Строительные машины и оборудование, справочник






Роторно-поршневые двигатели


Категория:
   Устройство и работа двигателя


Роторно-поршневые двигатели

Роторно-поршневые двигатели отличаются от обычных поршневых двигателей тем, что у них возвратно-поступательное движение поршней заменено вращательным, планетарным движением ротора треугольной формы в корпусе, выполненном в форме эпитрохоиды (эпициклоиды).

При вращении ротора между корпусом и сторонами ротора образуются полости изменяющегося объема, что используется для осуществления процессов сжатия, впуска и выталкивания рабочего тела. Отсутствие поступательно движущихся масс позволяет увеличивать частоту вращения вала отбора мощности двигателя, что, в свою очередь, дает возможность при одинаковом массовом заряде рабочего объема получать большую мощность двигателя. При одинаковой мощности ротор-но-поршневые двигатели компактнее обычных поршневых двигателей и легче их.

Принцип использования вращающегося поршня был известен еще в XVI в., однако конструктивное воплощение этого принципа было осуществлено только в 1957 г. Ф. Ванкелем, создавшим работоспособный образец роторно-поршневого двигателя.



Рис. 1. Лодочный подвесной двигатель «Нептун-23»: 1 — блок цилиндров; 2 — стартер; 3 — румпель; 4 — магнето; 5—катушка зажигания; 6 — струбцина; 7—защелка в сборе; 8—водяной насос; 9— механизм реверса; 10 —винт; И — корпус редуктора; 12 — трансмиссионный вал; 13 — дейдвуд в сборе; 14 — обтекатель

Сложное планетарное движение ротора обеспечивается тем, что геометрический центр ротора вращается вокруг оси вала отбора мощности по окружности, описанной центром эксцентрика, закрепленного на этом валу. Треугольный ротор может вращаться на подшипнике на окружности эксцентрика, а поворот ротора относительно корпуса осуществляется обкатыванием закрепленной в роторе шестерни внутреннего зацепления вокруг неподвижного зубчатого колеса внешнего зацепления. Чтобы ротор сделал один полный оборот за три оборота эксцентрикового вала, передаточное отношение зубчатой пары должно быть 3:2.

Рабочий процесс в роторно-поршневых двигателях осуществляется за четыре такта в каждой из трех полостей, чередование которых можно проследить по рис. 2, где приведены также схемы, соответствующие процессам обычных поршневых двигателей. Продолжительность каждого такта роторно-поршневого двигателя, таким образом, длится 270° угла поворота эксцентрикового вала (вала отбора мощности), т. е. полный четырехтактный цикл в одной полости совершается за один полный оборот ротора или за три оборота вала отбора мощности.

Воспламенение смеси производится одной или двумя свечами зажигания в момент, близкий моменту наибольшего сжатия смеси. В отличие от четырехтактных поршневых двигателей, имеющих клапаны для осуществления газораспределения, в роторно-поршневых двигателях распределение осуществляется самим ротором, открывающим окна с эпитрохоидальной поверхности или же с боковой поверхности, образующей камеру сжатия и расширения. Таким образом, распределение аналогично распределению двухтактного поршневого двигателя.

Рис. 2. Схемы работы роторно-поршневого двигателя с планетарным движением ротора: I — впуск; II — сжатие; III — воспламенение; IV — расширение; V — выпуск

Уплотнение камеры сгорания производится радиальными уплотнительными пластинами и боковыми изогнутыми пластинами, проходящими по краю кромки ротора. Уплотняющие пластины прижаты к поверхности корпуса пластинчатыми пружинами — эспандерами. Так как радиальные пластины при движении по эпитрохоиде испытывают положительные и отрицательные ускорения, то на некоторых участках они стремятся оторваться от поверхности скольжения. Поэтому сила пружин, прижимающих пластины, должна быть больше силы инерции, отрывающей пластину от поверхности. Нарушение уплотнения в какой-либо точке весьма нежелательно. Нарушение уплотнения в какой-либо полости может вызвать прорыв горячих газов и воспламенение свежего заряда в соседней полости.

