Роторный мотор принцип работы: Принципы работы, плюсы и минусы роторного двигателя — особенности роторно-поршневого ДВС — журнал За рулем
Роторный двигатель — Устройство, принцип работы
Не многие знают, что наряду с классическими поршневыми двигателями, в автомобилестроении применяются роторные агрегаты, называемые по фамилии изобретателя моторами Ванкеля. Они являются двигателями с внутренним принципом сгорания топлива, однако, его устройство и принципы работы совершенно иные. Сегодня мы поговорим роторных моторах более подробно.
Конструктивное устройство роторного двигателя
Основные части двигателя Ванкеля по своему устройству не имеют ничего общего с классическими ДВС.
Его главные части следующие:
1. Основная рабочая камера
Корпус любого роторного агрегата представляет собой овальную металлическую камеру, в которой происходят основные рабочие процессы – режим впуска, такт сжатия, процесс сгорания горючего и выпуск отработанных газов. Форма камеры неслучайна. Она выполнена таким образом, чтобы при взаимодействии с ротором, её стенки осуществляли соприкосновение со всеми его вершинами, образуя несколько закрытых контуров.
2. Ротор
Форма ротора чем-то напоминает треугольник, грани которого имеют выпуклое наружу закругление. Помимо этого, каждая его сторона изготовлена с небольшой выборкой, увеличивающей объем образовывающейся замкнутой камеры сгорания и повышающей скоростные показатели вращения ротора. Назначение этого компонента аналогично функциям поршней в обычном ДВС. Возникновение тактов работы происходит методом создания уже упомянутых выше трех дочерних камер. Центральная часть ротора наделена зубчатым отверстием, соединяющим ротор с приводом, закрепленным в свою очередь с выходным валом. Это звено и определяет, в каком направлении и по какой траектории будет двигаться ротор внутри основной рабочей камеры.
3. Выходной вал
Функции выходного вала роторного двигателя аналогичны функциям коленвала классических силовых агрегатов.
Думаем, вы уже догадались, что роторные двигатели имеют многослойное строение, подразумевающее создание несколько рабочих камер, в которых вращаются несколько роторов. Единственным объединяющим звеном этой работы служит выходной вал, вращающийся в результате этого синхронного взаимодействия. «Слои» надежно скрепляются между собой множеством болтов, расположенных по краям. Охлаждение таких двигателей проточное. Оно подразумевает нахождение антифриза не только вокруг общего блока, но и в каждой из его частей.
Принцип работы роторного двигателя
В двигателе Ванкеля вся работа выстраивается тем же методом сгорания топливной смеси, что и у поршневых движков.
Однако никаких статических камер сгорания у них не предусматривается. Давление, возникающее при сгорании горючего, создается в отдельно образуемых камерах, которые отделяются от общей рабочей камеры роторными гранями.
Сам ротор постоянно контактирует своими вершинами со стенками камеры, в каждый момент времени создавая очередной замкнутый контур. При его вращении контуры попеременно то расширяются, то осуществляет сжатие. Во время этих циклов внутрь камеры попадает воздух и топливо, которое в результате силового воздействия ротора сжимается и воспламеняется, своим расширением придавая ротору очередной вращательный импульс. Отработанные газы сквозь отверстия выбрасываются в выхлопную систему, после чего камера снова заполняется топливно-воздушным составом.
Преимущества и недостатки роторных моторов
Применение роторных моторов имеет ряд неоспоримых преимуществ.
- Меньшее количество внутренних компонентов. Аналогичный четырехцилиндровому поршневому двигателю роторный «собрат» наделен всего четырьмя основными частями: общая камера, пара роторов и кулачковый вал. Классический ДВС со схожими тактами работы состоит минимум из сорока подвижных частей, каждая из которых подвержена износу.
- Мягкость работы. При функционировании роторных агрегатов практически не возникает вибраций, благодаря тому, что все подвижные части осуществляют вращение лишь в одном направлении. Думаем, вы знаете, что работа поршней в обычном двигателе разнонаправленная. Она чередует поступательное движение с реверсивным ходом.
- Невысокий ритм. Ввиду того, что каждый ротор ответственен за вращение лишь одной трети полного круга выходного вала, движение, необходимое для этого, происходит заметно медленнее, чем существенно повышает надежность мотора Ванкеля.
Отрицательные факторы применения роторных двигателей исключать, разумеется, нельзя.
- Ни один роторный двигатель не может четко подстроиться под регламенты экологических норм различных стран. Его никак нельзя назвать экологичным из-за серьезного количества выбросов углекислого газа, снизить которые нереально.
- Дороговизна изготовления. Производство роторных движков весьма затратно, главным образом, в силу малых серийных партий. Концерны выпускают их совсем немного, что не требует особенной оптимизации затрат при изготовлении.
- Ограниченность ресурса. Функциональный запас роторных моторов Ванкеля весьма ограничен. Редко когда он превышает 100-150 тысяч километров, по достижении которого им требуется полная переборка (капитальный ремонт) или замена.
- Повышенное топливное потребление. Главной причиной увеличенной «прожорливости» является их низкая степень сжатия. Двигатель, удерживая необходимую мощность, компенсирует её за счет большего количество подаваемого внутрь замкнутых камер горючего.
