Перспективы применения роторно-поршневых двигателей

Одной из альтернатив автомобильному двигателю внутреннего сгорания является роторно-поршневой двигатель (РПД), который часто называют по имени его изобретателя - двигателем Ванкеля. Феликс Ванкель - гениальный изобретатель роторно-поршневого двигателя уже в возрасте 22 лет, в 1924 году, пришёл к идее роторно-поршневого двигателя. В 1934 году Ванкель получил свой первый патент на двигатель новой конструкции, в 1954 году он наконец-то нашёл оптимальную конфигурацию камеры сгорания РПД, которая принципиально не изменилась до нашего времени (рис. 1).

Один из первых двигателей, созданных Ванкелем (DKM 54), имел рабочий объем 0,25 л и развивал мощность около 20 кВт при частоте вращения 17000 мин^-1. Уже в 1958 увидел свет первый автомобиль с серийным РПД.

До середины 70 годов прошлого века отечественное двигателестроение обходило стороной двигатель Ванкеля. С 1976 года волжский автомобильный завод начал серийно выпускать двигатель РПД, который устанавливался преимущественно на спец иальную технику. К сожалению, после череды финансовых кризисов 1990-2000 годов работы по РПД были заморожены.

В настоящее время только компания «Mazda» серийно выпускает автомобили с двигателем Ванкеля.

Главное принципиальное преимущество роторных двигателей - это полное отсутствие возвратно – поступательных движений любого типа, а соответственно: постоянных циклических ускорений и знакопеременных инерционных нагрузок на детали двигателя. Именно подобные нагрузки не дают традиционным поршневым двигателям значительно увеличивать обороты вращения своего вала и наращивать мощность.

Второе преимущество, неразрывно связанное с первым – это прямой и непосредственный перевод простого и непрерывного вращения ротора во вращение рабочего вала двигателя. Именно такая техническая организация кинематической схемы двигателя не требует применения дополнительных механизмов для преобразования типов движения. В традиционном же поршневом двигателе для этой цели применяется громоздкий, малоэффективный и дорогостоящий кривошипно-шатунный механизм. Как следствие, роторный двигатель имеет непрерывный крутящий момент высокого значения (как у электродвигателя). В поршневых двигателях именно кривошипно-шатунный механизм выдает на рабочий вал крутящий момент, непрерывно пульсирующий от минимального до максимально возможного значения и обратно. Именно поэтому поршневые двигатели не могут работать на малых оборотах.

Это обстоятельство чрезвычайно важно в условиях современного мегаполиса и автомобильных «пробок», когда основным эксплуатационным режимом становится холостой ход.

По сравнению с поршневым Двигателем внутреннего сгорания (ДВС) – роторный двигатель не нуждается в некоторых системах, а именно: специальном механизме газораспределения. кривошипно-шатунный механизм, и соответственно – в корпусных объемах картера для размещения этих систем, а так же систем распределения зажигания и глушения выхлопных газов. Следствием этого является гораздо большая, чем у поршневых двигателей удельная (на 1 кг. массы) мощность, а также относительная простота в обслуживании и ремонте.

Не смотря на указанные преимущества долгое время РПД не оказывали серьёзной конкуренции поршневым ДВС. Основной причиной этому являлось несовершенство уплотнения рабочей камеры, следствием чего являлся повышенный расход горюче-смазочных материалов и, соответственно, низкие экологические показатели. Так, упомянутый выше двигатель DKM 54 имел удельный расход топлива около 340 г/(кВт&#;час), что на 5-10% больше чем у поршневых двигателей тех же годов.

Кроме того, соединение ротора с выходным валом через эксцентриковый механизм, создает давление между трущимися поверхностями, что в сочетании с высокой температурой, приводит к дополнительному износу и нагреву двигателя. В связи с этим возникает повышенное требование к периодической замене масла.

Тем не менее, двигатель Ванкеля на наш взгляд является на настоящий момент одной из наиболее перспективных альтернатив поршневому ДВС, имеющих шансы на серийную реализацию.

Одним из оснований для такого утверждения являются достижения фирмы Mazda, чей роторно-поршневой двигатель «Renesis» [1] признан двигателем 2003 года. Автомобиль RX-8 с этим двигателем удовлетворяет нормам токсичности Euro-4 и при более чем вдвое увеличенной номинальной частоте вращения вала двигателя моторесурс этого РПД не уступает ресурсу тронкового двигателя. Вместе с тем, резервы для дальнейшего снижения эксплутационного расхода роторно-поршневыми двигателями еще не исчерпаны. Эти резервы связаны, в значительной мере, с возможностью повышения топливной экономичности двигателя при его работе на частичных нагрузках.

Широко распространенный способ снижения расхода топлива в поршневых ДВС посредством увеличения коэффициента избытка воздуха мало приемлем для роторных двигателей. Это связано с особенностью камеры сгорания РПД. Наличие защемленных зон на периферии камеры сгорания приводит к замедлению скорости сгорания топлива даже при стехеометрических составах смеси [2]. Обеднение смеси ещё более усугубит этот процесс, и повлечёт за собой повышение неравномерности сгорания и увеличению в составе отработавших газов доли несгоревших углеводородов.

