Cykl silnika Wankel'a rotacyjnego

Różny kształt dla tych samych czterech faz

Każdy silnik spalinowy musi wykonać te same cztery zadania: wprowadzić mieszankę powietrza-paliwa, zmniejszyć objętość tej mieszanki, podnieść ją do płomienia i wydać energię oraz wypchnąć gaz wydechowy. W konwencjonalnym silniku piston wykonuje te cztery zadania, odwracając się dwukrotnie w ciągu cyklu, dlatego potrzebuje oszczepka do przekształcenia ruchu liniowego w obrotowy, kredki i urządzanie z drzwiczkami do otwierania i zamknięcia portów w odpowiednim porządku oraz balansy do równowagi regularnych startów i zatrzymań pistonu. Silnik Wankel wykona te same cztery zadania bez odwracania się ani razu. Jego rotora obrotowy kontynuuje się bez przerwy w jednym kierunku, a objętość komory zmienia się sama w zależności od tego, jak przegnane są brzegi rotora porty wprowadzające i wydychające wbudowane w ścianę oszczepka lub boczne płyty. Ponieważ nic w silniku nigdy nie zatrzymuje się ani nie odwraca tak, jak piston musi na początku i końcu cyklu, obrotowy silnik unika kategorii drgań i mechanicznego nacisku, które konwencjonalne silniki spalinowe mają do zarządzania. Jest to kluczowa myśl za tą konstrukcją Wankela: cztery-fazowy cykl to szereg zmian objętości i wymiana gazów, a nie wymaganie ruchu odwrotnego. Jakiekolwiek urządzenie, które może bez problemu rozszerzać i zrównywany komorę zamkniętą w odpowiednim porządku, otwierając porty w odpowiednim czasie, może uruchomić cykl. Trzy powierzchnie rotora, razem z portami oszczepka, dokładnie to robią. Wpłyni na i wydech w silniku Wankel są typowo kontrolowane prosto przez krawędzie rotora przekraczające ustalone otwory portów, bez potrzeby dodatkowego urządzania z drzwiczkami w większości klasykowych projektów, choć niektóre porty używają dodatkowych drzwiczek do dostosowywania. Elegantność nie polega na tym, że silnik Wankel wykonuje coś innego chemicznie ani termodynamicznie; uruchamia ten sam cztery-fazowy cykl Otto. Elegantność polega na tym, że osiąga te same cele poprzez całkowicie inny, a mechanicznie znacznie prostszy, geometryczny ścieżkę.

Rotor, obudowa i krzywa epitrochoid

Rotor ma kształt trójkąta z łagodnie wygibałymi stronami, a nie prostopadłościanowymi. Forma ta jest pochodna krzywej Reuleaux, krzywej o stałej szerokości. Każda z jego trzech wierzchołków, nazywanych apksami, nosi szpilę sprężynową, która ciągle naciska na ścianę wewnętrzną obudowy, podobnie jak kółko pistoniczne naciśnuje na ścianę cylindra. Obudowa otaczająca rotor nie jest krzywą okręgową. Ma kształt rozszerzonego, owalnego ośmiokąta, matematycznie klasyfikowanego jako epitrochoida: ścieżka tracenia punktu na okręgu podczas jego ruchu po zewnątrz mniejszego okręgu nieruchomego. Ta konkretna krzywa nie jest wyborem stylistycznym; jest to jedyna forma, która gwarantuje, że wszystkie trzy apksy rotora pozostają w kontakcie poruszającym się z obudową jednocześnie podczas ruchu rotora, co pozwala na utrzymanie zamkniętego stanu między trzema komorami rotora a obudową. Rotor nie tylko kręci się miejscowo. Wykonuje złożony ruch: kręci się wokół własnej osi, podczas gdy ta osią orbituje ecentrycznie wokół osi wyjściowej silnika. Wewnętrzne kółko przypięte do obudowy kołami zepsuta jest z pasującym kolkiem wewnątrz rotora, co łączy te dwa ruchy w stałe stosunku 3:1, tak że osi wyjściowa obraca się trzykrotnie dla każdego pełnego obrotu rotora. To sprzężenie jest to, co utrzymuje ścieżkę rotora matematycznie zgodną z kształtem epitrochoidy obudowy, a nie pozwala rotorni na dotarcie do ścian. Sam osi wyjściowa nie przechodzi prosto przez środek; ma ecentryczny lobię, na którym porusza się rotor, podobnie jak w przypadku journala karkownika, co przekształca ruch orbitujący rotora w prosty obrot osi, który w koncu steruje kołami.