Итог
Подводя итоги, скажем, что роторные силовые агрегаты, конечно, имеют право на существование. Они обладают рядом неоспоримых «плюсов», которые делают возможным их, пусть и небольшое, применение в автомобильном производстве. С другой стороны, тяжесть «минусов» весьма ощутима. Во многих странах мира они попросту не могут применяться из-за существующих экологических стандартов, а серьезное топливное потребление и ограниченный рабочий ресурс делает приобретение автомобилей с роторными двигателями совершенно нерентабельным. Прогнозируем, что какое-то время они еще будут на рынке, но достаточно скоро их вытеснят гибридные силовые системы, развитие которых осуществляется совершенно грандиозными темпами.
Принцип работы роторного двигателя
Как известно, принцип работы роторного двигателя основан на высоких оборотах и отсутствии движений, которыми отличается ДВС. Это и отличает агрегат от обычного поршневого двигателя. РПД называют ещё двигателем Ванкеля, и сегодня мы рассмотрим его работу и явные достоинства.
Ротор такого двигателя находится в цилиндре. Сам корпус не круглого типа, а овального, чтобы ротор треугольной геометрии нормально в нём помещался. У РПД не бывает коленчатого вала и шатунов, а также отсутствуют в нём другие детали, что делает его конструкцию намного проще. Если говорить другими словами, то примерно около тысячи деталей обычного двигателя внутреннего сгорания в РПД нет.
Работа классического РПД основана на простом движении ротора внутри овального корпуса. В процессе движения ротора по окружности статора создаются свободные полости, в которых и происходят процессы запуска агрегата.
Почему этот вариант не прижился
Удивительно, но роторный агрегат представляет собой некий парадокс. В чём он заключается? А в том, что он имеет гениально простую конструкцию, которая почему-то не прижилась. А вот более сложный поршневой вариант стал популярным и повсюду используется.
На видео показано строение и принцип работы роторного двигателя:
Конечно же, если бы у роторного мотора не было недостатков, то он обязательно бы применялся на современных автомобилях. Возможно даже, что, если бы роторный двигатель был безгрешен, мы и не узнали бы про двигатель поршневой, ведь роторный создали раньше. Затем человеческий гений, пытаясь усовершенствовать агрегат, и создал современный поршневой вариант мотора.
Но к сожалению, минусы у роторного двигателя имеются. К таким вот явным ляпам этого агрегата можно отнести герметизацию камеры сгорания. А в частности, это объясняется недостаточно хорошим контактом самого ротора со стенками цилиндра. При трении со стенками цилиндра металл ротора нагревается и в результате этого расширяется. И сам овальный цилиндр тоже нагревается, и того хуже — нагревание происходит неравномерно.
Если в камере сгорания температура бывает выше, чем в системе впуска/выпуска, цилиндр должен быть выполнен из высокотехнологичного материала, устанавливаемого в разных местах корпуса.
Для того чтобы такой двигатель запустился, используются всего две свечи зажигания. Больше не рекомендуется ввиду особенностей камеры сгорания. РПД наделён бывает совершенно иной камерой сгорания и выдаёт мощность три четверти рабочего времени ДВС, а коэффициент полезного действия составляет целых сорок процентов. По сравнению: у поршневого мотора этот же показатель составляет 20%.
Преимущества ротора, или Как японцы взялись за дело
На видео показан принцип работы роторного двигателя Ахриевых:
Но имеются у РПД и преимущества. В частности, к ним можно отнести особую динамику агрегата. Расход у роторного двигателя очень большой, а кроме этого, у такого агрегата очень маленький ресурс — всего шестьдесят тысяч километров — что делает его непригодным для езды в условиях города. Если объём роторного двигателя будет равен 1,3 л, то он способен будет потреблять до двадцати литров топлива.
Кстати, большой расход бензина также является причиной того, что роторный двигатель не обрёл популярности. Дело в том, что в 1973 году, когда роторные двигатели только вышли, на Аравийском полуострове накалилась обстановка. Там проходили настоящие военные действия, а как известно, арабские страны до сих пор остаются основными поставщиками топлива. В связи с этим делом, цена на бензин резко поднимается. А роторный двигатель пожирал его просто как вечно голодный чревоугодник. Вот и получилось, что он стал лишним.
Зато такой агрегат при этом будет выдавать целых 250 л. с, оставаясь малогабаритным.
На видео показано строение и принцип работы роторного двигателя Ванкеля:
Такая ситуация просто вынуждает причислять роторные двигатели к спортивным моделям автомобилей. Да и не только. Приверженцы роторного двигателя сегодня нашлись.
Это известный автопроизводитель Мазда, вставший на путь самурая и продолживший исследования мастера Ванкеля. Если вспомнить ту же ситуацию с Субару, то становится понятен успех японских производителей, цепляющихся, казалось бы, за всё старое и отброшенное западниками как ненужное. А на деле японцам удаётся создавать новое из старого. То же тогда произошло с оппозитными двигателями, являющимися на сегодняшний день «фишкой» Субару. В те же времена использование подобных двигателей считалось чуть ли не преступлением.
Работа роторного двигателя также заинтересовала японских инженеров, которые на этот раз взялись за усовершенствование Мазды. Они создали роторный двигатель 13b-REW и наделили его системой твин-турбо. Теперь Мазда могла спокойно поспорить с немецкими моделями, так как открывала целых 350 лошадок, но грешила опять же большим расходом топлива.
Пришлось идти на крайние меры. Очередная модель Мазда RX-8 с роторным двигателем уже выходит с 200 лошадками, что позволяет сократить расход топлива.
