Энергетическое образование

5. Роторно-поршневые двигатели

Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания (РПД, двигатель Ванкеля), конструкция которого разработана в 1957 году инженером компании NSU Вальтером Фройде, ему же принадлежала идея этой конструкции. Двигатель разрабатывался в соавторстве с Феликсом Ванкелем, работавшим над другой конструкцией роторно-поршневого двигателя. Установленный на валу ротор жёстко соединён с зубчатым колесом, которое входит в зацепление с неподвижной шестернёй — статором. Диаметр ротора намного превышает диаметр статора, несмотря на это ротор с зубчатым колесом обкатывается вокруг шестерни. Каждая из вершин трёхгранного ротора совершает движение по эпитрохоидальной поверхности цилиндра и отсекают переменные объёмы камер в цилиндре с помощью трёх клапанов. Такая конструкция позволяет осуществить любой 4-тактный цикл Дизеля, Стирлинга или Отто без применения специального механизма газораспределения. Герметизация камер обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами. Отсутствие механизма газораспределения делает двигатель значительно проще четырехтактного поршневого (экономия составляет около тысячи деталей), а отсутствие сопряжения (картерное пространство, коленвал и шатуны) между отдельными рабочими камерами обеспечивают необычайную компактность и высокую удельную мощность. За один оборот ванкель выполняет три полных рабочих цикла, что эквивалентно работе шестицилиндрового поршневого двигателя. Смесеобразование, зажигание, смазка, охлаждение, запуск принципиально такие же, как и у обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания. Практическое применение получили двигатели с трёхгранными роторами, с отношением радиусов шестерни и зубчатого колеса: R:r = 2:3, которые устанавливают на автомобилях, лодках и т.п. Особенность двигателя — применение трёхгранного ротора (поршня), имеющего вид треугольника Рело, вращающегося внутри цилиндра специального профиля, поверхность которого выполнена по эпитрохоиде.

Цикл двигателя Ванкеля: впуск (голубой), сжатие (зелёный), рабочий ход (красный), выпуск (жёлтый).

Инженерам фирмы Mazda удалось решить все основные проблемы РПД — токсичность выхлопа и неэкономичность. По сравнению с двигателями-предшественниками «Renesis», удалось сократить потребление масла на 50 %, бензина на 40 % и довести выброс вредных окисей до норм, соответствующих Euro IV. Двухкамерный двигатель «Renesis» объёмом всего 1,3 л выдаёт мощность в 250 л. с. и занимает гораздо меньше места в моторном отсеке. Следующая модель двигателя Renesis 2 16X имеет объём 1.6 литра, и большую мощность, меньше нагревается.

Двигатель Mazda.

Автомобили марки Mazda с буквами RE в наименовании могут использовать в качестве топлива как бензин, так и водород. Это явилось вторым витком роста внимания к РПД со стороны разработчиков. Двигатель успешно может использовать водород, так как менее чувствителен к детонации, чем обычный двигатель, использующий возвратно-поступательное движение поршня. Автомобили с РПД потребляют от 7 до 20 литров топлива на 100 км, в зависимости от режима движения, и масла от 0,4 л до 1 л на 1000 км (для двигателей Mazda 0,4 — 0,6 л.). В настоящее время исследование этого типа двигателя активно ведёт японский автоконцерн Mazda, оснащая доработанными моделями роторных двигателей автомобили серии RX.

Двигатель Mazda.

ГОСТ 23550-79. Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Обозначение и нумерация цилиндров

Вид документа	ГОСТ
Статус	Действует
Документ принят организацией
Документ внесен организацией
Разработчик документа
Дата принятия в МГС
Дата начала действия	1981-01-01
Дата последней редакции	2002-12-01
Страны действия
Где применяется	Настоящий стандарт распространяется на вновь разрабатываемые поршневые двигатели внутреннего сгорания и устанавливает обозначение и нумерацию цилиндров двигателя. Стандарт не распространяется на авиационные двигатели
Код ОСК	43.060

На этой странице вы можете ознакомиться и приобрести ГОСТ на тему «ГОСТ 23550-79. Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Обозначение и нумерация цилиндров». Документ был принят в МГС и начал действовать 1981-01-01. Дата последней редакции 2002-12-01. На данный период времени документ принят в таких странах: .

