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. [1] Ротор двигателя Ванкеля, который создает вращательное движение, по форме похож на треугольник Рело , причем стороны имеют меньшую кривизну. Ротор вращается внутри эпитрохоидального корпуса в форме восьмерки вокруг зубчатой передачи с фиксированными зубьями. Средняя точка ротора движется по кругу вокруг выходного вала, вращая вал через кулачок.
В своей базовой форме двигатель Ванкеля имеет более низкий тепловой КПД и более высокие выбросы выхлопных газов по сравнению с четырехтактным поршневым двигателем. Это ограничило использование двигателя с момента его появления в 1960-х годах. Однако в последующие десятилетия многие недостатки были в значительной степени преодолены с появлением доступных версий дорожных транспортных средств. Его 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 легковые автомобили . В прошлом двигатель Ванкеля также использовался в дорожных транспортных средствах, таких как мотоциклы и гоночные автомобили .
Двигатель Ванкеля представляет собой тип роторно-поршневого двигателя и существует в двух основных формах: Drehkolbenmotor ( DKM, «роторно-поршневой двигатель»), разработанный Феликсом Ванкелем (см. Рисунок 2), и Kreiskolbenmotor ( KKM, «циркулярный поршневой двигатель»). ), разработанный Ханнсом-Дитером Пашке [2] (см. рис. 3), из которых только последний вышел из стадии прототипа. Таким образом, все серийные двигатели Ванкеля относятся к типу ККМ.
Феликс Ванкель сконструировал ротационный компрессор в 1920-х годах и получил свой первый патент на двигатель роторного типа в 1934 году. [6] 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. [7] При содействии профессора Отмара Байера из Штутгартского университета прикладных наук концепция была определена математически. [8] Разработанный им нагнетатель использовался для одного из одноцилиндровых двухтактных двигателей NSU объемом 50 см³. Двигатель развивал мощность 13,5 л.с. (10 кВт) при 12 000 об/мин. [9]
В 1954 году NSU договорился с Феликсом Ванкелем о разработке роторного двигателя внутреннего сгорания на основе конструкции нагнетателя Ванкеля для 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». [10] 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). [11] [12] Вскоре после этого был построен второй прототип ДКМ. Он имел объем рабочей камеры Vk 125 см³ и выдавал мощность 21 кВт (29 л.с.) при 17 000 об/мин. [13] Он мог даже развивать скорость до 25 000 об/мин. Однако такие обороты двигателя исказили форму внешнего ротора, что оказалось непрактичным. [14] По данным инженеров и историков Mazda Motors , было построено четыре агрегата двигателя DKM; Согласно описанию конструкция имеет рабочий объем V h 250 см³ (что эквивалентно объему рабочей камеры V k 125 см³). 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). [15]
Из-за сложной конструкции с неподвижным центральным валом двигатель ДКМ был непрактичен. [4] 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. [16] 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). [4] KKM оказался гораздо более практичным двигателем, поскольку у него легкодоступные свечи зажигания, более простая конструкция охлаждения и обычный вал отбора мощности. [5] 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. [17]
Ванкель получил патент США 2988065 на двигатель KKM 13 июня 1961 года . . [19] Первый полностью функционирующий двигатель KKM, KKM 125, весом всего 17 кг (37,5 фунтов), рабочим объемом 125 см³ и мощностью 26 л.с. (19 кВт) при 11 000 об/мин. [20] Его первый запуск состоялся 1 июля 1958 года. [21]
В 1963 году компания NSU выпустила первый серийный автомобильный двигатель Ванкеля ККМ 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 довольно мощным двигателем с приличным потенциалом, плавностью работы и низким уровнем шума на высоких оборотах. Это был однороторный двигатель РР рабочим объемом 996 см 3 (61 дюйм 3 ), номинальной мощностью 40 кВт (54 л.с.) при 6000 об/мин и МВЭД 1 МПа (145 фунт-сила/дюйм 2 ). [22]
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 овальную эпитрохоиду с двумя лепестками (эквивалент перитрохоиды), [25] тогда как его роторный поршень имеет форму трохоида с тремя вершинами (аналогично Треугольник Рело ). Таким образом, ротор двигателя Ванкеля всегда образует три движущиеся рабочие камеры. [26] Основная геометрия двигателя Ванкеля изображена на рисунке 7. Уплотнения на вершинах ротора плотно прилегают к периферии корпуса. [27] 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. [16] Принцип работы аналогичен принципу работы Отто; Принцип работы дизеля с воспламенением от сжатия не может быть использован в практическом двигателе Ванкеля. [28] Поэтому двигатели Ванкеля обычно имеют высоковольтную систему искрового зажигания . [29]
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). [30] Форма ротора между фиксированными вершинами призвана минимизировать геометрический объем камеры сгорания и максимизировать степень сжатия соответственно. [27] [31] 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. [32] 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. [33] Шестерни из закаленной стали используются для длительной эксплуатации 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 скорости 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.