Но не это главное. Заслуживает уважения другое. Оказалось, что до этого никто, кроме японцев, не догадался использовать невероятную компактность роторного двигателя. Ведь мощность в 200 л. с. Мазда RX-8 открывала с двигателем объёмом 1,3 литра. Одним словом, новая Мазда выходит уже на другой уровень, где способна конкурировать с западными моделями, беря не только мощностью мотора, но и другими параметрами, в том числе и низким расходом топлива.
На видео рассмотрено устройство и принцип работы роторного двигателя Желтышева:
Удивительно, но РПД пытались ввести в работу и у нас в стране. Такой двигатель был разработан для установки его на ВАЗ 21079, предназначенный как транспортное средство для спецслужб. Но проект, к сожалению, не прижился. Как всегда, не хватило бюджетных денег государства, которые чудесным образом из казны выкачиваются.
Зато это удалось сделать японцам. И они на достигнутом результате останавливаться не желают. По последним данным, производитель Мазда усовершенствует двигатель и в скором времени выйдет новая Мазда, уже с совершенно другим агрегатом.
Заглянем внутрь РПД
Схема работы роторного двигателя представляет собой нечто совершенно иное, чем обычный ДВС. Во-первых, следует оставить в прошлом конструкцию двигателя внутреннего сгорания, известную нам. А во-вторых, попытаться впитать в себя новые знания и понятия.
РПД назван так из-за ротора, то есть такой части мотора, которая движется. Благодаря этому движению мощность передаётся на сцепление и КПП. По сути, ротор выталкивает энергию топлива, которая затем передаётся колёсам через трансмиссию. Сам ротор выполнен обязательно из легированной стали и имеет, как и говорилось выше, форму треугольника.
На видео показан принцип работы роторно-поршневого двигателя Зуева:
Капсула, где находится ротор, — это своеобразная матрица, центр вселенной, где все процессы и происходят. Другими словами, именно в этом овальном корпусе происходит:
- сжатие смеси;
- топливный впрыск;
- поступление кислорода;
- зажигание смеси;
- отдача сгоревших элементов в выпуск.
Одним словом, шесть в одном, если хотите.
Сам ротор крепится на специальном механизме и не вращается вокруг одной оси, а как бы бегает. Таким образом, создаются изолированные друг от друга полости внутри овального корпуса, в каждой из которых и происходит какой-либо из процессов. Так как ротор треугольный, то полостей получается всего три.
Всё начинается следующим образом. В первой образующейся полости происходит всасывание, то есть камера наполняется воздушно-топливной смесью, которая здесь же перемешивается.
После этого ротор вращается и толкает эту перемешанную смесь в другую камеру.
Здесь смесь сжимается и воспламеняется при помощи двух свечей.
Смесь после этого идёт в третью полость, где и происходит вытеснение частей использованного топлива в систему выхлопа.
Это и есть полный цикл работы РПД. Но не всё так просто. Это мы рассмотрели схему РПД только с одной стороны. А действия эти проходят постоянно. Если говорить иначе, процессы возникают сразу с трёх сторон ротора. В итоге всего за единственный оборот агрегата повторяется три такта.
Кроме того, японским инженерам удалось усовершенствовать роторный двигатель. Сегодня роторные двигатели Мазда имеют не один, а два и даже три ротора, что в значительной мере повышает производительность, тем более если сравнить его с обычным двигателем внутреннего сгорания. Для сравнения: двухроторный РПД сравним с шестицилиндровым ДВС, а 3-роторный с двенадцатицилиндровым. Вот и получается, что японцы оказались такими дальновидными и преимущества роторного мотора сразу распознали.
Опять же, производительность — это не одно достоинство РПД.
Их у него много. Как и было сказано выше, роторный двигатель очень компактный и в нём используется на целых тысячу деталей меньше, чем в том же ДВС. В РПД всего две основные детали — ротор и статор, а проще этого ничего не придумаешь.
Принцип работы роторно-поршневого двигателя заставил в своё время многих талантливых инженеров удивлённо вскинуть бровями. И сегодня талантливые инженеры компании Мазда заслуживают всяческих похвал и одобрения. Шутка ли, поверить в производительность, казалось бы, похороненного двигателя и дать ему вторую жизнь, да ещё какую!
Роторный двигатель: принцип работы с видео, устройство
Роторный двигатель является одной из разновидностей тепловых ДВС. Первый роторный двигатель, принцип работы которого кардинально отличается от традиционного двигателя внутреннего сгорания, появился в 19 веке.Его особенностью было использование не возвратно поступательных движений, как в классическом ДВС, а вращение в специальном овальном корпусе трехгранного ротора.
Такая схема применялась в первых поршневых паровых машинах и дала толчок к активному проектированию и созданию роторных паровых двигателей. С роторного парового двигателя и начиналась история двигателя внутреннего сгорания роторного типа. Впервые схему классического роторно-поршневого (двигателя Ванкеля) разработали в конце 1950-х годов в немецкой фирме NSU, авторами стали Феликс Ванкель и Вальтер Фройде.
Конструкция
Давайте рассмотрим основные части РПД:
- корпус двигателя;
- ротор;
- выходной вал.
Как и любой другой двигатель внутреннего сгорания, двигатель Ванкеля имеет корпус, который включает основную рабочую камеру, в нашем случае – овальной формы.
Форма камеры сгорания (овал) обусловлена применением трехгранного ротора, грани которого при соприкосновении со стенками камеры сгорания овальной формы образуют изолированные закрытые контуры. В этих изолированных контурах и происходят все такты работы РПД:
- впуск;
- сжатие;
- воспламенение;
- выпуск.
