Wankelův motor

Jediným modelem rotačního motoru, který se v současnosti vyrábí v průmyslovém měřítku, je Wankelův motor, což je typ rotačního motoru s planetárním kruhovým pohybem hlavního pracovního prvku. Toto konstrukční uspořádání rotačního motoru je nepochybně nejjednodušší ve své technické struktuře, ale není nejoptimálnější z hlediska způsobu organizace pracovních procesů, a proto má své vlastní a vážné nedostatky.

Existuje poměrně mnoho druhů rotačních motorů s planetárním pohybem hlavního pracovního prvku, ale v podstatě se od sebe liší pouze počtem čel rotoru a odpovídajícím tvarem vnitřního povrchu skříně. Uvedená schémata různých konfigurací takových motorů jsou převzata z knihy „Marine Rotary Engines“, vydané v roce 1967 od E. Akatova, V. Bologova a dalších, a připravené k publikaci v elektronické podobě autorem těchto stránek.

Podívejme se krátce na konstrukci tohoto typu motoru spolu s historií jeho vzhledu a rozsahem použití.
Historie vzniku rotačních motorů s planetárním rotačním pohybem hlavního pracovního prvku začíná v roce 1943, kdy vynálezce Mylar navrhl první takové schéma. Poté bylo během krátké doby podáno několik dalších patentů na motory podobné konstrukce. Včetně developera německé společnosti NSU – V. Frede. Ale hlavním slabým místem této konstrukce rotačního motoru byl těsnící systém mezi žebry na spoji sousedních čel rotujícího trojúhelníkového rotoru a stěnami stacionární skříně. K vyřešení tohoto složitého inženýrského problému byl přizván R. Wankel jako specialista na těsnění. Brzy se díky své energetické a inženýrské mysli stal vedoucím vývojového týmu. V roce 1957 byl v laboratoři NSU postaven prototyp rotačního motoru typu DKM s trojúhelníkovým rotorem a pracovní komorou ve tvaru kapsle, ve které byl rotor nehybný a skříň se otáčela kolem něj. Mnohem praktičtější možností bylo uspořádání typu „KKM“ s normálním schématem – pracovní komora v pouzdře byla stacionární a rotor se v ní otáčel. Tento motor se objevil o rok později, v roce 1958. V listopadu 1959 NSU oficiálně oznámila vytvoření funkčního rotačního motoru. V krátké době získalo licence na tuto technologii asi 100 společností po celém světě, z toho 34 japonských.

Motor se ukázal být velmi malý, výkonný a měl málo dílů. V Evropě začal prodej vozů s rotačními motory, ale jak se ukázalo, měly krátkou životnost motoru, spotřebovaly hodně paliva a měly velmi jedovaté výfukové plyny. Ropná krize v roce 1973, způsobená další arabsko-izraelskou válkou, kdy ceny benzínu několikrát vzrostly, prudce vyvolala otázku účinnosti automobilových motorů. Z tohoto důvodu byly v Evropě a Americe opuštěny pokusy dovést Wankelův rotační motor na požadovanou úroveň dokonalosti. A pouze japonská společnost Mazda vytrvale pokračovala v práci tímto směrem. A také sovětský závod VAZ – protože benzín v té době v SSSR stál haléře a orgány činné v trestním řízení potřebovaly výkonný, i když s krátkou životností. Ale v roce 2004 byla malosériová výroba ve VAZ uzavřena a dnes je Mazda jedinou automobilkou, která sériově vyrábí auta s rotačním motorem.

V současné době existuje na světě pouze jeden vůz, který se sériově vyrábí s Wankelovým rotačním motorem – sportovní kupé Mazda RX-8. Tento stroj je vybaven motorem RENESIS se dvěma sekcemi rotoru a celkovým objemem 1,3 litru. Motor je k dispozici v několika verzích s výkonem od 200 do 250 koní.

Po krátkém přehledu historie rotačního motoru s planetovým rotorem se zamysleme nad jeho výhodami a nevýhodami.