Trzy komory, trzy simultanowe cykle

Silnik Wankelowy o jednym rotorku ma dokładnie trzy pracujące komory w każdym momencie, każda założona za jedną z trzech ścian rotorka. Podczas spinowania i orbity rotorka, każda komora ciągle zmienia objętość, rosnąc, zredukowana, ponownie rosnąca, w rytmie powtarzającym się związany z ruchem rotorka. W dowolnym momencie, ponieważ trzy komory są przesunięte względem siebie wokół rotorka, każda znajduje się na innym etapie sekwencji wdech-pressja-zakłady-wydech. Podczas gdy jedna komora przyciąga mieszankę powietrza i paliwa, druga może zacząć compressować swoją ilość materiału, a trzecia może już być po zakładzie i wydychać. To koncepcyjnie podobne do silnika pistonowego wielocylinderowego, gdzie różne cylindry odpalają w przesuniętych czasach, z tą różnicą, że tutaj to się dzieje w jednej rotacyjnej kompozycji, a nie na kilku oddzielnych cylindrow. Ponieważ gdzieś w silniku jest dostarczana siła w ciągu dużego ułamka każdej obraty rotorka, a ponieważ osłona wyjściowa obrotuje się trzy razy za każdym obratem rotorka, silnik Wankel o jednym rotorku produkuje trzy zdarzenia zakłady na każdy obrót rotorka, rozkładając dostarczanie mocy w sposób znacznie bardziej równomierny w czasie niż silnik pistonowy o porównywalnej liczbie jednorodnych lub dwicylindrowych cylindrów. To bezpośrednia mechaniczna przyczyna, dlaczego silniki Wankel są słynne z mlecznego i bezwibracyjnego działania, szczególnie przy wysokich prędkościach silnika. Najbardziej produkcyjne rotatory, w tym te od Mazda, rzeczywiście używają dwóch rotorów stosowanych na wspólnym osiowym obrotu, przesuniętych w fazie względem siebie, podwojując liczbę zdarzeń zakłady nadmiarowych i dalsze ujemne skręcenia dostarczania mocy, co jest częścią powodu, dla czego te silniki stały się związane z charakterem mlecznym, wysokiej prędkości za kierownicą.