Такая компоновка позволяет обойтись без впускных и выпускных клапанов. Впускные и выпускные отверстия находятся по бокам камеры сгорания, а соединены напрямую к системе питания и системе выпуска отработанных газов.
Следующей составной частью роторного мотора является непосредственно ротор. В РПД ротор выполняет функцию поршней в обычном двигателе. Своей формой ротор похож на треугольник с закругленными наружу краями и вдающимися внутрь гранями. Закругление краев ротора необходимо для лучшего уплотнения камеры сгорания. Выборка внутри грани нужна для увеличения объема камеры сгорания, правильного горения топливно-воздушной смеси и увеличения скорости вращения ротора. Вверху каждой грани и по ее бокам находятся металлические пластины, задача которых состоит в уплотнении камеры сгорания, аналогично поршневым кольцам классического ДВС. Внутри ротора расположены зубцы, вращающие привод, который, в свою очередь, вращает выходной вал.
Классический мотор имеет коленчатый вал, в РПД его функцию выполняет выходной вал.
Относительно центра выходного вала расположены выступы-кулачки в форме полукругов. Выступы-кулачки несимметричны по отношению к центру и явно смещены относительно центра оси. На каждый выступ-кулачок выходного вала приходится по своему ротору. Вращательное движение каждого ротора, передаваемое на выступ-кулачок, заставляет выходной вал вращаться вокруг своей оси, что, в свою очередь, создает крутящий момент на выходном валу.
Рабочие такты РПД
Давайте теперь более подробно рассмотрим принцип работы роторного двигателя и рабочие процессы, происходящие внутри него. Как и классический мотор, двигатель Ванкеля имеет те же такты впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска.
Начало такта впуска происходит в момент прохода одной из вершин ротора впускного канала корпуса мотора. В этот момент в постепенно расширяющуюся камеру сгорания всасывается топливно-воздушная смесь либо просто воздух, в зависимости от компоновки системы подачи топлива. При дальнейшем вращении ротора к точке, когда вторая вершина проходит впускной канал, начинается такт сжатия топливно-воздушной смеси.
Давление смеси вместе с движением ротора постепенно нарастает и достигает своего пика в момент прохождения зоны свечей зажигания. В момент воспламенения начинается такт рабочего хода ротора.
В связи с особой формой камеры сгорания, вытянутой вдоль стенки корпуса, целесообразно использовать две свечи зажигания. Использование двух свечей позволяет быстро и равномерно произвести поджиг топливно-воздушной смеси, что гарантирует быстрое, плавное и равномерное распространение фронта пламени.
Две свечи может иметь и обычный поршневой мотор, например некоторые спортивные двигатели, но в РПД использование двух свечей зажигания просто необходимо.
Образовавшееся давление газов поворачивает ротор на эксцентрике вала, что в свою очередь приводит к возникновению крутящего момента на выходном валу. При приближении к выпускному каналу вершины ротора давление в камере сгорания плавно снижается.
Вращаясь по инерции, вершина ротора достигает выпускного канала, начинается такт выпуска. Выхлопные газы устремляются в выпускной канал, и как только вершина ротора достигает впускного канала, снова начинается такт впуска.
Система питания и смазка
Роторный мотор не имеет принципиальных отличий от классического ДВС в системах зажигания, топливоподачи и охлаждения. Однако система смазки имеет свои особенности. Для смазывания движущихся частей масло подается прямо в камеру сгорания через специальное отверстие, поэтому сгорает вместе с топливно-воздушной смесью как в двухтактном двигателе.
Как и любая техническая конструкция, роторный мотор обладает своими преимуществами и недостатками.
Достоинствами роторно-поршневого двигателя
Недостатки
Именно поэтому выдвигаются повышенные требованию к качеству масла и периодичности его смены;Современные реалии
В настоящее время наибольших успехов в производстве роторных двигателей добились инженеры корпорации Mazda.
Последняя генерация их двигателя Ванкеля, под названием «Renesis», совершила настоящий прорыв. Им удалось не только решить главные проблемы данного типа ДВС, такие как повышенный расход топлива и токсичность, но и снизить потребление масла на 50%, тем самым доведя экологические показатели до норм Euro 4. Новое поколение РПД Mazda могут использовать в качестве топлива как бензин, так и водород, что делает этот мотор интересными и перспективными для использования в будущем.
Поделиться «Роторный двигатель: принцип работы с видео, устройство»
Роторный двигатель — устройство и принцип действия
June 22, 2012
Как устроен роторный двигатель
В обыкновенном поршневом четырехтактном двигателе один цилиндр применяется для осуществления разнообразных процессов таких, как сжатие, впуск, сгорание и выпуск.
Роторный двигатель дает возможность реализовывать все эти процессы в различных долях корпуса. Каждый из процессов происходит как бы в отдельных цилиндрах.
В поршневых двигателях давление расширения, которое возникает во время сгорания топливовоздушной смеси, действует на поршни и заставляет их двигаться то вверх, то вниз внутри цилиндров. Коленвал и шатуны реорганизуют эти возвратно-поступательные движения во вращательное, которое необходимо для передвижения автомобиля.
В роторном двигателе нет преобразуемого возвратно-поступательного движения. В нем давление образуется в специальных камерах, которые создаются разнообразными корпусными частями, а также рельефными поверхностями треугольного ротора. Непосредственно сгорание и приводит к вращению ротора, что в свою очередь снижает количество и интенсивность вибраций, а также увеличивает потенциальную скорость вращения. Повышение эффективности, которое обеспечивается, таким образом, также дает возможность роторному двигателю иметь намного меньшие габариты относительно традиционных поршневых двигателей эквивалентной с ним мощности.
