Роторно-поршневые двигатели

Департамент образования  администрации Владимирской области.

ГБОУ СПО  ВО

<<Никологорский  аграрно промышленный техникум>>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

       Реферат

 

 

        «Роторно-поршневые двигатели»

 

 

 

 

 

 

                                                                          Выполнил

                                                                        студент 2-го курса

                                                                       группы М-111

Китаев С.А.

Проверил:                     

Курбатов В.Н.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Роторный двигатель, двигатель  внутреннего сгорания, в котором  энергия сгорающих газов преобразуется  в механическую с помощью ротора, совершающего вращательное или вращательно-возвратное движение относительно корпуса. Идея создания Роторный двигатель, известного также как коловратный или роторно-поршневой, была впервые выдвинута в 16 в. Зарегистрировано несколько тыс. патентов на Роторный двигатель

Первая попытка постройки  действующего образца Роторный двигатель  относится к 1799, однако практически пригодные двигатели появились лишь в 1957 (Ванкеля двигатель).

В процессе работы объёмы полостей, формируемые поверхностями  ротора и корпуса, периодически изменяются — непрерывно повторяются циклы  сжатия и расширения рабочего тела. Т. о., в Роторный двигатель возможны те же рабочие процессы (двухи четырёхтактные), которые характерны для поршневых двигателей внутреннего сгорания.

  Современные Роторный  двигатель выполняются как с  одной, так и с двумя и  тремя рабочими секциями (2 или  3 ротора, сидящих на общем эксцентриковом валу).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    1. Многороторный многоступенчатый двигатель внутреннего сгорания

Рассмотрим пример роторного  двигателя, многоступенчатого принципа действия, компактно расположенного в одном корпусе на центральном роторе имеется турбина и вал отбора мощности. В предложенном двигателе использована работа шестерёнчатых пневмодвигателей работающих без расширения рабочего тела высокого давления. Единственно известный в технике мотор, работает без расширения рабочего газа, в процессе вращения роторов, «с полным наполнением рабочих камер сжатым газом (межзубовых впадин) , и использован в данном изобретении. Это значит, что если в рабочую камеру шестерёнчатого двигателя подается холодный газ с давлением 20 или 50 атм., то каждый ротор, провернувшись на 1/18 часть оборота (количество впадин на роторе) отсекает порцию газа во впадине последним «зубом» выходящим из рабочей камеры и уносит те же 20 или 50 атм. сжатого газа через выходную камеру, в атмосферу БЕЗ РАСШИРЕНИЯ!!! Вот этот совершивший работу, но не расширившийся газ, уносимый во впадинах из рабочей камеры на пути к выходной камере, используется еще раз, через изобретенные промежуточные паро(газо)проводные каналы, выполненные в корпусе двигателя по патенту № 1722239 и в данной заявке на патент. Двигатель работает следующим образом: из парогенератора высокого давления (не показан), пар, например 20…50 атм., подается во вход 4 (в рабочую камеру) первой ступени двигателя, представляющую собой два ротора 1, 2. Под действием давления пара «зубчатые» роторы 1, 2 вращаются в направлениях указанных стрелками. Из паронесущих впадин 20 отработанный пар высокого давления выходит в первые два промежуточных паропроводных канала 6 и поступает в рабочую камеру 7 второй ступени двигателя, состоящего из роторов 1 и 3. Роторы 1, 3 второй ступени двигателя вращаются от отработанного пара в первой ступени двигателя в направлениях указанных стрелками. Из паронесущих впадин 20 второй ступени двигателя (роторы 1 и 3) пар поступает через первых два промежуточных паропроводных канала 8 в основной вход 14 турбины 15. Остаток пара, находящийся во впадинах 20 первой ступени двигателя (роторы 1, 2), переносится до следующих двух каналов 12 и поступает на промежуточную ступень 16 турбины 15.

       Также на промежуточную ступень 16 турбины 15 поступает пар от роторов второй ступени через каналы 10 среднего давления. Остаточное давление пара во впадинах 20 от роторов обоих ступеней через каналы 13 и 11 поступает на промежуточную ступень 17 турбины 15.

       В прототипе и в данной заявке рабочий газ используется в двух ступенях высокого давления и в турбине. Если начальное рабочее давление газа увеличить до 80-100 атм., то можно использовать каскад из трех и более таких ступеней высокого давления, состоящих из трех и более боковых роторов, вращающихся вокруг центрального ротора и одну турбину. Общий КПД такого двигателя будет еще выше. Один шестеренчатый пневмодвигатель работает без расширения газа, имеет КПД 65-72%, КПД газовых турбин более 80%.

 

 

    2. Роторно-поршневой двигатель.                                                                                                             Что такое роторно-поршневой двигатель (сокращенно - РПД)? Это бензиновый мотор с искровым зажиганием, работающий по четырехтактному циклу (рис. 1). В блоке цилиндров - статоре, внутренняя поверхность которого представляет сложную кривую - эпитрохоиду, вращается ротор (рис. 2). Его функция аналогична той, что выполняют поршень с шатуном в обычном моторе. Крутящий момент передается на эксцентриковый вал. Газообмен происходит через впускные и выпускные окна, а смесь в вытянутой камере сгорания последовательно поджигают две свечи.

