Автомобильные роторно-поршневые двигатели (1964 год) - часть 1

Н. С. ХАНИН, С. Б. ЧИСТОЗВОНОВ
АВТОМОБИЛЬНЫЕ

РОТОРНО-ПОРШНЕВЫЕ

ДВИГАТЕЛИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ Москва 1964

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие ........................................3

Основные сокращения и обозначения........................6

Развитие автомобильных тепловых двигателей................7

Основные разновидности роторно-поршневых двигателей ... 18

Показатели совершенства роторно-поршневых двигателей 19

Классификация изобретений в области роторно-поршневых двигателей......................................22

Схемы двигателей с вращательно-возвратным движением
поршней............................................25

Схемы двигателей с несколькими поршнями, движущимися

неравномерно в замкнутой рабочей полости ..........30

Схемы двигателей с заслонками, скользящими в пазах

ротора..............................................33

Схемы двигателей с заслонками, скользящими в пазах корпуса............................................38

Схемы двигателей с непрерывным вращением звеньев при постоянной относительной угловой скорости ... 41

Схемы двигателей с планетарным абсолютным или относительным движением роторов......................46

Схемы двигателей с жидкостным кольцом..............48

Схемы двигателей внешнего сгорания........49

Сравнение совершенства различных роторно-поршневых двигателей..........................................51

Элементы рабочего процесса ротор но-поршневых двигателей

с зубчатым зацеплением ротора..........................54

Параметры напряженности рабочего процесса и внешние показатели........................................54

Особенности геометрии и кинематики зацепления механизма роторно-поршневых двигателей с зубчатым зацеплением роторов................................63

Элементы рабочих процессов в системах уплотнений

отсеков............................................90

Фазы газораспределения..............................97

Выбор геометрических размеров двигателей с контактными системами уплотнений отсеков..................98

Современные роторно-поршневые двигатели с планетарным движением ротора.....................100

Развитие роторно-поршневых двигателей с планетарным движением ротора.................100

Устройство и принцип действия роторно-поршневого

двигателя с планетарным движением ротора.....104

Конструкция, результаты испытаний и исследования

роторно-поршневых двигателей фирмы НСУ.....112

Конструкция, результаты испытании и исследования роторно-поршневых двигателей фирмы Кертис-Райт . . 138 Особенности роторно-поршневых двигателей с планетарным движением ротора...............151

Преимущества и недостатки роторно-поршневых двигателей с планетарным движением ротора........162

Приложение..................173

Список патентов и авторских свидетельств, на которые

есть ссылки в тексте................181

Литература....................181
Переплет художника А. Я. Михайлова Технический редактор Н. П. Салазков Корректор В. А. Воробьева

621.437 : 629.113 X 19
В книге рассмотрены различные схемы роторно-поршневых двигателей, предназначенных для автомобилей и других легких самоходных установок.

Приведены данные об особенностях протекания рабочих процессов в таких двигателях. Подробно описаны роторно-поршневые двигатели с планетарным движением ротора.

Рассмотрены также направления дальнейших работ по развитию двигателей данного класса.

Книга предназначена для инженерно-технических работников, интересующихся роторными двигателями.
Рецензент канд. техн. наук И. К. Агеев Редактор инж. Л. И. Егоркина

Редакция литературы по автомобильному и транспортному машиностроению

Зав. редакцией инж. И. М. Бауман

ПРЕДИСЛОВИЕ

В последние годы усилился интерес к проблеме роторных или роторно-поршневых двигателей внутреннего сгорания для автомобилей и других самоходных машин.

Основная идея таких двигателей состоит в замене кривошипно-шатунных механизмов поршневых двигателей другими механизмами с вращательным движением звеньев, но с сохранением поршней, разделяющих проточную часть на отсеки, объем которых циклически изменяется.

В отличие от газотурбинных двигателей в роторно-поршневых двигателях должны происходить те же рабочие циклы, что и в поршневых.

Видоизменение движения поршня (замена кривошипно-шатунного механизма на механизм с вращательным движением звеньев) позволяет значительно повысить компактность и снизить металлоемкость двигателя.

Повышению интереса к роторно-поршневым двигателям со стороны инженерно-технических работников и изобретателей способствовали многочисленные сообщения в периодической печати о двигателях типа Ванкель, образцы которых находятся в стадии совершенствования. Однако информация о таких двигателях в значительной мере носит рекламный характер.