Радиальные уплотнения при своем движении по эпитрохоиде меняют угол наклона оси пластины к поверхности скольжения. Для обеспечения их работоспособности поверхность торца пластины выполняют цилиндрической. Это приводит к тому, что пластина соприкасается с поверхностью эпитрохоиды по линии, следовательно, со значительными контактными давлениями, что обусловливает быстрое изнашивание рабочей поверхности пластины и эпитрохоидальной поверхности. Это обстоятельство требует проработки обеспечения смазывания поверхности соприкосновения и выбора для изготовления уплотняющих пластин специальных материалов, стойких против износа. Моторесурс роторно-поршневых двигателей ниже, чем у обычных поршневых двигателей.

Даже незначительный износ эпитрохоидальной поверхности приводит к появлению перемещений уплотняющих пластин в пазах ротора, что вызывает быстрый их износ, потерю уплотнения и выход из строя двигателя. Увеличению износа эпитрохоидальной поверхности и уплотнитель-ных пластин способствует неравномерная по периферии корпуса тепловая деформация. Часть корпуса, в которой происходит сгорание и расширение газов, нагревается сильнее, что приводит к искажению эпитрохоидальной формы поверхности корпуса, а следовательно, к увеличению износа двигателя. Охлаждение корпуса организовано таким образом, чтобы сильнее охлаждалась наиболее нагретая часть корпуса. В двигателях с жидкостным охлаждением в эту часть корпуса подается холодная жидкость. В двигателях с воздушным охлаждением увеличивается оребренность этой части корпуса.

На рис. 3 показан разрез роторно-поршневого двигателя. Его основными частями являются корпус, эксцентриковый вал и ротор. В корпусе вращается эксцентриковый вал, являющийся одновременно валом отбора мощности. Ротор может свободно вращаться по шайбе эксцентрика. Корпус с торцов закрыт двумя крышками 9. Массу ротора уравновешивают два противовеса, встроенные в шайбы, выполняющие роль маховиков. На рисунке видны впускной трубопровод с карбюратором, свеча зажигания и выпускной трубопровод.

Сложное планетарное движение ротора обеспечивается зубчатой парой с колесами. Передаточное отношение зубчатой пары 3:2. Зубчатое колесо внутреннего зацепления обкатывается вокруг зубчатого колеса внешнего зацепления. При этом центр колеса описывает окружность радиусом, равным эксцентриситету эксцентрика. Эксцентрик можно рассматривать как увеличенную шатунную шейку коленчатого вала (роль которого в данном случае выполняет эксцентриковый вал). На все боковые поверхности ротора действуют различные по величине давления, создающие усилие,

действующее под некоторым углом на поверхность эксцентрика. Действующую силу можно разложить на касательную и нормальную по отношению к радиусу эксцентрика. Касательная сила, приложенная к радиусу эксцентрика, создает крутящий момент на эксцентриковом валу, который передается на трансмиссию и приводит в движение транспортное средство.

Ротор двигателя имеет увеличенную, по сравнению с поршнем обычного двигателя, поверхность соприкосновения с горячими газами; следовательно, повышенный подвод теплоты к ротору. Это определяет необходимость организовывать охлаждение ротора. Чаще всего ротор охлаждают смазочным маслом, которое впрыскивается в ротор через форсунку, выполненную в теле эксцентрикового вала. В некоторых конструкциях охлаждение осуществляют топливовоздушной смесью, проходящей через ротор. Нагрев масла в роторе вызывает необходимость его охлаждения в дополнительном масляном радиаторе.

Удельный расход топлива роторно-по-ршневых двигателей в настоящее время почти не отличается от расхода топлива в обычных карбюраторных двигателях и составляет 300…350 г/(кВт-ч).

Рис. 3. Односекционный роторно-поршневой двигатель с планетарным движением ротора: 1— корпус; 2 — эксцентриковый вал; 3— ротор; 4 — задний маховик-противовес; 5 — выпускной трубопровод; 6 — передний маховик-противовес; 7—впускной трубопровод; 8 — прерыватель системы зажигания; 9—крышка корпуса; 10— зубчатое колесо внутреннего зацепления; 11 — неподвижное зубчатое колесо внешнего зацепления; 12 — подшипник ротора; 13 — свеча зажигания; 14 — маслоотводящий диск

В выпускных газах роторно-поршневых двигателей содержится повышенное количество оксида углерода (вследствие фиксации продуктов неполного горения вблизи относительно холодных стенок ротора и корпуса двигателя), которое не удовлетворяет нормам по содержанию токсичных веществ. Вследствие этого в современных роторно-поршневых двигателях применяют каталитические нейтрализаторы или дожигатели продуктов неполного горения. Применение нейтрализаторов удорожает силовую установку и снижает ее экономичность.

