Конструктивные особенности роторного двигателя

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.

Достоинства и недостатки роторного двигателя

Впервые машина с роторным силовым агрегатом вышла на трассу для тестирования в 1958 г. У истоков его создания стоит Феликс Ванкель, именем которого часто называют РПД.

Игнорируя достоинства изобретения немецкого инженера, работавшего над ним совместно с коллегой-единомышленником Вальтером Фройде, многие автопромышленники не рискнули устанавливать новинку на серийные модели своих автомобилей.

К их числу не относятся производители Mazda, выпустившие первую версию транспортного средства с роторной силовой установкой в 1967 г.

Достоинства РПД

Плюсы РПД:

  1. Высокий КПД, достигающий 40%! Обоснование – на 1 оборот эксцентрикового вала приходится 3 рабочих цикла.
  2. Упрощенная конструкция. В ней отсутствуют многие узлы, характерные для поршневых ДВС, в т.ч. газораспределительный механизм, шатуны, клапаны и т.п.
  3. Высокие обороты. Двигатель на базе треугольного роторного элемента раскручивается до 10 тыс. об/минуту.
  4. Плавная работа при полном отсутствии вибраций. Объяснение – стабильная ориентация движения ротора в одном направлении.
  5. Устойчивость перед детонацией. Это позволяет в процессе эксплуатации применять водород.
  6. Компактные размеры. По сравнению с поршневыми агрегатами габариты РПД в 2 раза меньше. Следствие этого – небольшой вес полностью укомплектованной конструкции и наличие свободного пространства для комфортного расположения водителя и пассажиров.
  7. Отсутствие дополнительных нагрузок при увеличении количества оборотов. С учетом указанного фактора можно разгонять транспортное средство до 100 км/ч на низкой передаче.
  8. Сбалансированность. Позволяет эффективнее уравновесить автомобиль, создавая стабильную устойчивость на любом дорожном покрытии.
Рекомендуем:  Т-образный перекресток: правила движения

Недостатки РПД

Конструкторы, разработавшие роторную силовую установку, так и не смогли устранить недостатки:

  1. Основной недоработкой создателей автомобилисты считают ограниченный ресурс двигателя, обоснованный особенностями конструкции. Постоянные изменения рабочего угла апексов вызывают их ускоренный износ.
  2. Срок службы заканчивается быстрее из-за перепадов температур, сопровождающих каждый такт. В комбинации с нагрузками, которым подвергаются трущиеся детали, они наносят непоправимый вред функциональным узлам и материалам. Проблему можно решить прямым впрыскиванием минеральной смазки в коллектор.
  3. Поскольку внутренние полости камер имеют серповидную форму, топливо в них сжигается не полностью. Ротор, вращаясь на скорости при ограниченной длине рабочего хода, выталкивает раскаленные газы в выхлопное отверстие. Присутствие фрагментов масла в продуктах сгорания приводит к токсичности выброса.
  4. Недостаточная герметичность конструкции, вызванная износом уплотнителей – причина утечки между отсеками с большими перепадами давления между отделениями. Результат – снижение КПД и повышение вреда окружающей природе.
  5. Высокий расход ГСМ. По сравнению с поршневым двигателем, роторный агрегат потребляет намного больше топлива (20 л на 100 км) и масла (1 л на 1 тыс. км). Забывчивость водителя, пропустившего очередную заправку смазкой, приводит к незапланированному капитальному ремонту или полной замене мотора.
  6. Для производства РПД применяется высокоточное оборудование. К качеству материалов также предъявляются повышенные требования. В результате конечная стоимость роторного двигателя увеличивается.

Что такое роторная силовая установка

Роторный двигатель внутреннего сгорания представляет собой разновидность тепловых моторов, у которых в общем элементом является ротор. Принципиальное отличие от поршневых ДВС заключается в том, что такие агрегаты не нуждаются в конструктивных элементах, занимающихся преобразованием возвратно-поступательного движения во вращение основного вала.

Теоретически такой агрегат должен обладать более высоким КПД. Но на практике реализация таких схем оказалось технически достаточно сложной, несмотря на отсутствие такой промежуточной системы, как коленвал. Выяснилось, что роторный мотор обладает некоторыми недостатками, которые настолько существенны, что из-за них этот тип двигателей конкретно в автомобилестроении так и не получил массового распространения. Почему так произошло, мы расскажем чуть позже.

Если обратиться к истории, то 1 роторный двигатель был продемонстрирован инженерами Ванкелем и Фройде в 1957 году. Именно тогда немецкие изобретатели сумели воплотить в жизнь свои задумки. Презентация нового типа автомобильных двигателей оказалась настолько успешной, что многие автопроизводители мирового масштаба серьёзно заинтересовались этой разработкой. Достаточно назвать такие бренды, как Citroen, General Motors, Mercedes-Benz. Но после многолетних исследовательских и испытательных работ все они признали бесперспективность роторных силовых агрегатов. Но не японский автоконцерн Mazda. Инженеры этой компании всё же сумели вывести в серию роторные двигатели, которые выпускались автоконцерном достаточно долго.