Co silnik rotacyjny usuwa

Lista części, które silnik rotacyjny nie ma w porównaniu do silnika pistonowego o podobnej mocy wydzielania, jest naprawdę zaskakująca. Brak pędzącej płyty pistonicznej oznacza brak szpindla z ciężkimi przeciwpędzonymi, który byłby potrzebny do równowagi ciągłego przyspieszenia i hamowania płyty pistonicznej. Brak jest również połączeń między płytkami pistonicznymi a szpindlem. Zwykle nie ma ani karków camshaftowych z systemem valvetrain, ani sprężyn valvetrainu, ani ramion rockera ani podnosicieli, ponieważ wejściowe i wyjściowe otwory są zwykle otwierane i zamknięte przez powierzchnię własnego obrotu rotora, która przesuwa się nad ustalone otwory. Mniej ruchomych części przekłada się bezpośrednio na mniejszą liczbę rzeczy, które mogą zaniknąć, mniej komponentów wymagających dokładnej synchronizacji wzajemnej i mniejszy, leżejszy silnik dla danej mocy wydzielania, ponieważ projekt rotacyjny wpakowuje objętość w skomplikowanej obudowie zamiast w rzędzie lub bloku cylindrów. Ruch rotora jest również naturalnie obrotowy, a nie pędzący, co jest milderzywskim dla montażu silnika i generuje mniej charakterystycznego drgań, które wywołują pistoniczne silniki z ich ruchu start-stop. Te cechy sprawiły, że silnik rotacyjny był naprawdę atrakcyjny dla producentów samochodowych eksperymentujących z nim w latach 60. i 70. wieku, a te same powody nadal są powodem, dlaczego małe jednostki Wankel pojawiają się dzisiaj w aplikacjach takich jak generatory rozszerzające zakres dla pojazdów elektrycznych, silniki dronów i dodatkowe systemy siłowe, gdzie kompactność, lekkość i płynne działanie mają więcej znaczenia niż ostateczna efektywność paliwa. NSU Ro 80 oraz długotrwałe serii Mazda RX, zakończone naturalnie-aspirowanym silnikiem Renesis w RX-8, były najbardziej widocznej prezentacją projektu w automotoryce.

Dlaczego silnik Wankel pozostał konstruacją niestandardową

Nawet mimo swego estetycznego zastosowania mechanicznego, silnik Wankel nigdy nie zastąpił silnika pistonowego, a powody to są dobrze dokumentowane, a nie tajemnicze. Najbardziej trwającym problemem była uszkodzona osłona wierzchołkowa rotora. Każdy koniec rotora przenosi się ciągle przeciwko ścianie obudowy pod ciśnieniem i temperaturą podczas pracy silnika, co oznacza znacznie bardziej wymagającą cykl rejonu skrzypcowego niż kołyska osłon pistonowych. Wczesne wersje silników Wankel, w tym Ro 80 NSU, cierpiły na znane problemy z osłonami, co prowadziło do kosztownych reklamacji i trwałego uszkodzenia reputacji; późniejsze projektowania, w tym Mazda, używały lepszych materiałów osłon i pokryć obudowy, które uczyniły problem managowalnym, ale nigdy nie całkowicie zniknęło dodatkowe czułość na uszkodzenia związana z geometrią. Drugim problemem była sama forma komory spalania. Długi, krzyżowate przestrzeń między twarzą rotora a ścianą obudowy ma wysoki stosunek powierzchni do objętości w porównaniu z komorą spalania pistonowego, co oznacza większą stratę ciepła do otoczenia metalu podczas spalenia niż przekształcenie go na użyteczne ciśnienie, a pasek ognia musi pokonać dłuższy i bardziej skomplikowany ścieżkę, aby w pełni spalił mieszankę. Ta kombinacja bezpośrednio zaszkodziła efektywności termicznej, co oznacza, że silniki Wankel historycznie oferowały znacznie gorszą spalanie paliwa niż porównywalne silniki pistonowe. Taka sama tarcie spalenia zaszkodziło emisjom niespalonym hydrokarbonom, które stały się coraz bardziej poważnymi problemami w latach 70. XX wieku, gdy regulacje emisji stawały się strictejsze, co w końcu doprowadziło do zakończenia produkcji RX-8 przez Mazda w 2012 roku. Obrót osłon na bocznych twarzach rotora, zużycie oleju dla lubrykacji osłon i trudność osiągnięcia wysokiego stosunku kompresji pogłębiły te wyzwania. Nie sprawia to, że silnik Wankel jest pomysłem niepowodującym; sprawia to konstrukcję z rzeczywiście innej grupy trade-off technologicznych, które przeważyły skompaktowanię i płynność nad efektywnością i trwałością osłon, co dokładnie dlatego znalazł się w niewielkiej specjalizacji a nie w dominacji na rynku.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz The Wankel Rotary Engine Cycle i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.