VÝHODY Wankelova rotačního motoru oproti tradičním pístovým motorům:
1) Zvýšený měrný výkon (hp/kg), je téměř dvakrát vyšší než u pístových čtyřdobých motorů. Hmotnost nerovnoměrně se pohybujících částí ve Wankelově motoru je mnohem menší než u pístových motorů podobného výkonu a amplituda takových nevyvážených pohybů je znatelně menší. To se děje proto, že pístový motor má vratný pohyb, zatímco Wankelův motor má rotační pohyb, planetární systém. Wankelův motor navíc nemá klikový hřídel ani ojnice.

Zvýšený výkon Wankel je také způsoben tím, že tento jednorotorový motor produkuje výkon během tří čtvrtin každé otáčky výstupního hřídele. Na rozdíl od jednoválcového, čtyřdobého pístového motoru, který produkuje výkon pouze na jednu čtvrtinu každé otáčky výstupního hřídele.

Právě z těchto důvodů se z jednotky objemu spalovacího prostoru u sériového Wankelova rotačního motoru odebírá mnohem více výkonu. S objemem pracovní komory 1300 cm má Mazda RX-8 výkon 200 k – 250 k a předchozí model Mazda RX-7 s motorem o stejném objemu, ale s turbodmychadlem, 350 k. Zvláštností Mazdy RX jsou proto její vynikající dynamické vlastnosti: při nízkém převodovém stupni je možné zrychlit vůz nad 100 km/h při vyšších otáčkách motoru (8000 ot./min a více), aniž by došlo k nadměrnému zatížení motoru.

2) Wankelův motor se mnohem snadněji mechanicky vyvažuje a eliminuje vibrace, což zlepšuje komfort lehkých vozidel, jako jsou mikroauta;

3) Celkové rozměry motoru s rotačními písty jsou 1,5-2 krát menší ve srovnání s pístovým motorem srovnatelného výkonu. Wankelův motor má o 35-40 % méně dílů.

1) Krátká délka pracovního zdvihu trojúhelníkového čela rotoru Přestože je obtížné tyto údaje přímo srovnávat s pístovým motorem – typy pohybů pístu a rotoru jsou příliš odlišné, Wankelův motor má délku pracovního zdvihu zhruba o pětinu kratší. Mezi Wankelovým a pístovým motorem je jeden zásadní rozdíl: u pístového motoru se objem zvětšuje v jednom lineárním směru, který se shoduje se směrem pracovního zdvihu. Ale ve Wankelovi je tento pohyb složitý a pouze část trajektorie trojúhelníkového rotoru s planetárním pohybem se stává skutečnou linií pracovního zdvihu. (obr.) To je důvod, proč má Wankelův motor horší palivovou účinnost než pístové motory. Vzhledem ke krátké délce pracovního zdvihu je proto teplota výfukových plynů velmi vysoká – pracovní plyny nestihnou přenést svůj hlavní tlak na rotor, neboť se otevře výfukové okno a do výfukového potrubí vystupují horké vysokotlaké plyny se stále hořícími objemovými úlomky pracovní směsi. Proto je teplota výfukových plynů Wankelova motoru velmi vysoká.

2) Složitý tvar spalovací komory, „srpovitý“. Tato spalovací komora má velkou kontaktní plochu plynů se stěnami skříně a rotoru. Proto se značné množství tepla spotřebuje na ohřev částí motoru, což snižuje tepelnou účinnost a zvyšuje zahřívání motoru. Navíc tato forma spalovací komory vede ke zhoršení tvorby směsi a zpomalení rychlosti hoření pracovní směsi. Proto má motor Mazda RX-8 2 zapalovací svíčky na jedné sekci rotoru. Tyto vlastnosti také negativně ovlivňují úroveň termodynamické účinnosti.

