Двигатель Ванкеля ( /ˈvaŋkəl̩/ , VUN -kell ) — тип двигателя внутреннего сгорания , использующий эксцентриковую роторную конструкцию для преобразования давления во вращательное движение. Концепция была доказана немецким инженером Феликсом Ванкелем , за которым последовал коммерчески осуществимый двигатель, разработанный немецким инженером Гансом-Дитером Пашке. [1] Ротор двигателя Ванкеля, который создает вращательное движение, по форме похож на треугольник Рело , со сторонами, имеющими меньшую кривизну. Ротор вращается внутри эпитрохоидального корпуса в форме восьмерки вокруг фиксированной зубчатой передачи. Средняя точка ротора движется по кругу вокруг выходного вала, вращая вал через кулачок.
В своей базовой бензиновой форме двигатель Ванкеля имеет более низкую тепловую эффективность и более высокие выбросы выхлопных газов по сравнению с четырехтактным поршневым двигателем. Тепловая неэффективность ограничивала использование двигателя с момента его появления в 1960-х годах. Однако многие недостатки были в основном преодолены в последующие десятилетия по мере развития производства дорожных транспортных средств. Преимущества компактной конструкции, плавности хода, меньшего веса и меньшего количества деталей по сравнению с поршневыми двигателями внутреннего сгорания делают двигатель Ванкеля подходящим для таких применений, как бензопилы , вспомогательные силовые установки (ВСУ), барражирующие боеприпасы , самолеты , гидроциклы , снегоходы и расширители запаса хода в автомобилях . Двигатель Ванкеля также использовался для питания мотоциклов и гоночных автомобилей .
Двигатель Ванкеля является типом роторно-поршневого двигателя и существует в двух основных формах: Drehkolbenmotor (DKM, «роторно-поршневой двигатель»), разработанный Феликсом Ванкелем (см. рис. 2.) и Kreiskolbenmotor (KKM, «круговой 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 KKM.
Феликс Ванкель спроектировал роторный компрессор в 1920-х годах и получил свой первый патент на роторный тип двигателя в 1934 году. [6] Он понял, что треугольный ротор роторного компрессора может иметь впускные и выпускные отверстия, добавляя тем самым двигатель внутреннего сгорания. В конце концов, в 1951 году Ванкель начал работать в немецкой фирме NSU Motorenwerke , чтобы спроектировать роторный компрессор в качестве нагнетателя для мотоциклетных двигателей NSU. Ванкель задумал конструкцию треугольного ротора в компрессоре. [7] С помощью профессора Отмара Байера из Штутгартского университета прикладных наук концепция была определена математически. [8] Спроектированный им нагнетатель использовался для одного из одноцилиндровых двухтактных двигателей NSU объемом 50 см3 . Двигатель выдавал 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 их мотоциклетных двигателей. Поскольку Ванкель был известен как «трудный коллега», разработка DKM проводилась в частном конструкторском бюро Ванкеля в Линдау. По словам Джона Б. Хеге, Ванкелю помогал 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 отделе исследований и разработок NSU Versuchsabteilung TX . Он выдавал 21 л. с. (15 кВт). [11] [12] Вскоре после этого был построен второй прототип DKM. Он имел рабочий объем камеры V k 125 см 3 и также выдавал 21 кВт (29 л. с.) при 17 000 об/мин. [13] Он мог даже достигать скорости до 25 000 об/мин. Однако эти скорости двигателя искажали форму внешнего ротора, таким образом, оказываясь непрактичными. [14] По словам инженеров и историков Mazda Motors , было построено четыре блока двигателя DKM; конструкция описывается как имеющая рабочий объем V h 250 см 3 (эквивалентный объем рабочей камеры V k 125 см 3 ). Говорят, что четвертый построенный блок получил несколько изменений конструкции и в конечном итоге выдавал 29 л. с. (21 кВт) при 17 000 об/мин; он мог достигать скорости до 22 000 об/мин. Один из четырех построенных двигателей был на статической выставке в Немецком музее в Бонне (см. рис. 2). [15]
Из-за своей сложной конструкции со стационарным центральным валом двигатель DKM был непрактичным. [4] Вольф-Дитер Бензингер прямо упоминает, что в двигателе DKM невозможно добиться надлежащего охлаждения двигателя, и утверждает, что именно по этой причине от конструкции DKM пришлось отказаться. [16] Главный инженер-разработчик NSU Вальтер Фрёде решил эту проблему, используя конструкцию Ханнса-Дитера Пашке и преобразовав DKM в то, что позже станет известно как KKM (см. рисунок 5). [4] KKM оказался гораздо более практичным двигателем, поскольку имел легкодоступные свечи зажигания, более простую конструкцию охлаждения и обычный вал отбора мощности. [5] Ванкель не любил двигатель KKM Фрёде из-за эксцентрикового движения 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 большее напряжение будет оказываться на верхние уплотнения KKM из-за эксцентричного движения хула-хупа ротора. 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, казалось, имел более практичную конструкцию. [17]
Ванкель получил патент США 2 988 065 на двигатель KKM 13 июня 1961 года. [18] На протяжении всего этапа проектирования KKM инженерной группе Фреде приходилось решать такие проблемы, как повторяющиеся заклинивания подшипников, поток масла внутри двигателя и охлаждение двигателя. [19] Первый полностью функционирующий двигатель KKM, KKM 125, весом всего 17 кг (37,5 фунта) имел рабочий объем 125 см3 и мощность 26 л. с. (19 кВт) при 11 000 об/мин. [20] Его первый запуск состоялся 1 июля 1958 года. [21]
В 1963 году NSU выпустила первый серийный двигатель Ванкеля для автомобиля, KKM 502 (см. рис. 6). Он использовался в спортивном автомобиле NSU Spider , которых было выпущено около 2000 экземпляров. Несмотря на свои «детские проблемы», KKM 502 был мощным двигателем с приличным потенциалом, плавной работой и низким уровнем шума на высоких оборотах двигателя. Это был однороторный двигатель PP с рабочим объемом 996 см 3 (61 дюйм 3 ), номинальной мощностью 40 кВт (54 л. с.) при 6000 об/мин и BMEP 1 МПа (145 фунт-сила/дюйм 2 ). [22]
Двигатель Ванкеля имеет вращающийся эксцентриковый вал отбора мощности с вращающимся поршнем, который движется на эксцентриках на валу в стиле хула-хупа. Ванкель — это роторный двигатель типа 2:3, то есть внутренняя сторона его корпуса напоминает двухлепестковую овальную эпитрохоиду (эквивалент перитрохоиды). [25] Напротив, его роторный поршень имеет форму трохоид с тремя вершинами (похожую на треугольник Рело ). Таким образом, ротор двигателя Ванкеля постоянно образует три движущиеся рабочие камеры. [26] Основная геометрия двигателя Ванкеля изображена на рисунке 7. Уплотнения на вершинах ротора уплотняют периферию корпуса. [27] Ротор движется во вращательном движении, направляемый шестернями и эксцентриковым выходным валом, не направляемый внешней камерой. Ротор не контактирует 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 газ и выхлопной газ не могут быть надлежащим образом разделены. [16] Принцип работы аналогичен принципу работы Отто; принцип работы Дизеля с его 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 за каждый оборот ротора (эквивалент трех оборотов вала, см. рисунок 8). [30] Форма ротора между фиксированными вершинами призвана минимизировать объем геометрической 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 поршневым двигателем возвратно-поступательного движения, что делает двигатель Ванкеля более плавным. Это связано с тем, что двигатель Ванкеля имеет меньший момент инерции и меньшую площадь избыточного крутящего момента из-за более равномерной подачи 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 контуров, связанных с напряжением, как коленчатый вал поршневого двигателя возвратно-поступательного движения. Таким образом, максимальные обороты двигателя Ванкеля в основном ограничиваются нагрузкой на зубья синхронизирующих шестерен. [33] Закаленные стальные шестерни используются для длительной работы свыше 7000 или 8000 об/мин. На практике автомобильные двигатели Ванкеля не работают на гораздо более высоких скоростях выходного вала, чем поршневые двигатели возвратно-поступательного движения аналогичной выходной мощности. Двигатели Ванкеля в автогонках работают на скоростях до 10 000 об/мин, но также и четырехтактные поршневые двигатели с относительно небольшим рабочим объемом на цилиндр. В авиации они используются консервативно, до 6500 или 7500 об/мин.
