Wankel engine: thiết bị, nguyên lý hoạt động

2024 Tác giả: Erin Ralphs | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-02-19 19:59

Động cơ đốt trong là một phát minh sáng giá của loài người. Nhờ có động cơ đốt trong, tiến bộ kỹ thuật bắt đầu phát triển vượt bậc. Có một số loại cài đặt này. Nhưng nổi tiếng nhất là thanh truyền và piston và piston quay. Loại thứ hai được phát minh bởi kỹ sư người Đức Wankel phối hợp với W alter Freude. Bộ nguồn này có thiết bị và nguyên lý hoạt động khác hẳn so với động cơ đốt trong piston-thanh truyền cổ điển. Nguyên lý hoạt động của động cơ Wankel là gì và tại sao động cơ đốt trong này vẫn chưa trở nên phổ biến như vậy? Chúng tôi sẽ xem xét tất cả những điều này trong bài viết hôm nay của chúng tôi.

Đặc

Vậy, động cơ này là gì? Đây là động cơ đốt trong được phát triển bởi Felix Wankel vào năm 1957. Chức năng của piston trong bộ phận này được thực hiện bởi một rôto ba đỉnh. Nó quay bên trong một khoang có hình dạng đặc biệt.

Sau một số mô hình thử nghiệm xe máy và ô tô xảy ra vào những năm 70 của thế kỷ trước, nhu cầu về động cơ Wankel đã giảm đi đáng kể. Mặc dù ngày nay một số công ty vẫn đang làm việccải tiến của động cơ này. Vì vậy, bạn có thể gặp động cơ Wankel trên dòng Mazda PX. Ngoài ra, đơn vị này đã tìm thấy ứng dụng của nó trong việc lập mô hình.

thiết bị động cơ Wankel

Bộ nguồn này bao gồm một số thành phần:

• Vỏ (stato).
• Buồng đốt.
• Cổng vào và cổng ra.
• Bánh răng cố định.
• Bánh răng.
• Rotor.
• Vala.
• Bugi.

Nguyên lý hoạt động của động cơ Wankel là gì? Chúng ta sẽ xem xét điều này bên dưới.

Nguyên tắc làm việc

ICE này hoạt động như sau. Rôto, được gắn trên một trục lệch tâm thông qua các ổ trục, được điều khiển bởi lực của áp suất khí, được hình thành do quá trình đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu không khí. Rôto động cơ so với stato thông qua một cặp bánh răng. Một trong số chúng (lớn) nằm trên bề mặt bên trong của rôto. Cái thứ hai (giá đỡ) nhỏ hơn và được gắn chặt vào nắp bên của động cơ. Thông qua sự tương tác của các bánh răng, rôto tạo ra chuyển động tròn lệch tâm. Do đó, các cạnh của nó tiếp xúc với bề mặt bên trong của buồng đốt.

Kết quả là, một số khoang biệt lập có thể tích thay đổi được hình thành giữa vỏ động cơ và rôto. Số của chúng luôn là 3. Trong các buồng này, quá trình nén hỗn hợp, đốt cháy, giãn nở các chất khí (sau đó gây áp lực lên bề mặt làm việc của rôto) và quá trình loại bỏ chúng diễn ra. Kết quả làđốt cháy nhiên liệu, rôto được dẫn động, truyền mômen quay tới trục lệch tâm. Cái sau được gắn trên các ổ trục và sau đó truyền lực đến các bộ phận truyền tải. Và chỉ khi đó, mômen lực của động cơ Wankel mới truyền đến các bánh xe theo sơ đồ cổ điển - thông qua bộ truyền động cardan và trục các trục tới các trục quay. Do đó, một số cặp cơ làm việc đồng thời trong một động cơ quay. Đầu tiên chịu trách nhiệm cho chuyển động của rôto và bao gồm một số bánh răng. Công thức thứ hai chuyển chuyển động của rôto thành số vòng quay của trục lệch tâm.

Tỷ số truyền của stato (vỏ) và bánh răng luôn ổn định và là 3: 2. Do đó, rôto có thời gian để quay một vòng hoàn toàn của trục là 120 độ. Đổi lại, đối với một vòng quay hoàn toàn của rôto, một chu kỳ hoạt động bốn kỳ của động cơ đốt trong được thực hiện ở mỗi trong ba buồng được tạo thành bởi các mặt.