Объем публикаций об особенностях рабочих процессов в роторных двигателях весьма ограничен.

Многочисленные изобретатели, работающие в данной области, недостаточно осведомлены о деятельности своих предшественников и поэтому часто повторно предлагают уже изобретенные схемы. Вследствие этого в данной книге описаны основные виды и схемы роторных двигателей, произведено их сравнение, а также изложены особенности рабочих процессов в этих двигателях. Кроме того, приведены обзор конструкций роторно-поршневых двигателей с планетарным движением ротора типа Ванкель и результаты испытаний на основании литературных материалов. В заключение дается анализ направлений развития роторно-поршневых двигателей.

Книга рассчитана на конструкторов, технологов, исследователей и других лиц, интересующихся роторными двигателями.

В данной книге основные величины даются в Международной системе единиц (СИ), а в скобках приводятся их значения в старых системах.

С 1 января 1963 г. введен в действие ГОСТ 9867-61 «Международная система единиц», который рекомендует предпочтительное применение Международной системы единиц. По этой системе основной единицей длины является метр (м), массы — килограмм (кг), времени — секунда (сек), силы электрического тока — ампер (а), термодинамической температуры — градусы по шкале Кельвина (°К), силы света — свеча (св). Производная единица силы — ньютон (н) равна силе, которая телу массой 1 кг сообщает ускорение 1 м/сек2. В качестве единицы давления (механического напряжения) принимается давление в 1 н на 1 м2 (н/м2). Эта единица давления мала, поэтому в технических расчетах давление рекомендуется выражать в кн/м2 (1 килоньютон = 1000 ньютонов) .

В Международной системе единиц отсутствует в качестве физической величины удельный вес, под которым часто понимают отношение весового количества вещества, определяемого ,на рычажных весах и выражаемого в единицах массы, к его объему. Вместо этого понятия следует применять плотность (объемная масса) с основной единицей измерения кг/м.

Понятие удельный вес (ГОСТ 7664-61) с размерностью н/м2, кГ/м3, дин/см2 представляет собой силу притяжения единицы объема вещества к Земле и .не является справочной величиной, так как сила притяжения не постоянна и зависит от ускорения силы тяжести в точке измерения. Поэтому удельный вес следует определять по формуле

у = рg н/м3,

где р — плотность вещества в кг/м3;

g— истинное ускорение силы тяжести в м/сек2.

Более крупные и мелкие (кратные и дольные) единицы измерения, по сравнению с приведенными в системе СИ, образуются путем их уменьшения или деления на степень числа 10. Наименование кратных и дольных единиц получают прибавлением приставок к наименованиям основных и производных единиц.

В тех случаях, когда производная единица не имеет собственного наименования, а образована из наименований нескольких единиц, основываясь на ГОСТе 7663-55, десятичную приставку необходимо присоединять ко всей единице в целом, т. е. к -наименованию первой единицы, стоящей в числителе (например, меганьютон на квадратный метр, а не ньютон на квадратный миллиметр).

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ

РАЗВИТИЕ АВТОМОБИЛЬНЫХ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

В народном хозяйстве развитых в промышленном отношении стран все большее значение приобретают автомобили и тракторы. Рациональная численность автомобильного парка при населении 100 млн. человек должна составлять несколько миллионов автомобилей. В соответствии с этим суммарная мощность автомобильных двигателей исчисляется сотнями миллионов киловатт, что соизмеримо с суммарной мощностью электрических станций высокоразвитой в промышленном отношении страны при расчете на 100 млн. человек.

Программой Коммунистической партии Советского Союза предусмотрено интенсивное развитие автомобильного транспорта в СССР.

Вследствие использования тракторов для транспортных работ целесообразно приближение численности тракторного парка к автомобильному. В связи с этим, а также в связи с повышением скоростей движения тракторов уменьшается различие в технических требованиях, предъявляемых к автомобильным и тракторным двигателям. Все шире для тракторов применяются дефорсированные двигатели автомобильного типа.

Массовость применения автомобилей и тракторов приводит к большим затратам на их производство и эксплуатацию. Это определяется в первую очередь расходом моторного топлива, количеством металла, необходимого для изготовления и ремонта машин, и очень большими затратами труда на производство, обслуживание и ремонт автомобилей и тракторов.

