф-Дитер Бензингер : Роторно-поршневые двигатели внутреннего сгорания, Springer, Берлин/Гейдельберг/Нью-Йорк, 1973, ISBN 978-3-642-52174-4 . п. 86
^ Перейти обратно: ^а ^б Ян П. Норбай: Вид на дорогу , Popular Science, март 1973 г., стр. 62
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Дэвид Скотт: СЕЙЧАС! Дизель Ванкеля от Rolls-Royce , Popular Science, февраль 1971 г., стр. 80
^ Джон Б. Хеге: Роторный двигатель Ванкеля: история , МакФарланд, 2017, ISBN 978-0-7864-8658-8 , с. 100
^ Перейти обратно: ^а ^б М.Л. Монаган, CCJ Френч, Р.Г. Фриз: ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЗЕЛЯ КАК ЛЕГКОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ , EPA-460/3-74-011, июль 1974 г., разделы 1–15.
^ Перейти обратно: ^а ^б Вольф-Дитер Бензингер: Роторно-поршневые двигатели внутреннего сгорания, Springer, Берлин/Гейдельберг/Нью-Йорк, 1973 г., ISBN 978-3-642-52174-4 . п. 145
^ Перейти обратно: ^а ^б Ульрих Кристоф Кнапп, Гюнтер Байерль: Ванкель подвергся испытанию , Ваксманн, ISBN 978-3-8309-6637-1 , с. 120
^ Немецкий патент. № 1158317, 28 ноября 1963 г. Klöckner-Humboldt-Deutz и немецкий пат. №404522 и пат. № 1164746
^ Джон Б. Хеге: Роторный двигатель Ванкеля: история , МакФарланд, 2017, ISBN 978-0-7864-8658-8 , с. 101
^ Фриц Феллер: Двухступенчатый роторный двигатель - новая концепция дизельной энергетики, Труды Института инженеров-механиков, 1970–71, Том. 185 13/71, с. 143
^ Джон Б. Хеге: Роторный двигатель Ванкеля: история , МакФарланд, 2017, ISBN 978-0-7864-8658-8 , с. 102
^ Road Test, Band 9, Quinn Publications, 1973, стр. 10
^ Фриц Феллер: Двухступенчатый роторный двигатель - новая концепция дизельной энергетики, Труды Института инженеров-механиков, 1970–71, Том. 185 13/71, с. 150
^ Фриц Феллер: Двухступенчатый роторный двигатель - новая концепция дизельной энергетики, Труды Института инженеров-механиков, 1970–71, Vol. 185 13/71, с. 151
^ Вольф-Дитер Бензингер: Роторно-поршневые двигатели внутреннего сгорания, Springer, Берлин/Гейдельберг/Нью-Йорк, 1973, ISBN 978-3-642-52174-4 . п. 147
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Вольф-Дитер Бензингер: Роторно-поршневые двигатели внутреннего сгорания, Springer, Берлин/Гейдельберг/Нью-Йорк, 1973 г., ISBN 978-3-642-52174-4 . п. 148
^ Фриц Феллер: Двухступенчатый роторный двигатель - новая концепция дизельной энергетики, Труды Института инженеров-механиков, 1970–71, Том. 185 13/71, с. 153
^ Перейти обратно: ^а ^б Дорожное испытание, группа 9, Quinn Publications, 1973, стр. 11
^ Фриц Феллер: Двухступенчатый роторный двигатель - новая концепция дизельной энергетики, Труды Института инженеров-механиков, 1970–71, Том. 185 13/71, с. 156
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Джон Б. Хеге: Роторный двигатель Ванкеля: история , МакФарланд, 2017 г., ISBN 978-0-7864-8658-8 , стр. 103
^ Road Test, Band 9, Quinn Publications, 1973, стр. 92
^ Ульрих Кристоф Кнапп, Гюнтер Байерль: Ванкель подвергнут испытанию , Ваксманн, ISBN 978-3-8309-6637-1 , стр. 121

[Pischinger2016-1] Стефан Пишингер, Ульрих Зейферт (2016). Руководство по автомобильным технологиям Vieweg . 8-е издание, Спрингер, Висбаден. п. 348. ISBN 978-3-658-09528-4 .

