Цикл двигуна Ванкеля Ротарі

Різна форма для тих самих чотирьох ходів

Кожен двигун внутрішнього згоряння, незалежно від своєї архітектури, повинен виконувати однакові чотири завдання: втягувати суміш повітря та палива, стискати її в меншому об’ємі, запалювати для вивільнення енергії та відводити відпрацьовані гази. У звичайному двигуні поршень виконує всі ці чотири завдання, змінюючи напрямок двічі за цикл, що пояснює необхідність мантики для перетворення лінійного руху на обертання, розподільного валу та механізму клапанів для відкриття та закриття портів у правильній послідовності, а також балансувальних шипів для збалансування постійного запуску та зупинки поршня. Двигун Ванкеля виконує ці ідентичні чотири завдання без будь-якого зміни напрямку обертання. Його ротор безперервно обертається в одному напрямку, а об’єм камери розширюється та звужується, коли бокові частини ротора проходять повз нерухомі впускні та випускні отвори, вирізані у стінці корпусу або бічних пластинах. Оскільки нічого в двигуні не сповільнюється до нуля та не змінює напрямок, як це необхідно поршням у верхній і нижній мертвій точці, ротаційний двигун уникає цілої категорії вібрацій і механічного напруження, які побудовано навколо управління поршнями. Це основний принцип роботи дизайну Ванкеля: чотиритактний цикл — це послідовність змін об’єму та газообміну, а не вимога до поступального руху. Будь-який механізм, який надійно розширює та звужує герметичний камеру в правильній послідовності, відкриваючи відповідні порти у потрібний час, може запустити цикл. Бокові частини ротора, разом із портами корпусу, це і роблять. Впуск та випуск у двигуні Ванкеля зазвичай регулюються переміщенням бокових частин ротора над фіксованими отворами портів без необхідності окремого механізму клапанів, хоча деякі порти використовують допоміжні клапани для налаштування.

Ротор, корпус та крива епітрохоїда

Ротор має форму трикутника з плавно вигнутими, виступаючими боками, а не прямими, ця форма походить від трикутника Рулле, кривої постійної ширини. Кожна з трьох його вершин, що називаються вершинами, оснащена пружинно-запірною пробкою, яка безперервно тисне на внутрішню стінку корпусу, подібно до того, як поршневий лаштунок тисне на стінку циліндра. Корпус навколо ротора не є колом. Він має форму заокругленої, видовженої восьмірки – крива, математично класифікована як епітрохоїда: шлях, що прокладає точка на колі під час обертання цього кола навколо зовнішньої сторони меншого фіксованого кола. Ця конкретна крива не є стилістичним вибором; це саме та форма, яка гарантує, що всі три вершини ротора одночасно залишаються в дотичному контакті з внутрішньою стінкою корпусу протягом руху ротора – це те, що дозволяє трьом камерам між ротором і корпусом залишатися відокремленими одна від одної в будь-який момент. Ротор не просто обертається на місці. Він виконує складний рух: він обертається навколо власного осі, а ця вісь також ексцентрично обертається навколо центрального вихідного валу двигуна. Внутрішній зубчатий передавач, закріплений у корпусі, з’єднаний із відповідним зубчастим колесом всередині ротора, фіксуючи два рухи разом із співвідношенням 3 до 1, щоб вихідний вал обертався тричі на кожне повне обертання ротора. Це шестеренні забезпечують математичну синхронізацію шляху ротора з кривою епітрохоїда корпусу, запобігаючи випадковому відхиленню ротора від стінок. Сам вихідний вал не проходить прямо через центр; він має ексцентриковий зуб, на який їде ротор, подібно до кривошипного поршня, таким чином рух обертання ротора перетворюється на простий обертання валу, що в кінцевому підсумку приводить в дію колеса.

Три камери, Три одночасні цикли

Одиночний ротор двигуна Ванкеля в будь-який момент часу має рівно три робочі камери, одна за кожним ребром трикутнього ротора. Коли ротор обертається та здійснює оберт, кожна камера безперервно змінює свій об'єм, збільшуючись, зменшуючись, знову збільшуючись, у повторюваному ритмі, пов’язаному з рухом ротора. У будь-який момент часу, оскільки три камери зміщені одна відносно одної навколо ротора, кожна знаходиться на різній стадії циклу впуск-з compression-спалювання-вихлоп. Поки одна камера забирає повітряно-парову суміш, друга може стискати свій заряд, а третя вже минула фазу спалювання та виштовхує відпрацьовані гази. Це концептуально схоже на багатоциліндровий поршневий двигун, де різні циліндри запалюються з перервами, зате тут це відбувається в межах однієї обертаючої системи, а не між кількома окремими циліндерами. Оскільки потужний хід передається в двигуні на значну частину кожного оберту ротора, і оскільки вал приводу обертається тричі на кожен оберт ротора, одиночний ротор Ванкеля виробляє три спалювання на один оберт ротора, розподіляючи потужність більш рівномірно в часі, ніж порівняно з одноциліндровим або двоциліндровим поршневим двигуном. Це прямий механічний привід того, чому двигуни Ванкеля відомі своєю плавною, вібрацією вільною роботою, особливо на високих обертах. Більшість серійних роторних двигунів, включаючи ті, що випускає Mazda, насправді використовують два ротори, розташовані один над одним на спільному валу та зміщені фазами одна від одної, подвоюючи кількість перекриваючихся спалювань і ще більше згладжуючи передачу крутного моменту, що є причиною того, чому ці двигуни стали асоціюватися з характерним плавним, високим обертанням.