Уровень показателей производительности, топливной экономичности, металлоемкости, компактности и срока службы автомобиля в первую очередь зависит от соответствующих качеств его двигателя. Поэтому даже некоторое улучшение этих показателей автомобильных двигателей дает большой экономический эффект. Следовательно, несмотря на развитие новых отраслей техники, все большее внимание необходимо уделять усовершенствованию автомобильных двигателей.

Повышение скоростей движения автомобилей, их грузоподъемности и топливной экономичности возможно прежде всего в результате увеличения мощности и эффективного к. п. д. автомобильных двигателей.

В связи с ростом мощности автомобильных двигателей все большее значение приобретают их компактность и вес. Среди удельных показателей компактности и веса различных двигателей наибольшее практическое значение имеет удельная мощность, т. е. мощность, приходящаяся на 1 м3 габаритного объема, и в большей мере мощность, приходящаяся на 1 дм длины двигателя, а также удельный вес двигателя.

Значение удельных показателей автомобильных двигателей различно для автомобилей разных классов. Для массовых автомобилей средней и большой грузоподъемности особенно большое значение имеет эффективный к. п. д. двигателя, так как доля расходов на топливо в себестоимости перевозок этими автомобилями сравнительно велика.

Для грузовых автомобилей малой грузоподъемности и легковых автомобилей первостепенное значение имеет удельная мощность, что обусловлено малыми весом и габаритами таких автомобилей.

По мере роста удельной мощности, снижения удельного веса автомобильных поршневых двигателей и приближения их индикаторного к. п. д. к к.п.д. идеального цикла поршневого двигателя решение задач дальнейшего увеличения рабочих показателей этих двигателей все более усложняется. Поэтому темпы повышения показателей, в частности, быстроходности двигателей относительно невысоки, несмотря на очень большие затраты труда на опытно-конструкторские и научно-исследовательские изыскания по автомобильным двигателям. Эти обстоятельства, а также усовершенствование материалов и технологии массового производства, определяют целесообразность развития объема поисковых работ для радикального улучшения показателей автомобильных поршневых двигателей и создания двигателей новых видов.

Очевидно, что типаж создаваемых двигателей тесно связан с экономикой страны. При работе над перспективными двигателями необходимо также учитывать развитие техники зарубежных стран.

Одной из характерных черт развития промышленного производства во второй половине XX в. является прогрессивное увеличение темпов добычи жидкого и газообразного топлива. Суммарная добыча жидкого топлива с 1936 по 1961 г. по данным, опубликованным ООН, увеличилась более чем в 6 раз. Темпы роста производства жидкого топлива выше темпов развития машиностроения. Еще более высоки темпы повышения потребления газообразного топлива.

Долголетняя практика выявила ряд бесспорных удобств применения для автомобилей жидкого топлива. К ним относятся большой запас хода автомобилей при умеренных размерах емкостей для топлива, хорошая транспортабельность жидкого топлива в разнообразных климатических условиях, простота организации системы заправки автомобилей топливом, а также простота устройства отопления их в зимних условиях. Среди различных видов жидкого топлива заслуживает внимание сжиженный газ. Применение этого топлива для городского транспорта позволяет решить проблему уменьшения токсичности отработавших газов.

Однако следует отметить, что использование сжиженных газов значительно, сложнее, чем применение обычных жидких топлив нефтяного происхождения.

Установка на автомобилях двигателей, работающих на ядерном топливе, пока не представляется возможной из-за очень большого веса биологической защиты и электродвигателей и сложности организации производства и эксплуатации двигателей данного класса.

Использование автомобилей с электрическими аккумуляторами рационально лишь в некоторых отраслях как из-за большого веса аккумуляторов и электродвигателей, так и вследствие сравнительно малого запаса хода таких автомобилей. Следует отметить, что суммарный к п. д. использования энергии в автомобилях данного класса, как и в троллейбусах, пока значительно ниже к. п. д. тепловых двигателей, работающих на жидком топливе.

Удельный вес тяговых электродвигателей примерно вдвое выше удельного веса двигателей внутреннего сгорания. Отношение средних показателей удельного веса тяговых электродвигателей к среднему удельному весу тепловых автомобильных двигателей за истекшее десятилетие не снизилось. Средний к. п. д. тяговых электродвигателей все еще невысок — не превышает 0,8. Этим определяются ограничения в применении электродвигателей на автомобилях как при их питании от аккумуляторов, так и при использовании так называемых топливных элементов, где химическая энергия топлива непосредственно преобразуется в электрическую. Кроме того, удельный вес топливных элементов пока еще значительно выше удельного веса тепловых двигателей.