ГОСТы которые могут вас заинтересовать

Список ГОСТов

ГОСТ 2.744-68. Единая система конструкторской доку…

1458.00р.

Охрана природы. Атмосфера. Дизели автомобильные. Дымность отработавших газов. Нормы и методы измерений»>ГОСТ 17.2.2.01-84. Охрана природы. Атмосфера. Дизе…

2028.00р.

ГОСТ 621-87. Кольца поршневые двигателей внутренне…

3168.00р.

ГОСТ 2829-76. Магнето автотракторные с фланцевым к…

1458.00р.

ГОСТ 5813-2015.

Ремни вентиляторные клиновые и шки…

3168.00р.

ГОСТ 8002-74. Двигатели внутреннего сгорания поршн…

2598.00р.

ГОСТ 10132-62. Свечи накаливания двухпроводные для…

1458.00р.

ГОСТ 10578-95. Насосы топливные дизелей. Общие тех…

2598.00р.

Бензиновый двигатель | Эксплуатация, топливо и факты

V-образный двигатель

См. все СМИ

Ключевые сотрудники:

Зигфрид Маркус
Готлиб Даймлер
Карл Бенц

Похожие темы:

двигатель с верхним расположением клапанов
двигатель Отто
двигатель Ленуара
двигатель с верхним расположением распредвала
рядный двигатель

Просмотреть весь связанный контент →

бензиновый двигатель , любой из класса двигателей внутреннего сгорания, которые вырабатывают энергию за счет сжигания летучего жидкого топлива (бензина или бензиновой смеси, такой как этанол) с воспламенением, инициируемым электрической искрой. Бензиновые двигатели могут быть построены для удовлетворения требований практически любого мыслимого применения силовых установок, наиболее важными из которых являются легковые автомобили, небольшие грузовики и автобусы, самолеты авиации общего назначения, подвесные и небольшие внутренние морские установки, стационарные насосные станции среднего размера, осветительные установки, станки, электроинструменты. Четырехтактные бензиновые двигатели используются в подавляющем большинстве автомобилей, легких грузовиков, средних и больших мотоциклов и газонокосилок. Двухтактные бензиновые двигатели менее распространены, но они используются для небольших подвесных судовых двигателей и во многих ручных садовых инструментах, таких как цепные пилы, кусторезы и воздуходувки.

Типы двигателей

Бензиновые двигатели можно разделить на несколько типов в зависимости от нескольких критериев, включая их применение, метод управления подачей топлива, зажигание, расположение поршня и цилиндра или ротора, ходы за цикл, систему охлаждения и клапан тип и расположение. В этом разделе они описаны в контексте двух основных типов двигателей: поршневых и цилиндровых двигателей и роторных двигателей. В поршне-цилиндровом двигателе давление, создаваемое сгоранием бензина, создает силу на головке поршня, которая совершает возвратно-поступательное или возвратно-поступательное движение по всей длине цилиндра. Эта сила отталкивает поршень от головки цилиндра и совершает работу. Роторный двигатель, также называемый двигателем Ванкеля, не имеет обычных цилиндров с возвратно-поступательными поршнями. Вместо этого давление газа действует на поверхности ротора, заставляя ротор вращаться и, таким образом, выполнять работу.

Большинство бензиновых двигателей представляют собой поршневые двигатели с возвратно-поступательным движением. Основные узлы поршневого двигателя показаны на рисунке. Почти все двигатели этого типа работают либо по четырехтактному, либо по двухтактному циклу.

Четырехтактный цикл

Из различных методов извлечения энергии из процесса сгорания наиболее важным до сих пор был четырехтактный цикл, концепция которого впервые была разработана в конце 19 века. Четырехтактный цикл показан на рисунке. При открытом впускном клапане поршень сначала опускается на такте впуска. Воспламеняющаяся смесь паров бензина и воздуха втягивается в цилиндр за счет создаваемого таким образом частичного вакуума. Смесь сжимается по мере того, как поршень поднимается в такте сжатия при закрытых обоих клапанах. По мере приближения к концу хода заряд воспламеняется электрической искрой. Затем следует рабочий такт, когда оба клапана все еще закрыты, а давление газа из-за расширения сгоревшего газа давит на головку или головку поршня. Во время такта выпуска восходящий поршень вытесняет отработавшие продукты сгорания через открытый выпускной клапан. Затем цикл повторяется. Таким образом, для каждого цикла требуется четыре хода поршня — впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск — и два оборота коленчатого вала.

