Проходной роторный поршневой двигатель.
Как известно у поршневого двигателя кривошип расположен в сравнительно холодном картере и трущиеся поверхности хорошо изолированы от высокой температуры.
Сочетание рабочего давления и высокой температуры в двигателе Ванкеля ведет к быстрому износу трущихся поверхностей эксцентрикового механизма, расходу масла и энергетическим потерям.
Другой недостаток проявляется в работе уплотнительных пластин. При вращении ротора уплотнительные пластины скользят по эпитрохоидной поверхности корпуса, меняя углы скольжения в широких пределах. Помимо этого с увеличением оборотов растут центробежные силы, и увеличивается давление пластин на стенки корпуса, что приводит к дополнительному износу, которые так же отсутствуют у поршневого двигателя.
Трение, вызываемое вышеуказанными причинами, приводит к нарушению линии эпитрохоиды корпуса, что так же сказывается на быстром износе трущихся деталей.
В результате, несмотря на повышенный расход масла ресурс двигателя Ванкеля почти на порядок ниже, чем у поршневого двигателя.
К сожалению, эти недостатки являются принципиальными, и это значительно ограничивает применение РПД Ванкеля.
Кроме двигателя Ванкеля существует множество проектов роторно-поршневого исполнения, с использованием эксцентрикового механизма или другими сложными способами создания полости переменного объема, но двигатель Ванкеля до сих пор представляется наиболее удачной и отработанной конструкцией.
Задача нового преобразователя должна состоять в том, чтобы в полной мере соединить преимущества двух первых видов преобразования. Т.е. необходимо в роторно-поршневом двигателе убрать дополнительное трение, обеспечив тем самым более высокие обороты и долговечность уплотнения.
Возможность создания такой конструкции дает проходной роторно-поршневой двигатель (ПРПД), отличающийся от двигателя Ванкеля, который можно определить как эксцентриковый роторно-поршневой двигатель (ЭРПД), отсутствием эксцентрикового механизма и простотой конструкции. В ПРПД ось ротора имеет жесткое соединение с осью выходного вала, что исключает паразитное давление трущихся поверхностей.
В нем рабочая полость имеет простую цилиндрическую форму, а ротор плотно прилегая к поверхности цилиндра, практически скользит по поверхности цилиндра, не оказывая давления на стенки корпуса. При этом уплотнения и температурный режим максимально приближаются к показателям поршневого двигателя, а отсутствие паразитного трения и возвратно поступательных деталей позволят достигать высоких оборотов характеризующих газотурбинный двигатель.
Помимо отсутствия эксцентрикового механизма ПРПД отличает от двигателя Ванкеля разделение функциональных узлов, который выполнен по схеме газотурбинного двигателя.
Т.е компрессор выделен в отдельный функциональный узел. Такая схема позволит оптимизировать конструкции функциональных узлов и накапливать сжатый воздух при торможении транспортного средства, что даст дополнительную экономию топлива и при необходимости кратковременное увеличение мощности.
Помимо этого появляется возможность создавать двигатель внешнего сгорания, используя в качестве рабочего тела жидкость или сжатый газ.
На рис.1. Представлена схема проходного роторно-поршневого двигателя. Как видно из рисунка его механизм содержит минимум простых деталей. Нестандартными являются только корпус, ротор, проходной барабан и ресивер. Работает двигатель следующим образом:
Источником аккумулированной энергии в ресивере обеспечивается высокое давление воздуха и проворачивание механизма. Далее после прохождения зубом ротора точки 2 в камеру впрыскивается сжатый воздух с топливом и смесь поджигается. Расширяющийся газ толкает зуб ротора пока он не перейдет точку 1.
В этом режиме корпус, вращающийся пропускной барабан и подвижный зуб ротора обеспечивают уплотнение рабочей камеры. После прохождения точки 1 отработанные газы выбрасываются в атмосферу, а зуб ротора проходит через развернувшееся окно пропускного барабана в начало оборота и далее цикл повторяется.
В это время зуб ротора компрессора, сидящий на общем валу, сжимает воздух в рабочей полости компрессора. По достижении определенного давления открывается однонаправленный клапан, и воздух поступается в ресивер.
В компрессоре, как и в преобразователе, работает проходной барабан и после прохождения точки 3 зуб ротора проходит через окно барабана.
В момент сжатия воздуха в камеру компрессора с обратной стороны зуба ротора поступает новая порция воздуха и после прохождения зубом ротора точки 4 вновь идет процесс сжатия.
Огромный парк тепловых преобразователей, на котором работает современный транспорт, по мере увеличения объемов потребления энергии перестает отвечать возрастающим техническим, экономическим и экологическим требованиям.
Постоянно растущая потребность требует компактных мощных и экологически чистых преобразователей тепловой энергии подобных электрическим машинам, но обладающих автономностью и малым весом.
Однако существующие тепловые преобразователи энергии представляют собой хорошо отработанные конструкции и практически работают на пределе своих возможностей. Напрашивается вывод, что надо создавать принципиально новый преобразователь тепловой энергии, обладающий существенной новизной, выгодно отличающий его от существующей техники.