В роторном двигателе Ванкеля объем камеры эквивалентен произведению поверхности ротора и пути ротора . Поверхность ротора определяется путем прохождения кончиков ротора через корпус ротора и определяется образующим радиусом , шириной ротора и параллельными перемещениями ротора и внутреннего корпуса . Поскольку ротор имеет трохоидную («треугольную») форму, синус 60 градусов описывает интервал, в котором роторы приближаются к корпусу ротора. Поэтому,
Траекторию ротора можно интегрировать через эксцентриситет следующим образом:
Поэтому,
Для удобства ее можно опустить, поскольку она трудноопределяема и мала: [36]
Другой подход к этому состоит в том, чтобы ввести как самую дальнюю, так и самую короткую параллельную передачу ротора и внутреннего корпуса и предположить, что и . Затем,
Включение параллельных передач ротора и внутреннего корпуса обеспечивает достаточную точность определения объема камеры. [36] [35]
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. [41] Частично этот спор возник из-за того, что налог на транспортные средства в Европе зависел от объема двигателя, как сообщил Карл Людвигсен . [42]
Если - количество роторов и количество камер, рассматриваемых для каждого ротора, то общий объем составляет:
Если среднее эффективное давление , скорость вращения вала и количество оборотов вала, необходимых для завершения цикла ( частота термодинамического цикла), то общая выходная мощность равна:
это общая выходная мощность.
Кеничи Ямамото разместил и : [43]
При этих значениях однороторный двигатель Ванкеля производит ту же среднюю мощность, что и одноцилиндровый двухтактный двигатель , с тем же средним крутящим моментом, при этом вал вращается с той же скоростью, выполняя циклы Отто с утроенной частотой.
Ричард Франц Ансдейл и Вольф-Дитер Бензингер основывали свою аналогию на количестве совокупных ходов расширения на 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. [35] [44] Это отличается от четырехтактного поршневого двигателя, которому необходимо сделать два полных оборота на камеру сгорания, чтобы завершить все четыре фазы четырехтактного двигателя. Следовательно, в роторном двигателе Ванкеля и : [45] [46]
При этих значениях однороторный двигатель Ванкеля выдает ту же среднюю мощность, что и двухцилиндровый четырехтактный двигатель, с тем же средним крутящим моментом, с валом, вращающимся с той же скоростью, работая по циклам Отто с частотой 3/2 частоты. .