3) Potenciálně nízký točivý moment pro rotační motor. K odstranění rotace z pohybujícího se rotoru, jehož střed otáčení sám nepřetržitě vykonává planetární rotaci po kruhové trajektorii kolem geometrického středu pracovní komory, využívá tento motor excentricky umístěné disky na hlavním hřídeli. V podstatě se jedná o prvky klikového zařízení. To znamená, že Wankelův motor se nikdy nedokázal zcela zbavit hlavního nedostatku klasických pístových spalovacích motorů – klikového mechanismu. Přestože je ve Wankelově motoru prezentován ve své odlehčené verzi – v podobě excentrického hřídele, nejdůležitější nedostatky tohoto mechanismu: zubatý, pulzující režim točivého momentu a malé rameno hlavního prvku, který vnímá točivý moment – ​​zůstaly „nevyléčeny“. (OBR.) To je důvod, proč jednosekční Wankel není příliš účinný a pro dosažení normálních provozních vlastností je nutné vyrobit 2 nebo 3 sekce rotoru, je také vhodné dodatečně na hřídel namontovat setrvačník.

Kromě přítomnosti klikového mechanismu u Wankelova motoru je nízký kroutící moment u rotačního motoru ovlivněn i tím, že kinematické schéma takového motoru je navrženo velmi iracionálně z hlediska vnímání tlaku pracovních expanzních plynů povrchem rotoru. Proto se jen určitá část tlaku – asi třetina – přemění na pracovní rotaci rotoru a vytváří točivý moment. O točivém momentu budeme hovořit podrobněji ve speciální části webu.

Více informací o principu generování točivého momentu u Wankelova rotačního motoru naleznete na webové stránce TORQUE

4) Přítomnost vibrací v těle. Faktem je, že systém rotačního motoru s planetárním pohybem pracovního prvku předpokládá nerovnovážný pohyb tohoto prvku. Tito. Při otáčení vykonává těžiště rotoru nepřetržitý rotační pohyb kolem těžiště skříně a poloměr tohoto otáčení je roven excentrickému ramenu hlavního hřídele motoru. To je důvod, proč je tělo motoru vystaveno neustále rotujícímu silovému vektoru zevnitř, který se rovná odstředivé síle, která vzniká na rotoru. To znamená, že rotor, když se otáčí na excentrickém hřídeli, který se zase otáčí, má nevyhnutelné a výrazné prvky oscilačního pohybu v povaze svého pohybu. Což vede k nevyhnutelnosti vibrací. (RÝŽE.)

5) Rychlé opotřebení koncových radiálních těsnění v rozích rotorového trojúhelníku, protože jsou vystaveny silnému radiálnímu zatížení, které je u Wankelova motoru nevyhnutelné kvůli jeho samotnému principu činnosti. (RÝŽE.)

6) Neustálá hrozba průniku vysokotlakých plynů z dutiny jednoho pracovního zdvihu do dutiny dalšího zdvihu. K tomu dochází, protože ke kontaktu radiálního těsnění žebra rotoru a stěny spalovací komory dochází podél jedné tenké linie. Existuje také problém s pronikáním plynů přes objímky zapalovacích svíček, když je přechází žebro rotoru.

7) Komplexní systém mazání rotujícího rotoru. V motoru Mazda RX-8 vstřikují speciální trysky olej do spalovacích komor, aby mazaly žebra rotoru, která se při otáčení otírají o stěny spalovací komory. Tím se zvyšuje toxicita výfukových plynů a zároveň je motor velmi náročný na kvalitu oleje. Při vysokých otáčkách jsou navíc zvýšené požadavky na mazání válcové plochy excentrické části hlavního hřídele, kolem které se rotor otáčí, a které odvádí hlavní sílu z rotoru a převádí ji na rotaci hřídele. Právě tyto dvě velmi obtížně řešitelné technické potíže vedly k nedostatečnému mazání při vysokých rychlostech nejvíce třením zatěžovaných částí takového motoru, a to v důsledku toho výrazně snížilo životnost motoru. Právě nedostatečné řešení takových technických problémů vedlo k velmi krátké životnosti Wankelových motorů z produkce tuzemského AvtoVAZu. (OBR. – označte válcovou kontaktní plochu vnitřní objímky rotoru a excentricitu kotouče hřídele)

8) Vysoké požadavky na přesnost při provádění tvarově složitých dílů ztěžují výrobu takového motoru. Taková výroba vyžaduje vysoce přesné a drahé zařízení – stroje schopné vytvářet složité objemy pracovní komory se zakřiveným epitrochoidním povrchem. Samotný rotor má také tvar složitého trojúhelníku s konvexními plochami.

