Co je to rotační motor: vlastnosti, výhody a nevýhody motorů
V první části , zde zveřejněném, jsem se pokusil zvážit základní principy fungování a klasifikační vlastnosti tepelných motorů obecně, a zejména spalovacích motorů, protože v našem moderním světě je to spalovací motor ve všech jeho projevech, který je základem, „tahounem“ jakéhokoli mobilního zařízení – od začátku do konce.
Přítomnost pokročilejšího motoru, než je ten nepřátelský, na technické mobilní konstrukci – ať už jde o tank, auto nebo něco jiného – umožňuje konstruktérům získat výhodu v jednom z rozhodujících faktorů zdánlivě jednoduché rovnice „výzbroj/mobilita/ochrana“.
V části 1 je identifikováno několik směrů, které umožňují zejména zvýšit celkový výkon pístových spalovacích motorů. Tento:
1 Zvýšení zdvihového objemu motoru.
2 Zvyšte kompresní poměr.
3 Snížení mechanických ztrát.
4 Optimalizace procesů spalování směsi.
5 Zvýšené plnění válce.
Pístové spalovací motory ale nejsou vrcholem dokonalosti, i když v průběhu mnoha desetiletí byly principy jejich konstrukce zdokonalovány, kladeny na seriózní vědeckotechnický základ a prověřeny zkušenostmi. Pístové motory však téměř dosáhly vrcholu své dokonalosti a jejich další vývoj již nemůže poskytnout onen kvalitativní skokový efekt, který by jim umožnil získat rozhodující, kvalitativní výhodu. Klasickým příkladem je nahrazení pístových spalovacích motorů v letectví proudovými motory, které nakonec zásadně změnilo tvář letecké techniky a umožnilo jí dosáhnout kvalitativně nových úrovní a horizontů vývoje. Zdálo by se, že s pozemním vybavením by mělo být vše ještě jednodušší – země není vzduch, není zde taková kategorická rigidita podmínek a požadavků jako v letectví.
Zdálo by se.
Podle Aganova, jehož článek sloužil jako určitý druh „rozbušky“ pro tento materiál, „…Vůdci v této oblasti jsou United States и Německo. Mnoho práce na vývoji a vylepšení motorů se také provádí Velká Británie.». Dobře. Zkusme se podívat zblízka.
V současné době ve skutečnosti existuje několik typů spalovacích motorů, které si mohou navzájem konkurovat – jsou to:
Klasické spalovací motory jsou všechny typy klikových ojnicových motorů.
Spalovací motory s plynovou turbínou
Rotační pístové a rotační spalovací motory.
Mezi konstruktéry motorů probíhá konkurenční boj o každý zlomek procenta ve zlepšování technických vlastností motorů, ale je třeba uznat, že hranice dokonalosti spalovacích motorů je prakticky dosažena, růst ukazatelů kvality se zastavil, konstruktéři tlačí výrobu motorů na extenzivní cestu vývoje. Konkrétně jde o výrobu vysokootáčkových přeplňovaných spalovacích motorů, z nichž za nejlepší je považován ten, který „spálí více paliva za jednotku času“ pro zvýšení ukazatele výkonu na úkor účinnosti. Výsledkem takového „vývoje“ bude komplex provozních a technicko-ekonomických problémů.
Rotační dieselový motor byl koncipován především pro získání větší účinnosti termodynamického cyklu, tedy ukazatele kvality, a již na jeho základě pro získání lepších technických a ekonomických vlastností. Jinými slovy, cílem bylo vytvořit motor, který produkuje užitečnější práci při spalování stejného množství paliva ve srovnání s jinými spalovacími motory. A tento nejdůležitější ukazatel je u RDD téměř o 40 % vyšší a díky svým konstrukčním prvkům motor pracuje při otáčkách, které jsou více než dvakrát nižší než u motorů s klikovou ojnicí.
Výhody rotačního vznětového spalovacího motoru oproti v současnosti používanému klikovému motoru jsou tedy natolik zřejmé, že lze předpokládat, že mezi motory této třídy brzy zaujme dominantní postavení.
Zde Stojí za to připomenout, že před 25–30 lety byl Sovětský svaz lídrem v oblasti výroby motorů. Samozřejmě to bylo způsobeno velkou nerovnováhou v oblasti financování vojenské techniky. Není divu, že dodnes jsou některé modely motorů pro letadla, vrtulníky a tanky považovány, ne-li za nejlepší na světě, pak alespoň ne horší než jejich světové analogy.