В роторном двигателе Ванкеля объем камеры эквивалентен произведению поверхности ротора и пути ротора . Поверхность ротора задается путем вершин ротора поперек корпуса ротора и определяется радиусом создания , шириной ротора и параллельными переносами ротора и внутреннего корпуса . Поскольку ротор имеет трохоидную («треугольную») форму, синус 60 градусов описывает интервал, в котором роторы оказываются ближе всего к корпусу ротора. Следовательно,
Траекторию ротора можно проинтегрировать через эксцентриситет следующим образом:
Поэтому,
Для удобства может быть опущен, поскольку его трудно определить и он мал: [36]
Другой подход к этому заключается в том, чтобы ввести как самый дальний, так и самый короткий параллельный перенос ротора и внутреннего корпуса и предположить, что и . Тогда,
Включение параллельных перемещений ротора и внутреннего корпуса обеспечивает достаточную точность для определения объема камеры. [36] [35]
С течением времени применялись различные подходы для оценки общего рабочего объема двигателя Ванкеля по сравнению с поршневым двигателем: рассматривалась только одна, две или все три камеры. [41] Часть этого спора была связана с тем, что налогообложение транспортных средств в Европе зависело от рабочего объема двигателя, как сообщал Карл Людвигсен . [42]
Если — число камер, рассматриваемых для каждого ротора, и число роторов, то общее смещение равно:
Если — среднее эффективное давление , скорость вращения вала и число оборотов вала, необходимое для завершения цикла ( — частота термодинамического цикла), то общая выходная мощность равна:
Кеничи Ямамото и Уолтер Г. Фреде заняли места : [ 43] [44]
При таких значениях однороторный двигатель Ванкеля вырабатывает 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, Вольф-Дитер Бензингер и Феликс Ванкель основывали свою аналогию на количестве кумулятивных тактов расширения на один оборот вала. В роторном двигателе Ванкеля эксцентриковый вал должен сделать 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 завершаются в течение одного полного оборота эксцентрикового вала (360°), и один импульс мощности создается на каждом обороте вала. [35] [45] Это отличается от четырехтактного поршневого двигателя, которому необходимо сделать два полных оборота на камеру сгорания, чтобы завершить все четыре фазы четырехтактного двигателя. Таким образом, в роторном двигателе Ванкеля, по словам Бензингера, смещение ( ) равно: [46] [47] [48]
Если мощность должна быть получена от BMEP, то применяется формула для четырехтактного двигателя:
Ойген Вильгельм Хубер и Карл-Хайнц Кюттнер подсчитали все камеры, поскольку каждая из них работает по своему собственному термодинамическому циклу. Итак и : [49] [50] [51]
При этих значениях однороторный двигатель Ванкеля вырабатывает ту же среднюю мощность, что и трехцилиндровый четырехтактный двигатель, с 3/2 среднего крутящего момента, при этом вал вращается со скоростью, составляющей 2/3 скорости, выполняя циклы Отто с той же частотой:
Применяя зубчатую передачу 2/3 к выходному валу трехцилиндрового двигателя (или 3/2 к Ванкелю), можно сказать, что эти два двигателя аналогичны с точки зрения термодинамики и механического выхода, как указал Хубер. [50]
NSU лицензировала конструкцию двигателя Ванкеля компаниям по всему миру в различных формах, и многие компании постоянно внедряли усовершенствования. В своей книге 1973 года Rotationskolben-Verbrennungsmotoren немецкий инженер Вольф-Дитер Бензингер описывает следующих лицензиатов в хронологическом порядке, что подтверждает Джон Б. Хеге: [54] [55] [56]
В 1961 году советские научно-исследовательские организации НАТИ, НАМИ и ВНИИмотопром начали разработку двигателя Ванкеля. В конце концов, в 1974 году разработка была передана в специальное конструкторское бюро на заводе АвтоВАЗ . [60] Джон Б. Хеге утверждает, что лицензия не была выдана ни одному советскому производителю автомобилей. [61]
Феликсу Ванкелю удалось преодолеть большинство проблем, из-за которых предыдущие попытки усовершенствовать роторные двигатели терпели неудачу, разработав конфигурацию с лопастными уплотнениями, имеющими радиус кончика, равный величине «избыточного размера» формы корпуса ротора относительно теоретической эпитрохоиды, чтобы минимизировать радиальное движение уплотнения вершины, а также внедрив цилиндрический штифт вершины, нагруженный газом, который примыкал ко всем уплотнительным элементам для уплотнения вокруг трех плоскостей на каждой вершине ротора. [62]
В ранние годы приходилось строить уникальные специализированные производственные машины для различных размерных конфигураций корпуса. Однако запатентованные конструкции, такие как патент США 3,824,746 , G. J. Watt, 1974, на «Wankel Engine Cylinder Generating Machine», патент США 3,916,738 , «Apparatus for machining and/or treatment of trochoidal surfaces» и патент США 3,964,367 , «Device for machining trochoidal internal walls» и другие, решили эту проблему.
Двигатели Ванкеля имеют проблему, не встречающуюся в четырехтактных поршневых двигателях с возвратно-поступательным движением, в том, что корпус блока имеет впуск, сжатие, сгорание и выпуск, происходящие в фиксированных местах вокруг корпуса. Это вызывает очень неравномерную тепловую нагрузку на корпус ротора. [63] Напротив, четырехтактные поршневые двигатели выполняют эти четыре такта в одной камере, так что крайности «замерзающего» впуска и «пламенного» выпуска усредняются и экранируются пограничным слоем от перегрева рабочих частей. Университет Флориды предложил использовать тепловые трубы в охлаждаемом воздухом Ванкеле для преодоления этого неравномерного нагрева корпуса блока. [64] Предварительный нагрев определенных секций корпуса выхлопными газами улучшил производительность и экономию топлива, а также снизил износ и выбросы. [65]
Щиты пограничного слоя и масляная пленка действуют как теплоизоляция, что приводит к низкой температуре смазочной пленки (приблизительный максимум 200 °C или 390 °F на двигателе Ванкеля с водяным охлаждением). Это обеспечивает более постоянную температуру поверхности. Температура вокруг свечи зажигания примерно такая же, как в камере сгорания поршневого двигателя. При охлаждении окружным или осевым потоком разница температур остается приемлемой. [66] [67] [68]
Проблемы возникли во время исследований в 1950-х и 1960-х годах. Некоторое время инженеры сталкивались с тем, что они называли «знаками дребезжания» и «царапинами дьявола» на внутренней поверхности эпитрохоид, что приводило к сколам хромового покрытия трохоидальных поверхностей. Они обнаружили, что причиной были апексные уплотнения, достигающие резонирующей вибрации, и проблема была решена путем уменьшения толщины и веса апексных уплотнений, а также использования более подходящих материалов. Царапины исчезли после внедрения более совместимых материалов для уплотнений и покрытий корпуса. Ямамото экспериментально облегчил апексные уплотнения с отверстиями. Теперь вес был определен как основная причина. Затем Mazda использовала апексные уплотнения из углерода, пропитанные алюминием, в своих ранних двигателях. NSU использовала апексные уплотнения из углерода, пропитанные сурьмой, против хрома. NSU разработала покрытие ELNISIL до производственной зрелости и вернулась к металлической уплотнительной полосе для RO80. Mazda продолжила использовать хром, но снабдила алюминиевый корпус стальной рубашкой, которая затем была покрыта тонким размерным слоем оцинкованного хрома. Это позволило Mazda вернуться к 3-миллиметровым, а позднее даже 2-миллиметровым металлическим верхним уплотнениям. [69] Еще одной ранней проблемой было образование трещин на поверхности статора около отверстия для свечи, что было устранено путем установки свечей зажигания в отдельную металлическую вставку/медную втулку в корпусе вместо того, чтобы ввинчивать свечу непосредственно в корпус блока. [70]
Toyota обнаружила, что замена свечи накаливания на ведущую свечу зажигания улучшила низкие обороты, частичную нагрузку, удельный расход топлива на 7%, а также выбросы и холостой ход. [71] Более позднее альтернативное решение для охлаждения втулки свечи зажигания было предоставлено с помощью схемы переменной скорости охлаждающей жидкости для вращающихся механизмов с водяным охлаждением, которая получила широкое распространение, будучи запатентованной Curtiss-Wright, [72] с последним из перечисленных для лучшего охлаждения втулки свечи зажигания двигателя с воздушным охлаждением. Эти подходы не требовали медной вставки с высокой проводимостью, но не исключали ее использования. Ford испытал двигатель Ванкеля со свечами, размещенными в боковых пластинах, вместо обычного размещения на рабочей поверхности корпуса ( CA 1036073 , 1978).