Чого позбавляється двигун Ванкеля

Список деталей, яких немає в двигуні Ванкеля порівняно з поршневим двигуном подібної потужності, справді вражає. Відсутній поступальний поршень, отже не потрібен крильчатий вал із важкими противагами для балансування постійного прискорення та уповільнення поршня. Немає тягрових стержнів, що з’єднують поршні з крильчастим валом. Зазвичай відсутній розподільний вал і система клапанів типу «поппет», пружини клапанів, кулачки або підсилювачі, оскільки всмоктування та випуск газу здійснюються простим переміщенням поверхні ротора, що контактує з корпусом, через фіксовані отвори під час обертання. Менша кількість рухомих частин безпосередньо означає менше деталей, які можуть зношуватися, менше компонентів, що потребують точного узгодження часових інтервалів між ними, і фізично легший двигун для заданої потужності, оскільки ротаційний дизайн компактно вміщує об’єм в невеликий корпус замість ряду або блоку циліндрів. Рух ротора також є природно обертальним, а не поступальним, що пом'якшує навантаження на кріплення двигуна та зменшує характерні вібрації, які генеруються поршнями в традиційних двигунах від прискорення та уповільнення. Ці якості робили двигун Ванкеля справді привабливим для автовиробників, які експериментували з ним у 1960-х і 1970-х роках, і вони є причинами того, що невеликі двигуни Ванкеля досі використовуються сьогодні в таких застосуваннях, як генератори-електричні розширення для електричних автомобілів, двигуни безпілотників та допоміжні силові установки, де важливі компактність, легкість і плавна робота, а не максимальна паливна ефективність. Ro 80 компанії NSU та серія Mazda RX, яка завершилася двигуном Renesis для RX-8 з Naturally-aspirated, були найяскравішими автомобільними демонстраціями цього дизайну.

Чому двигун Ванкеля не став масовим рішенням

Незважаючи на свою механічну елегантність, двигун Ванкеля ніколи не витіснив поршневий двигун, і причини цього добре задокументовані, а не таємничі. Найбільшою проблемою був знос верхівкового ущільнювача. Ущільнювач кожного ротора рухається безперервно по стінці корпусу на високій швидкості, під час горіння та під впливом тепла протягом усього терміну служби двигуна – це значно складніший цикл контакту, ніж у поршневого кільця. Ранні двигуни Ванкеля, включаючи NSU Ro 80, страждали від знаменитих збоїв ущільнювачів, що призводило до дорогих претензій на гарантію та довготривалого репутаційного ущербу; пізніші конструкції, включаючи Mazda, використовували покращені матеріали ущільнювачів і покриття корпусу, які зробили проблему керованою, але повністю не усунули додаткову чутливість до зношування, яка входить в геометрію. Друге, сама форма циліндро-коловідного простору працює проти ефективності. Розташований між обличчям ротора та стінкою корпусу витягнутий, місяцеподібний простір має високий коефіцієнт поверхні до об'єму порівняно з компактним циліндро-коловідним простором поршневого двигуна, що означає, що більше тепла втрачається в навколишній метал під час горіння, а не перетворюється на корисний тиск, і полум’яна фронтальна хвиля проходить довше та більш незграбно, щоб повністю спалити суміш. Ця комбінація безпосередньо погіршує теплову ефективність, що означає, що двигуни Ванкеля історично забезпечували помітно гірший економічний показник палива порівняно з поршневими двигунами. Той самий схильність до неповного згоряння підвищує викиди несправних гідровуглецьових сполук, що стало все більш серйозною проблемою, коли екологічні норми посилювалися з 1970-х років і зрештою призвело до того, що Mazda припинила виробництво RX-8 у 2012 році. Ущільнення на бічних гранях ротора, споживання олії для змащування ущільнювачів та труднощі досягнення високих коефіцієнтів стиснення посилювали ці виклики. Це не робить двигун Ванкеля невдалим задумом; це робить його конструкцією з справді іншого набору компромісів, які віддавали перевагу компактності та плавності ефективності та довговічності ущільнювачів, що й пояснює, чому він знайшов віддану нішу замість масового поширення.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте The Wankel Rotary Engine Cycle і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.