Jak je patrné z obsahu této sekce stránek, Wankelův rotační motor má jak výrazné výhody, tak i velké množství prakticky nepřekonatelných nevýhod, které neumožnily tomuto typu motoru vytlačit pístové motory z arzenálu moderní techniky. Ačkoli se o takových vyhlídkách vážně diskutovalo na konci 60. a na začátku 70. let minulého století a analytické recenze vyjadřovaly názor, že na konci 80. let 20. století bude mít více než polovina automobilů planety rotační motory různých typů.

A navzdory mnoha negativním vlastnostem a technickým potížím se Wankelův motor mohl objevit a fungovat jako komerčně životaschopný typ zařízení, protože nedostatky jeho hlavních konkurentů – pístových motorů s klikovým ojničním mechanismem – jsou ještě závažnější a četnější.

Ani v tradiční knižní a časopisecké literatuře, ani v rozsáhlých rezervách internetových stránek neexistují žádné seriózní a podrobné studie týkající se tak slibné produktivní oblasti technických zařízení, jako jsou rotační motory. Tyto stránky se snahou svého autora pokusí zaplnit tuto mezeru v historii techniky i v oblasti jejího současného vývoje.

Pístové motory s lineárním vratným pohybem pístu, které dnes kralují světové technice, mají obrovské nedostatky, které nelze v zásadě překonat žádnými konstrukčními triky, žádnými „elektronickými bodykity“ ani žádným tuningem. Světové technické myšlení se proto již nejméně sto let snaží najít důstojnou alternativu pístových spalovacích motorů. Je třeba říci, že v oblasti strojů s výkonem na rotační hřídel (nikoli proudové motory) byl pístový motor dlouho vytlačen z mnoha oblastí použití. Ve stacionárních zařízeních je toto místo již dlouho pevně obsazeno elektromotorem a v letectví – motor s plynovou turbínou, ve vysoce výkonných energetických zařízeních – ve velkých elektrárnách a ve vysokorychlostních námořních energetických strojích fungují parní turbíny spolehlivě. Je třeba říci, že všechny tyto typy motorů jsou rotační stroje – v nich hlavní pracovní prvek vykonává jednoduchý rotační pohyb. Z hlediska kinematiky mechanického schématu a dynamiky termodynamických procesů se jedná o nejjednodušší, nejefektivnější typ pohybu. Ale v oblasti pístových spalovacích motorů, které jsou nespornou špičkou v oblasti mobilních motorů malých a středních výkonů, se stále bez alternativy používá neúčinný způsob pohybu hlavních pracovních částí – pístů ve válcích – vratným pohybem. V tomto případě takové motory používají klikový mechanismus pro přeměnu vratného pohybu pístu na rotační pohyb pracovního hřídele. Hlavními charakteristikami takového mechanismu jsou vysoké dynamické zatížení se střídavým zatížením od vratných pohybů, významné rozměry a složitost výroby. Právě nedokonalý způsob organizace technologických procesů v pístovém motoru a zvláštní pracovní režim klikového mechanismu vedou ke špatnému (pulzujícímu) režimu točivého momentu pístových motorů. Právě držení takto nekvalitního typu točivého momentu vyžaduje povinné použití převodovky u pístových spalovacích motorů na vozidlech.
Masový spotřebitel je nespokojen s trakčními a startovacími schopnostmi tradičních pístových motorů, takže mnoho majitelů automobilů se uchyluje k různým typům „tuningu motoru“, aby zvýšili výkon a odezvu svých motorů.

Nutno říci, že takovou organizaci pracovních procesů a druhy pohybů zdědily moderní spalovací motory z parních strojů 19. století, což byly v podstatě extrémně málo výkonné stroje, a první spalovací motory v 60. a 70. letech předminulého století byly přesně kopiemi parních strojů, které zdědily řadu svých generických nedostatků po parních strojích.
Moderní řečí tvůrce prvního spalovacího motoru, francouzský technik Lenoir, provedl v 60. letech 19. století středně složité ladění parního pístového motoru a dostal pístový atmosférický spalovací motor, který pracoval bez komprese.