Основным элементом роторного двигателя является треугольный ротор, вращающийся внутри статора (овального корпуса) таким образом, что три роторные вершины располагаются в стабильном контакте с внутренней корпусной стенкой и при этом образует три замкнутых объема, которые содержат газ, либо же камеры сгорания.
В принципе любая из трех боковых поверхностей работает точно так, как и поршень. Во время вращения ротора в корпусе объем трёх камер, которые создаются им, постоянно изменяется и действует в качестве насоса.
ротор двигателя
Внутри ротора располагается маленькая шестерня, которая имеет внешние зубья, прикрепленная непосредственно к корпусу. Большая шестерня, то есть с крупным диаметром и внутренними зубьями сопрягается с неподвижной шестерней и таким путем задается определенная траектория вращения ротора внутри его корпуса.
Так как ротор соединяется с выходным валом по эксцентричному принципу, то он вращает вал, таким образом, будто ручка вращает коленвал и при этом выходной вал делает по три оборота за один оборот ротора.
Джеймс Уатт, который является изобретателем паровой машины, обладающей вращательными движениями, также занимался и разработкой двигателя внутреннего сгорания, который имел роторный тип. За последние полтора десятка десятилетия изобретателями было предложено огромное количество разнообразных конструкций роторного двигателя.
Еще в 1846 году определили геометрическую форму рабочей камеры сгорания роторного двигателя, а также принцип работы дебютного двигателя, который был основан на свойствах эпитрохоиды. (Эпитрохоида является геометрической линией, которая создается какой-то точкой одной из окружностей, которая катится по внешней стороне иной окружности несколько большего диаметра без проскальзывания.)
В 1924 году, когда двадцати двух летний изобретатель Феликс Ванкель начал создание своего роторного двигателя, результатов, полученных практическим путем, еще не было. Ванкель проводил исследования и анализ возможностей разнообразных видов роторного двигателя, после чего ему удалось найти практически оптимальную форму трохоидообразного корпуса. Исследования, которые заняли много лет, а также разработки Ванкеля, которые были осуществлены им вместе с производителем мотоциклов, то есть компанией NSU, завершились только лишь в 1957 году созданием дебютного двигателя роторного типа Ванкеля – DKM. Этот двигатель доказал то факт, что роторный двигатель является не просто мечтой.
Особенности двигателя
Но сложная конструкция двигателя, когда вращался непосредственно сам трохоидообразный корпус, превращала эту конструкцию роторного двигателя в непрактичную. Но уже через год появился новый двигатель KKM, который имел неподвижный корпус. Он был прототипом уже современного роторного двигателя Ванкеля. Компания NSU в ноябре 1959 года официально заявила о том, что был создан роторный двигатель Ванкеля.
Президент компании Mazda мистер Мацуда Цунеджи тут же оценил существенный потенциал данного вида двигателя и лично сам заключил контракт о сотрудничестве с компанией NSU. В 1963 году специальное подразделение компании Mazda, которое занималось исследованиями роторных двигателей и возглавлялось господином Ямамото Кеничи, начало разрабатывать первый в мире роторный двигатель, предназначенный для серийного производства.
30 мая 1967 года компания Mazda начала продажи первого автомобиля, который был оснащен двухроторным двигателем Type 10A, имеющим мощность в 110 лошадиных сил.
Последующие разработки постепенно привели к понижению расходов топлива приблизительно на 40%, а также к значительному сокращению числа токсичных выхлопов, что соответствовало регулярно ужесточаемым экологическим требованиям. К 1970 году общее количество автомобилей с таким видом двигателей достигло 100 000. К 1975 году собрали уже более 500 000 подобных автомобилей. А к 1978 году – более чем миллион. Роторный двигатель ворвался в мир автомобилей мир всерьез и на очень продолжительный срок.
Из-за того, что в двигателе отсутствует необходимость в шатунах, поршнях и коленвале, главный его блок имеет меньшие размеры, а также массу при замечательных динамических характеристиках, а также отличной управляемости.
Роторный двигатель RENESIS
Роторный двигатель значительно меньше обыкновенного двигателя одинаковой с ним мощности. Новый двигатель RENESIS приблизительно равняется по размерам обыкновенному рядному четырехцилиндровому двигателю. Маленькие размеры роторного двигателя являются выгодными не только в том плане, что уменьшается масса, но также они улучшают и управляемость, а еще и облегчают наиболее рациональное размещение трансмиссии и дают возможность делать авто более просторным для его водителя и всех пассажиров.
Все компоненты роторного двигателя постоянно вращаются в одном и том же направлении. Они не меняют направление движения таким образом, как и поршни обыкновенного двигателя. Роторный двигатель являются внутренне сбалансированными, что уменьшает уровень вибрации.
Роторный двигатель подает равномерную и плавную мощность. Во время каждого полного оборота ротора вал трижды оборачивается. Все отдельные сгорания происходят на протяжении 90-градусной фазы роторного вращения, то есть на протяжении 270-градусной фазы вращения вала. Это означает то, что однороторный двигатель может выдавать мощность на протяжении трех четвертей всех оборотов его выходного вала. Одноцилиндровый поршневой двигатель способен выдавать мощность только лишь на протяжении одной четверти оборота вала.
