admin / 08.07.2020

Роторный двигатель принцип работы

Изобретение двигателя внутреннего сгорания дало толчок к производству автомобилей, передвигающихся на жидком виде топлива. Двигатели эти на протяжении всей истории автомобилестроения эволюционировали: появлялись различные конструкции моторов. Одной из прогрессивных, но так и не получивших распространение конструкций двигателей стал роторно-поршневой агрегат. Об особенностях этого типа двигателя, его достоинствах и недостатках мы поговорим в сегодняшнем материале.

История

Разработчиком роторно-поршневого двигателя стал дуэт инженеров компании NSU – Феликс Ванкель и Вальтер Фройде. И хотя основная роль в создании роторного двигателя принадлежит именно Фройде (второй участник проекта в это время работал над конструкцией иного двигателя), в автомобильной среде силовой агрегат известен как мотор Ванкеля.

Феликс Ванкель и роторный двигатель

Эта силовая установка была собрана и испытана в 1957 году. Первым автомобилем, на который установили роторно-поршневой двигатель, стал спорткар NSU Spider, который развивал скорость 150 км/час при мощности мотора 57 лошадиных сил. Производилась эта модель на протяжении трех лет (1964-1967 годы).

NSU Spider

По настоящему массовым автомобилем с роторным двигателем стало второе детище компании NSU – седан Ro-80.

NSU Ro-80

В названии автомобиля указывалось, что модель оснащается роторным агрегатом. Впоследствии роторные двигатели устанавливались на автомобили Citroen (GS Birotor), Mercedes-Benz (С111), Chevrolet (Corvette), ВАЗ (21018) и так далее. Но самый массовый выпуск моделей с роторным двигателем был налажен японской компанией Mazda. Начиная с 1964 года, компания произвела несколько автомобилей с подобным типом силовой установки, а пионером в этом деле стала модель Cosmo Sport. Самая известная модель с роторно-поршневым двигателем, которая выпускалась этим производителем – RX (Rotor-eXperiment). Производство последней модели из этого семейства, Mazda RX8 в специальной версии Spirit R, было свернуто в середине 2012 года. Впрочем, не все экземпляры роторной «восьмерки» еще распроданы – официальный дилер Mazda в Индонезии еще продает эти автомобили.

Mazda RX-8

Устройство

Особенностью роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания стало присутствие в его конструкции трехгранного ротора – поршня. Он вращается в цилиндре, который имеет специальную форму. Ротор насажен на вал, и соединен с зубчатым колесом, которое, в свою очередь, имеет сцепление со статором – шестерней. Ротор вращается вокруг статора по так называемой эпитрохоидальной кривой, его лопасти попеременно перекрывают камеры цилиндра, в которых происходит сгорание топлива.

Роторный двигатель

В конструкции роторного двигателя отсутствует газораспределительный механизм – его функцию выполняет сам ротор, который при помощи своих лопастей распределяет поступающую горючую смесь и выпускает отработанные в цилиндре газы. Подобная конструкция двигателя позволяет обойтись без множества узлов, крайне необходимых для простого поршневого двигателя (например, коленчатый вал, шатуны), что, во-первых, позволяет уменьшить размер и массу силового агрегата, а во-вторых – уменьшить стоимость его производства.

Достоинства и недостатки

Роторно-поршневой двигатель не зря привлек внимание многих именитых автомобильных компаний. Его конструкция и принцип действия позволяли получить несколько довольно весомых преимуществ перед обычными двигателями.

Во-первых, роторно-поршневой мотор в силу своей конструкции обладал лучшей среди остальных типов силовых установок сбалансированностью, и был подвержен минимальным вибрациям.

Во-вторых, у этой силовой установки отмечались отменные динамические характеристики: без существенной нагрузки на двигатель, авто с роторно-поршневым мотором легко можно разогнать до 100 км/час и более на низкой передаче при высоких оборотах двигателя.

роторный двигатель Мазда RX-8

В-третьих, роторный двигатель компактнее и легче, чем стандартный поршневой силовой агрегат. Эта особенность позволяла конструкторам добиться практически идеальной развесовки по осям, что влияло на устойчивость автомобиля на дороге.

В-четвертых, в нем используется намного меньшее количество узлов и агрегатов, чем в обычном двигателе.