Lợi ích

Ưu điểm của động cơ đốt trong này là gì? Động cơ piston quay Wankel có thiết kế đơn giản hơn động cơ piston thanh truyền. Vì vậy, số lượng các bộ phận trong nó ít hơn 40% so với động cơ đốt trong bốn kỳ piston. Nhưng vẫn không thể tạo ra động cơ Wankel bằng tay của chính bạn mà không có thiết bị tinh vi. Rốt cuộc, rôto có hình dạng rất phức tạp. Những người đã cố gắng tạo ra một động cơ Wankel tự chế bằng tay của họ đã phải chịu vô số thất bại.

Nhưng hãy tiếp tục với những lợi ích. Trong thiết kế của bộ quay không có trục khuỷu, cơ cấu phân phối khí. Ngoài ra, không có thanh kết nối vàpít-tông. Hỗn hợp dễ cháy đi vào buồng thông qua cửa sổ hút gió, được mở bằng mép của rôto. Và các khí thải ở cuối chu trình làm việc được thoát ra khỏi cơ thể qua cổng xả. Một lần nữa, vai trò của van ở đây được thực hiện bởi chính cạnh của rôto. Ngoài ra, không có trục cam trong thiết kế (trong số đó một số trục cam hiện được sử dụng trên các đơn vị thanh kết nối). Động cơ piston quay Wankel tương tự như động cơ hai kỳ về nguyên lý hoạt động của cơ cấu phân phối khí.

Riêng biệt, phải kể đến hệ thống bôi trơn. Trên thực tế, nó không có trong động cơ quay Wankel. Nhưng sau đó các cặp ma sát hoạt động như thế nào? Thật đơn giản: dầu được thêm vào chính hỗn hợp dễ cháy (như trong động cơ xe máy nguyên thủy). Do đó, việc bôi trơn các bộ phận cọ xát được thực hiện bởi chính hỗn hợp nhiên liệu-không khí. Thiết kế thiếu bơm dầu quen thuộc với mọi người, giúp lấy dầu nhờn từ bể chứa và phun nó dưới áp suất đặc biệt.

Một ưu điểm khác của động cơ Wankel là trọng lượng và kích thước nhẹ. Vì gần như một nửa số bộ phận bắt buộc trong động cơ piston bị thiếu ở đây, nên bộ phận quay nhỏ gọn hơn và có thể phù hợp với bất kỳ khoang động cơ nào. kích thước nhỏ gọn cho phép bạn sử dụng không gian của khoang động cơ một cách hợp lý hơn, cũng như cung cấp tải trọng đồng đều hơn cho trục trước và sau (xét cho cùng, ở những chiếc xe có động cơ thông thường, hơn 70% tải trọng rơi vào phía trước phần). Và do trọng lượng thấp nên đạt được độ ổn định cao. Có, động cơ cómức rung tối thiểu, có ảnh hưởng tích cực đến sự thoải mái của máy.

Điểm cộng tiếp theo của thiết bị này là công suất riêng cao, đạt được ở tốc độ trục cao. Tính năng này cho phép bạn đạt được các đặc tính kỹ thuật tốt. Đây là lý do tại sao động cơ Wankel được sử dụng trong các mẫu xe thể thao của Mazda. Động cơ dễ dàng quay lên đến bảy nghìn vòng quay hoặc hơn. Đồng thời, nó cung cấp nhiều mô-men xoắn và công suất hơn ở mức âm lượng nhỏ. Tất cả điều này có ảnh hưởng tích cực đến động lực tăng tốc của xe. Ví dụ, bạn có thể lấy chiếc xe "Mazda RX-8". Với thể tích 1,3 lít, động cơ sản sinh công suất 210 mã lực.

Lỗi thiết kế

Xem xét thiết bị và nguyên lý hoạt động của động cơ quay Wankel, cần lưu ý đến khuyết điểm thiết kế chính. Đây là hiệu suất thấp của các khe hở giữa buồng đốt và rôto. Loại thứ hai có hình dạng khá phức tạp, đòi hỏi phải có niêm phong đáng tin cậy không chỉ dọc theo các cạnh (trong đó tổng cộng là bốn), mà còn dọc theo bề mặt bên (tiếp xúc với nắp động cơ). Đồng thời, chúng được làm dưới dạng các dải thép chịu lực với sự gia công đặc biệt chính xác cả từ đầu và bề mặt làm việc. Tất cả các phép giãn nở trong quá trình gia nhiệt, được đưa vào thiết kế, đều làm suy giảm các đặc tính này. Do đó, không thể tránh được sự đột phá của khí ở những vị trí cuối cùng của các tấm niêm phong. Trong động cơ piston, hiệu ứng mê cung được áp dụng. Vì vậy, thiết kế sử dụng ba vòng đệm với các khoảng trống theo các hướng khác nhau.