Роторные двигатели имеют меньшее число частей, которые движутся, относительно аналогичных четырехтактных поршневых двигателей. Двухроторный двигатель оснащен тремя главными движущимися частями: два ротора, а также выходной вал.
Наиболее простой четырехцилиндровый двигатель оснащен, по меньшей мере, сорока движущимися частями.ъ
Видео роторный двигатель
Роторный двигатель на автомобиль.
Роторный двигатель внутреннего сгорания (или как его ещё называют роторно-поршневым, так как сам ротор выполняет роль поршня) был изобретён ещё в 1957 году прошлого века талантливыми инженерами Феликсом Ванкелем и Вальтером Фройде. Этот двигатель существенно отличается от обычного двигателя внутреннего сгорания. В этой статье мы подробно рассмотрим эти основные отличия, а так же преимущества и недостатки роторного двигателя перед обычным мотором, и почему всё таки РПД не так распространён, как обычный ДВС.
Основное отличие роторно-поршневого двигателя перед обычным поршневым, это отсутствие цилиндропоршневой группы, то есть поршней с кольцами, шатунов и цилиндров. Ну и самое главное — это отсутствие множества деталей механизма газораспределения, что позволило сэкономить на производстве около тысячи деталей!
Основная деталь такого двигателя — это ротор, имеющий форму треугольника (cм.
фотографии и рисунок). И этот ротор, с помощью зубьев шестерни, входит в зацепление с шестерней другой детали, но неподвижной — статором. Принцип работы роторного двигателя можно посмотреть на видеоролике чуть ниже и он основан на том, что вершины треугольного ротора, при его вращении трутся по эпитрохоидальной (имеющей форму восьмёрки) и полированной внутренней поверхности картера (статора).
И при этом ротор своими гранями вершин отсекает при вращении переменные объёмы трёх камер (трёх камер потому, что у ротора три вершины, бывает и другое число, но три — самый распространённый вариант). Камеры образуются отсеканием вершинами ротора внутренней поверхности статора (при вращении ротора).
При вращении ротора получается, что ротор играет роль и поршня и клапанов при работе мотора. И такая уникальная конструкция позволяет осуществлять любой четырёхтактный цикл Отто, Стерлинга или Дизеля, и при этом не нужен отдельный механизм газораспределения с множеством деталей, который имеется в головке цилиндров обычного и хорошо известного нам ДВС.
А герметичность пар в роторном двигателе, достигается торцевыми и радиальными уплотнителями (пластинами), которые при работе ещё лучше прижимаются давлением газов, центробежной силой, а так же специальными плоскими пружинами.
К тому же благодаря отсутствию головки цилиндров с механизмом ГРМ, а так же отсутствию кривошипно-шатунного механизма (коленвала, шатунов) и самих цилиндров, роторно-поршневой двигатель получается очень компактным (см фото слева) и не занимает много места под капотом. Так ещё и кроме своей компактности, такие моторы имеют бóльшую мощность, чем обычные двигатели.
И у такого мотора гораздо меньше деталей, чем у привычного нам ДВС. Это хорошо видно на фото слева. И это далеко не все преимущества и подробнее о преимуществах РПД написано ниже.
Преимущества роторного двигателя.
- Меньшие габаритные размеры, чем у обыччного ДВС (примерно в полтора и даже в два раза). Это позволяет сделать машину более просторной и удобной для обслуживания.
- Бóльшая удельная мощность, при меньшем объёме камеры сгорания, чем у обычного ДВС. Это достигается благодаря тому, что однороторный мотор выдаёт мощность в течении трёх четвертей каждого оборота вала. А на знакомом нам обычном моторе, мощность выдаётся только в течении одной четверти оборота коленвала.
- Меньшее количество деталей (примерно около тридцати), а у обычного ДВС несколько сотен деталей.
- Способность развить большие обороты при отсутствии вибрации, так как нет кривошипно-шатунного механизма, который преобразует возвратно-поступательное движение поршней в вращательное.
- Низкий уровень вибрации, и мотор хорошо уравновешен.
- Отличные динамические показатели автомобиля с РПД, и на низкой передаче можно легко разогнаться более сотни км/ч.
- Ну и главный плюс, который я считаю вернёт эти моторы на дороги в будущем — это меньшая склонность к детонации, по сравнению с обычным ДВС. А значит можно использовать в качестве топлива не только бензин, но и водород — топливо будущего.
Это позволяет сделать машину более просторной и удобной для обслуживания.
А значит можно использовать в качестве топлива не только бензин, но и водород — топливо будущего.Так почему же такой двигатель не стал популярен у производителей автомобилей (исключение фирма Мазда) и до сих пор распространены обычные двигатели?. Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим недостатки роторного-поршневого двигателя (РПД).
Недостатки роторного двигателя.
Кроме множества преимуществ, у РПД имеется ряд недостатков, из-за которых он не получил широкого распространения:
- Повышенный расход топлива, особенно на низких оборотах, по сравнению с обычным двигателем.
- Сложность производства, так как требуется очень большая точность изготовления трущихся пар и очень качественные сплавы (легированные стали). К тому же на производстве должны быть очень дорогие, сложные и точные металлообрабатывающие станки, так как фреза должна при обработке (например внутренней поверхности статора) следовать очень сложной траектории.
- Быстрый износ уплотнителей, так как площадь пятна контакта маленькая а обороты вала большие. А при износе уплотнителей, из-за прорыва газов повышается токсичность, резко теряется коэффициент полезного действия (КПД) двигателя и потеря мощности.