Наконец, в-пятых, роторный двигатель обладает высокой удельной мощностью.

Недостатки

К минусам роторно-поршневого двигателя, из-за которых он так и не смог получить массового применения и не используется сегодня в автомобилях всех брендов, относится, во-первых, большой расход топлива на низких оборотах. На некоторых моделях он достигает 20 литров на 100 км пробега, что, согласитесь, совсем не экономично и бьет по карману владельца авто с роторным двигателем.

Во-вторых, недостатком этого типа двигателей является сложность изготовления его деталей: чтобы ротор правильно прошел эпитрохоидальную кривую, необходима высокая геометрическая точность при создании как самого ротора, так и цилиндра. Для этого производители роторных двигателей используют высокоточное и дорогостоящее оборудование, а стоимость производства закладывают в цену автомобиля.

В-третьих, роторный двигатель склонен к перегреву из-за особенности конструкции камеры сгорания: она имеет линзовидную форму, а не сферическую, как у обычных поршневых моторов. Топливная смесь, сгорая в такой камере, превращается в тепловую энергию, которая расходуется в большей части неэффективно – ее избыток нагревает цилиндр, что в конечном итоге приводит к износу и выходу его из строя.

В-четвертых, высокий износ уплотнителей между форсунками ротора из-за перепадов давления в камерах сгорания двигателя. Именно поэтому ресурс таких двигателей составляет 100-150 тысяч км, после чего, как правило, требуется капитальный ремонт силового агрегата.

В-пятых, роторно-поршневой двигатель нуждается в своевременной и четко соблюдаемой процедуре смены моторного масла: мотор потребляет примерно 600 мл моторного масла на 1000 км, так что менять его приходится раз в 5000 км пробега. Если его вовремя не заменить, это чревато выходом из строя узлов и агрегатов мотора, что повлечет за собой дорогостоящий ремонт. То есть, к эксплуатации и обслуживанию роторно-поршневых двигателей следует подходить более ответственно, чем к обслуживанию обычных моторов, вовремя проводя их техническое обслуживание и капитальный ремонт.

Надежда, по порядку.

Ротор является неотъемлемой частью электродвигателя, в котором электричество превращается в механическую энергию (заставляет двигатель крутиться), или генератора, в котором, наоборот, механическая энергия превращается в электричество. Если рассматривать ротор с точки зрения электродвигателя, то ротор — это подвижная часть механизма, которая вращается за счёт магнитного поля, поторое создаётся проводами, которые, в свою очередь, расположены таким образом, что вокруг оси ротора развивается крутящий момент.

Ротор состоит из катушки с проволокой, плотно обёрнутой вокруг металлического сердечника. Ток создаёт в проводах магнитное поле вокруг сердечника. Магнитная составляющая ротора изготовлена из стальных пластин. При этом, ротор использует только постоянный ток, что означает, его магнитное поле протекает всегда только в одном направлении.

Кроме самого ротора, в электродвигателе или генераторе существует ещё и вторая часть, которая называется статор и которая вместе с ротором является основным неотъемлемым компонентом современного электродвигателя. Статор, как правило, сделан из меди. Статор представляет собой второй набор катушек в качестве внешней оболочки ротора, который, в отличие от крутящегося ротора, остаётся всегда в фиксированном положении.

Схема ротора Фото настоящего ротора и статора

Автомобили с роторно-поршневыми двигателями впору заносить в Красную книгу: в 2011 году закончился выпуск последней в этом ряду модели Mazda RX-8. А ведь полвека назад за подобными моторами видели будущее – большая литровая мощность, высокие обороты, компактные размеры… Что же пошло не так?

Заглянув под капот роторного автомобиля впервые, недоумеваешь: а мотор-то где? Сквозь дебри навесных агрегатов виднеется лишь непонятный цилиндр. По своей конструкции роторно-поршневой двигатель (РПД) и вправду кардинально отличается от привычных нам поршневых моторов, хотя в обоих случаях осуществляется один и тот же четырехтактный цикл – впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Разница лишь в том, что у роторного двигателя нет ни поршней с шатунами, ни системы газораспределения. Вместо них – треугольный ротор, совершающий сложное планетарное движение.