Таким образом, одним из основных путей повышения топливной экономичности РПД является устранение недогорания топлива в камеры сгорания.

Наиболее распространенным решением указанной проблемы является оптимизация мест расположения свечей зажигания, их количества и параметров системы зажигания. Так, например, за счет применения двух свечей зажигания удается примерно на 6% сократить расход топлива, и соответственно, уменьшить выбросы токсичных компонентов с отработавшими газами. В целях повышения мощности и некоторого снижения расхода топлива компания Mazda применяла даже систему зажигания с 3 свечами зажигания на двигателе R26B [3]. Дополнительная свеча воспламеняла топливовоздушную смесь в области, прилегающей к задней вершине ротора, увеличивая скорость сгорания смеси.

Другим способом уменьшить недогорание топлива является расслоение заряда. На практике расслоение заряда в камере сгорания осуществляется таким образом, чтобы в ту часть камеры, в которую пламя не может проникнуть, попадала бы, по возможности, максимально обедненная топливовоздушная смесь.

В Волгоградском государственном техническом университете в течение ряда лет ведутся исследования возможностей расслоения заряда указанным выше образом за счет применения так называемого фазированного впрыскивания топлива во впускной трубопровод, при котором начальный и конечный моменты подачи топлива форсункой согласованы с моментами открытия и закрытия впускного окна и с частотой вращения ротора. Как показывает опыт, применение фазированного впрыскивания позволяет снизить удельный расход топлива на 15%.

Одним из перспективных способов улучшения эксплуатационных характеристик ДВС является изменение рабочего объема. Особенности конструкции и кинематики ротора РПД таковы, что изменить рабочий объем можно только косвенно, например, отключением части цилиндров или пропуском части рабочих циклов. При отключении части рабочих циклов оставшиеся в работе циклы для сохранения эффективной мощности двигателя должны обладать большим индикаторным КПД, что в итоге приводит к снижению расхода топлива.

В Волгоградском государственном техническом университете были теоретически и экспериментально изучено[4] влияние отключения циклов на изменение удельного расхода топлива РПД, работающего с пропуском части рабочих циклов с системой фазированного впрыскивания топлива во впускной трубопровод. Исследования показали, что отключение циклов приводит к снижению расхода топлива лишь в некотором диапазоне нагрузочных режимов. Для испытанного двигателя ВАЗ-311 снижение удельного расхода топлива, зафиксированное в экспериментах, составило 13% .

Весьма перспективным направлением снижения токсичности в РПД является применение альтернативных топлив, в первую очередь, газообразных. Так, например, компании Mazda выпустила в серийное производство автомобиль RX – 8 Hydrogen RE, работающий и на водороде и на бензине. Использование водорода в качестве моторного топливо позволило японским инженерам полностью избавиться от содержания в выхлопных газах оксида углерода СО₂. При этом мощность двигателя составила 80 кВт, что меньше чем у аналогичного двигателя, работающего на бензине (145 кВт). Объяснение этому в необходимости использовать сильно обедненную топливовоздушную смесь для снижения температуры сгорания, от которой, главным образом, зависит содержание в выхлопных газах оксида азота NO_x. Необходимо отметить тот факт, что двигатель Ванкеля более приспособлен к работе на водороде чем поршневой двигатель, вследствие снижения риска калильного зажигания.

Одним из недостатков применения водорода в качестве моторного топлива является его высокая текучесть. При попадании в машинное масло водород окисляется и образует воду, что может вызвать появление коррозии на элементах двигателя.

Другим способом применения водорода является его использование в качестве дополнительного топлива при организации расслоения топливовоздушной смеси. При такой организации рабочего процесса основное топливо (обедненная бензовоздушная или газовоздушная смесь) подается непосредственно в камеру сгорания, а порция водорода впрыскивается в зону межэлектродного зазора свечи зажигания. Это позволяет существенно снизить запас водорода, хранимого на борту автомобиля, снизив тем самым затраты на использование газа.

Всё вышесказанное показывает, что обладая существенным потенциалом, двигатель Ванкеля является в настоящее время одной из реально существующих альтернатив традиционному поршневому двигателю.

Литература:

1. Masaki Ohkubo, Seiji Tashima, Ritsuharu Shimizu, Suguru Fuse and Hiroshi Ebino Developed Technologies of the New Rotary Engine (RENESIS)//SAE Paper. 2004. – № 2004-01-1790.

2. Злотин Г. Н. Особенности рабочего процесса и пути повышения энергетической эффективности роторно-поршневых двигателей Ванкеля: монография/ Г. Н. Злотин, Е. А. Федянов.– Волгоград: Изд-во ВолгГТУ.– 2010.

3. Ritsuharu Shimizu, Tomoo Tadokoro, Toru Nakanishi, and Junichi Funamoto Mazda 4-Rotor Rotary Engine for the Le Mans 24-Hour Endurance Race//SAE Paper. 1992. – № 920309

4. Злотин Г.Н. Эффективность метода отключения циклов на роторно-поршневом двигателе Ванкеля [Текст] / Г.Н. Злотин, Е.Б. Морщихин, С.Н. Шумский, Е.А. Федянов – журн. «Двигателестроение» – 2006.– №4.– С. 12-14.