Недостаток четырехтактного цикла заключается в том, что выполняется только половина рабочих тактов по сравнению с двухтактным циклом ( см. ниже ), и только вдвое меньше мощности можно ожидать от двигателя данного размера при заданная рабочая скорость. Однако четырехтактный цикл обеспечивает более надежную очистку от выхлопных газов (продувку) и перезагрузку цилиндров, уменьшая потерю свежего заряда в выхлопных газах.

Альтернативные двигатели внутреннего сгорания

Альтернативные двигатели внутреннего сгорания

Ханну Яаскеляйнен, Магди К. Хайр

Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Пожалуйста, войдите под номером , чтобы просмотреть полную версию этого документа.

Резюме : В то время как четырехтактные дизельные и бензиновые двигатели прочно закрепились в большинстве применений, были разработаны альтернативные концепции двигателей внутреннего сгорания, которые могут обеспечить повышенную эффективность, удельную мощность и другие потенциальные преимущества. Эти альтернативные конструкции включают роторные двигатели, такие как двигатель Ванкеля, двухтактные двигатели, а также шеститактные двигатели и двигатели с разделенным циклом.

• Введение
• Роторные двигатели
• Двухтактные двигатели
• Шеститактные двигатели
• Двигатели с разделенным циклом
• Газовая турбина
• Двигатель Стирлинга

Введение

Двигатели внутреннего сгорания, состоящие из поршня, совершающего возвратно-поступательное движение в цилиндре и соединенного шатуном с коленчатым валом, — чаще всего четырехтактные дизельные двигатели и двигатели с искровым зажиганием — закрепились во многих областях применения по крайней мере на столетие. Тем не менее, альтернативные конструкции двигателей могут предложить некоторые потенциальные преимущества и продолжают изучаться. Эти преимущества могут включать в себя высокий тепловой КПД, высокую удельную мощность и связанные с этим компактные размеры и малый вес, а также устойчивость к низкокачественному топливу.

Несколько альтернативных концепций сжигания либо нашли ниши в приложениях, для которых они предлагают явные преимущества, и/или были исследованы в качестве альтернатив укоренившейся конструкции. Заслуживающие внимания альтернативные концепции двигателей внутреннего сгорания включают:

• Двухтактные двигатели , несмотря на то, что они были постепенно исключены из большинства транспортных средств из-за проблем с соблюдением стандартов выбросов, которые были приняты в 1990-х и 2000-х годах, по-прежнему остаются предпочтительным вариантом силовой установки для многих приложений. Для крупных судовых двигателей возможность сочетать большое соотношение хода и диаметра цилиндров с низким BMEP и низкой частотой вращения обеспечивает непревзойденную эффективность и долговечность. Из-за своего легкого веса они также используются в ручном бензиновом коммунальном оборудовании, таком как бензопилы, где возможна высокая удельная мощность. Пример постоянного развития технологии двухтактных двигателей можно найти в 9-м0035 оппозитный поршень тип двигателя.
• Роторные двигатели , в которых используется эксцентрично установленный ротор для преобразования давления во вращательное движение, имеют высокое соотношение мощность/вес и мощность/размер, что делает их привлекательными для приложений, где вес и размер имеют решающее значение. Большинство роторных двигателей имеют искровое зажигание, но также были попытки создания дизельных версий. Хорошо известным примером роторного двигателя является двигатель Ванкеля, который имел некоторый коммерческий успех в различных приложениях — сначала у немецкого автопроизводителя NSU Motorenwerke, а затем, что наиболее известно, у Mazda. Совсем недавно роторные двигатели использовались для питания беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), широко известных как дроны .
• Шеститактные двигатели и с разделенным циклом представляют собой модифицированные четырехтактные двигатели, в которых добавлены два дополнительных такта (с впрыском воды или топлива) или четырехтактный цикл разделен между двумя цилиндрами соответственно. Хотя коммерческое применение этих циклов двигателя в настоящее время неизвестно, их преимущества в эффективности продолжают изучаться.