Для того чтобы найти эту новизну необходимо рассмотреть работу имеющегося парка машин и определить положительные и отрицательные свойства того или иного принципа работы.
Рассматривая парк тепловых преобразователей можно заметить, что принципиально мы имеем дело всего с тремя различными видами преобразования.
К первому виду преобразования можно отнести все поршневые двигатели, в которых рабочее тело расширяется в замкнутой полости переменного объема и передает свою энергию подвижным частям механизма.
Этот вид преобразования отличается высокой экономичностью обусловленной высокой степенью уплотнения и высоким температурным режимом, но наличие возвратно поступательного движения деталей ограничивает обороты и массогабаритные характеристики двигателя.
Ко второму виду теплового преобразования относятся все машины, где энергия рабочего тела передается газовой турбине. Этот вид машин не имеет возвратно поступательных деталей, что позволяет создавать компактные высокооборотные двигатели.
К сожалению, слабое уплотнение между корпусом и турбиной, а так же сравнительно низкий температурный режим требует большого расхода топлива. При этом значительная часть выработанной энергии уходит с рабочим телом, минуя турбину.
Такой вид преобразования хорош в основном для реактивной авиации, где львиная доля энергии рабочего тела необходима для создания реактивной тяги, но он не приемлем для экономного получения механической энергии.
Сравнивая проходной роторно-поршневой двигатель и двигатель Ванкеля можно заметить, что в ПРПД отсутствует эксцентриковый механизм, а силовое давление действует только на хорошо охлаждаемые опорные подшипники.
Далее уплотнительные пластины скользят по поверхности цилиндра под постоянным углом и имеют необходимую контактную поверхность. Центробежные силы уплотнительных пластин можно легко компенсировать противовесом, расположенным с противоположной стороны ротора.
Износ цилиндрической внутренней поверхности корпуса происходит равномерно и также легко компенсируется уплотнительной пластиной.
К сожалению, дополнительный узел двигателя в виде проходного барабана создает свои проблемы в части надежности уплотнений между камерами. Качество уплотнения этого узла в основном определяется на двух направлениях.
Проблема боковых уплотнений решаются по аналогии с двигателем Ванкеля и их можно не рассматривать. Первое направление это окружность барабана скользящая по линии корпуса. На данном участке поверхности плотно прилегают друг к другу, словно поверхности подшипника скольжения с большой площадью контакта, что обеспечивает надежное уплотнение.
Второе направление относится к малому радиусу ротора, по которому катится барабан. Обе эти поверхности имеют цилиндрическую форму и их контактная поверхность минимальна.
Это практически единственный узел, требующий наиболее тщательной проработки по оптимизации параметров двигателя. К сожалению, такое уплотнение в технике современных механизмов не применяется и это требует дополнительных работ по его освоению.
Однако можно предположить, что проходной барабан должен деформироваться по линии касания, словно автомобильное колесо на дороге, повышая контактную поверхность и тем самым обеспечивать необходимое уплотнение.
Остальные проблемы, которые могут возникнуть в процессе создания проходного роторно-поршневого двигателя, как представляется, находятся в рамках освоенной техники ДВС.
Фактически эти два вида преобразования определяют современные преобразователи тепловой энергии применяемых на транспорте.
В 1957 году немецкий инженер Ванкель создал роторно-поршневой вид преобразователя, который взял лучшие качества у поршневого и газотурбинного двигателя. Т.е. по степени уплотнения и температурному режиму он приближается к поршневому двигателю, но в нем отсутствуют возвратно поступательные детали.
Однако, преимущества двух предыдущих видов преобразования в двигателе Ванкеля использованы недостаточно полно, что значительно ограничивает ресурс работы двигателя и его широкое использование.
Несмотря на сложное взаимодействие деталей конструкции, нетрудно заметить, что двигатель Ванкеля по сути является хорошо сбалансированным поршневым двигателем. Его главными отличиями можно считать отсутствие сложного газораспределительного механизма и шатуна.
В результате исключения из схемы большого количества деталей двигатель Ванкеля при одинаковой мощности с поршневым двигателем почти в два раза превосходит его по массогабаритным характеристикам и отличается пониженной вибрацией.
Его массогабаритные характеристики являются особенно привлекательными для мобильных объектов, где объем, вес и экономичность являются доминирующими факторами. К сожалению, в процессе более чем полувековой эксплуатации выявились и значительные недостатки двигателя.
Главный из них это малый ресурс работы. Одной из причин как нетрудно предположить из схемы является высокая температура трущейся поверхности между ротором и эксцентриком, которая возникает вследствие низкого теплового сопротивления между камерой сгорания и эксцентриком, поскольку шатуна как элемента теплового сопротивления в двигателе Ванкеля не существует. Вращение ротора относительно корпуса и эксцентрика затрудняет отвод тепла от трущейся поверхности.
