Конструкция и принципы работы роторно-поршневого двигателя (РПД)
Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания (двигатель Ванкеля), конструкция которого
разработана в 1957 инженером Ф. Ванкелем (F. Wankel, ФРГ). Особенность двигателя - применение
вращающегося ротора (поршня), размещенного внутри цилиндра, поверхность которого выполнена по
эпитрохоиде.
Установленный на валу ротор жестко соединён с зубчатым колесом, которое входит в
зацепление с неподвижной шестерней. Ротор с зубчатым колесом как бы обкатывается вокруг шестерни.
Его грани при этом скользят по эпитрохоидальной поверхности цилиндра и отсекают переменные объёмы
камер в цилиндре.
Такая конструкция позволяет осуществить 4-тактный цикл без применения специального механизма
газораспределения. Герметизация камер обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными
пластинами, прижимаемыми к цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами.
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.
Масса и габариты двигателя Ванкеля в 2-3 раза меньше соответствующих им по мощности
двигателей внутреннего сгорания обычной схемы.
РПД внутреннего сгорания с искровым зажиганием имеет секции, каждая из которых работает по четырехтактному
циклу.
Функцию поршня в РПД выполняет трехвершинный ротор, преобразующий силу давления газов во
вращательное движение эксцентрикового вала. Движение ротора относительно статора (наружного
корпуса) обеспечивается парой шестерен, одна из которых закреплена на роторе, а вторая на боковой
крышке статора.
Вал вращается в подшипниках, размещенных на корпусе и имеет цилиндрический эксцентрик, на
котором вращается ротор. Шестерня неподвижно закреплена на корпусе двигателя. С ней в зацеплении
находится шестерня ротора. Взаимодействие этих шестерен обеспечивает целесообразное движение ротора
относительно корпуса, в результате которого образуются три разобщенных камеры переменного объема.
Передаточное отношение шестерен 2:3, поэтому за один оборот эксцентрикового вала ротор поворачивается
на 120 градусов. За полный оборот ротора в каждой из камер совершается полный четырехтактный цикл.
Газообмен регулируется вершиной ротора при прохождении ее через впускное и выпускное окна.
Крутящий момент получается в результате действия газовых сил через ротор на эксцентрик вала.
История разработки роторно-поршневых двигателей по схеме Ванкеля уходит к началу 60-х годов и в
наше время имеет более чем тридцатилетнюю историю.
В 1960-62 годах из двадцати наиболее крупных автомобилестроительных компаний 11 фирм приобрели
лицензионные права на разработку и производство РПД. На долю этих фирм приходилось около 70%
мирового автомобильного производства, в т.ч. 80% производства легковых автомобилей США,
71% Японии, 44% Западно-европейских стран.
Повышенный интерес к РПД был вызван их существенными потенциальными преимуществами по сравнению
с обычными поршневыми двигателями сравнимого класса мощности:
меньшим на 35-40% общим количеством деталей; меньшим удельным весом при использовании одинаковых материалов; меньшим габаритным объемом и рядом других достоинств.
Основным побудительным мотивом для многих зарубежных фирм явилось реализовать ожидаемый экономический
эффект от выпуска на рынок новых, более дешевых двигателей. Фирмы, которые проводили глубокие
научные исследования особенностей РПД (рабочего процесса, процессов газообмена, влияние масштабного
фактора, особенностей и условий работы основных деталей и узлов и др.):
Кертисс-Райт (США); Тойо-Когио/Мазда/ (Япония).
На пути создания встали значительные технические трудности, такие, например, как:
отработка качественного рабочего процесса в камере неблагоприятной формы; обеспечение герметичности уплотнения рабочих объемов; отработка конструкции корпусных деталей, обеспечивающих работу без коробления в условиях
неравномерного их нагрева.
В результате огромной проделанной научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы этим
фирмам удалось решить почти все наиболее сложные технические задачи на пути создания РПД и выйти
на этап их промышленного производства.
Вал вращается в подшипниках, размещенных на корпусе и имеет цилиндрический эксцентрик, на
котором вращается ротор. Шестерня неподвижно закреплена на корпусе двигателя. С ней в зацеплении
находится шестерня ротора. Взаимодействие этих шестерен обеспечивает целесообразное движение ротора
относительно корпуса, в результате которого образуются три разобщенных камеры переменного объема.
меньшим на 35-40% общим количеством деталей;