[Bensinger_86-2] Вольф-Дитер Бензингер : Роторно-поршневые двигатели внутреннего сгорания, Springer, Берлин/Гейдельберг/Нью-Йорк, 1973, ISBN 978-3-642-52174-4 . п. 86

[Norbye-3] Перейти обратно: ^а ^б Ян П. Норбай: Вид на дорогу , Popular Science, март 1973 г., стр. 62

[Scott-4] Перейти обратно: ^а ^б ^с Дэвид Скотт: СЕЙЧАС! Дизель Ванкеля от Rolls-Royce , Popular Science, февраль 1971 г., стр. 80

[Hege_100-5] Джон Б. Хеге: Роторный двигатель Ванкеля: история , МакФарланд, 2017, ISBN 978-0-7864-8658-8 , с. 100

[Monaghan_1-15-6] Перейти обратно: ^а ^б М.Л. Монаган, CCJ Френч, Р.Г. Фриз: ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЗЕЛЯ КАК ЛЕГКОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ , EPA-460/3-74-011, июль 1974 г., разделы 1–15.

[Bensinger_145-7] Перейти обратно: ^а ^б Вольф-Дитер Бензингер: Роторно-поршневые двигатели внутреннего сгорания, Springer, Берлин/Гейдельберг/Нью-Йорк, 1973 г., ISBN 978-3-642-52174-4 . п. 145

[Knapp_120-8] Перейти обратно: ^а ^б Ульрих Кристоф Кнапп, Гюнтер Байерль: Ванкель подвергся испытанию , Ваксманн, ISBN 978-3-8309-6637-1 , с. 120

[9] Немецкий патент. № 1158317, 28 ноября 1963 г. Klöckner-Humboldt-Deutz и немецкий пат. №404522 и пат. № 1164746

[Hege_101-10] Джон Б. Хеге: Роторный двигатель Ванкеля: история , МакФарланд, 2017, ISBN 978-0-7864-8658-8 , с. 101

[Feller_143-11] Фриц Феллер: Двухступенчатый роторный двигатель - новая концепция дизельной энергетики, Труды Института инженеров-механиков, 1970–71, Том. 185 13/71, с. 143

[Hege_102-12] Джон Б. Хеге: Роторный двигатель Ванкеля: история , МакФарланд, 2017, ISBN 978-0-7864-8658-8 , с. 102

[Road_Test_10-13] Road Test, Band 9, Quinn Publications, 1973, стр. 10

[Feller_150-14] Фриц Феллер: Двухступенчатый роторный двигатель - новая концепция дизельной энергетики, Труды Института инженеров-механиков, 1970–71, Том. 185 13/71, с. 150

[Feller_151-15] Фриц Феллер: Двухступенчатый роторный двигатель - новая концепция дизельной энергетики, Труды Института инженеров-механиков, 1970–71, Vol. 185 13/71, с. 151

[Bensinger_147-16] Вольф-Дитер Бензингер: Роторно-поршневые двигатели внутреннего сгорания, Springer, Берлин/Гейдельберг/Нью-Йорк, 1973, ISBN 978-3-642-52174-4 . п. 147

[Bensinger_148-17] Перейти обратно: ^а ^б ^с Вольф-Дитер Бензингер: Роторно-поршневые двигатели внутреннего сгорания, Springer, Берлин/Гейдельберг/Нью-Йорк, 1973 г., ISBN 978-3-642-52174-4 . п. 148

[Feller_153-18] Фриц Феллер: Двухступенчатый роторный двигатель - новая концепция дизельной энергетики, Труды Института инженеров-механиков, 1970–71, Том. 185 13/71, с. 153

[Road_Test_11-19] Перейти обратно: ^а ^б Дорожное испытание, группа 9, Quinn Publications, 1973, стр. 11

[Feller_156-20] Фриц Феллер: Двухступенчатый роторный двигатель - новая концепция дизельной энергетики, Труды Института инженеров-механиков, 1970–71, Том. 185 13/71, с. 156

[Hege_103-21] Перейти обратно: ^а ^б ^с Джон Б. Хеге: Роторный двигатель Ванкеля: история , МакФарланд, 2017 г., ISBN 978-0-7864-8658-8 , стр. 103

[Road_Test_92-22] Road Test, Band 9, Quinn Publications, 1973, стр. 92

[Knapp_121-23] Ульрих Кристоф Кнапп, Гюнтер Байерль: Ванкель подвергнут испытанию , Ваксманн, ISBN 978-3-8309-6637-1 , стр. 121

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]