Автомобильные роторно-поршневые двигатели (1964 год) - часть 20

Преимущества и недостатки роторно-поршневых двигателей с планетарным движением ротора

Как видно из изложенного выше, все построенные до настоящего времени РПД с планетарным движением ротора не вышли еще из экспериментальной стадии. Почти не имеется опыта продолжительной работы РПД в эксплуатационных условиях. Это затрудняет оценку преимуществ и недостатков РПД, так как нельзя с уверенностью разграничить их принципиальные недостатки и недостатки, определяемые пока недостаточной доверенностью этого двигателя нового вида.

Оценивать принципиальные преимущества и недостатки РПД с планетарным движением ротора можно, только сравнивая их с преимуществами и недостатками поршневых двигателей классического типа и газотурбинных двигателей. Такое сравнение тоже связано с определенными трудностями, так как, с одной стороны, нельзя считать исчерпанными все возможности дальнейшего улучшения показателей автомобильных ГТД, хотя последние и существуют уже около 100 лет, а с другой — потому, что автомобильные ГТД, подобно РПД, тоже не вышли еще из экспериментальной стадии.

Наличие резервов для дальнейшего усовершенствования показателен автомобильных ПД подтверждается, например, большими успехами, достигнутыми за последнее десятилетие в части повышения компактности таких двигателей путем расположения цилиндров в два ряда.

Несмотря на отмеченные трудности сравнительной оценки автомобильных ПД, ГТД и РПД, ее проведение позволит сделать хотя и предварительные, но все же достаточно определенные выводы.

В настоящее время к преимуществам РПД с планетарным движением ротора по сравнению с обычными ПД следует отнести: 1) меньшие габариты и удельный вес при равной мощности и использовании для изготовления деталей, одинаковых по стоимости и степени дефицитности материалов; 2) более простую конструкцию, особенно при односекционном исполнении, следствием чего является соответственно меньшая трудоемкость изготовления; 3) менее шумную работу, так как отсутствуют клапаны и поршни, перемещающиеся при каждом такте в поперечном направлении в пределах, допускаемых зазором между цилиндром и юбкой поршня; 4) меньшую вероятность появления детонационного сгорания при данной геометрической степени сжатии и применении воспламенения от искры.

Представление о преимуществах РПД с -планетарным движением ротора по компактности и простоте конструкции дают фиг. 73, а и б, па которых показаны габаритные размеры четырехцилиндрового ПД с рабочим объемом 1,6 л и двухсекционного РПД с рабочим объемом 2Х0,4 = 0,8 л. При одном и том же числе оборотов вала (4000 об/мин) РПД развивает мощность 44,1 квт (60 л. с.), а ПД — 33,1 квт (45 л. с.). В то же время РПД

имеет почти в 2 раза меньшие габаритные длину и высоту.

При монтаже на двигатель таких агрегатов, как карбюратор с воздухоочистителем, распределитель зажигания, топливный насос, электрогенератор, стартер, масля-

ные фильтры и масляный радиатор, а также масляного бака, разница в габаритах РПД и ПД уменьшается, так как перечисленные агрегаты имеют относительно очень большие размеры, зависящие только от мощности двигателя, а не от его типа.

Фиг. 73. Сравнительные габариты двигателей:
а-четырехтактного четырехцилиндрового ПД; 2 — двухсекционного РПД

Возможные преимущества в отношении длины и высоты двигателя еще больше уменьшатся, если сравнивать габариты двухсекционного РПД, оборудованного всеми необходимыми вспомогательными агрегатами, с габаритами четырехцилиндрового ПД, имеющего V-образное двухрядное расположение цилиндров. Однако и при этом преимущества РПД по компактности продолжают оставаться довольно заметными.

По мере увеличения мощности и рабочего объема двигателя относительное влияние вспомогательных агрегатов на габариты двигателя уменьшается.

Необходимо отметить, что вопрос о чрезмерно больших габаритах вспомогательных агрегатов современных двигателей внутреннего сгорания (в первую очередь автотракторных) уже неоднократно ставился, и можно ожидать, что по мере дальнейшего развития соответствующих отраслей техники эти габариты удастся существенно уменьшить. Следует указать также, что для машин, для которых проблема компактности силовой установки особенно важна (например, автобусы), начинают выделять части вспомогательных агрегатов в отдельные агрегатные узлы, монтируемые вне двигателя. Вследствие этого достигается более удобное размещение этих агрегатов в свободных местах машины и устраняется их отрицательное влияние на габариты самого двигателя.