Двигатели Ванкеля способны работать на высоких скоростях, то есть им не обязательно нужно производить высокий крутящий момент для производства высокой мощности. Расположение впускного отверстия и закрытие впускного отверстия значительно влияют на выработку крутящего момента двигателем. Раннее закрытие впускного отверстия увеличивает крутящий момент на низких оборотах, но снижает крутящий момент на высоких оборотах (и, следовательно, мощность). Напротив, позднее закрытие впускного отверстия снижает крутящий момент на низких оборотах, одновременно увеличивая крутящий момент на высоких оборотах двигателя, что приводит к большей мощности на более высоких оборотах двигателя. [73]
Периферийный впускной порт обеспечивает наивысшее среднее эффективное давление ; однако боковое впускное отверстие обеспечивает более устойчивый холостой ход [74], поскольку помогает предотвратить обратный продув сгоревших газов во впускные каналы, что вызывает «пропуски зажигания», вызванные чередованием циклов, когда смесь воспламеняется и не воспламеняется. Периферийное расположение отверстий (PP) обеспечивает наилучшее среднее эффективное давление во всем диапазоне оборотов, но PP также было связано с худшей стабильностью холостого хода и производительностью при частичной нагрузке. Ранние работы Toyota [75] привели к добавлению подачи свежего воздуха в выпускной порт. Также было доказано, что лепестковый клапан во впускном порту или каналах [76] улучшил производительность двигателей Ванкеля на низких оборотах и при частичной нагрузке, предотвращая обратный продув выхлопных газов во впускной порт и каналы и уменьшая высокую EGR, вызывающую пропуски зажигания, за счет небольшой потери мощности на максимальных оборотах. Эластичность улучшается с большим эксцентриситетом ротора, аналогично более длинному ходу в поршневом двигателе.
Двигатели Ванкеля работают лучше с выхлопной системой низкого давления. Более высокое противодавление выхлопных газов снижает среднее эффективное давление, более сильно в двигателях с периферийным впускным отверстием. Двигатель Mazda RX-8 Renesis улучшил производительность за счет удвоения площади выпускного отверстия по сравнению с более ранними конструкциями, и были проведены исследования влияния конфигурации впускного и выпускного трубопроводов на производительность двигателей Ванкеля. [77] Боковые впускные отверстия (используемые в двигателе Mazda Renesis) были впервые предложены Ханнсом-Дитером Пашке в конце 1950-х годов. Пашке предсказал, что точно рассчитанные впускные отверстия и впускные коллекторы могут сделать двигатель с боковым отверстием таким же мощным, как двигатель PP. [78]
Как уже было описано, двигатель Ванкеля подвержен неравномерному тепловому расширению из-за четырех циклов, происходящих в фиксированных местах двигателя. Хотя это предъявляет высокие требования к используемым материалам, простота двигателя Ванкеля упрощает использование альтернативных материалов, таких как экзотические сплавы и керамика . Обычным методом для корпусов двигателей, изготовленных из алюминия, является использование напыленного молибденового слоя на корпусе двигателя для области камеры сгорания и напыленного стального слоя в других местах. Корпуса двигателей, отлитые из чугуна, могут быть подвергнуты индукционной пайке, чтобы сделать материал пригодным для выдерживания теплового напряжения сгорания. [79]
Среди сплавов, указанных для использования в корпусе Ванкеля, есть A-132, Inconel 625 и 356, обработанные до твердости T6. Для покрытия рабочей поверхности корпуса использовалось несколько материалов, одним из которых является Nikasil . Citroën, Daimler-Benz, Ford, AP Grazen и другие подали заявки на патенты в этой области. Для верхних уплотнений выбор материалов развивался вместе с накопленным опытом: от углеродистых сплавов до стали, ферритной нержавеющей стали , Ferro-TiC и других материалов. [80] Сочетание покрытия корпуса и материалов верхнего и бокового уплотнений было определено экспериментально, чтобы получить наилучшую долговечность как уплотнений, так и крышки корпуса. Для вала предпочтительны стальные сплавы с небольшой деформацией под нагрузкой, для этого было предложено использовать мартенситную сталь.
Этилированный бензин был преобладающим типом топлива, доступным в первые годы разработки двигателя Ванкеля. Свинец является твердой смазкой, а этилированный бензин предназначен для уменьшения износа уплотнений и корпусов. Первые двигатели имели подачу масла, рассчитанную с учетом смазочных качеств бензина. Поскольку этилированный бензин постепенно выводился из эксплуатации, двигателям Ванкеля требовалось повышенное количество масла в бензине для обеспечения смазки критических деталей двигателя. В статье SAE Дэвида Гарсайда подробно описывался выбор материалов и охлаждающих ребер Нортоном. [ необходима цитата ]
Ранние конструкции двигателей имели высокую частоту потери уплотнения, как между ротором и корпусом, так и между различными частями, составляющими корпус. Кроме того, в более ранних моделях двигателей Ванкеля частицы углерода могли застревать между уплотнением и корпусом, заклинивая двигатель и требуя частичного восстановления. Для очень ранних двигателей Mazda было обычным делом требовать восстановления после 50 000 миль (80 000 км). Дальнейшие проблемы с уплотнением возникали из-за неравномерного распределения тепла внутри корпусов, вызывая деформацию и потерю уплотнения и сжатия. Эта тепловая деформация также вызывала неравномерный износ между верхним уплотнением и корпусом ротора, что было очевидно на двигателях с большим пробегом. [ необходима цитата ] Проблема усугублялась, когда двигатель подвергался нагрузке до достижения рабочей температуры . Однако двигатели Ванкеля Mazda решили эти первоначальные проблемы. Современные двигатели имеют около 100 деталей, связанных с уплотнениями. [11]
Проблема зазора для горячих вершин ротора, проходящих между аксиально более близкими боковыми корпусами в более холодных областях впускных лопастей, была решена путем использования осевого роторного пилота радиально внутри масляных уплотнений, а также улучшенного инерционного масляного охлаждения внутренней части ротора (CW US 3261542 , C. Jones, 5/8/63, US 3176915 , M. Bentele, C. Jones. AH Raye. 7/2/62), и слегка «коронованных» уплотнений вершин (разная высота в центре и на краях уплотнения). [81]
Как описано в разделе термодинамических недостатков, ранние двигатели Ванкеля имели плохую топливную экономичность. Это вызвано конструкцией двигателя Ванкеля с формой камеры сгорания и огромной площадью поверхности. С другой стороны, конструкция двигателя Ванкеля гораздо менее склонна к детонации двигателя, [28] что позволяет использовать низкооктановое топливо без снижения компрессии. NSU испытал низкооктановый бензин по предложению Феликса Ванкеля.