Роторные двигатели

Двигатель Ванкеля

Роторный двигатель Ванкеля назван в честь немецкого изобретателя Феликса Ванкеля, разработавшего двигатель ДКМ (9).0035 Drehkolbenmotor ) во время работы в НГУ. В двигателе ДКМ и ротор, и корпус вращались на [5321] . Коллега Ванкеля по НГУ Ханс Дитер Пашке разработал двигатель ККМ ( Kreiskolbenmotor ) со стационарным корпусом, являющийся основой современных двигателей Ванкеля [5322].

В двигателе Ванкеля (рис. 1) используется широкий треугольный диск с закругленными сторонами. Углубление в середине боковой стороны каждой боковой поверхности представляет собой камеру сгорания. Этот треугольный ротор приводится в движение эксцентриковым приводом, вокруг которого вращается ротор. Ротор движется по орбите внутри корпуса, эпитрохоидная форма которого напоминает восьмерку. На каждой вершине треугольного ротора расположен механизм скользящего уплотнения для уменьшения утечки газа между двумя камерами по обе стороны от уплотнения во время фаз сгорания. Цикл сгорания очень похож на цикл возвратно-поступательного движения поршня. Однако вращательное действие треугольного ротора/диска завершает все фазы цикла сгорания без чрезмерных дисбалансных сил, возникающих в поршневом двигателе.

Рисунок 1. Конструкция двигателя Ванкеля — фаза индукции и сжатия

(любезно предоставлено Хайнцем Хейслером)

На рисунке 1 слева показана фаза индукции роторного двигателя, когда заряд втягивается в двигатель через впускное отверстие, когда ротор движется против часовой стрелки. Предыдущий заряд сжимается, а объем пространства между флангом ротора и корпусом двигателя уменьшается. Уплотнение на вершине P отвечает за предотвращение утечки заряда при сжатии на сторону ротора со свежевведенным зарядом. В нужный момент свеча зажигания инициирует сгорание, в то время как ротор продолжает вращаться против часовой стрелки. Фаза сжатия цикла сгорания показана на правой диаграмме на рисунке 1. Фаза расширения и выпуска цикла сгорания схематически представлены на рисунке 2. Двигатель Ванкеля выдает три импульса мощности за один оборот ротора и выходного вала. оборотов три раза на каждый оборот ротора, что дает один импульс мощности на оборот выходного вала.

Рисунок 2. Силовая и выпускная фазы двигателя Ванкеля

(любезно предоставлено Хайнцем Хейслером)

Следует отметить, что с идеей Ванкеля о вращающемся корпусе и роторе оба компонента будут вращаться вокруг своей оси и могут быть полностью сбалансированы для достижения очень высоких оборотов — по сообщениям, до 17 000 об/мин. В то время как разработка Пашке стационарного корпуса привела к более простой конструкции, которую было легче изготовить, колебания ротора должны были быть уравновешены, а максимальные обороты двигателя были ниже.

Двигатель Ванкеля столкнулся с рядом технических проблем, которые иногда оказывались проблематичными. Самой серьезной из этих проблем был поиск подходящего материала для уплотнения вершины, которое может подвергаться чрезмерному износу в результате движения по острым краям портов. Другой серьезной проблемой была деформация корпуса двигателя из-за того, что небольшая часть двигателя охлаждалась поступающим зарядом, а остальная часть двигателя оставалась при более высокой температуре. При чрезмерных перепадах температур деформация корпуса влияла на расход масла и потери тепла при охлаждении. Еще одним серьезным ограничением этого двигателя была его низкая степень сжатия, ограниченная геометрическим эксцентриситетом ротора. Эта проблема усугублялась верхними уплотнениями, которые предотвращали сильное сжатие, что в конечном итоге приводило к низкой тепловой эффективности. Конструкция камеры сгорания также имеет высокие характеристики теплопередачи и плохие характеристики выбросов из-за относительно большого отношения площади поверхности к объему и большого объема щелей. Тем не менее, двигатель компактен, прост и способен развивать относительно высокие скорости и высокую мощность двигателя с очень небольшой вибрацией.