РПД меньше и легче  поршневого двигателя, равного по мощности, в полтора-два раза. Да и по конструкции «ротор» проще и надежнее, к тому же не требует частого обслуживания. Но коль есть плюсы, найдутся и минусы. Например, повышенный расход масла и бензина. Считается, что РПД трудно загнать в жесткие экологические рамки. Мощностные характеристики таковы, что требуется изменять трансмиссию автомобиля (например, максимум момента достигается на очень высоких оборотах - до 8000 об/мин!). В какой-то степени это болезни роста, ведь РПД моложе традиционных моторов на полвека...

Рис 1: Принцип работы роторно-поршневого двигателя

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Время шло, поршневые  моторы матерели, угрожая в любой момент превзойти по силам РГЩ. Кроме того, на производителей давили основные заказчики -спецслужбы, которым был нужен мощный и в то же время компактный двигатель. Прелесть РГЩ в том, что его легко «умножить на два» - добавить еще один статор и ротор.

Первым двухсекционным мотором, сделанным у нас, стал 120-сильный  ВАЗ-411. Мотор получился удачным -15 лет его устанавливали под капот «жигу-лей». Первые две машины передали спецслужбам летом 80-го, а всего выпустили более 200 автомобилей. Позже родился преемник с широкими секциями и увеличенной мощностью (99,3 кВт/135 л. с).

 

           С появлением переднеприводных моделей вазовское КБ начало активно работать над новым мотором. Опытный двухлитровый ВАЗ-414 немного отличался от предшественника. Статор - самый ответственный и дорогой элемент был уже не открытого, а коробчатого типа. Подобная конструкция надежнее - деталь меньше страдает от перегрева и имеет большую жесткость. Правда, отливать заготовку и обрабатывать внутренние каналы такого корпуса сложнее. Окончательным вариантом для переднеприводных моделей стал карбюраторный ВАЗ-415 приведенным объемом 2,6 л. Электронный впрыск, как обязательный атрибут всех будущих моторов, уже разработан, но применяется только на авиационных «ванкелях». Когда он спустится с небес на землю - одному Богу известно.

К сожалению, развитие автомобильных РПД на ВАЗе приостановилось. Все же эти моторы требуют... собственных автомобилей. А в условиях массового производства держать на конвейере специальную модель «под РПД» не всегда удобно. Впрочем, японская «Мазда» последовательно доказывает обратное.

Не так давно в  нашей стране всерьез рассматривали роторно-поршневой мотор как замену ныне господствующих в автомобильном мире двигателей Отто и Дизеля. Казалось бы - собирай секции в длиннющую «колбасу» и получишь ряд унифицированных (!) моторов мощностью до 1000 л. с! Увы, стыковать больше двух секций очень сложно технологически. Впрочем, модульный принцип мог быть реализован с помощью угловых редукторов: секции РПД располагались вертикально, как цилиндры обычного мотора, а редукторы передавали крутящий момент на общий горизонтальный выходной вал! Относительно маломощные РПД предполагали устанавливать на легковые автомобили и небольшие самолеты, посильнее - на грузовики, пассажирский и железнодорожный транспорт. Красивая идея так и не воплотилась в жизнь...

 

       3. ВАЗ о своих роторно-поршневых двигателях.

     Первые страницы истории вазовских РПД начали заполняться довольно давно. О них нам любезно согласились рассказать стоявшие у самых истоков Николай Максимович Головко и Евгений Артемович Башинджагян.  

    Н.М.Головко:  

    - Я до сих пор бережно храню технический отчет, написанный но итогам поездки в Японию в 1973 году. Это был период ажиотажа вокруг двигателя Ванкеля. Принципиально новый движок привлекал, прежде всего, значительно меньшим, по сравнению с традиционным поршневым, весом, низкой шумностью, хорошей уравновешенностью. Несколько повышенный — на 8-10 процентов — расход топлива на том этапе не смущал. Думалось, что его удастся в последующем снизить после доводки. Не останавливали даже видимые сразу сложности в обработке деталей двигателя, в первую очередь ротора, статора, элементов уплотнения. Для всего этого требовалось принципиально новое оборудование, повышенный класс обработки. 

    Но если  европейцы, японцы и американцы  могут, то мы чем хуже?.. Специальная  пресса раз за разом сообщала о внимании в мире к РПД. Лицензию у Ванкеля закупают 25 крупнейших автомобильных фирм. Массовый выпуск роторно-поршневых двигателей начинает японская "Тойе-Когио", впоследствии переименованная в "Мазду", и "Ауди НСУ", входящая в концерн "Фольксваген". В Люксембурге создается завод "Комотор", рассчитанный на выпуск миллиона принципиально новых двигателей в год с участием, насколько помню, "Ситроена", ФИАТа, "Ауди НСУ" и других солидных фирм. В этой обстановке "Тот, кто опоздал — тот проиграл".  