Феликс Генрих Ванкель , Ойген Вильгельм Хубер и Карл-Хайнц Кюттнер пересчитали все камеры, поскольку в каждой действует свой термодинамический цикл. Итак и : [47] [48] [49]
При этих значениях однороторный двигатель Ванкеля имеет ту же среднюю мощность, что и трехцилиндровый четырехтактный двигатель, с 3/2 среднего крутящего момента, с валом, вращающимся на 2/3 скорости, работающим по циклам Отто с частотой та же частота:
Применяя передачу 2/3 к выходному валу трехцилиндрового двигателя (или 3/2 к валу Ванкеля), они аналогичны с термодинамической и механической точки зрения выходной мощности, как отметили Хубер и Вальтер Г. ,Фрёде. [48] [50]
NSU лицензировал конструкцию 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: [53] [54] [55]
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 . [59] Джон Б. Хедж утверждает, что ни одному советскому автопроизводителю не было выдано лицензии. [60]
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. [61]
Вначале необходимо было создавать специальные, 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. [62] 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. Использование тепловых трубок в вентиляторе Ванкеля с воздушным охлаждением было предложено Университетом Флориды, чтобы преодолеть неравномерный нагрев блочного корпуса. [63] Предварительный подогрев некоторых секций корпуса выхлопными газами улучшает производительность и экономию топлива, а также снижает износ и выбросы. [64]
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 температура в камере сгорания поршневого двигателя. При охлаждении окружным или осевым потоком разница температур остается допустимой. [65] [66] [67]
Проблемы возникли во время исследований в 1950-х и 1960-х годах. Некоторое время инженеры сталкивались с тем, что они называли «следами вибраций» и «царапинами дьявола» 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 внедрения 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 двигателях раннего производства. NSU использовала верхние уплотнения, пропитанные углеродной 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 уплотнениям вершины толщиной сначала 3 мм, а затем даже 2 мм. [68] Еще одной ранней проблемой было образование трещин на поверхности статора возле свечного отверстия, которое было устранено путем установки свечей зажигания в отдельную металлическую вставку/медную втулку в корпусе вместо ввинчивания свечи непосредственно в корпус блока. [69]
Компания Toyota обнаружила, что замена свечи накаливания на свечу зажигания ведущего узла улучшила низкие обороты, частичную нагрузку, удельный расход топлива на 7%, а также выбросы и холостой ход. [70] Более позднее альтернативное решение для охлаждения бобышки свечи зажигания представляло собой схему с регулируемой скоростью охлаждающей жидкости для роторов с водяным охлаждением, которая получила широкое распространение и была запатентована Curtiss-Wright, [71] причем последняя из них указана для улучшения качества воздуха. -охлаждение втулки свечи зажигания двигателя. 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 ( CA 1036073 , 1978).
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), тогда как 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. [72]
Периферийное впускное отверстие обеспечивает самое высокое среднее эффективное давление ; однако боковое впускное отверстие обеспечивает более устойчивый холостой ход [73] , поскольку оно помогает предотвратить обратный выброс сгоревших газов во впускные каналы, что вызывает «пропуски зажигания», 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 [74] привела к добавлению подачи свежего воздуха к выхлопному отверстию, а также доказала, что пластинчатый клапан во впускном отверстии или воздуховодах [75] улучшил 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 впускных и выпускных трубопроводов на производительность двигателей Ванкеля. [76] 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. [77]
Как описано 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. [78]
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. [79] Комбинация материалов обшивки 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. [ нужна цитата ]
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. [ нужна цитация ] 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. [11]
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 US 3261542). , C. Jones, 08.05.63, US 3176915 , M. Bentele, C. Jones. AH Raye. 02.07.62), а также слегка «коронованные» апексные уплотнения (разная высота в центре и на крайних концах тюлень). [80]