На экспериментальной основе 40-октановый бензин был произведен BV Aral, который использовался в тестовом двигателе Ванкеля DKM54 со степенью сжатия 8:1; он работал без нареканий. Это расстроило нефтехимическую промышленность в Европе, которая инвестировала значительные суммы денег в новые заводы для производства более качественного бензина. [82] [83] [84] [85] [86]
Двигатели с прямым впрыском и послойным зарядом могут работать на топливе с особенно низким октановым числом. Например, на дизельном топливе, октановое число которого составляет всего ~25. [87] [88] В результате низкой эффективности двигатель Ванкеля с периферийным расположением выпускных отверстий имеет большее количество несгоревших углеводородов (HC), выбрасываемых в выхлопные газы. [89] [90] Однако выхлопные газы содержат относительно мало оксидов азота (NOx), поскольку сгорание происходит медленно, а температуры ниже, чем в других двигателях, а также из-за хорошей рециркуляции выхлопных газов (EGR) двигателя Ванкеля . Выбросы оксида углерода (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 K при высокой нагрузке на скорости вращения двигателя 6000 об./ мин . Для улучшения поведения выхлопных газов двигателя Ванкеля может использоваться тепловой реактор или каталитический нейтрализатор для снижения содержания углеводородов и оксида углерода в выхлопных газах. [89]
Mazda использует двойную систему зажигания с двумя свечами зажигания на камеру. Это увеличивает выходную мощность и в то же время снижает выбросы HC. В то же время выбросы HC можно снизить, уменьшив предварительное зажигание ведущей свечи T относительно замыкающей свечи L. Это приводит к внутреннему дожиганию и снижает выбросы HC. С другой стороны, одинаковое время зажигания L и T приводит к более высокому преобразованию энергии. Углеводороды, прилипшие к стенке камеры сгорания, выбрасываются в выхлопную трубу через периферийное отверстие. [91] [92]
Mazda использовала 3 свечи зажигания в своем двигателе R26B на камеру. Третья свеча зажигания воспламеняет смесь в задней части до того, как образуется сжатие, заставляя смесь полностью сгореть и, также, ускоряя распространение пламени, что улучшает расход топлива. [93] Согласно исследованию Curtiss-Wright, фактором, который контролирует количество несгоревших углеводородов в выхлопе, является температура поверхности ротора, при этом более высокие температуры приводят к меньшему количеству углеводородов в выхлопе. [94] Curtiss-Wright расширила ротор, сохранив остальную архитектуру двигателя неизменной, тем самым уменьшив потери на трение и увеличив смещение и выходную мощность. Ограничивающим фактором для этого расширения была механика, особенно прогиб вала при высоких скоростях вращения. [95] Гашение является доминирующим источником углеводородов на высоких скоростях и утечки на низких скоростях. [96] Использование бокового расположения отверстий, которое позволяет закрыть выпускное отверстие вокруг верхней мертвой точки и уменьшить перекрытие впуска и выпуска, помогает улучшить расход топлива. [90]
Автомобиль Mazda RX-8 с двигателем Renesis (который был впервые представлен в 1999 году) в 2004 году соответствовал стандарту США на транспортные средства с низким уровнем выбросов (LEV-II) . [53] Это было достигнуто в основном за счет использования боковых портов: выпускные порты, которые в более ранних роторных двигателях Mazda располагались в корпусах роторов, были перемещены в сторону камеры сгорания. Такой подход позволил Mazda устранить перекрытие между отверстиями впускных и выпускных портов, одновременно увеличив площадь выпускных портов. Такая конструкция улучшила стабильность сгорания в диапазоне низких скоростей и легких нагрузок. Выбросы HC из роторного двигателя с боковыми выпускными портами на 35–50% меньше, чем у двигателя Ванкеля с периферийными выпускными портами. Роторные двигатели с периферийными портами имеют лучшее среднее эффективное давление , особенно на высоких оборотах и с впускным портом прямоугольной формы. [97] [98] Однако RX-8 не был улучшен для соответствия нормам выбросов Euro 5 , и его производство было прекращено в 2012 году. [99] Новая Mazda 8C Mazda MX-30 R-EV соответствует стандарту выбросов Euro 6d-ISC-FCM. [100]
Лазерное зажигание было впервые предложено в 2011 году [101] [102], но первые исследования лазерного зажигания были проведены только в 2021 году. Предполагается, что лазерное зажигание обедненных топливных смесей в двигателях Ванкеля может улучшить расход топлива и поведение выхлопных газов. В исследовании 2021 года модель двигателя Ванкеля была испытана с лазерным зажиганием и различными газообразными и жидкими топливами. Лазерное зажигание приводит к более быстрому развитию центра сгорания, тем самым улучшая скорость сгорания и приводя к снижению выбросов NOx . Энергия лазерного импульса, необходимая для надлежащего зажигания, является «разумной», в диапазоне низких однозначных чисел мДж. Для лазерного зажигания не требуется существенной модификации двигателя Ванкеля. [103]
Исследования проводились в роторных двигателях с воспламенением от сжатия. Основные параметры конструкции двигателя Ванкеля исключают получение степени сжатия, достаточной для работы дизельного двигателя в практическом двигателе. [104] Подход Rolls-Royce [105] и Yanmar с воспламенением от сжатия [106] заключался в использовании двухступенчатого блока (см. рисунок 16.), где один ротор действует как компрессор, а сгорание происходит в другом. [107] Оба двигателя не были функциональны. [104]
Другой подход, отличный от двигателя Ванкеля с воспламенением от сжатия (дизельного) — это многотопливный двигатель Ванкеля без воспламенения, который способен работать на огромном количестве видов топлива: дизельном, бензине, керосине, метаноле, природном газе и водороде. [108] [109] Немецкий инженер Данкварт Айерманн спроектировал этот двигатель в Wankel SuperTec (WST) в начале 2000-х годов. Он имеет объем камеры 500 см3 ( куб. см) и указанную выходную мощность 50 кВт (67,1 л. с.) на ротор. Возможны версии с одним-четырьмя роторами. [110]
Двигатель WST имеет систему непосредственного впрыска Common Rail, работающую по принципу послойного заряда. Подобно дизельному двигателю и в отличие от обычного двигателя Ванкеля, двигатель WST сжимает воздух, а не смесь воздуха и топлива, как в фазе сжатия четырехтактного двигателя. Топливо впрыскивается в сжатый воздух только незадолго до верхней мертвой точки, что приводит к послойному заряду (т. е. отсутствие однородной смеси). Для инициирования сгорания используется свеча зажигания. [111] Давление в конце фазы сжатия и во время сгорания ниже, чем в обычном дизельном двигателе, [110] а расход топлива эквивалентен расходу небольшого двигателя с непрямым впрыском и воспламенением от сжатия (т. е. >250 г/(кВт·ч)). [112]
Варианты двигателя WST Wankel, работающие на дизельном топливе, используются в качестве вспомогательных силовых установок в 60 тепловозах Deutsche Bahn. Двигатели WST, работающие на дизельном топливе, могут выдавать до 400 кВт (536 л. с.). [113] [108]
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 удара. В роторном двигателе каждый цикл цикла Отто происходит в разных камерах. Важно отметить, что впускная камера отделена от камеры сгорания, что позволяет удерживать топливно-воздушную смесь вдали от локальных горячих точек. Двигатели Ванкеля также не имеют горячих выпускных клапанов, что облегчает их адаптацию к работе на водороде. [114] Другая проблема касается воздействия гидрогената на смазочную пленку в поршневых двигателях. В двигателе Ванкеля проблема воздействия гидрогената обходит использование керамических апексных уплотнений. [115] [116]
В прототипе двигателя Ванкеля, установленном на Mazda RX-8 для исследования работы водорода, Вакаяма и др. обнаружили, что работа на водороде улучшила термическую эффективность на 23% по сравнению с работой на бензиновом топливе. Хотя работа на обедненной смеси выделяет мало NOx, общее количество выбрасываемых двигателем NOx превышает японский стандарт SULEV. Дополнительная стехиометрическая работа в сочетании с катализатором обеспечивает дополнительное снижение NOx. Соответственно, транспортное средство удовлетворяет стандарту SULEV. [117]
Главные преимущества двигателя Ванкеля: [118]
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, прорезанных в стенках корпуса ротора. Поскольку ротор движется непосредственно на большом подшипнике на выходном валу, нет никаких шатунов и коленчатого вала . Устранение возвратно-поступательной массы дает двигателям Ванкеля низкий коэффициент неравномерности, что означает, что они работают намного плавнее, чем сопоставимые поршневые двигатели возвратно-поступательного движения. Например, двухроторный двигатель Ванкеля работает более чем в два раза плавнее, чем четырехцилиндровый поршневой двигатель возвратно-поступательного движения. [32]
Четырехтактный цилиндр производит рабочий ход только через каждый оборот коленчатого вала, при этом три хода являются насосными потерями. Двигатель Ванкеля также имеет более высокий объемный КПД, чем поршневой двигатель возвратно-поступательного движения. [121] Из-за квазиперекрытия рабочих ходов двигатель Ванкеля очень быстро реагирует на увеличение мощности, быстро выдавая мощность, когда это требуется, особенно на более высоких оборотах двигателя. Эта разница более выражена по сравнению с четырехцилиндровыми поршневыми двигателями и менее выражена по сравнению с большим количеством цилиндров.