Následoval rozpad SSSR a zničení vazeb, které se mezi podniky budovaly po desetiletí. A samotné podniky se ocitly na opačných stranách nových hranic. Samozřejmě, že v roce 2,5 se v zemi začal objevovat ekonomický růst a některé podniky všeobecného strojírenství dostaly určité příležitosti k rozvoji a růstu, ale v oblasti výroby motorů zůstala situace velmi obtížná. To je způsobeno skutečností, že vytvoření moderního motoru (ať už pístového ICE nebo motoru s plynovou turbínou) vyžaduje vážné investice do výzkumu a vývoje, do technologického vybavení a do vytváření nových materiálů. To vše dohromady vede ke zvýšení doby návratnosti projektu. A majitelé firem – z nichž mnozí jsou jistě dobří ekonomové – nejsou připraveni investovat peníze do projektů s dobou návratnosti delší než XNUMX roku. Je nereálné vrátit náklady na vytvoření moderního motoru za tak krátkou dobu. Na druhou stranu o projekty na vývoj high-tech produktů je v současnosti ze strany investorů největší zájem, neboť právě takové projekty mají s relativně nízkými riziky největší přidanou hodnotu. Úkolem státu jako regulátora procesů probíhajících v ekonomice je jako vždy vytvořit tyto podmínky pro vlastníky a investory, aby se mohli zapojit do vývoje tak high-tech produktů, jako je moderní motor.
Ale abych se vrátil k nýtům. První spalovací motor byl vynalezen v roce 1765. Nejprve bez stlačování směsi před zážehem, poté se stlačováním, po kterém zůstala konstrukce spalovacího motoru prakticky nezměněna. Navíc účinnost také zůstala na téměř stejné úrovni (maximální teoretická úroveň účinnosti je 70 %, ale ve skutečnosti u čtyřdobých motorů není více než 35 % – 42 % a u dieselových motorů 41 % – 52 %).
Hlavním parametrem každého motoru je měrný výkon, tzn. kolik kilogramů hmotnosti motoru odpovídá každému kilowattu (kW) výkonu, který vyrobí. Například u čtyřdobého motoru (běžný automobilový motor) není měrný výkon větší než 1 kW/kg (1 hp se rovná 736 W), tzn. K získání výkonu 20 koní bude samotný motor vážit minimálně 20 kg. Přirozeně se zvýšením stupně vynucení vzroste měrný výkon, ale do určité hranice, čímž se zvýší napětí agregátu se všemi z toho vyplývajícími důsledky.
Čtyřtaktní motory mají nejnižší měrný výkon (t.j. na vytvoření 20 koní budou takové motory nejtěžší) – asi 1 kW/kg, dvoudobé motory, velmi zhruba řečeno, jsou 2x lepší – až 2 kW/kg (protože každý druhý zdvih pístu je “pracovní”, na rozdíl od čtyřdobých motorů, kde je pouze každý čtvrtý), ale nižší spalovací poměr, díky konstrukci s dvoutaktním palivem, spotřebou více paliva. Tito. Dvoutaktní motor 20 hp 2krát lehčí než čtyřdobý motor stejného výkonu, ale spotřebuje o něco více paliva. Ještě lepší z hlediska hmotnosti/výkonu je rotační pístový motor (Wankelův motor), ale jeho životnost je poměrně krátká, spotřebuje více paliva než čtyřdobý motor (ale zda spotřebuje více nebo méně paliva než dvoudobý motor, záleží na mnoha faktorech – pročišťovací okruh, součinitel plnění, přítomnost posilovače, stupně turbodmychadla atd.) a navíc sám o sobě není se čtyřtaktním motorem optimální. No a nejlepší jsou motory s plynovou turbínou (GTE). Na každý kilogram hmotnosti motoru vyrobí až 6 kW, tzn. motor 20 hp bude vážit pouze 3.3 kg (místo 20 kg u čtyřtaktu!). Tyto motory však mají své vlastní nedostatky a nedostatky – od nejkratší životnosti až po nejhorší účinnost.
Nejslibnější je tedy motor, který využívá tlakovou sílu expandujícího plynu až do jeho úplného roztažení (při předlisování palivové směsi před zážehem), a nikoli takový, který využívá tlaku paprsku plynu na lopatky turbíny, a to i s rotorem aktivního-reaktivního typu (Parsonsova turbína s dodatečnou expanzí plynů v aparatuře rotorových listů). Za nejperspektivnější spalovací motor v dohledné době pro pozemní bojovou techniku lze tedy považovat vícepalivový raketový motor, vyrobený na principech Wankelova rotačního pístového motoru, u kterého se zastavím trochu podrobněji.