Плюсы и минусы

Вращаясь одновременно вокруг собственной оси и вокруг центральной шестерни, ротор своими вершинами описывает хитрую поверхность корпуса, образуя три отдельные камеры сгорания. Объем каждой из них, ограниченный корпусом и гранью ротора, за один оборот меняется от максимального к минимальному четыре раза, позволяя реализовать четырехтактный цикл. Функции же газораспределения осуществляются путем перекрывания впускных и выпускных окон самим ротором – подобно двухтактным поршневым моторам. И никаких распредвалов, клапанов и цепей! Отсюда и поразительная компактность роторных агрегатов: при сопоставимой мощности они оказываются примерно вдвое короче и настолько же легче поршневых, упрощая задачу компоновки автомобиля.

Не доставляют проблем и вибрации – единственная центробежная сила уравновешивается двумя противовесами на валу. Вспышки, правда, происходят не часто: поскольку выходной вал вращается в три раза быстрее ротора, то одному обороту вала соответствует одна вспышка или один рабочий ход, что эквивалентно двухцилиндровому поршневому двигателю. Но двухсекционные РПД, то есть фактически сдвоенные моторы, работающие на общий вал, имеют уже две вспышки на оборот, как четырехцилиндровый двигатель. При этом пульсации крутящего момента оказываются даже меньше, поскольку рабочий ход у РПД длится в течение 270° поворота вала против 180° у поршневого. В результате по плавности работы двухсекционный мотор близок к рядной «шестерке».

А вот с мощностью все уже не так однозначно. Конструкция РПД позволяет добиться отличного наполнения камер сгорания: на торцевой или боковой поверхности можно разместить сразу несколько впускных окон, снижая общее сопротивление впускного тракта – в моторе Mazda RX-8 таких окон аж пять штук на секцию! Причем открываются они очень быстро, что способствует проявлению эффекта динамического напора, дополнительно улучшающего наполнение на определенных оборотах.

Две стороны медали

Роторные двигатели часто нахваливают за хорошую за оборотистость – та же Mazda RX-8 способна загонять стрелку тахометра к 9000 об/мин. Однако мало кто вспоминает, что с такой скоростью вращается лишь выходной вал, а сам ротор крутится в три раза медленнее – всего 3000 об/мин. В поршневом же двигателе на каждый оборот коленвала приходится движение поршней вверх-вниз, а потому даже привычные 6000–7000 об/мин оказываются гораздо большим достижением, нежели 9000 об/мин роторного мотора.

Однако сам процесс сгорания протекает крайне плохо. Сильно вытянутая серповидная камера обладает значительными потерями тепла и не обеспечивает полного сгорания топлива по краям. Частично улучшить воспламенение помогает установка двух свечей зажигания, но за это приходится расплачиваться повышенным прорывом газов в соседнюю камеру в момент пересечения торцом ротора свечных отверстий. Иными словами, роторный мотор способен втянуть большое количество топливно-воздушной смеси, но эффективно извлечь из нее полезную энергию не может.

Одни головоломки

Получается, что за счет отличного наполнения РПД оказывается все-таки сопоставим по литровой мощности с поршневым мотором, одновременно сильно уступая ему в экономичности. Тем не менее в равенство литровой мощности поначалу трудно поверить. Какой поршневой агрегат сравнится c ротором Mazda RX-8, выдающим 230 л.с. с двух секций общим объемом 1,3 л.? Это же 176 «лошадей» с литра!

Так-то оно так, но нужно помнить, что за один оборот вала роторный двигатель отрабатывает весь рабочий объем, а поршневой – только половину, причем и тот и другой способны выдать за этот оборот полную мощность. Таким образом, при сравнении удельной мощности объем поршневого двигателя справедливо делить на два. Возьмем, например, Nissan 350Z – одного из конкурентов RX-8. Его 300-сильный V6 имеет объем 3,5 л, то есть 1,75 л на одном обороте и 171 «лошадку» с литра. Практически как у RX-8! При этом, несмотря на 30-процентное преимущество в мощности и чуть более тяжелый кузов, он расходует столько же топлива в смешанном цикле, сколько и RX-8.