Из-за отсутствия горячих выпускных клапанов требования к октановому числу топлива двигателей Ванкеля ниже, чем у поршневых двигателей. [122] Как правило, можно предположить, что двигатель Ванкеля с рабочим объемом камеры V k 500 см 3 и степенью сжатия ε = 9 хорошо работает на бензине среднего качества с октановым числом всего 91 RON. [28] Если в поршневом двигателе сжатие должно быть уменьшено на одну единицу сжатия, чтобы избежать детонации, то в сопоставимом двигателе Ванкеля уменьшение сжатия может не потребоваться. [123]
Из-за меньшего количества инжекторов, системы впрыска топлива в двигателях Ванкеля дешевле, чем в поршневых двигателях. Система впрыска, которая допускает работу с послойным зарядом, может помочь уменьшить области богатой смеси в нежелательных частях двигателя, что повышает топливную эффективность. [124]
Роторные двигатели Ванкеля в основном страдают от плохой термодинамики, вызванной конструкцией двигателя Ванкеля с его огромной площадью поверхности и плохой формой камеры сгорания. В результате этого двигатель Ванкеля имеет медленное и неполное сгорание, что приводит к высокому расходу топлива и плохому поведению выхлопных газов. [122] Двигатели Ванкеля могут достигать типичной максимальной эффективности около 30 процентов. [125]
В роторном двигателе Ванкеля сгорание топлива происходит медленно, поскольку камера сгорания длинная, тонкая и подвижная. Распространение пламени происходит почти исключительно в направлении движения ротора, что усугубляет плохое гашение топливно-воздушной смеси, являясь основным источником несгоревших углеводородов на высоких оборотах двигателя: Задняя сторона камеры сгорания естественным образом создает «струю сжатия», которая не дает пламени достичь задней кромки камеры, что ухудшает последствия плохого гашения топливно-воздушной смеси. Прямой впрыск топлива, при котором топливо впрыскивается по направлению к передней кромке камеры сгорания, может минимизировать количество несгоревшего топлива в выхлопе. [126] [127]
Хотя многие из недостатков являются предметом продолжающихся исследований, в настоящее время существуют следующие недостатки двигателя Ванкеля, находящегося в производстве: [128]
Хотя в двух измерениях система уплотнения двигателя Ванкеля выглядит даже проще, чем у соответствующего многоцилиндрового поршневого двигателя, в трех измерениях верно обратное. Помимо уплотнений вершины ротора, очевидных на концептуальной схеме, ротор также должен уплотняться относительно концов камеры.
Поршневые кольца в поршневых двигателях не являются идеальными уплотнениями; каждое имеет зазор для расширения. Уплотнение на вершинах ротора Ванкеля менее критично, поскольку утечка происходит между соседними камерами на соседних тактах цикла, а не в корпус главного вала. Хотя уплотнение улучшилось за эти годы, неэффективное уплотнение Ванкеля, которое в основном связано с отсутствием смазки, остается фактором, снижающим его эффективность. [132]
Задняя сторона камеры сгорания роторного двигателя создает поток сжатия, который отталкивает фронт пламени. При использовании обычной системы с одной или двумя свечами зажигания и однородной смеси этот поток сжатия предотвращает распространение пламени на заднюю сторону камеры сгорания в диапазонах средних и высоких оборотов двигателя. [133] Kawasaki решила эту проблему в своем патенте США US 3848574 ; Toyota получила 7%-ное улучшение экономичности, разместив свечу накаливания в передней стороне и используя пластинчатые клапаны во впускных каналах. В двухтактных двигателях металлические пластины служат около 15 000 км (9 300 миль), а углеродное волокно — около 8 000 км (5 000 миль). [75] Это плохое сгорание в задней стороне камеры является одной из причин, по которой в выхлопном потоке Ванкеля содержится больше окиси углерода и несгоревших углеводородов. Боковой выхлоп, как в Mazda Renesis , позволяет избежать перекрытия портов, одной из причин этого, поскольку несгоревшая смесь не может выйти. Mazda 26B избежала этой проблемы с помощью системы зажигания с тремя свечами зажигания и получила полное преобразование всасываемой смеси. В 26B верхняя поздняя замыкающая свеча зажигания воспламеняется до начала потока сжатия. [134]
Национальные агентства, которые облагают автомобили налогом в соответствии с рабочим объемом, и регулирующие органы в автогонках используют различные коэффициенты эквивалентности для сравнения двигателей Ванкеля с четырехтактными поршневыми двигателями. Греция, например, облагала автомобили налогом на основе объема рабочей камеры (поверхность одного ротора), умноженного на количество роторов, что снижало стоимость владения. [ необходима цитата ] Япония сделала то же самое, но применила коэффициент эквивалентности 1,5, в результате чего двигатель Mazda 13B соответствовал налоговому лимиту в 2 литра. FIA использовала коэффициент эквивалентности 1,8, но позже увеличила его до 2,0, используя формулу рабочего объема, описанную Бенсингером. Однако DMSB применяет коэффициент эквивалентности 1,5 в автоспорте. [135]
Первым автомобилем с роторным двигателем, выставленным на продажу, был NSU Rotary Spider 1964 года . Роторные двигатели постоянно устанавливались на автомобили до 2012 года, когда Mazda прекратила выпуск RX-8 . Mazda представила гибридный электромобиль с роторным двигателем MX-30 R-EV в 2023 году. [136]
Mazda и NSU подписали контракт на исследование для разработки двигателя Ванкеля в 1961 году и соревновались за то, чтобы вывести на рынок первый автомобиль с двигателем Ванкеля. Хотя Mazda выпустила экспериментальный роторный двигатель в том году, NSU была первой с роторным автомобилем для продажи, спортивным NSU Spider в 1964 году; Mazda ответила демонстрацией двух- и четырехроторных роторных двигателей на Токийском автосалоне того года . [11] В 1967 году NSU начала производство роскошного автомобиля с роторным двигателем, Ro 80. [137] Однако NSU не производила надежных апексных уплотнений на роторе, в отличие от Mazda и Curtiss-Wright. У NSU были проблемы с износом апексных уплотнений, 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, сократившим дальнейшую разработку роторных двигателей NSU. Этот преждевременный выпуск нового роторного двигателя создал плохую репутацию всем маркам, и даже когда эти проблемы были решены в последних двигателях, произведенных NSU во второй половине 70-х годов, продажи не восстановились. [11]
К началу 1978 года инженеры Audi Ричард ван Басхёйсен и Готтлиб Вильмерс спроектировали новое поколение двигателя Ванкеля Audi NSU, KKM 871. Это был двухроторный агрегат с объемом камеры V k 746,6 см 3 , полученный из эксцентриситета 17 мм, радиуса создания 118,5 мм и эквидистантности 4 мм и ширины корпуса 69 мм. Он имел двухсторонние впускные отверстия и периферийное выпускное отверстие; он был оснащен многоточечной системой впрыска Bosch K-Jetronic с непрерывным впрыском . Согласно стандарту DIN 70020, он выдавал 121 кВт при 6500 об/мин и мог обеспечить максимальный крутящий момент 210 Н·м при 3500 об/мин. [138] Ван Басшуйсен и Вильмерс спроектировали двигатель либо с термическим реактором, либо с каталитическим нейтрализатором для контроля выбросов. [138] Двигатель имел массу 142 кг, [138] и BSFC приблизительно 315 г/(кВт·ч) при 3000 об/мин и BMEP 900 кПа. [139] Для испытаний два двигателя KKM 871 были установлены в тестовых автомобилях Audi 100 Type 43 , один с пятиступенчатой механической коробкой передач, а другой с трехступенчатой автоматической коробкой передач. [140]
Mazda заявила, что решила проблему уплотнения вершины, запустив испытательные двигатели на высокой скорости в течение 300 часов без сбоев. [11] После многих лет разработки первым автомобилем Mazda с роторным двигателем стал Cosmo 110S 1967 года . Затем компания выпустила несколько автомобилей с двигателем Ванкеля («роторный» в терминологии компании), включая автобус и пикап . Клиенты часто ссылались на плавность работы автомобилей. Однако Mazda выбрала метод соответствия стандартам выбросов углеводородов , который, хотя и был менее затратным в производстве, увеличивал расход топлива.