- Бóльшая склонность к перегреву, чем обычный ДВС. Из-за повышенного перегрева, даже бывают проблемы с воспламенением смеси в камере и чтобы улучшить воспламенение, на такие моторы устанавливают по две свечи зажигания на камеру. Две свечи ставят ещё и потому, что камера сгорания имеет вытянутую плоскую форму, и одной свечи в ней недостаточно.
- В большинстве регионов не возможность ремонта таких двигателей, так как нет ни адекватных специалистов, ни запасных частей.
- Более частая замена моторного масла, из-за того, что ротор соединяется с выходным валом через эксцентриковый механизм и получается большое давление между трущимися деталями. В добавок к этому ещё и большая температура приводит к быстрому износу двигателя, особенно если вовремя не поменять масло, а менять как я уже говорил, его надо чаще. Если же вовремя менять масло, уплотнители и делать капремонт, то ресурс РПД будет достаточно большим. А у некоторых двигателях японской фирмы Мазда, проработать РПД без поломок может около трёхсот тысяч км.
А при износе уплотнителей, из-за прорыва газов повышается токсичность, резко теряется коэффициент полезного действия (КПД) двигателя и потеря мощности.
А у некоторых двигателях японской фирмы Мазда, проработать РПД без поломок может около трёхсот тысяч км.Устройство и более подробный принцип работы роторно-поршневого двигателя.
В роторном двигателе, как и в обычном ДВС вращение выходного вала (работа двигателя) происходит за счёт сгорания топливно-воздушной смеси. И так же как в привычном нам обычном двигателе, РПД имеет впускной канал, через который впрыскивается рабочая смесь, и имеет выпускной канал, через который выбрасываются отработавшие газы.
Но основное отличие состоит в том, что газы, образуемые при сгорании топлива, давят не на поршень (поршни), а на ротор, и от этого ротор передаёт вращение через зубья шестерни и эксцентрики на приводной вал. При этом сам ротор при этом выполняет и роль газораспределителя (как в двухтактном моторе, но не совсем), и делит внутренний объём картера на три отдельных камеры.
И в каждой камере в определённый момент происходит всасывание рабочей смеси, её сжатие, вспышка рабочей смеси и сам рабочий ход от расширения газов, ну и выпуск отработанных газов (четыре такта).
Подробно это показано на рисунке слева и описано ниже.
- Такт впуска. Всасывание рабочей смеси происходит в тот момент, когда соответствующая вершина ротора проходит через впускное отверстие в картере двигателя. А при дальнейшем движении ротора, объём соответствующей камеры увеличиваетс и создаётся разряжение, при котором рабочая смесь засасывается в камеру.
- Такт сжатия. Далее при вращении ротора, впускное отверстие отсекается кромкой другой (следующей) вершины ротора, и одновременно объём камеры уменьшается, таким образом рабочая смесь сжимается и давление в камере увеличивается. Пик сжатия (наибольшего давления смеси) достигается в районе свечей зажигания.
- Такт рабочий ход. В этот момент происходит разряд на двух свечах зажигания и соответственно вспышка сжатой рабочей смеси. От вспышки происходит сгорание и расширение продуктов горения, которые с силой толкают ротор, и от этого он проворачивается и вращает выходной вал.
- Такт выпуска. Далее, при вращении ротора, кромка одной из вершин ротора проходит выпускное отверстие в картере, открывая его, и через это выпускное отверстие под давлением выходят отработанные газы. Далее первый ротор благодаря силе инерции, а так же благодаря действию второго ротора, работающего асинхронно первому ротору, продолжает своё вращение и подходит опять кромкой к впускному отверстию, для нового такта впуска, и всё повторяется заново.
Но как понял читатель из выше описанного, чтобы лучше сбалансировать РПД, а так же уменьшить вибрацию и предотвратить детонацию, применяют не один а два ротора (см. фото выше, где показан РПД в разобранном виде). А сам ротор (роторы) немного смещён (эксцентричен) от выходного вала, ось которого расположена строго по центру и передаёт вращение на вал как бы обкатывая его по кругу.
Передача вращения происходит воздействием шестерни ротора на шестерню вала (а шестерня вала находится внутри шестерни ротора), а передаточное число рассчитано так, что за один оборот ротора, вал совершает три оборота.
Основные детали роторно-поршневого двигателя. Главная деталь РПД это ротор, имеющий форму треугольника. Причем на каждой из трёх немного выпуклых плоскостей ротора, имеются выборки (углубления — см. фото), которые делаются на заводе для того, чтобы немного увеличить рабочий объём двигателя.
На каждой из трёх вершин ротора, вставлены уплотнительные пластинки, которые уплотняют сам ротор относительно внутренней поверхности картера двигателя, и делят внутреннюю полость картера на три камеры. Пластинки трутся о внутреннюю поверхность картера с большой скоростью и разумеется постепенно изнашиваются. Поэтому они вставлены в вершину ротора так, что бы по необходимости их можно было заменить новыми, взамен изношенных.
Так же с каждой стороны ротора (ближе к центру — см. фото) установлены уплотнительные кольца, которые герметизируют (отделяют) полость камер от картера. Ну и в самом центре ротора жёстко вмонтирована кольцевая шестерня (зубчатый венец), которая как бы обкатывается вокруг меньшей шестерни, закреплённой на валу двигателя, и передаётся вращение выходному валу.
Сам ротор (роторы) помещён в картер, а картер состоит из нескольких плит, которые плотно соединяются между собой, образуя несколько отсеков и разделяющие их стенки. Как правило разделительная стенка делит двигатель на две основные части (полости), в каждой их которых работает свой отдельный ротор (обычно в моторе два ротора).