Как описано в разделе о термодинамических недостатках, двигатель Ванкеля — очень неэффективный двигатель с плохой экономией топлива. Это вызвано конструкцией двигателя Ванкеля с плохой формой камеры сгорания и огромной площадью поверхности. С другой стороны, конструкция двигателя Ванкеля гораздо менее склонна к детонации [28] , что позволяет использовать низкооктановое топливо без снижения компрессии. НГУ провел испытания по предложению Феликса Ванкеля низкооктанового бензина. 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. [81] [82] [83] [84] [85] Двигатели с непосредственным впрыском и послойным наддувом могут работать на топливе с особенно низкими октановыми числами. Например, дизельное топливо, октановое число которого составляет всего ~25. [86] [87] В результате низкой эффективности двигатель Ванкеля с периферийными выпускными отверстиями имеет большее количество несгоревших углеводородов (HC), выбрасываемых в выхлопные газы. [88] [89] Однако выбросы оксидов азота (NOx) в выхлопных газах относительно низкие, поскольку сгорание происходит медленно, а температура ниже, чем в других двигателях, а также из-за хорошей рециркуляции выхлопных газов двигателя Ванкеля ( EGR). ) поведение. Выбросы угарного газа (CO) двигателей Ванкеля и Отто примерно одинаковы. [28] Двигатель Ванкеля имеет значительно более высокую (Δt K >100 K) 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 мин -1 . Чтобы улучшить поведение выхлопных газов двигателя Ванкеля, можно использовать термический реактор или каталитический нейтрализатор для уменьшения содержания углеводородов и окиси углерода в выхлопных газах. [88] 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. [90][91] Mazda использовала в своем двигателе R26B 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. [92] 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. [93] Компания Curtiss-Wright расширила ротор, сохранив остальную часть конструкции 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. [94] Тушение является доминирующим источником углеводородов на высоких скоростях и утечек на низких скоростях. [95] Использование боковых отверстий, которые позволяют закрыть выпускное отверстие вокруг верхней мертвой точки и уменьшить перекрытие впускных и выпускных клапанов, помогает снизить расход топлива. [89]
Автомобиль Mazda RX-8 с двигателем Renesis (впервые представленный в 1999 году) [52] 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 при высоких оборотах и с впускным каналом прямоугольной формы. [96] [97] Однако RX-8 не был улучшен для соответствия нормам выбросов Евро 5 и был снят с производства в 2012 году. [98] Новая Mazda 8C Mazda MX-30 R-EV соответствует Евро 6d- Стандарт выбросов ISC-FCM. [99]
Лазерное зажигание было впервые предложено в 2011 году [100] [101] , 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 видами газообразного и жидкого 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. [102]
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. [103] Подход компаний Rolls-Royce [104] и Yanmar с воспламенением от сжатия [105] заключался в использовании двухступенчатого агрегата (см. рисунок 16), в котором один ротор действует как компрессор, а сгорание происходит в другом. [106] Оба двигателя не работали. [103]
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. [107] [108] Немецкий инженер Данкварт Эйерманн разработал этот двигатель в Wankel SuperTec (WST) в начале 2000-х годов. Он имеет объем камеры 500 см³ (куб.см) и номинальную выходную мощность 50 кВт (68 лошадиных сил) на ротор. Возможны версии от одного до четырех роторов. [109]
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. [110] Давление в конце фазы сжатия и во время сгорания ниже, чем в обычном дизельном двигателе, [109] а расход топлива эквивалентен расходу топлива небольшого двигателя с непрямым впрыском и воспламенением от сжатия (т.е. >250 г/ч). (кВт·ч)). [111]
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). [112] [107]
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. [113] Другая проблема касается воздействия гидрогената на смазочную пленку в поршневых двигателях. В двигателе Ванкеля проблема гидрогенизата решается за счет использования керамических уплотнений вершины. [114] [115]
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. Однако поведение выхлопных газов значительно ухудшилось из-за высоких выбросов NOx, вызванных бедным сгоранием, что означало, что автомобиль не соответствовал японскому стандарту выбросов SULEV. Для соблюдения норм по выбросам пришлось использовать дополнительный стехиометрический режим, что снизило тепловой КПД двигателя. [116]
Основными преимуществами двигателя Ванкеля являются: [117]
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. [32]
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. [120] 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. [121] Как правило, можно предположить, что двигатель Ванкеля с объемом рабочей камеры V k 500 см³ и степенью сжатия ε=9 хорошо работает на бензине посредственного качества с октановым числом всего 91 АИ. [28] Если в поршневом двигателе с возвратно-поступательным движением сжатие необходимо уменьшить на одну единицу сжатия, чтобы избежать детонации, то в сопоставимом двигателе Ванкеля снижение сжатия может не потребоваться. [122]
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. [123]