Mazda позже отказалась от роторного двигателя в большинстве своих автомобильных конструкций, продолжая использовать двигатель только в своей линейке спортивных автомобилей . Обычно компания использовала двухроторные конструкции. Более совершенный двухтурбинный трехроторный двигатель был установлен в спортивном автомобиле Eunos Cosmo 1990 года . В 2003 году Mazda представила двигатель Renesis, установленный в RX-8 . Двигатель Renesis переместил порты для выхлопа с периферии роторного корпуса в стороны, что позволило увеличить общие порты и улучшить поток воздуха. [141] Renesis способен развивать мощность 238 л. с. (177 кВт) с улучшенной топливной экономичностью, надежностью и меньшими выбросами, чем предыдущие роторные двигатели Mazda, [142] все из номинального рабочего объема 2,6 л, но этого было недостаточно, чтобы соответствовать более строгим стандартам выбросов. Mazda прекратила производство роторного двигателя в 2012 году после того, как двигатель не смог соответствовать более строгим стандартам выбросов Евро-5 , в результате чего ни одна автомобильная компания не смогла продать дорожное транспортное средство с роторным двигателем до 2023 года. [143]
Mazda выпустила гибрид MX-30 R-EV , оснащенный расширителем диапазона двигателя Ванкеля, в марте 2023 года. [136] Двигатель Ванкеля не имеет прямого соединения с колесами и служит только для зарядки аккумулятора. Это однороторный агрегат с двигателем объемом 830 см3 ( 50,6 дюймов3 ) и номинальной выходной мощностью 55 кВт (74 л. с.). Двигатель имеет непосредственный впрыск бензина , рециркуляцию отработавших газов и систему очистки отработавших газов с трехкомпонентным катализатором и сажевым фильтром . Двигатель соответствует стандарту Euro 6d-ISC-FCM. [144] [145]
Citroën провел много исследований, выпустив автомобили M35 и GS Birotor , а также вертолет RE-2 , используя двигатели, произведенные Comotor , совместным предприятием Citroën и NSU.
Daimler-Benz установил двигатель Ванкеля в свой концепт-кар C111 . Двигатель C 111-II был безнаддувным, с непосредственным впрыском топлива и имел четыре ротора. Общий объем составлял 4,8 л (290 кубических дюймов), а степень сжатия — 9,3:1. Он обеспечивал максимальный крутящий момент 433 Н·м (44 кп·м) при 5000 об/мин и производил выходную мощность 257 кВт (350 л.с.) при 6000 об/мин. [53]
American Motors Corporation (AMC) была настолько убеждена, «что роторный двигатель будет играть важную роль в качестве силовой установки для автомобилей и грузовиков будущего...», что председатель, Рой Д. Чапин-младший , подписал соглашение в феврале 1973 года после года переговоров, на производство роторных двигателей как для легковых автомобилей, так и для военной техники, а также право продавать любые произведенные роторные двигатели другим компаниям. [146] [147] Президент AMC, Уильям Люнебург, не ожидал резкого развития до 1980 года, но Джеральд К. Мейерс , вице-президент AMC по инженерной группе продукции, предположил, что AMC следует купить двигатели у Curtiss-Wright, прежде чем разрабатывать собственные роторные двигатели, и предсказал полный переход на роторные двигатели к 1984 году. [148]
Планировалось использовать двигатель в AMC Pacer , но разработка была отложена. [149] [150] American Motors спроектировала уникальный Pacer вокруг двигателя. К 1974 году AMC решила приобрести роторный двигатель General Motors (GM) вместо того, чтобы разрабатывать двигатель самостоятельно. [151] И GM, и AMC подтвердили, что отношения будут выгодны для маркетинга нового двигателя, при этом AMC утверждала, что роторный двигатель GM обеспечивает хорошую экономию топлива. [152] Двигатели GM еще не были запущены в производство, когда Pacer был выпущен на рынок. Нефтяной кризис 1973 года сыграл свою роль в срыве использования роторного двигателя. Рост цен на топливо и спекуляции о предлагаемом законодательстве США о стандартах выбросов также усилили опасения.
На своем ежегодном собрании в мае 1973 года General Motors представила двигатель Ванкеля, который планировала использовать в Chevrolet Vega . [153] К 1974 году отдел исследований и разработок GM не смог создать двигатель Ванкеля, отвечающий как требованиям по выбросам, так и хорошей экономии топлива, что привело к решению компании отменить проект. Из-за этого решения отдел исследований и разработок лишь частично опубликовал результаты своих последних исследований, в которых утверждалось, что проблема экономии топлива решена, и созданы надежные двигатели со сроком службы более 530 000 миль (850 000 км). Эти результаты не были приняты во внимание при выдаче приказа об отмене. Завершение роторного проекта GM потребовало от AMC, которая должна была купить двигатель, перенастроить Pacer для размещения своего рядного 6-цилиндрового двигателя AMC, приводящего в движение задние колеса. [154]
В 1974 году в Советском Союзе было создано специальное конструкторское бюро двигателей, которое в 1978 году спроектировало двигатель ВАЗ-311, устанавливаемый на автомобиль ВАЗ-2101 . [155] В 1980 году компания начала поставлять двухроторный двигатель Ванкеля ВАЗ-411 на автомобили ВАЗ-2106 , было изготовлено около 200 единиц. Большая часть продукции пошла в спецслужбы. [156] [157]
Ford проводил исследования в области роторных двигателей, в результате чего были получены патенты: GB 1460229 , 1974, метод изготовления корпусов; US 3833321 , 1974, покрытие боковых пластин; US 3890069 , 1975, покрытие корпусов; CA 1030743 , 1978: выравнивание корпусов; CA 1045553 , 1979, сборка пластинчатого клапана. В 1972 году Генри Форд II заявил, что ротор, вероятно, не заменит поршневой в «моей жизни». [158]
Sigma MC74 с двигателем Mazda 12A был первым двигателем и единственной командой из-за пределов Западной Европы или США, которая завершила все 24 часа гонки 24 часа Ле-Мана в 1974 году. Йоджиро Терада был водителем MC74. Mazda была первой командой из-за пределов Западной Европы или США, которая выиграла Ле-Ман вчистую. Это был также единственный автомобиль с непоршневым двигателем, который выиграл Ле-Ман, чего компания добилась в 1991 году на своем четырехроторном 787B (объем двигателя 5,24 л или 320 куб. дюймов), оцененном по формуле FIA в 4,708 л или 287 куб. дюймов). В классе C2 все участники имели одинаковое количество топлива. Единственным исключением была нерегулируемая категория C1 1. В этой категории допускались только двигатели без наддува. Автомобили Mazda были классифицированы как атмосферные, чтобы начать с веса в 830 кг, на 170 кг меньше, чем у конкурентов с наддувом. [159] Автомобили, подпадающие под правила Группы C1 Категории 1 на 1991 год, могли быть еще на 80 кг легче, чем 787B. [160] Кроме того, Группа C1 Категории 1 допускала только 3,5-литровые атмосферные двигатели и не имела ограничений по количеству топлива. [161]