Nhưng điều đáng chú ý là những năm gần đây chất lượng con dấu ngày càng tăng. Các nhà thiết kế đã cải tiến động cơ Wankel, sử dụng vật liệu mới cho con dấu. Tuy nhiên, sự bứt phá về khí được coi là điểm yếu nhất của động cơ đốt trong quay.

Tiêu hao dầu

Như chúng tôi đã nói trước đó, động cơ này không có hệ thống bôi trơn. Do dầu đi vào cùng với hỗn hợp dễ cháy nên mức tiêu thụ dầu tăng lên đáng kể. Và nếu trên động cơ thanh kết nối, lượng dầu nhờn bị mất tự nhiên được loại trừ hoặc không quá 100 gam trên 1 nghìn km, thì trên động cơ quay, thông số này nằm trong khoảng từ 0,4 đến 1 lít trên nghìn km. Điều này là do hệ thống làm kín phức tạp đòi hỏi sự bôi trơn hiệu quả hơn cho các bề mặt. Ngoài ra, do mức tiêu thụ dầu cao, các động cơ này không thể đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường hiện đại. Khí thải của ô tô có động cơ Wankel chứa nhiều chất độc hại cho cơ thể và môi trường.

Bên cạnh đó, động cơ quay chỉ có thể chạy bằng dầu chất lượng cao và đắt tiền. Điều này là do một số yếu tố:

• Có xu hướng mài mòn các bộ phận tiếp xúc của buồng động cơ và rôto.
• Xu hướng quá nhiệt của các cặp ma sát.

Vấn đề khác

Thay nhớt không thường xuyên có nguy cơ làm giảm tuổi thọ của động cơ đốt trong, vì các phần tử của dầu nhớt cũ hoạt động như một chất mài mòn, làm tăng các khe hở và khả năng thoát khí trong khoang. Bộ phận này cũng bị nêm khi quá nhiệt. Và khi lái xe trong thời tiết lạnh giá,làm mát có thể đã quá mức.

Bản thân RPD có nhiệt độ hoạt động cao hơn bất kỳ động cơ piston nào. Buồng đốt được coi là tải nhiều nhất. nó có một khối lượng nhỏ. Và vì hình dạng kéo dài, buồng này rất dễ bị phát nổ. Ngoài dầu, động cơ Wankel còn đòi hỏi chất lượng của nến. Chúng được lắp đặt theo cặp và thay đổi theo đúng quy định kỹ thuật. Trong số các điểm khác, đáng chú ý là độ đàn hồi không đủ của động cơ quay. Vì vậy, những động cơ đốt trong này có thể tạo ra các đặc tính tốc độ và công suất tuyệt vời chỉ ở tốc độ rôto cao - từ 6 đến 10 nghìn hoặc hơn một phút. Tính năng này buộc các nhà thiết kế phải tinh chỉnh thiết kế của các hộp số, biến chúng thành nhiều giai đoạn.

Nhược điểm nữa là tiêu hao nhiên liệu cao. Ví dụ, nếu bạn đi một chiếc Mazda RX-8 động cơ piston quay 1,3 lít, theo dữ liệu hộ chiếu, nó tiêu thụ từ 14 đến 18 lít nhiên liệu. Hơn nữa, chỉ xăng có trị số octan cao mới được khuyến khích sử dụng.

Về ứng dụng của RPD trong ngành công nghiệp ô tô

Động cơ này phổ biến nhất vào cuối những năm 60 và đầu những năm 70 của thế kỷ trước. Bằng sáng chế Wankel RPD đã được mua lại bởi 11 nhà sản xuất ô tô hàng đầu. Vì vậy, vào năm thứ 67, NSU đã phát triển chiếc xe hạng thương gia đầu tiên có động cơ quay, được gọi là NSU RO 80. Mẫu xe này đã được sản xuất hàng loạt trong 10 năm. Tổng cộng, hơn 37 nghìn bản đã được phát hành. Chiếc xe được ưa chuộng, nhưng những khuyết điểm của động cơ quay cuối cùng đã làm hoen ố danh tiếng của chiếc xe này. Trong bối cảnh của những người khácCác mẫu NSU, NSU RO 80 sedan là không đáng tin cậy nhất. Số dặm trước khi đại tu chỉ là 50 nghìn với mức công bố là 100.

Ngoài ra, mối quan tâm của Peugeot-Citroen, công ty Mazda và nhà máy VAZ đã thử nghiệm động cơ quay (chúng tôi sẽ nói riêng về trường hợp này bên dưới). Người Nhật đã đạt được thành công lớn nhất khi cho ra đời chiếc ô tô chở khách với động cơ quay vào năm thứ 63. Hiện tại, người Nhật vẫn đang trang bị RPD trên các mẫu xe thể thao dòng RX của họ. Cho đến ngày nay, họ không còn mắc nhiều "căn bệnh thời thơ ấu" vốn có trong RAP thời đó.