В то время как роторы с масляным охлаждением распространены в двигателях Ванкеля, также используется сжатый воздух, рис. картерные газы через ротор, а затем через воздухо-водяной теплообменник для последующей отбраковки. Циркуляционный воздух наддувается до среднего давления в рабочих камерах двигателя за счет небольшой двусторонней утечки газов через боковые уплотнения ротора. При полностью открытой дроссельной заслонке давление в системе охлаждения может повышаться примерно до 0,5 или 0,6 МПа, что улучшает теплообмен. Утверждается, что ротор SPARCS с воздушным охлаждением устраняет потерю влажных частиц масла из герметичной системы и снижает трение по сравнению с ротором с масляным охлаждением (OCR). Трение снижено, так как отсутствует трение маслосъемного кольца, отсутствуют потери масла при «шейкере», подшипники качения, отсутствует приводной масляный насос и меньший размер ротора, что снижает трение в газовом уплотнении [5323] [5324] [5325] [5326] .

Рисунок 3 . Ротор с воздушным охлаждением (ACR) роторного двигателя UAV Engines

(Источник: SAE International [5326] )

В 1960-х и 1970-х годах компании, в том числе Curtiss-Wright, автопроизводители, в том числе Mazda и GM, а также несколько производителей мотоциклов, приобрели права на производство Ванкеля у владельца патента Audi NSU. В то время как NSU Spider 1964 года был первым серийным автомобилем с двигателем Ванкеля, Mazda можно приписать наиболее успешное применение роторного двигателя. Mazda продала около 1,8 млн автомобилей, оснащенных роторным двигателем, начиная с 1967 Cosmo 110S и до 2012 года в RX-8. До 2017 года сообщалось, что двигатель производился в небольших объемах для некоторых гоночных автомобилей. С 2013 года Mazda продолжала разработку двигателя и включила в него некоторые планы по выпуску продукции, но об окончательном повторном внедрении в серийный автомобиль не было объявлено до конца 2021 года. Например, в 2020 году Mazda анонсировала роторный двигатель SKYACTIV-R. для концепции роторного спортивного автомобиля Mazda RX-VISION. У них также были предварительные планы по выпуску гибридного автомобиля с роторным двигателем в качестве увеличения запаса хода в 2022 году, но этот план был отложен.

Что касается мотоциклов, Suzuki RE-5, выпускавшийся с 1974 по 1976 год, был одним из примеров серийно выпускаемого мотоцикла с роторным двигателем. Другие производители мотоциклов, которые тестировали эту концепцию, включали Hercules/DKW, Kawasaki, Yamaha и Norton [5327] .

Двигатели Ванкеля широко используются в беспилотных летательных аппаратах (БПЛА). В 2021 году один производитель предложил несколько вариантов роторных двигателей мощностью от 35 до 120 л. с. [5328] .

Дизельная версия Ванкеля с воспламенением от сжатия была предпринята в 1919 г.60-х и 1970-х годов несколькими производителями, включая совместное предприятие Daimler-Benz, MAN, Krupp и KHD («Дизель-Ринг»), Rolls-Royce и самого Феликса Ванкеля. Форма ротора затрудняла достижение оптимальной формы камеры сгорания с воспламенением от сжатия и достаточно высокой степени сжатия для воспламенения. Требовалось внешнее сжатие через нагнетатель, что приводило к высоким паразитным потерям и увеличению веса. Хотя некоторые двигатели Ванкеля для БПЛА могут работать на дизельном топливе, обычно это двигатели с искровым зажиганием, которые сжигают предварительно смешанный заряд дизельного топлива и воздуха, а не двигатели с воспламенением от сжатия 9.0100 [5329] . Возможность работы на дизельном топливе важна для некоторых военных операций с использованием одного топлива для широкого спектра применений.

Что касается водорода, роторный двигатель имеет то преимущество, что процессы впуска и сгорания происходят в разных местах, и преждевременного воспламенения водорода можно избежать легче, чем в поршневых двигателях.