Создание дизеля на базе роторно-по-ршневого двигателя затруднено ввиду невозможности получения высоких степеней сжатия.

В последнее время работы по совершенствованию роторных двигателей направлены на снижение потерь трения между эпитрохоидальным корпусом и уплотнениями ротора, оптимизацию формы камеры сгорания и применение турбо- и инерционного наддува. Снижение трения достигается пористым хромированием поверхности эпитрохоиды и подачей на поверхность в области сжатия через сверление смазочного масла. Кроме того, часть масла распыливается в потоке всасываемого воздуха.

Форму камеры выбирают такой, чтобы не было препятствия распространению фронта пламени при положении ротора около ВМТ. Применение турбонаддува, а также инерционного наддува позволяет повысить мощность роторного двигателя без значительного увеличения его массы. Для уменьшения опасности появления детонации при увеличении давления наддува часть выпускных газов перепускается через байпасный клапан мимо турбины в выпускной трубопровод. Инерционный наддув организуют выбором длины выпускного трубопровода или использованием колебаний давления во впускном трубопроводе, возникающих при открытии впускного окна соседнего ротора (при многороторной конструкции двигателя).

На рис. 4 показан двухроторный двигатель 12А фирмы Мазда. Двигатель развивает мощность Ne = 80 кВт при частоте вращения вала отбора мощности п = = 6000 об/мин. Корпус 1 двигателя состоит из двух эпитрохоидных элементов, двух крышек (передней и задней) и про-ставки, через которую к обоим эпитрохоидальным элементам по отдельным каналам подводится рабочая смесь. Выпуск газов производится через каналы, расположенные в эпитрохоидальных элементах в торцовой стенке.

Вал 6 отбора мощности имеет два эксцентрика, развернутые друг относительно друга на 180°. За каждый оборот эксцентрикового вала происходит два рабочих цикла (через 180° поворота вала). В передней и задней крышках укреплены неподвижные зубчатые колеса внешнего зацепления, выполненные совместно с подшипниками эксцентрикового вала. В средней части двигателя подшипник отсутствует. В роторах крепятся шестерни внутреннего зацепления.

Смазывание двигателя происходит под давлением, создаваемым шестеренным насосом. Масло направляется через фильтр в полость эксцентрикового вала, откуда через сверления попадает в подшипники. Через две форсунки масло направляется на внутренние поверхности роторов для их охлаждения. Из подшипников и из роторов масло сливается в поддон, откуда через заборник забирается масляным насосом.

Охлаждение корпуса осуществляется жидкостью, проходящей через крышки и эпитрохоидные корпуса. Охлаждающая жидкость попадает в полости крышек, проставки и через термостат выходит в радиатор.

Воспламенение рабочей смеси происходит от двух свечей, что сокращает время сгорания смеси.

Вентилятор системы охлаждения укреплен непосредственно на эксцентриковом валу. Такое конструктивное решение оправдано формой корпуса двигателя и высокой частотой вращения эксцентрикового вала.

Рис. 4. Двухроторный двигатель 12А фирмы Мазда: а — поперечный разрез; б — продольный разрез


Читать далее:

Категория: - Устройство и работа двигателя

Главная → Справочник → Статьи → Форум



Разделы

Строительные машины и оборудование
Для специальных земляных работ
Дорожно-строительные машины
Строительное оборудование
Асфальтоукладчики и катки
Большегрузные машины
Строительные машины, часть 2,
Дорожные машины, часть 2
Ремонтные машины
Ковшовые машины
Автогрейдеры
Экскаваторы
Бульдозеры
Скреперы
Грейдеры Эксплуатация строительных машин
Эксплуатация средств механизации
Эксплуатация погрузочных машин
Эксплуатация паровых машин
Эксплуатация экскаваторов
Эксплуатация подъемников
Эксплуатация кранов перегружателей
Эксплуатация кузовов машин
Крановщикам и стропальщикам
Ремонт строительных машин
Ремонт дорожных машин
Ремонт лесозаготовительных машин
Ремонт автомобилей КАмаЗ
Техническое обслуживание автомобилей
Очистка автомобилей при ремонте
Материалы и шины