Wankel RPD và ngành công nghiệp xe máy

Vào những năm 70 và 80 của thế kỷ trước, một số nhà sản xuất xe máy đã thử nghiệm với động cơ quay. Đây là Hercules và Suzuki. Giờ đây, việc sản xuất hàng loạt mô tô quay chỉ được thiết lập tại Norton. Thương hiệu này sản xuất xe thể thao NRV588 được trang bị động cơ hai cánh quạt với tổng dung tích 588 phân khối. Công suất của Norton bike là 170 mã lực. với trọng lượng lề đường là 130 kg, chiếc mô tô này có khả năng vận hành năng động tuyệt vời. Ngoài ra, những chiếc RPD này còn được trang bị hệ thống phun xăng điện tử và đường nạp có thể thay đổi.

Sự thật thú vị

Các bộ nguồn này được sử dụng rộng rãi trong các nhà mô hình máy bay. Vì không có yêu cầu nào về hiệu quả và độ tin cậy đối với mô hình động cơ đốt trong, nên việc sản xuất những động cơ như vậy hóa ra không tốn kém. Trong các động cơ đốt trong như vậy, không có phớt rôto nào cả, hoặc chúng có thiết kế sơ khai nhất. Ưu điểm chính của điều nàyđơn vị mô hình máy bay là nó dễ dàng cài đặt trong một mô hình quy mô bay. ICE nhẹ và nhỏ gọn.

Một sự thật nữa: Felix Wankel, đã nhận được bằng sáng chế cho RPD vào năm 1936, đã trở thành người phát minh ra không chỉ động cơ quay, mà còn cả máy nén, cũng như máy bơm hoạt động theo cùng một sơ đồ. Các đơn vị như vậy có thể được tìm thấy trong các cửa hàng sửa chữa và sản xuất. Nhân tiện, máy bơm lốp xe điện cầm tay được thiết kế chính xác theo nguyên tắc này.

RPD và xe VAZ

Vào thời Liên Xô, họ cũng tham gia vào việc tạo ra động cơ piston quay và lắp đặt nó trên các xe hơi VAZ trong nước. Vì vậy, RPD đầu tiên của Liên Xô là động cơ VAZ-311 có công suất 70 mã lực. Nó được tạo ra trên cơ sở đơn vị 13V của Nhật Bản. Nhưng vì việc chế tạo động cơ được thực hiện theo những kế hoạch phi thực tế, nên đơn vị này đã trở nên không đáng tin cậy sau khi được đưa vào sản xuất hàng loạt. Chiếc xe đầu tiên có động cơ này là VAZ-21018.

Nhưng câu chuyện về việc cài đặt engine Wankel trên VAZ không kết thúc ở đó. Thứ hai liên tiếp là bộ nguồn VAZ-415, được sử dụng theo từng đợt nhỏ trên G8 vào những năm 80. Bộ nguồn này có các đặc tính kỹ thuật tốt hơn. Sức mạnh có dung tích 1308 phân khối tăng lên 150 mã lực. Nhờ đó, VAZ-2108 của Liên Xô với một động cơ quay đã tăng tốc lên hàng trăm trong 9 giây. Và tốc độ tối đa được giới hạn ở 190 km một giờ. Nhưng động cơ này không phải là không có sai sót. Đặc biệt, nó là một nguồn tài nguyên nhỏ. Anh ấy chỉ đạt 80 nghìnkm. Ngoài ra trong số những điểm hạn chế, đáng chú ý là chi phí cao để tạo ra một chiếc xe như vậy. Mức tiêu thụ dầu là 700 gram cho mỗi nghìn km. Mức tiêu hao nhiên liệu khoảng 20 lít / trăm. Do đó, bộ phận quay chỉ được sử dụng trên xe dịch vụ đặc biệt, với số lượng nhỏ.

Kết

Vì vậy, chúng tôi đã tìm ra động cơ Wankel là gì. Bộ phận quay này hiện chỉ được sử dụng hàng loạt trên xe Mazda và chỉ trên một kiểu xe. Bất chấp nhiều cải tiến và nỗ lực của các kỹ sư Nhật Bản để cải thiện thiết kế của RPD, nó vẫn có nguồn tài nguyên khá nhỏ và có đặc điểm là tiêu thụ nhiều dầu. Ngoài ra, Mazdas 1,3 lít mới không khác biệt về hiệu suất nhiên liệu. Tất cả những thiếu sót này của động cơ quay khiến nó không thực tế và được sử dụng ít trong ngành công nghiệp ô tô.