Весовые преимущества РПД пока точно оценить достаточно трудно. Приведенные выше веса относятся к упрощенным лабораторным образцам РПД, не имевшим ряда элементов, необходимых для работы их в эксплуатационных условиях, и к образцам, обладающим пока еще недостаточной долговечностью.

Удельный вес ПД автомобиля «Запорожец» с рабочим объемом 0,748 л, корпусные детали которого отлиты из легких сплавов, равен 3,95 кг/квт (2,9 кг/л. с.). Удельный вес ПД автомобиля «Москвичи-407» с рабочим объемом 1,36 л, имеющего чугунные корпусные детали, равен 4,35 кв/квт (3,2 кг/л. с.).

Удельный вес V-образных восьмицилиндровых ПД современных американских легковых автомобилей, имеющих рабочий объем 5,5—6,5 л, доходит до 1,36 кг/квт (1 кг/л. с.). В то же время, по данным фирмы НСУ, односекционный РПД ККМ-400, развивающий мощность 36,77 квт (50 л. с.), имеет вес 23 кг, т. е. удельный вес его

равен 0,625 кг/квт (0,46 кг/л.с.). Даже предполагая, что фирма НСУ назвала ради рекламных соображений в 2 раза меньшую цифру веса, чем имеющаяся в действительности (в данных по весу не указано, при какой комплектации вспомогательными агрегатами производилось взвешивание), все же приходится признать наличие у РПД существенного преимущества перед ПД по рассматриваемому показателю.

Ориентировочно можно считать, что при применении материалов одинаковой стоимости и при одинаковом моторесурсе РПД будут легче равных им по мощности поршневых двигателей с кривошипно-шатунным механизмом не менее чем на 30—40%.

Меньшая трудоемкость изготовления РПД определяется, во-первых, тем, что у них отсутствуют довольно многочисленные детали газораспределительного механизма и относительно сложные головки цилиндров, и, во-вторых, меньшим числом сопряженных трущихся пар и подшипников в основном силовом механизме (даже при сравнении двухсекционного РПД с четырехцилиндровым ПД, не говоря уже о шестицилиндровом ПД) и соответственно меньшим числом поверхностей, требующих высокой точности обработки.

Пониженную склонность РПД к детонации можно объяснить, по-видимому, тем, что в камере сгорания нет раскаленных головок выпускных клапанов и электродов свечи зажигания (последняя находится в отдельной предкамере, сообщающейся с основной рабочей полостью только через отверстие малого диаметра), и эффективным охлаждением ротора проточным маслом. Можно ожидать, что эти конструктивные особенности РПД облегчат в дальнейшем применение для них наддува.

Говоря о недостатках РПД с планетарным движением ротора, необходимо прежде всего отметить, что в этих двигателях неполностью устранены инерционные нагрузки па звенья силового механизма, что являлось одной из основных задач при создании роторных двигателей взамен двигателей с поступательно-возвратным движением поршней. При вращении ротора вокруг оси эксцентрикового вала появляется центробежная сила, нагружающая подшипник ротора и, следовательно, ограничивающая в определенных пределах допустимую быстроходность двигателя.

Кроме того, быстроходность РПД рассматриваемого типа в связи с наличием у него контактного уплотнения рабочих полостей ограничивается также и максимально допустимой скоростью скольжения уплотняющих элементов по соответствующим неподвижным поверхностям. Эти предельные скорости скольжения уплотняющих элементов РПД и поршневых колец ПД (при изготовлении их из одинаковых материалов) оказываются близкими по 'величине, поэтому у РПД с планетарным движением ротора нет существенных преимуществ перед ПД в отношении допустимой быстроходности.

Разница заключается лишь в том, что предельно допустимый уровень быстроходности достигается у РПД при несколько более высоком числе оборотов вала, чем у ПД (так как эксцентрицитет у РПД обычно значительно меньше радиуса кривошипа у ПД).