Из-за компактного размера и высокого отношения мощности к весу двигателя Ванкеля, было предложено использовать электромобили в качестве расширителей запаса хода для обеспечения дополнительной мощности при низком уровне заряда аккумуляторной батареи. Двигатель Ванкеля, используемый в качестве генератора, имеет преимущества в плане упаковки, шума, вибрации и жесткости при использовании в легковом автомобиле, максимизируя внутреннее пространство для пассажиров и багажа, а также обеспечивая хороший профиль шума и вибрации. Однако сомнительно, позволяют ли присущие двигателю Ванкеля недостатки использовать двигатель Ванкеля в качестве расширителя запаса хода для легковых автомобилей. [162]
В 2010 году Audi представила прототип серийного гибридного электромобиля A1 e-tron . Он включал двигатель Ванкеля с объемом камеры V k 254 см 3 , способный производить 18 кВт при 5000 об/мин. Он был сопряжен с электрогенератором, который подзаряжал аккумуляторы автомобиля по мере необходимости и подавал электроэнергию непосредственно на электродвигатель. Пакет имел массу 70 кг и мог производить 15 кВт электроэнергии. [163]
В ноябре 2013 года Mazda анонсировала автомобильной прессе серийный гибридный прототип автомобиля Mazda2 EV , использующий двигатель Ванкеля в качестве расширителя диапазона. Генераторный двигатель, расположенный под полом заднего багажника, представляет собой крошечный, почти бесшумный однороторный агрегат объемом 330 куб. см, генерирующий 30 л. с. (22 кВт) при 4500 об./мин и поддерживающий постоянную электрическую мощность 20 кВт. [164] [165] [166]
Mazda представила MX-30 R-EV , оснащенный расширителем диапазона двигателя Ванкеля, в марте 2023 года. [136] Двигатель Ванкеля автомобиля представляет собой атмосферный однороторный агрегат с объемом камеры V k 830 см 3 (50,6 дюймов 3 ), степенью сжатия 11,9 и номинальной выходной мощностью 55 кВт (74 л. с.). Он имеет непосредственный впрыск бензина , рециркуляцию отработавших газов и систему очистки отработавших газов с трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором и сажевым фильтром . По данным auto motor und sport , двигатель соответствует стандарту Euro 6d-ISC-FCM. [144] [145]
Первым мотоциклом с двигателем Ванкеля был MZ ES 250, построенный MZ , оснащенный двигателем Ванкеля KKM 175 W с водяным охлаждением. В 1965 году последовала версия с воздушным охлаждением, названная KKM 175 L. Двигатель выдавал 24 л. с. (18 кВт) при 6750 об/мин, но мотоцикл так и не пошел в серийное производство. [167]
В Великобритании Norton Motorcycles разработала роторный двигатель Ванкеля для мотоциклов , основанный на роторном двигателе Ванкеля с воздушным охлаждением Sachs, который устанавливался на мотоцикл DKW/Hercules W-2000. Этот двухроторный двигатель был включен в Commander и F1 . Norton улучшил воздушное охлаждение Sachs, внедрив камеру нагнетания. Suzuki также выпустила серийный мотоцикл с двигателем Ванкеля, RE-5 , используя верхние уплотнения из сплава ферро -TiC и ротор NSU в успешной попытке продлить срок службы двигателя.
В начале 1980-х годов, используя более ранние наработки в BSA , Norton выпустил двухроторный Classic с воздушным охлаждением, за которым последовали Commander с жидкостным охлаждением и Interpol2 (полицейская версия). [168] Последующие мотоциклы Norton Wankel включали Norton F1 , F1 Sports, RC588, Norton RCW588 и NRS588. Norton предложил новую 588-кубовую двухроторную модель под названием «NRV588» и 700-кубовую версию под названием «NRV700». [169] Бывший механик Norton, Брайан Крайтон, начал разрабатывать собственную линейку мотоциклов с роторным двигателем под названием «Roton», которая выиграла несколько австралийских гонок.
Несмотря на успехи в гонках, [170] ни один мотоцикл с двигателем Ванкеля не был произведен для продажи широкой публике для использования на дорогах общего пользования с 1992 года.
В 1972 году Yamaha представила RZ201 на Токийском автосалоне , прототип с двигателем Ванкеля, весом 220 кг и мощностью 60 л. с. (45 кВт) от двухроторного 660-кубового двигателя (патент США N3964448). В 1972 году Kawasaki представила свой двухроторный роторный прототип двигателя Kawasaki X99 (патенты США N 3848574 и 3991722). И Yamaha, и Kawasaki утверждали, что решили проблемы плохой экономии топлива, высокого уровня выбросов выхлопных газов и низкой долговечности двигателя в ранних двигателях Ванкеля, но ни один из прототипов не достиг производства.
В 1974 году Hercules выпустил мотоциклы Wankel W-2000 , но низкие объемы производства сделали проект нерентабельным, и производство прекратилось в 1977 году. [171]
С 1975 по 1976 год Suzuki выпускала свой 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 был плавным, но не пользовался успехом из-за своего веса и скромной выходной мощности в 62 л. с. (46 кВт). [172] Suzuki выбрала сложную систему масляного и водяного охлаждения. Выхлопные трубы сильно нагреваются, и Suzuki выбрала ребристый выпускной коллектор, двухслойные выхлопные трубы с охлаждающими решетками, теплостойкие оболочки 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, которая питала как основные подшипники, так и впускные коллекторы. Suzuki выбрала один ротор, который был довольно гладким, но с грубыми участками при 4000 об/мин. Suzuki установила массивный ротор высоко в раме. [173] Хотя описывалось, что Suzuki хорошо управляется, в результате он оказался тяжелым, чрезмерно сложным, дорогим в производстве и при мощности в 62 л. с. имел недостаточную мощность.
Голландский импортер и производитель мотоциклов Van Veen производил небольшие партии мотоциклов OCR-1000 с двухроторным двигателем Ванкеля между 1978 и 1980 годами, используя излишки двигателей Comotor . Двигатель OCR 1000 использовал модифицированный двигатель KKM 624, изначально предназначенный для автомобиля Citroën GS Birotor . [174] При этом электронное зажигание от Hartig заменило распределитель зажигания. [175]
В принципе, роторные двигатели идеально подходят для легких самолетов, поскольку они легкие, компактные, практически не имеют вибраций и обладают высокой удельной мощностью . Дополнительные преимущества роторного двигателя для авиации включают:
В отличие от автомобилей и мотоциклов, роторный авиационный двигатель будет достаточно теплым, прежде чем от него потребуют полной мощности, из-за времени, необходимого для предполетных проверок. Кроме того, поездка на взлетно-посадочную полосу имеет минимальное охлаждение, что дополнительно позволяет двигателю достичь рабочей температуры для полной мощности на взлете. [176] Авиадвигатель Ванкеля проводит большую часть своего рабочего времени на высоких выходных мощностях с небольшим холостым ходом.
Поскольку роторные двигатели работают на относительно высокой скорости вращения , при 6000 об/мин выходного вала, ротор вращается только примерно на одной трети этой скорости. При относительно низком крутящем моменте винтовые самолеты должны использовать блок снижения скорости винта , чтобы поддерживать винты в расчетном диапазоне скоростей. Экспериментальные самолеты с двигателями Ванкеля используют блоки снижения скорости винта; например, двухроторный двигатель MidWest имеет редуктор 2,95:1.