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 двигатель Ванкеля имеет медленное и неполное сгорание, что приводит к высокому расходу топлива и плохому поведению выхлопных газов. [121] Двигатели Ванкеля могут достигать типичного максимального КПД около 30 процентов. [124]
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. [125] [126]
Хотя многие недостатки являются предметом продолжающихся исследований, в настоящее время недостатки двигателя Ванкеля, находящегося в производстве, следующие: [127]
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. [131]
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. [132] Kawasaki рассмотрела эту проблему в своем патенте США US 3848574 ; Toyota добилась повышения экономичности 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). [74] Плохое сгорание в задней части камеры является одной из причин того, что в выхлопном потоке 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 этой проблемы удалось избежать 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. [133]
Национальные агентства, которые облагают автомобили налогом 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. [ нужна цитата ] Япония сделала то же самое, но применила коэффициент эквивалентности 1,5, что позволило двигателю Mazda 13B соответствовать чуть меньше 2-литрового налогового лимита. 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. [134]
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 . В 2023 году Mazda представила гибридный электромобиль с роторным двигателем MX-30 R-EV. [135]
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 . [11] В 1967 году NSU начал производство роскошного автомобиля с роторным двигателем Ro 80 . [136] Однако, в отличие от Mazda и Curtiss-Wright, компания NSU не изготовила надежных уплотнений вершины ротора. 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. [11]
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, полученный за счет эксцентриситета 17 мм, образующий радиус 118,5 мм, эквидистантность 4 мм и ширина корпуса 69 мм. У него были двухсторонние впускные отверстия и периферийное выпускное отверстие; он был оснащен системой многоточечного впрыска с непрерывным впрыском топлива Bosch K-Jetronic . 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. [137] Ван Басшуйсен и Уилмерс разработали двигатель либо с тепловым реактором, либо с каталитическим нейтрализатором для контроля выбросов. [137] Двигатель имел массу 142 кг, [137] и BSFC примерно 315 г/(кВт·ч) при 3000 об/мин и BMEP 900 кПа. [138] Для испытаний на испытательные автомобили Audi 100 Type 43 были установлены два двигателя KKM 871 : один с пятиступенчатой механической коробкой передач, другой с трехступенчатой автоматической коробкой передач. [139]
Mazda заявила, что решила проблему уплотнения верхушки, проработав испытательные двигатели на высоких оборотах в течение 300 часов без сбоев. [11] После нескольких лет разработок первым автомобилем Mazda с роторным двигателем стал Cosmo 110S 1967 года . Затем компания выпустила несколько автомобилей Ванкеля («роторных» в терминологии компании), в том числе автобус и пикап . Клиенты часто отмечали плавность хода автомобилей. Однако Mazda выбрала метод соблюдения стандартов выбросов углеводородов , 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 трехроторный двигатель с двойным турбонаддувом 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. [140] Renesis имеет мощность 238 л.с. (177 кВт) с улучшенной топливной экономичностью, надежностью и меньшими выбросами, чем предыдущие роторные двигатели Mazda, [141] и все это при номинальном рабочем объеме 2,6 л, но этого было недостаточно для удовлетворения более строгих требований. стандарты 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. [135] Таким образом, двигатель Ванкеля не имеет прямой связи с колесами и служит только для зарядки аккумулятора. Это одновинтовая установка с двигателем объемом 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. [143] [144]
Citroën провел много исследований, выпустив автомобили M35 и GS Birotor , а также вертолет RE-2 с использованием двигателей, произведенных Comotor , совместным предприятием Citroën и NSU.
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. [52]
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. [145] [146] Президент AMC Уильям Люнебург не ожидал резкого развития событий 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 свои двигатели. собственные роторные двигатели и предсказали полный переход на роторную энергию к 1984 году. [147]
Планировалось использовать этот двигатель в AMC Pacer , но разработка была отложена. [148] [149] Компания American Motors разработала уникальный Pacer вокруг двигателя. К 1974 году AMC решила приобрести роторный двигатель General Motors (GM) вместо того, чтобы производить собственный двигатель. [150] 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. [151] 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.