Pokusme se odpovědět na nelehkou otázku: proč je nejrozšířenější oblast techniky – stavba dopravních motorů – stále v pozici rezervy zastaralých inženýrských řešení a archaických návrhů? A je možné, aby se z této více než stoleté stagnace vynořil globální technologický pokrok?

Odpověď na tak těžké otázky je, že dostat se z takové nezáviděníhodné situace je možné, ale obtížné. Právě tato počáteční složitost inženýrského úkolu vysvětluje důvod, proč se již více než sto let v této oblasti hromadné techniky používají zastaralá a neefektivní, ale technologicky snadno realizovatelná a konstrukčně spolehlivá technická řešení.

Možnost technického průlomu a dosažení nové úrovně inženýrských řešení je možná v oblasti stejných točivých strojů, tedy na principu jednoduchého otáčení hlavního pracovního prvku, jaký se používá u elektromotorů nebo výkonových turbín. Celá potíž ale spočívá v tom, že je velmi obtížné zorganizovat pracovní cyklus čtyř taktů plnohodnotného spalovacího motoru kolem jednoduchého otáčení hlavního pracovního prvku. A přesně kolem tohoto složitého inženýrského úkolu se po více než tucet let točilo veškeré úsilí a kreativní podněty designérského myšlení. Složitost tématu se však ukázala být tak velká, že k masovému uvedení rotačních motorů na trh a jejich důstojné konkurenci s tradičními pístovými motory dodnes nedošlo. Superprogresivní konstrukce rotačního spalovacího motoru, která by ve všech ohledech předčila tradiční pístové motory, dosud nevznikla.

Autor vidí cíl těchto stránek v prozkoumání samotné možnosti řešení takového problému, uvedení čtenáře do okruhu stávajícího vývoje a nadějného inženýrského výzkumu. Seznámit návštěvníky stránek jak s globálními novinkami na toto téma, tak představit náš vlastní vývoj v této oblasti.

Klasifikace rotačních motorů je velmi důležitá, protože okamžitě nastiňuje velmi širokou škálu potenciálně možných konstrukcí, a co je nejdůležitější, umožňuje vám od prvního kroku vybrat ty nejslibnější a nejefektivnější konstrukce mezi ostatními nízkovýkonnými a technicky nenáročnými typy rotačních strojů.

Klasifikace rotačních motorů bude uvedena na základě autorova pochopení tohoto schématu, které je založeno na systematizaci rotačních strojů, prezentované v různých aspektech ve dvou velmi podrobných knihách, které bohužel vyšly v malých nákladech, velmi dávno a nebyly přetištěny. Toto je Akatov, Bologov „Marine Rotary Engines“, Leningrad, 1967. a N.Khanin, S.Chistozvonov „Automobilové rotační pístové motory“, Moskva, 1964.

<strong>1) Rotační motory s nerovnoměrným vícesměrným (vratným) pohybem hlavních pracovních prvků.</strong> <br /><img src=“https://www.rotor-motor.ru/img/rotoreng1.jpg“ />

Tento typ motoru se vyznačuje tím, že nemá rotující rotor, ale má vratné obloukovité kmitání kolem osy. Mezi stacionárními lopatkami rotoru a statoru dochází k procesům komprese a expanze, které neumožňují plynulé otáčení rotoru. Ve svých obrysech tento motor vypadá jako rotační motor, ale z hlediska organizace kinematiky pohybu se v podstatě blíží pístovým strojům s klikovým mechanismem, protože vyžaduje použití speciálních složitých mechanismů pro převod oscilačních pohybů hřídele na rotační. To je hlavní nevýhoda jeho designu, a proto se toto schéma nerozšířilo. Navíc v tomto schématu jsou možné nárazové kolize mezi lopatkami.