Wankelův motor s rotačními písty vynalezen v roce 1957. Jde o čtyřdobý motor (“pracovní” je jen každý čtvrtý zdvih), u kterého se přes planetové soukolí otáčí rotor připomínající trojúhelník a střídavě zvětšuje a zmenšuje objem komory mezi rotorem a stěnami (statorem). Výhody: jednodušší konstrukce (vyžaduje o 35-40% méně dílů než běžný motor), téměř 2x nižší hmotnost při stejném výkonu, kompaktnější, prakticky bez vibrací. Nevýhody: krátká životnost kvůli špatným těsnicím materiálům, vyšší spotřeba paliva, obtížný rotační pohyb (sám Wankel byl nespokojen s planetární koncepcí a zbytek života hledal jednodušší variantu).
Některé firmy v zahraničí vybavovaly sériové vozy motory s rotačními písty, ale u nás VAZ vyráběl motory Wankel o výkonu 40 koní. a vybavil jím některé „klasické“ modely a koncem 90. let uvedl na trh předsériový rotační dieselový motor o efektivním výkonu 247 kW s keramickými součástmi těsnících prvků, ale z důvodů, které jsou pro Rusa zcela pochopitelné, byl projekt pohřben a výroba motorů samotná ukončena.
Zde je další domácí vývoj, který se odehrává v kovu, vývoj inženýra V.I Sokolova, prováděný firmou “Dvigatel” pod heslem “Tepelný motor s kruhovým vratným pohybem prstencového pístu”.
 |  |
Kromě toho, zároveň Spolu s Wankelem navrhl další inženýr Balandin svou vlastní verzi „Spojovací tyče“, která zlepšila provozní podmínky pístu, výrazně zvýšila životnost třecího páru „pístní kroužek – vložka válce“, ale zároveň se ukázalo, že slabým místem z hlediska spolehlivosti je mechanismus pro převod lineárního pohybu na rotační pohyb.
Když se mluví o domácím vývoji na poli pokročilých spalovacích motorů, nelze nemluvit rotační motor NEPŘETRŽITÉ SPALOVÁNÍ stejný Balandin, postavený pod heslem „Demiurge č. 1“ v roce 1998.
V tomto motoru jsou kompresní, spalovací a expanzní komory pracovní směsi prostorově odděleny a procesy komprese, spalování a expanze jsou časově kombinovány, což zajišťuje nepřetržité spalování pracovní směsi, a proto umožňuje zvýšit měrný výkon V pracovním modelu motoru o hmotnosti 4 kg je výkon v provozním režimu 23 kW. To je na úrovni nejlepších proudových motorů, přičemž spotřeba palivové směsi je přibližně 57 g/sec. Nejslibnějším a nejrealističtějším příkladem rotačního spalovacího motoru je však motor navržený a vyrobený v Novosibirsku konstrukčním týmem pod vedením E. Gorlova, A. Konshinova a V. Spichkina. Motor je umístěn jako „Rotary-Screw ICE“, jeho testy byly tak úspěšné, že po krátké publikaci v časopise „Engine“ v roce 2000 informace o tomto vývoji téměř úplně zmizely z otevřených zdrojů, což potvrzuje jeho výkon a vyhlídky.
V tomto provedení probíhá proces stlačování směsi (vzduchu nebo směsi vzduchu a paliva) a spalování v turbínovité konstrukci složené z prvků se složitým konkávním kónickým sféricko-helikoptérovým povrchem. V takové turbíně se malé uzavřené objemy pohybují podél osy motoru zleva doprava. Na levé straně, jak se tyto objemy pohybují, zmenšují se (stlačuje se palivová směs), ve středu se palivo zapaluje a poté se pohybuje doprava podél expandujících objemů.
 |  |
Výhodou takového motoru oproti proudovému proudovému motoru je, že ve stlačených/roztažených izolovaných objemech je možné „odebrat“ z paliva více energie než v případě „zásahu“ silného proudu horkého plynu do klasické turbíny. Navíc jsou k dispozici nižší otáčky hřídele, a tudíž se snižují ztráty v převodovce (oproti proudovému motoru, kde se turbína může otáčet frekvencí až 100000 500 ot/min i více a na výstupu je potřeba 3000-XNUMX ot/min).