At its annual meeting in May 1973, General Motors unveiled the Wankel engine it planned to use in the Chevrolet Vega.[152] By 1974, GM R&D had not succeeded in producing a Wankel engine meeting both the emission requirements and good fuel economy, leading to a decision by the company to cancel the project. Because of that decision, the R&D team only partly released the results of its most recent research, which claimed to have solved the fuel-economy problem, as well as building reliable engines with a lifespan above 530,000 miles (850,000 km). Those findings were not taken into account when the cancellation order was issued. The ending of GM's rotary project required AMC, who was to purchase the engine, to reconfigure the Pacer to house its AMC straight-6 engine driving the rear wheels.[153]
In 1974, the Soviet Union created a special engine-design bureau, which in 1978, designed an engine designated as VAZ-311 fitted into a VAZ-2101 car.[154] In 1980, the company commenced delivery of the VAZ-411 twin-rotor Wankel engine in VAZ-2106 cars, with about 200 being manufactured. Most of the production went to the security services.[155][156]
Ford conducted research in rotary engines, resulting in patents granted: GB 1460229, 1974, a method for fabricating housings; US 3833321 1974, side plates coating; US 3890069, 1975, housing coating; CA 1030743, 1978: Housings alignment; CA 1045553, 1979, reed-valve assembly. In 1972, Henry Ford II stated that the rotary probably would not replace the piston in "my lifetime".[157]
Sigma MC74 с двигателем Mazda 12A была первой моторной и единственной командой из-за пределов Западной Европы и США, финишировавшей все 24 часа гонки «24 часа Ле-Мана» в 1974 году. Пилотом MC74 был Ёдзиро Терада . . Mazda была первой командой из-за пределов Западной Европы и США, которая выиграла Ле-Ман безоговорочно. Это был также единственный автомобиль с непоршневым двигателем, выигравший гонку Ле-Ман, которую компания добилась в 1991 году на своем четырехроторном 787B (5,24 л или 320 куб. Дюймов, рабочий объем которого по формуле FIA составлял 4,708 л или 287 куб. Дюймов). В классе C2 все участники имели в своем распоряжении только одинаковое количество топлива, за исключением нерегулируемой категории 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. [158] Автомобили в соответствии с правилами группы C1 категории 1 на 1991 год могли быть еще на 80 кг легче, чем 787B. [159] Кроме того, в группе C1 категории 1 были разрешены только 3,5-литровые двигатели без наддува и не было ограничений на количество топлива. [160]
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 уровня шума и вибрации. Однако сомнительно, позволяют ли присущие двигателю Ванкеля недостатки использовать двигатель Ванкеля в качестве расширителя запаса хода для легковых автомобилей. [161]
В 2010 году Audi представила прототип серийного гибридного электромобиля A1 e-tron . В нем использовался двигатель Ванкеля с объемом камеры Vk 254 см³, способный развивать мощность 18 кВт при 5000 об/мин. Он был соединен с электрическим генератором, который по мере необходимости заряжал аккумуляторы автомобиля и подавал электроэнергию непосредственно на приводной электродвигатель. Пакет имел массу 70 кг и мог производить 15 кВт электроэнергии. [162]
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. [163] [164] [165]
Mazda представила MX-30 R-EV , оснащенную расширителем диапазона двигателей Ванкеля, в марте 2023 года. [135] Двигатель Ванкеля автомобиля представляет собой безнаддувный одновинтовой агрегат с объемом камеры V k 830 см 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. [143] [144]
Первым мотоциклом с двигателем Ванкеля был построенный компанией MZ MZ ES 250, оснащенный двигателем Ванкеля KKM мощностью 175 Вт с водяным охлаждением. В 1965 году за ним последовала версия с воздушным охлаждением, получившая название KKM 175 L. Двигатель развивал мощность 24 л.с. (18 кВт) при 6750 об/мин, но мотоцикл так и не пошел в серийное производство. [166]
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 также выпустила серийный мотоцикл RE-5 с двигателем Ванкеля , 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 воздушным охлаждением, за которым последовали Commander с жидкостным охлаждением и Interpol2 (полицейская версия). [167] 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 объемом 700 куб.см под названием «NRV700». [168] 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, [169] с 1992 года ни один мотоцикл с двигателями Ванкеля не выпускался для продажи широкой публике для использования на дорогах.