Каждая полость имеет впускной и выпускной каналы, и сложную форму в виде восьмёрки, которую не так то просто выполнить при производстве. К тому же стенки должны быть изготовлены из очень твёрдого материала, иначе они быстро износятся, и от этого давление в камерах упадёт, и соответственно упадёт и мощность мотора.
Сам картер имеет с наружи двойную стенку (как блок обычного ДВС) для циркуляции между стенками охлаждающей жидкости системы охлаждения. А в центре картера имеются отверстия, в которые запрессованы подшипники, на которых висит вал мотора.
Вал роторного двигателя с виду похож на распределительный вал обычного ДВС (см. фото), так как имеет эксцентрики, похожие на кулачки распредвала обычного мотора.
Вал изготовлен так, что эксцентрики расположены на нём в противоположных сторонах вала. И когда на эти эксцентрики при сборке будет насажены два ротора (насажены на подшипники скольжения), то роторы будут работать в противофазе, помогая друг другу в работе.
То есть работа двух роторов будет подобна работе двух поршней четвёртого и второго цилиндров обычного четырёхцилиндрового мотора — один из них в начальной стадии впуска рабочей смеси, а другой в стадии выпуска отработавших газов. И именно из-за того, что роторы сидят на эксцентриках вала, при вращении роторов в противофазе будет вращаться и вал РПД, передавая вращение на трансмиссию.
Ну а как же применение роторно-поршневого двигателя на автомобилях — есть ли смысл?
Первым автопроизводителем, который установил РПД на свой автомобиль ещё в конце 60-х годов прошлого века, была компания NSU (о их машине, двигателе и о машинах Мазда, смотрите интересный видеоролик под статьёй). А авто-производитель, которому удалось поставить такие двигатели на поток, применяя их на своих автомобилях — является всем известная японская Мазда.
РПД установленный на некоторые её машины, при рабочем объёме всего в 1,3 литра, способен развить мощность в 250 лошадей. Но и это ещё не всё, благодаря постоянному совершенствованию своих роторных моторов, им удалось существенно снизить расход топлива и масла, а главное снизить токсичность. Это позволило вывести автомобили с РПД на европейский рынок, который наиболее жёсткий к экологическим нормам.
К тому же в 1995 году был разработан новейший РПД, который назвали RENESIS, что означает новая жизнь роторного мотора. Этот мотор был впервые установлен на новый маздовский концепткар «Mazda RX-01″ и показал отличную динамику разгона. А улучшенный вариант такого мотора был установлен в 1999 году на спортивный концепткар «RX-EVOLV». Этот двигатель планируют устанавливать серийно на автомобиль «Mazda RX-8″.
Большая экономичность нового двигателя была достигнута за счёт применения более совершенных форсунок и использования боковых окон для выпуска отработанных газов. Так же были установлены усовершенствованные свечи зажигания, которые существенно улучшили полноту сгорания топлива.
К тому же выпускной коллектор был изготовлен с двойной стенкой, позволяющей повысить температуру выпускных газов и быстро прогревать каталитический нейтрализатор, даже при минусовой температуре окружающего воздуха. Ну и была усовершенствована система смазки с мокрым картером, и количество масла в картере было уменьшено вдвое, по сравнению с обычными РПД.Ну и кроме идеальной плавности работы нового мотора, был улучшен и звук выхлопа, который не описать, это нужно слышать.
Многие могут сказать, что несмотря на многие преимущества, технология производства таких двигателей довольно сложна и требует новейшего оборудования. Но ведь многие высокотехнологические детали, которые имеются сейчас на многих серийных машинах, когда то казались сложными и не практичными, и применялись только на спортивных машинах.
Например когда то и никасилевое покрытие цилиндров серийного двигателя, или вентилируемые тормозные диски, казались сложными, дорогими и трудновыполнимыми, а сейчас на большинстве серийных машин это обычное явление.
Сейчас ведутся работы по применению на таких двигателях водородного топлива, ведь роторный двигатель не склонен к детонации и способен работать на водороде, и скорей всего за РПД будущее, поживём — увидим.
Роторный двигатель (принцип работы, достоинства, недостатки, перспективы)
Роторный двигатель изобрел доктор Феликс Ванкель, вернее он был соавтором совместно с Вальтером Фройде. В 1957 году они разрабатывали две модели аналогичных роторных двигателей, но двигатель Ванкеля нашел более широкое применение. Именно поэтому этот двигатель часто также называют двигателем Ванкеля или роторным двигателем Ванкеля.
Роторный двигатель, как и двигатель в вашей машине является двигателем внутреннего сгорания, но принцип его работы совершенно другой, в отличии от обычного поршневого двигателя.
Если в поршневом двигателе, существует несколько (в зависимости от цилиндров) рабочих объемов (цилиндр и поршень), поочередно выполняющих свои стандартные циклы – забор смеси, сжатие, зажигание и выхлоп, то в роторном, поршни заменены ротором. (рабочий треугольный орган в форме эпитрохоида), который в зависимости от угла поворота поочередно, совместно с корпусом, участвует все в тех же циклах перечисленных ранее (забор, сжатие, зажигание, выброс)
В этой статье мы узнаем о том, как работает роторный двигатель, о его особенностях и интересных фактах связанных с ним, о достоинствах и недостатках. Давайте начнем наше знакомство с роторным двигателем, с принципа его работы.