Пытаясь как-то снизить расход топлива в роторе, инженеры пробовали применить непосредственный впрыск, но неудачная форма камеры сгорания мешала организовать вихревое смесеобразование, лишая возможности работы на обедненной смеси. Задумывались и о дизельном топливе, но успеха это направление тоже не принесло: слишком велики нагрузки на ротор, да и уплотнение рабочих камер организовать труднее, ведь степень сжатия должна быть почти в два раза больше.

А уплотнения и без того, отдельная головная боль. Если в поршневом двигателе кольца всегда находятся под одним и тем же углом к поверхности трения, то в роторном рабочий угол радиальных пластин постоянно меняется. Меняется и усилие их прижима к поверхности корпуса – оно определяется центробежной силой, а потому сильно зависит от оборотов. А как организовать их смазку? Только впрыскиванием масла в рабочую камеру подобно двухтактным поршневым моторам. Но это влечет значительный расход масла на угар (около 1 л на 1000 км) и повышает риск закоксовывания уплотнений. Достаточно сказать, что именно из-за того, что оказалось невозможно хорошо герметизировать рабочие камеры, было отброшено множество других более замысловатых роторных конструкций, обладавших рядом преимуществ. В привычном же нам РПД задачу удалось до некоторой степени решить, хотя уплотнения все же остаются слабым местом мотора.

Автора!

Создателем известного нам РПД принято считать Феликса Ванкеля, однако сам он предлагал несколько иную конструкцию: в его двигателе ротор и корпус вращались вокруг неподвижного вала. Такая схема упрощала работу уплотнительных соединений камер сгорания и не требовала противовесов для уравновешивания, хотя при этом возникали огромные проблемы с подводом впускных и выпускных каналов, а также с передачей напряжения на вращающие свечи. Поэтому в серию пошел РПД, предложенный Вальтером Фройде, в то время как Ванкель сосредоточился на исследованиях механических уплотнений.

Проблемы доставляет и очень неравномерный нагрев корпуса. Это в поршневом двигателе вспышки чередуются по цилиндрам, а после рабочего хода камера охлаждается на такте впуска. В роторном же вспышки происходят только в одной части двигателя, причем происходят постоянно, в то время как противоположная часть непрерывно охлаждается всасываемым воздухом. Такой перепад температур деформирует картер двигателя, заставляя еще на этапе проектирования учитывать это отклонение формы в процессе прогрева. Разумеется, все это не способствует лучшей работе уплотнительных соединений и долговечности материалов. В итоге преимущества конструктивной простоты РПД нивелируются его малым ресурсом – пробег до капремонта редко превышает 100 тыс. км.

Окончательным же приговором роторным двигателям стала экология. Низкая экономичность означает большие выбросы CO2, а неоптимальный процесс сгорания повышает уровни токсичных соединений, к которым подмешиваются еще и продукты горения масла. И все это на фоне повального стремления к экологической чистоте, на что автопроизводители расходуют огромные средства. В результате даже Mazda, потратившая немало усилий на раскрутку роторной идеологии, была вынуждена от нее отказаться.

Конец истории? Видимо, да. Но окончательно прощаться с роторными моторами все же рано: пускай им уже и не занять основное место под капотом, они вполне могут быть востребованы в качестве резервного генератора для подзарядки батарей электромобиля. Впрочем, все ДВС со временем ожидает та же участь.

Автор Олег Карелов, эксперт по подбору автомобилей AutoTechnic.su Издание Автопанорама №4 2015

Эта статья о конкретном безпоршневом роторном двигателе. Для других беспоршневых роторных двигателей см. Бесшумный роторный двигатель . Для поршневых конструкций, расположенных в ротационной конфигурации, см роторный двигатель .

Двигатель Ванкеля с ротором и выходным валом с редуктором.Mazda RX-8 спортивный автомобиль последний серийный автомобиль будет оснащен двигателем Ванкеля.Двухроторный мотоцикл Norton Classic с воздушным охлаждением

Двигатель Ванкеля — это тип двигателя внутреннего сгорания, в котором используется эксцентрично вращающаяся конструкция для преобразования давления во вращательное движение.

По сравнению с поршневым двигателем с возвратно-поступательным движением двигатель Ванкеля имеет более равномерный крутящий момент и меньшую вибрацию, а при заданной мощности более компактен и меньше весит.