В 1972 году на Токийском автосалоне компания Yamaha представила RZ201 — 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 низкой долговечности двигателей в ранних Ванкелях, но ни один прототип не дошел до производства.
В 1974 году Hercules выпустила мотоциклы W-2000 Wankel, но низкие объемы производства привели к тому, что проект оказался убыточным, и производство было прекращено в 1977 году .
С 1975 по 1976 год компания Suzuki производила однороторный мотоцикл Ванкеля RE5 . Это была сложная конструкция с жидкостным и масляным охлаждением , а также с несколькими системами смазки и карбюратора . Он работал хорошо и плавно, но, будучи довольно тяжелым и имея скромную мощность в 62 л.с. (46 кВт), продавался плохо. [171] Suzuki выбрала сложную систему масляного и водяного охлаждения. Выхлопные трубы сильно нагреваются, поэтому Suzuki выбирает ребристый выпускной коллектор, двустенные выхлопные трубы с охлаждающими решетками, термостойкую обертку труб и глушители с теплозащитными экранами. У Suzuki было три системы смазки, в то время как у Garside была одна система впрыска масла с полной потерей жидкости, которая подавалась как на главные подшипники, так и на впускные коллекторы. Suzuki выбрала один ротор, который был довольно гладким, но с неровностями при 4000 об/мин. Suzuki установил массивный ротор высоко в раме. [172] Хотя говорили, что он хорошо управляется, в результате Suzuki стал тяжелым, слишком сложным, дорогим в производстве и мощностью 62 л.с.
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 двигателей Comotor . В двигателе OCR 1000 использовался модифицированный двигатель KKM 624, изначально предназначенный для автомобиля Citroën GS Birotor . [173] При этом распределитель зажигания был заменен на электронную карту зажигания от Hartig. [174]
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:
В отличие от автомобилей и мотоциклов, роторный авиационный двигатель достаточно прогреется, прежде чем 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. [175] 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 редукторы скорости вращения винтов, например, двухроторный двигатель MidWest имеет редуктор 2,95:1.
Первый самолет с роторным двигателем появился в конце 1960-х годов в виде экспериментальной гражданской версии Lockheed Q-Star разведывательного QT-2 армии США , по сути планера Schweizer с двигателем . [176] Самолет был оснащен роторным двигателем Curtiss-Wright RC2-60 Ванкеля мощностью 185 л.с. (138 кВт). [177] Та же модель двигателя также использовалась в Cessna Cardinal и вертолете, а также в других самолетах. [117] [178] [179] Французская компания Citroën разработала вертолет RE-2 с роторным двигателем в 1970-х годах. [180] В Германии в середине 1970-х годов самолет с толкающим вентилятором и модифицированным многороторным роторным двигателем NSU был разработан как в гражданской, так и в военной версиях - Fanliner и Fantrainer. [181]
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 фирмы по производству авиамоделирующих изделий Graupner под руководством лицензия НГУ. Двигатель Ванкеля модели Граупнера имеет объем камеры V k 4,9 см 3 и производит 460 Вт при 16 000 об/мин -1 ; его масса 370 г. Его производили двигатели ОС Японии. [182]
Роторные двигатели устанавливались на самодельные экспериментальные самолеты, такие как ARV Super2 , некоторые из которых были оснащены авиационными двигателями British MidWest . 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 , сказал, что «по моему мнению… наиболее перспективным двигателем для использования в авиации является роторный двигатель Mazda». [183]
Производитель планеров Schleicher использует Austro Engines AE50R Wankel [184] [185] в своих самозапускающихся моделях АСК-21 Ми , АШ-26Е , [186] АШ-25 М/Ми , АШ-30 Ми , АШ-31 Ми . , ASW-22 BLE и ASG-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. [187]
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 заявляет, что технология с использованием роторных двигателей масштабируется до 100-местного самолета. [188] [189]
