완켈 디젤 엔진

Wankel Diesel engine

Wankel Diesel 엔진은 Wankel 회전식 엔진에서 디젤 원리를 사용하는 아이디어를 설명한다. 그러한 엔진을 만들기 위한 여러 가지 시도는 1960년대와 1970년대에 서로 다른 엔지니어들과 제조업체들에 의해 이루어졌다. 기술 문제와 Wankel 설계의 일반적인 단점 때문에 Wankel Diesel 엔진은 프로토타입 단계를 결코 벗어나지 않았으며, 따라서 자체 전력으로 구동할 수 있는 Wankel Diesel 엔진 설계는 실현 불가능한 것으로 간주된다.

디자인 컨셉

디젤 엔진의 특성
  • 압축 점화
  • 연소실 내부의 혼합물 형성
  • 혼합물 품질만으로 제어되는 엔진 속도
  • 이기종 공기-연료 혼합물
  • 높은 공기비
  • 확산 불꽃
  • 점화 성능이 높은 연료
출처:[1]
롤스로이스 2-R6 프로토타입, 8자리 모양.
롤스로이스 R1C 시제품.

완켈 디젤 엔진은 타원형의 상피로이드 모양의 하우징에 삼각형 모양의 로터인 기본 설계를 일반 완켈 엔진과 공유한다. 주요 차이점은 모든 작동 특성을 디젤 엔진과 공유한다는 점이다. 이 외에도 다음과 같은 슈퍼차징이 필요하다. 일반 디젤 엔진은 Wankel 연소실 형태 때문에 Wankel 엔진에서는 할 수 없는 높은 압축 비율에 의해 압축 점화를 달성하고, 슈퍼차징 ″art은 압축 점화가 이루어지도록 압축 비율을 증가시킨다.[2] Wankel Diesel 엔진의 슈퍼차저 설계에는 몇 가지 다른 접근 방식이 존재한다. 완켈은 외부 슈퍼차저를 설계한 반면 롤스로이스는 더 큰 크기의 2차 슈퍼차징 로터를 추가해 엔진이 2단 로터리 형태로 되어 있어 하우징에 8단 외관을 부여했다.[3][4]

Wankel Diesel 엔진 설계 이유

일반 가솔린 엔진은 디젤 엔진에 비해 열효율이 낮다. 그러나 1960년대에는 승용차에서 중요한 질량 저하, 진동 감소, 소음 배출 감소라는 가솔린 엔진의 장점이 여전히 지배적이었다. 낮은 질량과 부드러운 엔진 작동도 Wankel 엔진의 특성이다. Wankel 설계와 디젤 특성을 결합하면 질량이 낮고 진동이 적은 효율적인 엔진이 될 수 있다. 디젤 엔진 연료는 연소할 수 있지만 디젤 원리는 사용하지 않는 완켈 엔진을 만드는 것은 디젤 엔진 연료가 가솔린보다 저렴할 경우 유용할 수 있다.[5] 1974년 EPA를 위해 수행된 연구에서, Wankel Diesel 엔진이 일반 오토 사이클 가솔린 엔진보다 배기 거동이 더 좋은지 여부를 결정하기 위해 시도되었다.[6]

부적합 원인

Wankel Diesel 엔진의 성능 저하의 주요 원인은 로터리 피스톤에 위치한 연소실의 형상이다. 연장 및 볼록하게 되어 (단층 크랭크축 또는 배기 가스 구동) 슈퍼차저와 결합해도 충분한 압축비(많은 열 손실 없이)를 허용하지 않는다.[7] 엔진은 생산할 수 있는 것보다 작동에 많은 작업이 필요하기 때문에 외부에서 압축 공기를 공급해야만 기능한다는 뜻이다. 또한 적절한 혼합물 형성을 위해 주입 노즐 쪽으로 정확하게 각도를 맞춘 적절한 연소실 설계는 상당히 어려운 것으로 판명되었다.[8] EPA 연구는 Wankel Diesel 엔진의 배기 가스가 불균형적으로 높은 수준의 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC)를 포함하고 있다는 것을 입증하여 불완전한 연소를 나타낸다.[6]

프로토타입 개발

디젤-링

디젤링은 독일 디젤 엔진 제조업체인 다임러-벤츠, MAN, 크루프, KHD의 합작회사였다. 1969년에 개발이 중단되었는데, 이는 완켈 엔진 연소실의 형태가 디젤 원리에 적합하지 않은 것으로 간주되었기 때문이다.[8][7]