Как указано выше, у первых РПД НСУ-Ванкель число оборотов эксцентрикового вала доходило до 12 000— 17 000 в минуту. Однако повышенные инерционные нагрузки на роторный подшипник и высокие скорости скольжения уплотнительных элементов заставили конструкторов понизить номинальные числа оборотов эксцентрикового вала РПД до 5000—7000 в минуту. Тем не менее и при таких числах оборотов отмеченные выше преимущества РПД по сравнению с ПД одинаковой мощности продолжают сохраняться в отношении компактности и веса.

Наименее удовлетворительным элементом РПД рассматриваемого типа является система уплотнений, которая работает в очень тяжелых условиях (уплотнительные элементы находятся под непосредственным воздействием горячих газов и не имеют сколько-нибудь значительных перемещений в канавках ротора, подобных, например, вращению колец в канавках поршня), имеет относительно большую длину уплотняемого контура и большое число стыков между уплотняющими элементами (что повышает вероятность нарушения герметичности рабочих отсеков двигателя) и состоит лишь из одиночных уплотняющих элементов (в отличие от ПД, на поршнях которых всегда устанавливается не менее двух компрессионных колец). Вследствие этого уменьшаются надежность работы и долговечность системы уплотнений РПД, и для смазки РПД необходимо применение высококачественных

смазочных масел, иначе трудно избежать закоксо-вания уплотнительных элементов в канавках ротора. Специфическим недостатком РПД с планетарным движением ротора является регулярный отрыв на некоторых режимах радиальных уплотнительных лопаток от трохо-идной поверхности на наиболее горячих участках корпуса. При последующем возвращении лопатки в нормальное рабочее положение происходит удар ее о трохоидную поверхность, что вызывает на последней появление поперечных борозд. Этот недостаток, по-видимому, может быть устранен, но при этом несколько усложнится конструкция РПД и соответственно повысится трудоемкость его изготовления.

Другим недостатком РПД с планетарным движением ротора является ограниченная возможность выбора конфигурации камеры сгорания. Это затрудняет организацию внутри камеры сгорания воздушных вихрей, необходимых для обеспечения эффективного смесеобразования, что особенно важно, например, при воспламенении от сжатия. Данный недостаток в сочетании с относительно повышенными потерями на трение в системе уплотнения обусловливает более низкую топливную экономичность РПД, чем у ПД при той же степени сжатия.

К числу органических недостатков РПД рассматриваемого типа следует отнести наличие в их рабочих отсеках трущихся пар, непосредственно соприкасающихся некоторое время с раскаленными продуктами сгорания. Эффективная смазка этих пар является трудной задачей. Подводимое к ним масло неизбежно сгорает или выкидывается вместе с отработавшими газами, вследствие чего возрастает расход масла, увеличивается нагаро-образование в камере сгорания и повышается вероятность появления дымного выпуска.

Наличие смазочного масла на трохоидной поверхности корпуса создает опасность выхода из строя свечи зажигания из-за замасливания ее электродов и, кроме того, прилипания к этой поверхности частиц пыли, центрифугируемой из засасываемого в двигатель воздуха. По данным фирмы Кертис-Райт, рассматриваемый недостаток РПД может быть устранен соответствующим подбором материалов трущихся пар, которые не надо смазывать.

Комплектование РПД с планетарным движением ротора из нескольких секций осуществить значительно

труднее, чем увеличить число цилиндров у ПД. Эти трудности заключаются в обеспечении возможности установки на место промежуточных стенок и неподвижных синхронизирующих шестерен средних секций при неразрезном эксцентриковом вале и в отмеченной выше сложности увеличения диаметра опорных шеек эксцентрикового вала (из-за необходимости пропуска их через центральные отверстия в ступицах неподвижных сихронизирующих шестерен). В то же время односекционные РПД имеют относительно меньшую равномерность крутящего момента и повышенную амплитуду пульсации давления рабочей смеси во впускном тракте.

Последнее обстоятельство в сочетании с наличием у РПД довольно продолжительного сообщения впускных и выпускных окон понижает устойчивость работы РПД при малых числах оборотов и ухудшает его пусковые качества.

В определенных пределах эти недостатки могут быть устранены увеличением момента инерции маховика и применением добавочных впускных окон для подвода через них горючей смеси во время пуска двигателя и при работе его с пониженным числом оборотов.

содержание .. 18 19 20 21 ..