Первый самолет с роторным двигателем появился в конце 1960-х годов в экспериментальной гражданской версии разведывательного самолета QT-2 армии США Lockheed Q-Star, по сути, это был планер Schweizer с двигателем . [177] Самолет был оснащен роторным двигателем Curtiss-Wright RC2-60 Wankel мощностью 185 л. с. (138 кВт). [178] Та же модель двигателя использовалась также в самолете Cessna Cardinal и вертолете, а также в других самолетах. [118] [179] [180] Французская компания Citroën разработала вертолет RE-2 с роторным двигателем в 1970-х годах. [181] В Германии в середине 1970-х годов был разработан самолет с толкающим канальным вентилятором, оснащенный модифицированным многороторным роторным двигателем NSU, как в гражданской, так и в военной версиях, Fanliner и Fantrainer. [182]
Примерно в то же время, что и первые эксперименты с полномасштабными самолетами, оснащенными роторными двигателями, версии размером с модель самолета были впервые созданы объединением известной японской фирмы OS Engines и тогда еще существовавшей немецкой фирмы Graupner aeromodelling products по лицензии NSU. Двигатель Ванкеля модели Graupner имеет объем камеры V k 4,9 см 3 и выдает 460 Вт при 16 000 об./мин −1 ; его масса составляет 370 г. Он был произведен японской фирмой OS engines. [183]
Роторные двигатели устанавливались на самодельных экспериментальных самолетах, таких как ARV Super2 , пара из которых была оснащена британским авиадвигателем MidWest . Большинство из них — автомобильные двигатели Mazda 12A и 13B, переделанные для использования в авиации. Это очень рентабельная альтернатива сертифицированным авиационным двигателям, обеспечивающая двигатели мощностью от 100 до 300 лошадиных сил (220 кВт) за часть стоимости традиционных поршневых двигателей. Эти переделки первоначально были в начале 1970-х годов. Питер Гаррисон, пишущий редактор журнала Flying , написал: «по моему мнению… наиболее перспективным двигателем для использования в авиации является роторный двигатель Mazda». [184]
Производитель планеров Schleicher использует двигатель Austro Engines AE50R Wankel [185] [186] в своих самозапускающихся моделях ASK-21 Mi , ASH-26E , [ 187] ASH-25 M/Mi , ASH-30 Mi , ASH-31 Mi , ASW-22 BLE и ASG-32 Mi.
В 2013 году компания e-Go Airplanes, базирующаяся в Кембридже , Великобритания, объявила, что ее новый одноместный самолет-утка будет оснащен роторным двигателем от Rotron Power. [188]
Самолет DA36 E-Star, разработанный Siemens , Diamond Aircraft и EADS , использует последовательную гибридную силовую установку с пропеллером, вращаемым электродвигателем Siemens мощностью 70 кВт (94 л. с.). Цель состоит в том, чтобы сократить расход топлива и выбросы до 25%. Бортовой роторный двигатель и генератор Austro Engines мощностью 40 л. с. (30 кВт) обеспечивают электроэнергию. Блок снижения скорости вращения пропеллера исключен. Электродвигатель использует электроэнергию, хранящуюся в батареях, при выключенном двигателе генератора для взлета и набора высоты, что снижает уровень шума. Последовательно-гибридная силовая установка, использующая двигатель Ванкеля, снижает вес самолета на 100 кг по сравнению с его предшественником. DA36 E-Star впервые поднялся в воздух в июне 2013 года, что сделало этот полет первым в истории полетом последовательно-гибридной силовой установки. Diamond Aircraft утверждает, что технология роторного двигателя масштабируется до 100-местного самолета. [189] [190]
С 2015 года в Германии 60 поездов были оснащены вспомогательными системами питания с двигателем Ванкеля, сжигающими дизельное топливо. Локомотивы используют дизельный двигатель WST KKM 351 Wankel. [108]
Двигатель Ванкеля хорошо подходит для устройств, в которых человек-оператор находится близко к двигателю, например, ручных устройств, таких как бензопилы. [191] Превосходные пусковые характеристики и малая масса делают двигатель Ванкеля также хорошей силовой установкой для переносных пожарных насосов и переносных электрогенераторов. [192]
Малые двигатели Ванкеля используются в таких приложениях, как картинги , водные транспортные средства и вспомогательные силовые установки для самолетов. [193] Kawasaki запатентовала роторный двигатель со смешанным охлаждением (патент США 3991722). Японский производитель дизельных двигателей Yanmar и немецкий Dolmar-Sachs выпускали цепную пилу с роторным двигателем (документ SAE 760642) и подвесные лодочные двигатели, а французская Outils Wolf изготовила газонокосилку (Rotondor), работающую на роторном двигателе Ванкеля. Ротор находился в горизонтальном положении, чтобы сэкономить на производственных затратах, а на нижней стороне не было уплотнений.
Простота роторного двигателя делает его хорошо подходящим для мини-, микро- и микро-мини-двигателей. Лаборатория роторных двигателей микроэлектромеханических систем (MEMS) в Калифорнийском университете в Беркли ранее занималась разработкой роторных двигателей диаметром до 1 мм с рабочим объемом менее 0,1 куб. см. Материалы включают кремний, а движущая сила включает сжатый воздух. Целью таких исследований было в конечном итоге разработать двигатель внутреннего сгорания, способный выдавать 100 милливатт электроэнергии, причем двигатель служил бы ротором электрогенератора , с магнитами, встроенными в ротор двигателя. [194] [195] Разработка миниатюрного роторного двигателя остановилась в Калифорнийском университете в Беркли по окончании контракта DARPA.
В 1976 году Road & Track сообщил, что Ingersoll-Rand разработает двигатель Ванкеля с объемом камеры V k 1500 дюймов 3 (25 дм 3 ) с номинальной мощностью 500 л. с. (373 кВт) на ротор. [196] В конечном итоге было построено 13 единиц предлагаемого двигателя, хотя и с большим рабочим объемом, и в общей сложности они отработали более 90 000 часов. Двигатель был изготовлен с объемом камеры V k 2500 дюймов 3 (41 дм 3 ) и выходной мощностью 550 л. с. (410 кВт) на ротор. Были изготовлены как однороторные, так и двухроторные двигатели (производящие 550 л. с. (410 кВт) или 1100 л. с. (820 кВт) соответственно). Двигатели работали на природном газе и имели относительно низкую скорость вращения двигателя из-за его применения. [197]
Deere & Company приобрела роторное подразделение Curtiss-Wright в феврале 1984 года, создав большие многотопливные прототипы, некоторые с 11-литровым ротором для больших транспортных средств. [198] [199] [200] Разработчики попытались использовать концепцию стратифицированного заряда. [198] Технология была передана RPI в 1991 году. [201] [202]
Японская компания Yanmar производила небольшие роторные двигатели с воздушным охлаждением для бензопил и подвесных лодочных моторов. [203] Одним из ее продуктов является двигатель LDR (углубление ротора в передней кромке камеры сгорания), который имеет улучшенные профили выбросов выхлопных газов и впускные отверстия с пластинчатым клапаном, которые улучшают производительность при частичной нагрузке и низких оборотах. [204]
В 1971 и 1972 годах компания Arctic Cat выпускала снегоходы, оснащенные двигателями Ванкеля Sachs KM 914 объемом 303 куб. см и KC-24 объемом 294 куб. см, произведенными в Германии.
В начале 1970-х годов компания Outboard Marine Corporation продавала снегоходы под маркой Johnson и другими брендами, оснащенные двигателями OMC мощностью 35 или 45 л. с. (26 или 34 кВт).
Aixro из Германии производит и продает двигатель для картинга с ротором с охлаждением наддувочной камеры объемом 294 куб. см и корпусами с жидкостным охлаждением. Другие производители включают 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 все еще обеспечивает преимущества в надежности, основные преимущества Ванкеля в размере и весе 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 предварительного натяжения ремней безопасности [205] в некоторых автомобилях Mercedes-Benz [206] и Volkswagen [207] . Когда датчики замедления обнаруживают потенциальное столкновение, электрические импульсы приводят в действие небольшие взрывные патроны, и образовавшийся сжатый газ поступает в крошечные двигатели Ванкеля, которые вращаются, чтобы выбрать слабину в системах ремней безопасности, надежно фиксируя водителя и пассажиров в сиденьях перед столкновением. [208]
{{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)Формула 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 для Vk. В этой статье Vk используется для удобства
{{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 journal}}
: Отсутствует или пусто |title=
( помощь ){{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)