롤스로이스

롤스로이스는 1964년에 MoD용 경량 군용 완켈 디젤 엔진을 개발하기 시작했다.[4] 프리츠 펠러는 그 프로젝트의 수석 엔지니어였다.[9] 곧 일반 완켈 엔진은 압축 점화 시 필요한 높은 압축비에 적합하지 않을 것이 분명해졌고, 이로 인해 또 다른 회전식 피스톤을 슈퍼차저로 사용할 생각을 하게 되었다. 초기 테스트는 압축 점화 달성을 위해 사전 가열된 압축 공기를 공급한 수정된 NSU Wankel 엔진으로 수행되었다. 이 테스트 엔진은 0.25리터를 교체하고 고장나기 전에 94시간 동안 작동했다. 연료 소비량은 0.84lb/hp/hp/h(511g/k)에서 1.4lb/hp/h까지 다양했다.W·h ~ 852 g/kW·h).[10] 밀봉 재료가 불충분하다는 것이 밝혀져 높은 밀봉 손실로 이어졌고, 새로운 재료는 공학적이어야 했다. 게다가 공기와 연료를 잘 혼합할 수 있는 좋은 연소실을 설계하는 것은 상당히 어려운 것으로 밝혀져 많은 개발 작업이 필요했다.[11] 로터에 복잡한 연소실을 두는 문제를 피하기 위해, 전연실(pre-combination chamber)[12]을 옵션으로 고려했지만, 나중에 적절한 전연실(pre-combination chamber)을 가진 하우징을 만드는 것은 실현 불가능해 보였기 때문에 폐기되었다.

NSU KKM 502 Wankel 엔진으로 만들어진 첫 번째 시제품은 R1이라고 불렸고 2개의 로터와 8개의 하우징을 갖춘 2단 디자인이 특징이었다. 압축실 용적은 1.126리터였으며, KKM 502에서 0.5리터 연소실 변위를 차용했다.[13] 총 8개의 서로 다른 R1 진화가 이루어졌으며 알파벳 순서로 이름이 붙여졌다(R1A, R1B, R1C,[14] ...). R1E라 불리는 5차 진화는 1.265리터 압축실이 증가했지만 0.5리터 연소실을 유지했다. 출력은 약 40 kW, [15]연료 소비량은 약 220 g/k이었다.W.h.[16] 프로토타입 R2는 3-로터 설계를 가지고 있었다. R3는 더 큰 변위를 가진 발전소의 첫 번째 버전이었다.[17] 계획된 엔진 크기를 가진 최초의 프로토타입은 R4와 R5라고 불렸다. R5에서 첫 번째 로터 단계는 흡입 공기를 압축하는 데만 사용되었고, 배기 가스는 그것을 구동하는 데 사용되지 않았다. 대신 외부 배기가스 터빈을 통해 배기가스가 보내졌다.[18]

1970년 초,[19] 2-R6 시제품이 완성되었다.[20] 또한 2단 회전식 엔진으로, 더 큰 압축 로터 위에 작은 연소 로터가 있다. 로터는 기어비 1:1로 연결되어 같은 방향으로 회전한다. R5 프로토타입과 달리 2-R6은 외부 배기 가스 터빈 대신 압축 로터로 배기 가스 에너지를 사용한다. 토크는 연소 로터의 토크가 아니라 압축 로터의 토크를 대신 뺀다. 이 엔진은 배기량이 396인치3(6.5L)로 출력이 350hp(261kW)[16]로 되어 있었지만 질량은 929lb(421kg)에 불과하다. 당시 이는 동일한 출력을 가진 동등한 피스톤 디젤 엔진의 질량의 50%에 해당했을 것이다.[4] 추가 계획에는 일반 350 hp 변종 이외에 보다 강력한 700 hp(522 kW) 버전의 엔진이 포함되었다.[16][20] 그러나 특수합금을 사용함에도 불구하고 엔진 중량은 1150lb(522kg),[21] 출력 180hp(134kW)가 예상한 350hp의 50%를 간신히 초과했다. 외부에서 생성된 압축 공기를 사용하여 필요한 테스트 베드의 모든 작동은 엔진이 자체 동력으로는 작동되지 않았다.[18] 재정 문제로 1974년 완켈 디젤엔진 사업이 취소됐다고 한다. 욤 키푸르 전쟁으로 영국군이 소형 탱크 발전소에 대한 관심을 잃게 되어 정부 보조금이 삭감되는 결과를 초래했다는 추측이 나왔다.[20] 작동하는 Wankel Diesel 엔진 설계는 단순히 불가능하지만 훨씬 더 가능성이 높다.[22]