Следует отметить, что даже АвтоВАЗ на протяжении ряда лет оснащал ограниченные серии своих моделей роторными двигателями. Правда, такие машины не поступали в розничную сеть — ими комплектовались автопарки силовых органов (МВД и КГБ).

Поскольку роторный силовой агрегат относится к категории ДВС, принцип его работы, как и поршневого аналога, заключается в преобразовании тепловой энергии сгорания горючего в энергию вращения. Разумеется, такое преобразование осуществляется принципиально иным, более простым способом. Дело в том, что в роторном моторе основной рабочий орган — это ротор, который жестко связан с приводным валом. В классическом двигателе внутреннего сгорания движущей силой является поршень, двигающийся поступательно вверх-вниз. Для преобразования такого движения во вращательное требуется использование достаточно сложного механизма — кривошипно-шатунного, составной частью которого является коленчатый вал.

Именно в этом и заключается разница между роторным двигателем и обычным поршневым ДВС.

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.

Рекомендуем:  Конструкция двигателей MPI

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

  1. Обладая малым весом и габаритами, роторный мотор имеет больше возможностей для достижения правильной развески и улучшения управляемости, а так же делает автомобиль более просторным в салоне;
  2. более высокая удельная мощность по сравнению с классическими моторами;
  3. более ровная и широкая полка крутящего момента;
  4. отсутствие кривошипно-шатунного механизма, клапанов, пружин, газораспределительного механизма, а вместе с ним и распредвалов, ремня грм или цепи;
  5. хорошая сбалансированность и плавность работы РПД, которую можно сравнить с работой рядной «шестерки»;
  6. меньшая склонность к детонации;
  7. отсутствие кривошипно-шатунного механизма, а вследствие этого отсутствие необходимости преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращение коленчатого вала, делает РПД более оборотистым нежели обычный мотор;

Недостатки

  1. Необходимость применения эксцентрикового механизма для соединения ротора и вала увеличивает давление между трущимися деталями, что вместе с высокой температурой повышает износ двигателя. Именно поэтому выдвигаются повышенные требованию к качеству масла и периодичности его смены;
  2. быстрый износ уплотнителей ротора вследствие малой площади пятна контакта и высокому перепаду давлений. Таким образом, роторный мотор быстро теряет свой КПД, экологические показатели ухудшаются;
  3. линзовидная форма камеры сгорания гораздо хуже отдает тепло, нежели сферическая камера сгорания, что обуславливает склонность к перегреву;
  4. низкие показатели экономичности на малых и средних оборотах, по сравнению с обычным двигателем внутреннего сгорания;
  5. роторный мотор имеет очень высокие требования к обработке деталей и квалификации персонала при производстве данного типа двигателя;
  6. необходимость добавления масла во время рабочих тактов РПД обуславливает плохие экологические характеристики;

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.

Принцип работы роторного двигателя

Роторный мотор работает по схеме, отличающейся от технологии, характерной для стандартного ДВС с поршнями в качестве основного подвижного элемента. Кроме того, силовые агрегаты имеют различную конструкцию.

По аналогии с поршневым двигателем принцип действия РПД базируется на преобразовании энергии, получаемой в результате сгорания воздушно-топливной смеси. В первом случае давление, создаваемое в цилиндрах при сжигании горючего, вынуждает поршни двигаться. Возвратно-поступательные движения шатун и коленчатый вал преобразуют во вращательные, которые заставляют крутиться колеса.

Ротор движется во внутренней полости овальной капсулы, передавая мощность сцеплению и коробке передач. Благодаря треугольной форме, он выдавливает энергию топлива, направляя через трансмиссию на колесную систему. Обязательное условие – в качестве материала используется легированная сталь.

Внутри цилиндра, где располагается ротор, происходят следующие процессы:

  1. воздушно-топливная смесь сжимается;
  2. впрыскивается очередная доза горючего;
  3. поступает кислород;
  4. топливо воспламеняется;
  5. сгоревшие элементы направляются в выпускное отверстие.

Треугольный ротор закрепляется на особом механизме. При запуске двигателя он выполняет специфические движения, не вращаясь, а как бы бегая внутри овальной капсулы.

Благодаря своей форме, он образует в корпусе 3 изолированные камеры.