<strong>2) Rotační motory s nerovnoměrným jednosměrným (pulsačně-rotačním) pohybem hlavního pracovního prvku.</strong>

Uvnitř krytu se dva rotory otáčejí nerovnoměrně a pulzují, jako by se „doháněly“. Mezi lopatkami těchto dvou rotorů dochází při jejich přibližování a oddalování ke kompresním a expanzním zdvihům. Hlavní nevýhodou této konstrukce rotoru je, že dva hřídele obou rotorů se otáčejí nerovnoměrně – trhavě, s nárazovými impulsy. Proto je nutné použít složitý mechanismus zatížený střídavým zatížením pro vyrovnání rychlosti otáčení hřídelí motoru. Navíc v tomto schématu jsou možné nárazové kolize mezi lopatkami.

<img src=“https://rotor-motor.ru/img/rotorpnevmo.jpg“ />

<strong>3) Rotační motory s těsnícími klapkami – lopatky, které se pohybují na rotoru a vykonávají vratné nebo výkyvné pohyby. Speciální případ je s tlumiči – lopatkami, které se vychylují na závěsech na rotoru;</strong>

Je třeba říci, že podobná konstrukce rotačních strojů je již dlouho široce používána u pneumatických motorů, kde stlačený vzduch otáčí lopatkami takovýchto zařízení, proto má mnoho inženýrů a vynálezců při pohledu na takové rotační pneumatické motory jasnou představu, jak takový stroj přizpůsobit spalovacímu motoru. K tomu je potřeba pouze integrovat kompresní zdvih do kinematického diagramu takového stroje. A zvídavé hlavy mění tvar vnitřní komory motoru – výsledkem je teoretické schéma, které na papíře může docela dobře fungovat. Ale v praxi není vše tak jednoduché; Prvním problémem je, že v podmínkách vysokých teplot a tlaků ve spalovacím motoru je velmi obtížné zajistit pohyblivost lopatek rotoru a je téměř nemožné zajistit těsnost jejich stykových linií se skříní…

V tomto případě se lopatky musí neustále pohybovat – působením odstředivé síly otáčení a pružin nebo poháněné speciálním mechanismem – ale obě možnosti jsou velmi obtížně realizovatelné. Proto dosud v technologii neexistují žádné funkční příklady tohoto typu rotačního spalovacího motoru.

Níže jsou uvedeny dva různé teoretické diagramy rotačních ICE tohoto typu, převzaté z patentové literatury.

4) Rotační motory s těsnicími klapkami, které se pohybují ve skříni vratným nebo kyvným pohybem.

Toto schéma je v principu podobné předchozímu, pouze klapky – lopatky oddělující komory motoru – nevybíhají z rotoru, ale ze skříně. Rotor v tomto případě musí mít složitý tvar s lopatkami – lopatkami, které budou absorbovat tlak plynů, které musí být odříznuty od ostatních objemů pracovní komory lopatkami – ventily v pouzdře. Toto schéma má přibližně stejné základní nevýhody jako předchozí schéma.

<strong>5) Rotační motory s jednoduchým a rovnoměrným rotačním pohybem hlavního pracovního a všech ostatních prvků.</strong> <br /> <img src=“https://www.rotor-motor.ru/img/101.jpg“ /><br />

Z hlediska koncepce jsou takové konstrukce motorů nejslibnější a technicky nejpokročilejší. V takových konstrukcích není jediná část, která vykonává vratné, kývavé nebo planetárně-rotační pohyby. Proto mohou motory tohoto typu snadno dosáhnout rychlosti otáčení desítek tisíc otáček za minutu s odpovídajícím nárůstem výkonu. V 19. století vzniklo několik typů rotačních parních strojů této konstrukce, které vykazovaly výrazně lepší výkon než pístové parní stroje.

Ale funkční spalovací motory této konstrukce nebyly postaveny, a to i na úrovni myšlenek promítnutých do patentových přihlášek se našlo doslova pár jednotek, a i to byly konstrukce stěží proveditelné.

6) Rotační motory s planetovým rotačním pohybem hlavního pracovního prvku. <br /><img src=“https://www.rotor-motor.ru/img/wank.jpg“ />

Nejznámější Wankelovy rotační motory široké veřejnosti patří do druhé klasifikační skupiny. To bude diskutováno na samostatné stránce tohoto webu.