Ротор, создающий вращательное движение, по форме похож на треугольник Рело , за исключением того, что стороны имеют меньшую кривизну. Двигатели Ванкеля выдают три импульса мощности на оборот ротора с использованием цикла Отто . Однако на выходном валу используется зубчатая передача, которая вращается в три раза быстрее, давая один импульс мощности на оборот. Это можно увидеть на анимации ниже. За один оборот ротор испытывает импульсы мощности и выпускает газ одновременно, в то время как четыре стадии цикла Отто происходят в разное время. Для сравнения: в двухтактном поршневом двигателе на каждый оборот коленчатого вала приходится один импульс мощности (как и в случае выходного вала двигателя Ванкеля), а в четырехтактном поршневом двигателе — один импульс мощности на каждые два оборота.

Четырехступенчатый цикл Отто (впуск, сжатие, зажигание и выпуск) происходит при каждом обороте ротора на каждой из трех поверхностей ротора, движущихся внутри овального эпитрохоидального корпуса, обеспечивая три импульса мощности на один оборот ротора.

Определение смещения применяется только к одной поверхности ротора, так как только одна поверхность работает на каждый оборот выходного вала.

Двигатель обычно называют роторным двигателем , хотя это название также применяется к другим совершенно другим конструкциям, включая как поршневые, так и беспоршневые роторные двигатели .

История автомобиля знает немало попыток создать мотор, избавленный от недостатков традиционных поршневых двигателей. Но лишь сконструированный немецким изобретателем Феликсом Ванкелем в 1957 году роторно-поршневой двигатель смог прижиться на легковых машинах.

Принцип работы роторно-поршневого двигателя (РПД) полностью аналогичен обычному четырехтактному двигателю, в котором попеременно происходят процессы впуск-сжатие-рабочий ход-выпуск. Только в изобретении Ванкеля они реализуются совсем по-другому.

Традиционного кривошипно-шатунного механизма, а значит – цилиндров и поршней, в РПД нет. Их заменяет похожий на треугольник ротор-«дельтроид», который вращается в статоре особой сложной формы, касаясь его своими вершинами. Таким образом, в корпусе мотора образуются три полости переменного объема. В них собственно и происходят все рабочие процессы при вращении ротора. Причем он выполняет еще и роль газораспределительного механизма, открывая и закрывая собой каналы, по которым в двигатель в нужный момент подаются топливо и воздух, а также отводятся выхлопные газы.

Рабочая смесь в РПД поджигается обычной свечой зажигания. При этом энергия сгоревшего бензина передается через ротор и зубчатую передачу на эксцентриковый вал, проходящий сквозь весь двигатель. Таким образом, инженеры могут навесить на него сколько угодно таких секций, получая мотор необходимого объема и мощности.

В целом, двигатель Ванкеля получается в 2-3 раза компактнее традиционного ДВС, отличается тихой и плавной работой (ведь движущихся частей здесь очень мало), а самое главное – он способен раскручиваться до более высоких оборотов, открывая конструкторам дополнительные резервы форсировки. К примеру, с РПД объемом всего 1,3 л снимается фантастическая мощность 200-230 л.с.

Так почему же изобретение Ванкеля все реже встречается под капотами современных автомобилей? Прежде всего, такие моторы отличаются большой токсичностью. В частности, из-за того, что в таком двигателе форма камеры сгорания далека от оптимальной, а отсутствие традиционных клапанов приводит к тому, что состав смеси весьма тяжело контролировать. Загнать РПД в нынешние экологические рамки конечно можно, но на это требуются немалые средства. С учетом того, что такие моторы отнюдь не дешевы, немногие автопроизводители могут позволить себе их разработку. Есть и еще одна проблема – небольшой ресурс таких двигателей: в процессе эксплуатации (особенно в тяжелых условиях) изнашиваются грани ротора и его уплотнения. Как следствие, нарушается герметичность рабочих полостей, в камеру сгорания начинает попадать масло и в конечном счете дело заканчивается переборкой мотора.

Поэтому сегодня единственная компания, которая массово выпускает машины с РПД – это японская Mazda. Ее спортивное купе RX-8 оснащено мотором Renesis, который, кстати, в 2003 году получил почетный титул «Двигатель года”.

FILED UNDER : Разное

Submit a Comment

Must be required * marked fields.

:*
:*