С 2015 года в Германии 60 поездов были оборудованы вспомогательными энергосистемами с двигателями Ванкеля, работающими на дизельном топливе. На локомотивах используется дизельный двигатель WST KKM 351 Ванкеля. [107]
Двигатель Ванкеля хорошо подходит для устройств, в которых человек-оператор находится в непосредственной близости от двигателя, например, ручных устройств, таких как бензопилы. [190] Отличные пусковые характеристики и малая масса делают двигатель Ванкеля также хорошей силовой установкой для переносных пожарных насосов и переносных электрогенераторов. [191]
Маленькие двигатели Ванкеля используются в таких устройствах, как картинги , водные суда и вспомогательные силовые установки для самолетов. [192] Кавасаки запатентовал роторный двигатель смешанного охлаждения (патент США 3991722). Японский производитель дизельных двигателей Yanmar и немецкая компания Dolmar-Sachs имели цепную пилу с роторным двигателем (документ SAE 760642) и подвесные лодочные двигатели, а французская компания Outils Wolf изготовила газонокосилку (Rotondor) с роторным двигателем Ванкеля. Для экономии производственных затрат ротор находился в горизонтальном положении и с нижней стороны не было уплотнений.
Простота роторного двигателя делает его хорошо подходящим для конструкций мини-, микро- и микро-мини-двигателей. Лаборатория роторных двигателей микроэлектромеханических систем (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 включает сжатый воздух. Целью таких исследований была разработка двигателя внутреннего сгорания, способного выдавать 100 милливатт электроэнергии; при этом сам двигатель служит ротором генератора , а магниты встроены в сам ротор двигателя. [193] [194] Разработка миниатюрного роторного двигателя остановилась 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 дюймов 3 (25 дм 3 ) и номинальной мощностью 500 л.с. (373 кВт) на ротор. [195] В конце концов, 13 единиц предложенного двигателя были построены, хотя и с большим рабочим объемом, и отработали более 90 000 часов работы в совокупности. Двигатель изготавливался с объемом камеры Vk 2500 куб.см ( 41 дм3 ) и 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 имели относительно низкую частоту вращения из-за применения, для которого они использовались. [196]
В феврале 1984 года Deere & Company приобрела подразделение роторных двигателей Curtiss-Wright, которое также производило большие многотопливные прототипы, некоторые с 11-литровым ротором для больших транспортных средств. [197] [198] [199] Разработчики попытались использовать концепцию стратифицированного заряда. [197] Технология была передана RPI в 1991 году. [200] [201]
Японская компания Yanmar произвела несколько небольших роторных двигателей с наддувочным охлаждением для бензопил и подвесных двигателей. [202] Одним из продуктов компании 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. [203]
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 с жидкостным охлаждением. Среди других производителей — Wankel AG, Cubewano, Rotron и Precision Technology.
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 системе преднатяжителей ремней безопасности [204] в некоторых автомобилях Mercedes-Benz [205] и Volkswagen [206] . Когда датчики замедления обнаруживают потенциальную аварию, небольшие взрывчатые патроны срабатывают электрически, и полученный газ под давлением подается в крошечные двигатели Ванкеля, которые вращаются, компенсируя провисание систем ремней безопасности, надежно фиксируя водителя и пассажиров на сиденье перед тем, как произойдет столкновение. столкновение. [207]
{{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link)Рис. 10.4.
Рис 7.7
{{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite web}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link)Формулы 2.27 и 2.30; Ямамото использует V h вместо V k . В этой статье V k используется для удобства.
Формула 56 с k=R/e
{{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link)Таблица 4.1; Ямамото использует Vh вместо Vk. В этой статье для удобства используется Вк.
{{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link){{citation}}
: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite magazine}}
: CS1 maint: postscript (link)