   ... Где-то в начале 1973 года  Правительством СССР принимается  решение о разработке общегосударственной  программы по РПД, и, как  первый шаг, направление в Японию  представительной делегации во  главе с В.Н. Поляковым. Чтобы  уяснить внимание к этому вопросу, скажу, что задание на командировку утверждалось (а затем принималось) лично зам. председателя Совмина страны В.Н.Новиковым. В составе делегации были А.И. Вольский, возглавлявший в ту пору отдел машиностроения ЦК КПСС, помощник премьера М.И.Малахов, представители Госплана, ГКНТ, "Лицензинторга", министерства станкостроительной промышленности, НАМИ. О перспективной нацеленности свидетельствовало то, что рабочий, сказал бы так, костяк группы составляли вазовцы — будущий начальник СКБ РПД Б.С. Поспелов, М.А.Коржов от конструкторской службы, и я, от технологической.  

        Вернулись  с настроением, что этим заниматься  надо. Мнение еще больше укрепилось  через полгода, когда мы выехали  практически в том же составе  в Германию. На фирму "Ауди  НСУ", которая выкупила у Ванкеля право распоряжаться его разработками. Немцы пытались быстрее получить дивиденды с этой новинки, усиленно убеждали нас в необходимости покупки у них лицензии, и будь мы хоть немного более сведущи в этом деле, глядишь и согласились. Но мы просто боялись наделать глупостей и показать себя полными профанами: если по конструкции РПД в НАМИ собрали хоть какую-то информацию, то технологии никто не знал.  

    И в Германии перед  нами не очень-то открывались.  О том, чтобы сфотографировать, что-то зарисовать, даже внимательно рассмотреть, и речи быть не могло. Все в общем плане, "на проходе". 

 О лицензии не  договорились. Это огромные деньги. Но технология производства уже начала прорисовываться. Вместе со мной писали ее Карпушкин Леша, Соловьев Слава, чуть позднее подключился Акоев Владимир Михайлович, — всю технологическую работу вело поначалу МСП. Вскоре уже можно было начать привязку "к месту". Да и В.Н.Поляков торопил: "Надо, не мешкая, создавать экспериментальное производство". Тогда и сориентировались на базу учебного центра — там же 10 тысяч квадратных метров производственных площадей. 

    Начали добывать станки, приспособления под нашу технологию. К этому плотно подключился  Б.С.Поспелов. Все, что только можно  было достать у военных, еще где... Пробивная мощь у него была огромная. М.А.Коржов также уделял большое внимание новинке. Причем технологическое обоснование закладывалось многовариантное, под самые различные типы РПД, включая и маленькие, для моторных лодок, для мотоциклов. 

 В это время большинство крупнейших мировых фирм заметно охладело к двигателю Ванкеля.  

  — У меня есть свое понимание этого. Здесь сказала свое слово большая политика. Принципиально РПД доказал свое право на жизнь. Но для широкого внедрения его требовались очень серьезные средства, коренная перестройка всех сложившихся производственных потоков и, по сути, списание в убыток колоссальных и далеко еще не возмещенных вложений в традиционные "поршневики". Понятно, что кое-кому показалось выгоднее сбить прыть у "Ванкеля", осадить его, по крайней мере, на главном направлении — в массовом автомобилестроении. Подтверждением тому довольно успешное продвижение РПД для мотоциклов, моторных лодок. Мне даже довелось увидеть установки на основе РПД для германского бундесвера, почти бесшумные. Надо ли говорить, какое значение это имеет для подводного флота? 

   Мое глубочайшее убеждение  — последнее слово здесь еще  не сказано.  

    Хочу подчеркнуть, что  мы старались всегда смотреть  трезво на вещи. Даже самые  рьяные ревнители двигателя Ванкеля не ведут речь, что он может заменить в ближайшей перспективе двигатель поршневой. Тем более что и сам Ванкель не проектировал свой двигатель сугубо под автомобиль. Он, наделенный, несомненно, искрой Божией, мыслил гораздо шире. 

   Инженерные разработки, выполненные  в разных фирмах и странах,  подтвердили практическую возможность  выпуска двигателя, имеющего ряд  крайне привлекательных свойств  по сравнению с традиционным  поршневым, уже почти достигшим  своего потолка. Прежде всего,  по весо-габаритным характеристикам: на единицу мощности РПД имеет значительно меньший объем. 

   Была подтверждена сама  возможность создания двигателя,  в котором бы отсутствовало  возвратно-поступательное движение. А ведь с этим связаны основные  износы, виброактивность и т.д. Плюс меньше деталей в двигателе. Все это родило надежду, что если довести рабочий процесс по крайней мере до уровня поршневого двигателя, даже с учетом крупных затрат по развертыванию нового производства, РПД может вполне претендовать на самый массовый выпуск и даже, выскажу свое мнение, претендовать на революционный скачок в деле освоения ресурсосберегающих технологий.