K zásluhám. Konstrukce šroubového motoru s vnitřním spalováním ve srovnání s motorem s axiálním pístem by měla být připsána: absence kluzného tření; teoreticky neomezený kompresní poměr kompresoru a v souladu s tím expanzní poměr turbíny; široký provozní rozsah otáček motoru, možnost provozu ve vysokých otáčkách; jednoduchost designu; žádné nevyvážené hmoty, nízká hladina hluku; malá hmotnost a rozměry; schopnost provozu na jakýkoli typ kapalného a plynného paliva; možnost zavádění činidel do spalovací zóny pro zlepšení charakteristik; vysoký měrný výkon a účinnost motoru.
Provedené výpočty ukázaly, že šestikomorový spalovací motor s kompresním expanzním poměrem 20 při provozu na směs metanu a vzduchu vyvine výkon až 125 kW při otáčkách výstupního hřídele 7000 ot./min. Její délka je 460 mm, maximální průměr turbíny je 199 mm a účinnost je leží v rozmezí 60. 70 %. Nevýhodou je složitost technologie výroby prvků (vzhledem k materiálu a požadované přesnosti).
Myšlenka rotačního motoru je příliš lákavá: když má konkurent k ideálu hodně daleko, zdá se, že se chystáme překonat nedostatky a nedostaneme motor, ale dokonalost samotnou. Mazda byla v zajetí těchto iluzí až do roku 2012, kdy poslední model s rotačním motorem – RX-8.
Historie vzniku rotačního motoru
Druhý název rotačního motoru (RPE) je Wankel (jakýsi analog dieselového motoru). Právě Felixu Wankelovi se dnes připisují vavříny vynálezce motoru s rotačním pístem a dokonce se vypráví dojemná historka o tom, jak Wankel kráčel ke svému cíli ve stejnou chvíli, kdy k němu kráčel Hitler.
Ve skutečnosti bylo všechno trochu jinak: talentovaný inženýr Felix Wankel skutečně pracoval na vývoji nového jednoduchého spalovacího motoru, ale byl to jiný motor založený na společné rotaci rotorů.
Po válce byl Wankel naverbován německou firmou NSU, která se zabývala především výrobou motocyklů, do jedné z pracovních skupin pracujících na vytvoření rotačního motoru pod vedením Waltera Freuda.
Wankelovým přínosem byl rozsáhlý výzkum těsnění rotačních ventilů. Základní konstrukční a konstrukční koncept je Freudův. Wankel měl sice patent na duální rotaci.
První motor měl rotační komoru a stacionární rotor. Nepříjemnost designu vedla k myšlence na změnu rozvržení.
První motor s rotujícím rotorem začal fungovat v polovině roku 1958. Od svého potomka našich dnů se lišil jen málo – kromě toho, že svíčky musely být přesunuty k tělu.
Felix Wankel a jeho první rotační motor
Brzy společnost oznámila, že se jí podařilo vytvořit nový a velmi slibný motor. Licence na výrobu tohoto motoru si zakoupila téměř stovka automobilek. Třetina licencí skončila v Japonsku.
RPD v SSSR
Sovětský svaz ale licenci vůbec nekoupil. Vývoj vlastního rotačního motoru začal tím, že německý vůz Ro-80, jehož výroba NSU začala v roce 1967, byl přivezen do Unie a demontován.
Sedm let poté se v závodě VAZ objevila konstrukční kancelář, která vyvíjela výhradně rotační pístové motory. Díky jeho práci se v roce 1976 objevil motor VAZ-311. Ale první palačinka se ukázala jako hrudkovitá a rafinovala se dalších šest let.
První sovětský sériový automobil s rotačním motorem byl VAZ-21018, představený v roce 1982. Bohužel již v pilotní sérii selhaly motory všech vozů. Pokračovali v jeho zdokonalování další rok, poté se objevily VAZ-411 a VAZ 413, které byly přijaty bezpečnostními silami SSSR. Tam se o spotřebu a krátkou životnost motoru nijak zvlášť nestarali, ale potřebovali rychlá, výkonná, ale nenápadná auta, která dokážou držet krok s cizím autem.
VAZ s rotačním motorem (GAI)
RPD na Západě
Na Západě rotační motor nezaznamenal boom a jeho rozvoj v USA a Evropě ukončila palivová krize v roce 1973, kdy ceny benzínu prudce vzrostly a kupující automobilů se začali ptát na cenu modelů s úsporným palivem. spotřeba.