펠릭스 완켈

Wankel은 두 개의 클로버 모양의 하우징과 그 사이에 압축기가 있는 Wankel 디젤 엔진을 설계했다. 일반 Wankel 엔진과는 달리 회전식 피스톤은 뢰레오 삼각형 모양이 아니라 불룩한 사분율과 같다. 컴프레서 로터는 타원형이다. 이 엔진은 특이한 설계에도 불구하고 테스트 베드의 테스트 조건 하에서 기능했다. 시험용 로터 1개만으로 두 번째 시제품이 제작되었다. 배기량 0.7리터, 20시간 시험운행을 통과해 60 N·m의 피크토크를 생산했다.[3]

참고 문헌 목록

  • 프리츠 펠러: 2단 회전식 엔진 – 디젤 동력의 새로운 개념, 1970–71, Vol. 185 13/71, 페이지 139–158

참조

  1. ^ Stefan Pischinger, Ulrich Seiffert(2016). 비에베그 한드부흐 크래프트파흐슈그테크닉. 8판, 스프링거, 비즈바덴 348페이지 ISBN978-3-658-09528-4.
  2. ^ 울프-디터 벤싱어: Rotationskolben-Verbrennungsmotoren, Springer, 베를린/하이델베르크/1973, ISBN 978-3-642-52174-4. 페이지 86
  3. ^ a b 얀 P. Norbye: 1973년 3월, 대중 과학, 도로 아래 전망 62
  4. ^ a b c David Scott: NOW! 1971년 2월, 80페이지의 롤스로이스에서 온 디젤 완켈
  5. ^ 존 B. 헤겔: Wankel Rotary Engine: A History, McFarland, 2017, ISBN 978-0-7864-8658-8, 페이지 100
  6. ^ a b M. L. 모나한, C. C. J. 프랑스어, R. G. Freese: 경량 발전소로서의 디젤에 관한 연구, EPA-460/3-74-011, 1974년 7월, 섹션 1-15
  7. ^ a b 울프-디터 벤싱어: Rotationskolben-Verbrennungsmotoren, Springer, 베를린/하이델베르크/1973, ISBN 978-3-642-52174-4. 페이지 145
  8. ^ a b Ulrich Christoph Knapp, Gunter Bayerl: Wankel auf dem Prüfstand, 왁스만, ISBN 978-3-8309-6637-1, 페이지 120
  9. ^ 존 B. 헤겔: Wankel Rotary Engine: A History, McFarland, 2017, ISBN 978-0-7864-8658-8, 페이지 101
  10. ^ 프리츠 펠러: 2단 회전식 엔진 – 디젤 동력의 새로운 개념, 1970–71, Vol. 185 13/71, 페이지 143
  11. ^ 존 B. 헤겔: Wankel Rotary Engine: A History, McFarland, 2017, ISBN 978-0-7864-8658-8, 페이지 102
  12. ^ 도로 주행 테스트, 밴드 9, 퀸 출판물, 1973, 페이지 10
  13. ^ 프리츠 펠러: 2단 회전식 엔진 – 디젤 동력의 새로운 개념, 1970–71, Vol. 185 13/71, 페이지 150
  14. ^ 프리츠 펠러: 2단 회전식 엔진 – 디젤 동력의 새로운 개념, 1970–71, Vol. 185 13/71, 페이지 151
  15. ^ 울프-디터 벤싱어: Rotationskolben-Verbrennungsmotoren, Springer, 베를린/하이델베르크/1973, ISBN 978-3-642-52174-4. 페이지 147
  16. ^ a b c 울프-디터 벤싱어: Rotationskolben-Verbrennungsmotoren, Springer, 베를린/하이델베르크/1973, ISBN 978-3-642-52174-4. 페이지 148
  17. ^ 프리츠 펠러: 2단 회전식 엔진 – 디젤 동력의 새로운 개념, 1970–71, Vol. 185 13/71, 페이지 153
  18. ^ a b 도로 주행 테스트, 밴드 9, 퀸 출판물, 1973, 페이지 11
  19. ^ 프리츠 펠러: 2단 회전식 엔진 – 디젤 동력의 새로운 개념, 1970–71, Vol. 185 13/71, 페이지 156
  20. ^ a b c 존 B. 헤겔: Wankel Rotary Engine: A History, McFarland, 2017, ISBN 978-0-7864-8658-8, 페이지 103
  21. ^ 도로 주행 테스트, 밴드 9, 퀸 출판물, 1973, 페이지 92
  22. ^ Ulrich Christoph Knapp, Gunter Bayerl: Wankel auf dem Prüfstand, 왁스만, ISBN 978-3-8309-6637-1, 페이지 121