ПОВЫШЕНИЕ ГЕРМЕТИЧНОСТИ РАБОЧИХ КАМЕР РОТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВАНКЕЛЯ. ПОВЫШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Старокожев М.А. (БГИТА, г.Брянск, РФ)
Article narrates about the new design of the rotor engine involving reduction of time of deleting of sealing elements and hanging of ecological safety of environment.
Широко известен роторный двигатель Феликса Ванкеля (рис. 1). Основным недостатком данного двигателя является: негерметичность рабочих камер, из-за чего происходит потеря компрессии в цилиндрах двигателя, а также истирание уплотнительных элементов, вследствие чего снижается срок службы двигателя. Система уплотнения этого двигателя представлена на рис. 2.
Рисунок 1 - Роторный двигатель Рисунок 2 – Система уплотнений
Феликса Ванкеля
Задачей устранения этих и многих других недостатков является: выбор и обоснование оптимального способа устранения негерметичности и истирания уплотнительных элементов.
Для разрешения данной задачи было выдвинуто множество гипотез, основные из которых:
- совершенство системы уплотнения рабочих камер, применение другого типа уплотнительных элементов или другого их расположения. Увеличив площадь контакта, снизятся потери компрессии;
- применение иного материала элементов системы уплотнения, менее истираемого. Таковым может являться, например, сплав. Применив более прочный материал, уменьшится истирание уплотнительных элементов;
- обработка стенки статора до минимальной шероховатости. Применяя современные методы и средства шлифования, можно достичь минимальной величины истирания уплотнительных элементов, повысив, тем самым, срок службы двигателя. Устранится и негерметичность рабочих камер;
- создание абсолютно нового двигателя с устранением этих и других, попутно встречающихся, недостатков. Так как при частичном устранении недостатков устраняя одни, можно получить другие, решение которых выходит за рамки рассматриваемого вопроса, и в таком случае придется углубляться в поиске разрешения вновь возникающих недостатков.
В конечном итоге предложен роторный двигатель новой конструкции. Данный двигатель четырехкамерный и состоит из двух блоков: «впуск-сжатие» (рис. 3) и «рабочий ход-выпуск» (рис. 6).
1 – башмак; 2 – ротор; 3 – пружина; 4 – направляющая; 5 – статор
Рисунок 3 - Первый блок роторного двигателя (впуск-сжатие)
1 – башмак; 2 – ротор; 3 – пружина; 5 – статор; 6 – уплотнительный элемент; 8 – рабочий вал; 9 – межкамерные цилиндрические части; 10 – приваренные пластины
Рисунок 4 - Продольный схематический разрез двигателя при горизонтальном положении роторов
Перемещение газового заряда (по этим блокам) осуществляется с помощью отверстий в неподвижных боковых стенках и каналов на боковой поверхности роторов, закругленные вершины которых выполнены в виде поворотных уплотняющих башмаков.
Имеется общий рабочий вал (рис. 4), кинематически связывающий роторы всех блоков и не совпадающий с центром статора.
Передача сжатой рабочей смеси из первого блока («впуск-сжатие») во второй («рабочий ход-выпуск») осуществляется через перепускное отверстие в стенке статора (рис. 5).
1 – перепускное отверстие; 2 – стенка статора; 3 – эксцентриситет
Рисунок 5 - Перепускное отверстие в стенке статора двигателя
Каждый ротор состоит из двух раздвижных пар симметричных частей - поворотных уплотняющих башмаков и направляющих, герметично скользящих вдоль продольной оси ротора.
1 – башмак; 2 – ротор; 3 – пружина; 4 – направляющая; 5 – статор; 6 – свеча зажигания
Рисунок 6 - Второй блок роторного двигателя (рабочий ход-выпуск)
В каждой паре двухкамерных блоков центры круговых статоров совпадают; часть общего рабочего вала выполнена пустотелой; связь между роторами и поворотным элементом обеспечивается пружинами, прижимающими к статору поворотные уплотняющие башмаки.
Вдоль больших осей роторов выполнены щели, в которых скользят участки рабочего вала; поворотные башмаки имеют большую длину уплотняющей части и заканчиваются криволинейными выступами постоянной кривизны, герметически скользящими вдоль поперечной дуговой стенки на роторе.
При использовании пары двухкамерных блоков центры статоров расположены по разные стороны общего рабочего вала; сами блоки соседствуют друг с другом камерами «рабочего хода-выпуска»; пространство между их соседними неподвижными стенками используется для удаления сгоревшего заряда. Щели роторов соседних блоков сжатия-сгорания заряда повернуты относительно друг друга на некоторый угол.
Работает роторный двигатель следующим образом. Свежая рабочая смесь, попадая в камеру «впуск-сжатие», сжимается ротором, совершающим планетарное движение. Сжатая рабочая смесь через каналы в роторах и отверстие в межкамерной перегородке перекачивается в камеру «рабочий ход-выпуск», по окончании перекачки происходит воспламенение смеси от свечи зажигания, и расширение рабочей смеси (совершается рабочий ход). Расширение отработанных газов происходит до определенного положения ротора, создающего максимальный объем камеры, далее происходит процесс выпуска за счет последующего уменьшения объема при движении ротора.
Выполнив необходимые расчеты двигателя, было выявлено, что при числе оборотов вала n=5000 об/мин, степени сжатия 8,5, мощности 80 кВт, четырех цилиндрах, роторный двигатель имеет следующие расчетные показатели:
- максимальный часовой расход топлива равен 22,18 кг/ч;
- индикаторный кпд двигателя равен 0,391;
- удельный эффективный расход топлива равен 284 г/(кВт·ч);
- механический кпд двигателя равен 0,9421.
Рабочий объем двигателя составляет 2,224 л.
Произведен расчет вала двигателя на изгиб, прочность и расчет уплотнений на истирание. Построены индикаторная диаграмма работы роторного двигателя и внешняя скоростная характеристика.
Трехмерная модель разрабатываемой конструкции роторного двигателя, выполненная в программе КОМПАС, представлена на рис. 7.
Рисунок 7 – Трехмерная модель роторного двигателя
Разработанный двигатель может работать как углеводородном топливе, так и на водородном.
Исходя из расчетов, видно, что надежность уплотнений, основные экономические и рабочие показатели нового роторного двигателя будет выше, чем у двигателя Ванкеля.
Изменение конструкции роторного двигателя скажется также на экологической обстановке окружающей среды (особенно в случае его работы на водородном топливе), так как малый удельный расход топлива повлечет за собой меньшее выделение в атмосферу отработанных газов.