Vzhledem k tomu, že rotační motor spotřeboval až 20 litrů benzinu na sto kilometrů, jeho prodeje v době krize klesly na limit.
Jedinou zemí na východě, která neztratila víru, bylo Japonsko. I tam ale výrobci rychle ztratili zájem o motor, který se nechtěl zlepšovat. A nakonec zbyl jeden vytrvalý cínový vojáček – firma Mazda. V SSSR nebyla palivová krize pociťována. Výroba vozidel s RPD pokračovala i po rozpadu Unie. VAZ přestal pracovat na RPD až v roce 2004. Mazda se dohodla až v roce 2012.
Vlastnosti rotačního motoru
Konstrukce je založena na rotoru trojúhelníkového tvaru, jehož každá z čel má konvexnost (trojúhelník Reuleaux). Rotor se otáčí planetárním způsobem kolem centrální osy – statoru. Vrcholy trojúhelníku popisují složitou křivku zvanou epitrochoid. Tvar této křivky určuje tvar kapsle, ve které se rotor otáčí.
Rotační motor má stejné čtyři zdvihové cykly jako jeho konkurent, pístový motor.
Mezi okraji rotoru a stěnami kapsle jsou vytvořeny komory, jejich tvar je proměnlivý srpkovitý, což je příčinou některých významných konstrukčních nedostatků. Pro izolaci komor od sebe se používají těsnění – radiální a koncové desky.
Porovnáme-li rotační spalovací motor s pístovým, jako první vás upoutá, že během jedné otáčky rotoru dojde k trojnásobnému zdvihu výkonu a výstupní hřídel se otáčí třikrát rychleji než samotný rotor.
У RPD postrádá rozvod plynu, což značně zjednodušuje jeho design. A vysoký měrný výkon s malou velikostí a hmotností jednotky jsou kvůli chybějícímu klikovému hřídeli, spojovací tyče a další rozhraní mezi kamerami.
Výhody a nevýhody rotačních motorů
Výhody
- To dobré na rotačním motoru je se skládá z mnohem menšího počtu dílůnež jeho konkurent – o 35-40 procent.
- Dva motory o stejném výkonu – rotační a pístové – se budou velikostí značně lišit. Píst dvakrát větší.
- Rotační motor nezažívá velké zatížení při vysokých rychlostech i když vůz zrychlíte na rychlost vyšší než 100 km/h na nízký převodový stupeň.
- Auto s rotačním motorem se snadněji vyvažuje, což zvyšuje stabilitu stroje na cestě.
- Ani ta nejlehčí vozidla netrpí vibracemi, protože RPD vibruje mnohem méně než píst. K tomu dochází v důsledku větší vyváženosti RPD.
Omezení
- Motoristé by to označili za hlavní nevýhodu rotačního motoru malý zdroj, což je přímý důsledek jeho designu. Těsnění se extrémně rychle opotřebovávají, protože jejich pracovní úhel se neustále mění.
- Motor prožívá teplotní rozdíly každý tah, což také přispívá k opotřebení materiálu. Přidejte k tomu tlak, který je vyvíjen na třecí plochy, které lze ošetřit pouze vstřikováním oleje přímo do rozdělovače.
- Opotřebení těsnění způsobuje netěsnosti mezi komorami, jejichž tlakové rozdíly jsou příliš velké. Z tohoto důvodu se snižuje účinnost motoru a zvyšuje se poškození životního prostředí.
- půlměsíc Tvar komor nepřispívá k úplnému spálení paliva, a rychlost otáčení rotoru a krátká délka pracovního zdvihu jsou důvodem pro vytlačování ještě příliš horkých, ne zcela spálených, do výfuku. Kromě zplodin hoření benzinu je přítomen i olej, který dohromady činí výfuk velmi toxickým. Píst – méně poškozuje životní prostředí.
- Přehnané chutě benzinový motor již byl zmíněn a „sežere“ až 1 litr oleje na 1000 km. Navíc, jakmile zapomenete na olej, můžete skončit s většími opravami, ne-li výměnou motoru.
- Vysoká cena – vzhledem k tomu, že výroba motoru vyžaduje vysoce přesné vybavení a velmi kvalitní materiály.
Jak je vidět, rotační motor je plný nedostatků, ale pístový je také nedokonalý, takže konkurence mezi nimi na tak dlouho neustala. Je konec navždy? Čas ukáže.