Следовательно, на планируемый период развития народного хозяйства для автомобильных двигателей новых видов целесообразно предусматривать применение жидкого топлива, в основном нефтяного происхождения. Поэтому способ преобразования химической энергии топлива в механическую работу, необходимую для движения автомобиля, в перспективных автомобильных двигателях должен быть основан на применении термодинамического цикла, позволяющего преобразовывать тепловую энергию, выделяющуюся при сжигании топлива, в механическую.

Таким образом, до появления таких результатов в области физики и химии, которые позволили бы ориентироваться на использование для автомобилей силовых установок иных видов, обеспечивающих автомобилю большой радиус действия при малом весе, наиболее перспективными остаются тепловые двигатели.

За последнее десятилетие наряду с продолжением работ по усовершенствованию тепловых поршневых автомобильных двигателей (ПД) значительное развитие получили поисковые работы, направленные на создание теплосиловых установок других видов. Большое внимание уделяется, в частности, созданию газотурбинных двигателей (ГТД) для автомобилей, что стимулируется успехами применения ГТД в авиации. В последние годы мировая техническая пресса изобилует публикациями о тепловых двигателях роторно-поршневого типа для автомобилей.

Основными элементами принципиальной схемы ротор-.но-поршневого двигателя являются один или несколько роторов 1 (фиг. 1), совершающих вращательное или вращательно-возвратное движение по отношению к корпусу 2. Последний, в свою очередь, также может вращаться вокруг неподвижной оси.

Вследствие изменения относительного расположения роторов и корпуса по мере вращения объем рабочего тела, заключенного между этими элементами, периодически меняется, что дает возможность осуществлять в роторно-поршневых двигателях рабочий цикл, аналогичный рабочим циклам поршневых двигателей.

Над созданием двигателей роторно-поршневого типа многочисленные изобретатели работали еще до появления первых паровых двигателей И. Ползунова и Дж. Уатта.

Известно, что идея паровых роторно-поршневых двигателей выдвигалась еще Рамели в 1588 г., Паппенгей-мом в 1636 г., Гуерке в 1650 г., Гюйгенсом в 1673 г., Па-пеном в 1681 г., Амонтонсом в 1699 г., Ньюкоменом в 1711 г. и Уаттом в 1782—1788 гг. Сотрудник Дж. Уатта Мардок в 1799 г. .построил роторно-поршневой двигатель шестеренчатого типа (фиг. 2).

Среди известных изобретателей и ученых, работавших над созданием роторно-поршневых двигателей, следует отметить Лаваля, Парсонса, Де-Лаво и др.

Все эти ранние попытки создания роторно-поршневых двигателей, так же как и абсолютное большинство последующих, оказались безуспешными главным образом из-за 'несовершенства уплотнения рабочих отсеков между роторами и корпусом. Вследствие чрезмерных утечек рабочего тела через сопряжения этих элементов к. п. д. роторно-поршневых двигателей был очень низким, а надежность неудовлетворительной. Поэтому ряд специалистов в области тепловых двигателей относил схемы роторно-поршневых к разряду неосуществимых.

До последнего времени большинство изобретателей в области роторно-поршневых двигателей сосредоточивали свои усилия на создании новых схем механизмов роторных двигателей. Углубленной разработки систем уплотнений рабочих отсеков роторно-поршневых двигателей, как правило, не производилось. Лишь в последние

годы Ф. Ванкель и ряд других изобретателей предложили несколько схем уплотнений, показавших при испытаниях сравнительно высокую эффективность.

Это позволило создать к 1958—1959 гг. несколько конструкций роторно-поршневых двигателей — НСУ, Кертис-Райт и др., пригодных для опытной установки на автомобили.

Фиг. 1. Принципиальная схема роторного двигателя:
1— ротор; 2 — корпус; 3 — свеча зажигания; 4 — впускное окно; 5 — элементы уплотнения, 6 — выпускное окно.

Фиг. 2. Схема роторного шестеренчатого двигателя Мардок.

содержание .. 1 2 ..

///////////////////////////////////////