В них наблюдаются такие процессы:

  • в первую полость через впускное окно подается горючее и всасывается кислород, при перемешивании образующие воздушно-топливную смесь;
  • во втором отсеке происходит сжатие и воспламенение;
  • продукты сгорания вытесняются в выпускное отверстие из третьей камеры.
Рекомендуем:  Зависимость плотности аккумулятора от факторов

Схема устройства РПД

В конструкцию РПД входят следующие элементы:

  1. Ротор с 3 выпуклыми гранями, выполняющими функции поршня. За счет углублений увеличивается скорость вращения, образуется больше пространства для воздушно-топливной смеси.
  2. Пластины из металла, закрепленные на вершинах каждой из сторон. Их предназначение – формирование полостей в корпусе, где происходят рабочие процессы силовой установки.
  3. 2 металлических кольца на гранях ротора служат для образования камерных стенок.
  4. В центре конструкции располагаются 2 больших колеса с большим количеством зубьев, вращающихся вокруг шестерней меньшего диаметра. Зубчатая передача соединена с приводным устройством, закрепленном на выходном валу. Направление и траектория движения внутри камеры зависят от этого соединения.
  5. Корпус ротора. Изготавливается в форме условного овала. Такая конфигурация обеспечивает постоянный контакт вершин треугольника со стенками капсулы, создавая 3 изолированных объема газа.
  6. Окна впрыска и выхлопа. Клапанов не имеют. Впускное отверстие соединено с системой подачи топлива, а выпускное – с выхлопной трубой.
  7. Выходной вал с эксцентриковой конструкцией. На нем расположены особые кулачки, смещенные относительно осевой линии. На каждый из этих выступов надевается отдельный ротор. Благодаря несимметричной установке, происходит неравномерное распределение силы давления. Это приводит к образованию крутящего момента, вызывающего стабильную работу силовой установки, основанную на оборотах вала.

5 основных слоев, скрепленных по окружности длинными шурупами, составляют стандартную конструкцию двухроторного двигателя. При этом создаются условия для свободной циркуляции охлаждающей жидкости внутри системы. Движущиеся части, представленные 2 роторами и эксцентриковым выходным валом, располагаются между 2 стационарными участками.

Мощность и ресурс

По сравнению со стандартным ДВС, роторный агрегат характеризуется большей удельной мощностью, которая измеряется в л.с./кг. Это объясняется меньшей массой подвижных деталей, составляющих конструкцию РПД. Обоснование – отсутствие газораспределительного механизма, клапанной системы, коленчатого вала и шатунов.

Кроме того, однороторный двигатель преобразует энергию сгорания топлива во вращательное движение на протяжении ¾ тактов рабочего цикла. Для поршневых моторов этот показатель снижен до ¼.

В результате при вместимости цилиндров 1,3 л современный РПД серийного производства развивает мощность до 220 л.с. А если базовая конструкция дополнена турбинным надувом, то до 350 л.с.

До 2011 г. только японские промышленники концерна «Мазда» выпускали автомобили с двигателями роторного типа. А потом и они сняли агрегат с производства. Вероятная причина – заниженный ресурс силовой установки. До первого капитального ремонта транспортные средства проезжают всего 100 тыс. км. При аккуратном стиле вождения и бережном отношении пробег увеличивается до 200 тыс. км.

Уязвимое звено – уплотнители ротора, страдающие от перегрева и высоких нагрузок. Кроме этих факторов на них оказывают негативное влияние детонация и износ подшипников, расположенных на эксцентриковом валу.

Возможен ли самостоятельный ремонт роторного мотора

Ответ, безусловно, будет скорее отрицательный. И дело не в том, что таких автомобилей в мире очень мало – их конструкция настолько уникальна, что что-либо менять внутри самому не представляется возможным.

Конечно, с заменой свечей дела обстоят не так плохо, однако не для первых моделей. У них свечи оказались спрятанными в стационарный вал (подвижными были не только ротор, но и корпус двигателя). Со временем конструкторы перешли к более простому варианту, а свечи начали устанавливать на стенки неподвижного статора, напротив портов впрыска/выпуска.

Большинство других ремонтных работ самостоятельно произвести практически нереально.

Отметим, что классический мотор Ванкеля имеет примерно на 40%!меньше комплектующих, чем поршневой двигатель, но это детали, не имеющие аналогов.

Что ещё можно сделать своими руками? Например, поменять вкладыши приводного вала. Эту операцию выполняют, когда они стерлись настолько, что местами проступает медь. Для этого нужно демонтировать шестерни, поменять вкладыши и напрессовать зубчатые колёса на штатное место. Одновременно можно проверить состояние сальников и при необходимости установить новые.

Если при выполнении ремонтных работ демонтаж пружин маслосъемных колец, следует запомнить, где какие стоят, поскольку по форме передние не совпадают с задними. При необходимости можно выполнить замену торцевых пластин, которые тоже не совместимы друг с другом и имеют соответствующую маркировку.

При замене угловых уплотнителей начинать нужно с передней части ротора. Рекомендуется использовать смазку зелёного цвета от Castrol – это поможет зафиксировать уплотнители, пока вы будете заниматься сборкой остальных деталей. Тыльные угловые уплотнители меняются уже после установки приводного вала. При установке прокладок не забудьте смазать их подходящим герметиком. Апексы следует устанавливать в уплотнители после того, как поместите ротор в корпусе. Последнее, что нужно сделать – смазать прокладки тыловой и фронтальной крышек статора перед их установкой.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: