Роторный двигатель принцип работы

Роторный двигатель: принцип работы

Устройство и принцип работы

Роторный двигатель, как и традиционный поршневой, является двигателем внутреннего сгорания, но работает он совершенно иначе. В поршневом двигателе, в одном и том же объеме пространства (в цилиндре) попеременно происходят четыре различные работы — впуск, сжатие, сгорание и выпуск (такты).

Роторный двигатель делает эти четыре такта в одном и том же объеме(камере), но каждый из этих тактов происходит в своей отдельной части этой камеры. Как будто для каждого цикла используется отдельный цилиндр, а поршень перемещается от одного цилиндра к другому.Принцип работы роторного двигателя.

Как и поршневой, роторный двигатель использует давление которое создается при сжигании смеси воздуха и топлива. В поршневых двигателях, это давление создается в цилиндрах, и двигает поршни вперед и назад. Шатуны и коленчатый вал преобразуют возвратно-поступательные движения поршня во вращательное движение, которое может быть использовано для вращения колес автомобиля.

В роторном двигателе, давление сгорания содержится в камере, образованной частью объема камеры закрытой стороной треугольного ротора, который используется в данном случае вместо поршней.Ротор и корпус роторного двигателя от Mazda RX-7: Эти детали заменяют поршни, цилиндры, клапаны, шатуны и распредвалы в поршневых двигателях.

Ротор соединен со стенками камеры каждой из трех своих вершин, создавая три отдельных объема газа. Ротор вращается, и каждый из этих объемов попеременно расширяется и сжимается. Цепная реакция всасывает воздух и топливо в рабочую камеру, сжимает смесь, она расширяясь делает полезную работу, затем выхлопные газы выталкиваются, новая порция воздуха и топлива всасывается, и так далее.

Строение роторного двигателя

Ротор

Ротор имеет три выпуклых стороны, каждая из которых действует как поршень.

Каждая сторона ротора имеет углубление в ней, что повышает скорость вращения ротора в целом, предоставляя больше пространства для топливо-воздушной смеси.

На вершине каждой грани находится по металлической пластине, которые и формируют камеры, в которых происходят такты двигателя. Два металлических кольца на каждой стороне ротора формируют стенки этих камер. В середине ротора находится круг, в котором имеется множество зубьев. Они соединены с приводом, который крепится к выходному валу. Это соединение определяет путь и направление, по которому ротор движется внутри камеры.

Камера

Камера двигателя приблизительно овальной формы (но если быть точным — это Эпитрохоида, которая в свою очередь представляет собой удлиненную или укороченную эпициклоиду, которая является плоской кривой, образуемой фиксированной точкой окружности, катящейся по другой окружности). Форма камеры разработана так, чтобы три вершины ротора всегда находились в контакте со стенкой камеры, образуя три закрытых объемах газа.

В каждой части камеры происходит один из четырех тактов:

Отверстия для впуска и выпуска находятся в стенках камеры, и на них отсутствуют клапаны. Выхлопное отверстие соединено непосредственно с выхлопной трубой, а впускное напрямую подключено к газу.

Выходной вал

Выходной вал имеет полукруглые выступы-кулачки, размещенные несимметрично относительно центра, что означает, что они смещены от осевой линии вала. Каждый ротор надевается на один из этих выступов. Выходной вал является аналогом коленчатого вала в поршневых двигателях. Каждый ротор движется внутри камеры и толкает свой кулачок.

Так как кулачки установлены несимметрично, сила с которой ротор на него давит, создает крутящий момент на выходном валу, заставляя его вращаться.

О системе смазки и питании

Данный агрегат не имеет отличий в системе топливоподачи. Здесь также используется погружной насос, что подает бензин под давлением из бака. А вот смазочная система имеет свои особенности. Так, масло для трущихся частей двигателя подается прямо в камеру сгорания. Для смазки предусмотрено специальное отверстие. Но возникает вопрос: куда затем девается масло, если оно проникает в камеру сгорания? Здесь принцип работы схож с двухтактным двигателем. Смазка попадает в камеру и сгорает вместе с бензином. Такая схема работы используется на каждом роторно-лопастном двигателе и поршневом в том числе. Ввиду особой конструкции смазочной системы такие моторы не могут отвечать современным экологическим нормам. Это одна из нескольких причин, почему роторные двигатели на ВАЗе и других моделях авто серийно не применяются. Впрочем, сперва отметим преимущества РПД.

Плюсы

Во-первых, данный мотор обладает небольшим весом и размерами. Это позволяет сэкономить место в подкапотном пространстве и разместить ДВС в любом автомобиле. Также низкий вес способствует более правильной развесовке автомобиля. Ведь большая часть массы на авто с классическими ДВС сосредоточена именно в передней части кузова.

Во-вторых, роторно-поршневой двигатель обладает высокой удельной мощностью. По сравнению с классическими моторами, данный показатель в полтора-два раза выше. Также у роторного двигателя более широкая полка крутящего момента. Он доступен практически с холостых оборотов, в то время как обычные ДВС нужно раскручивать до четырех-пяти тысяч. Кстати, роторный мотор намного легче набирает высокие обороты. Это еще один плюс.

В-третьих, такой двигатель имеет более простую конструкцию. Здесь нет ни клапанов, ни пружин, ни кривошипно-шатунного механизма в целом. Вместе с этим отсутствует привычная система газораспределения с ремнем и распределительным валом. Именно отсутствие КШМ способствует более легкому набору оборотов роторным ДВС. Такой мотор за доли секунды крутится до восьми-десяти тысяч. Ну и еще один плюс – это меньшая склонность к детонации.

Минусы

Первый минус – это высокие требования к качеству масла. Хоть мотор и работает по типу двухтактного, сюда нельзя заливать дешевую «минералку». Детали и механизмы силового агрегата подвергаются существенным нагрузкам, поэтому для сохранения ресурса нужна плотная масляная пленка между трущимися парами. Кстати, регламент замены смазки составляет шесть тысяч километров.

Следующий недостаток касается быстрого износа уплотняющих элементов ротора. Это происходит вследствие малого пятна контакта. Из-за износа уплотнительных элементов, образуется высокий перепад давлений. Это негативно сказывается на производительности роторного двигателя и расходе масла (а соответственно и экологических показателях).

Также роторные двигатели склонны к перегреву. Это происходит из-за особой линзовидной формы камеры сгорания. Она плохо отводит тепло по сравнению со сферической (как на обычных ДВС), поэтому при эксплуатации нужно всегда следить за температурным датчиком. В случае перегрева, деформируется ротор. При работе он будет образовать значительные задиры. В результате ресурс мотора приблизится к концу.

Роторный двигатель: принцип работы, схема роторного двигателя

Потребность в двигателе малых габаритов и большой мощности заставляет изобретателей и конструкторов продолжать поиски новых решений. Несколько лет назад в ФРГ появился роторный двигатель Ванкеля. Приводимые в печати его показатели гораздо выше, чем у поршневых двигателей. Но, в то же время, двигатель Ванкеля и по сей день не смог вытеснить обычные бензиновые моторы, в первую очередь, потому, что до сих пор не найдены надежные конструкции скользящих ребер ротора и системы охлаждения ротора, а также планетарной передачи на выходной вал двигателя.

В 1960 г. автор этой статьи совместно с инженером А. А. Светикас сконструировал маленький вертолет ранцевого типа, для которого необходимо было создать двигатель малого веса, но большой мощности. За основу была взята упомянутая система Ванкеля, но цилиндр сложной формы (по кривой, называемой эпициклоидой) был заменен двумя спаренными простыми цилиндрами, а планетарная передача была заменена эксцентриком на валу двигателя; уплотнение было принято пластинчатое.

Первая модель двигателя нашей конструкции представляла собой роторный (беспоршневой) двигатель, имеющий очень небольшие габариты и высокую удельную мощность. Приведем сравнение объема цилиндра и веса, приходящихся на 1 л. с. мощности, нашего двигателя и обычного поршневого четырехтактного двигателя:

Такие высокие показатели роторного двигателя достигаются главным образом благодаря отсутствию кривошипно-шатунного механизма и большому числу оборотов двигателя; используются высокие степени сжатия, а это важный фактор обеспечения экономичности двигателя. Кроме того, полное отсутствие клапанного устройства делает роторный двигатель значительно менее сложным и более дешевым в производстве, чем поршневой. В роторном двигателе нет движущихся возвратно-поступательно инерционных масс, что также представляет большое преимущество перед обычными поршневыми двигателями.

Роторный двигатель при габаритах 150х150х230 мм развил мощность 30 л. с. при 1300 об/мин, степени сжатия ξ = 6 и удельном расходе топлива 240 г/л., с.-час. Двигатель имеет только десять основных деталей (без карбюратора и свечи зажигания). Роторный двигатель работает по четырехтактному циклу; за один оборот ротора и вала производится три рабочих хода.

Рис. 1. Принцип работы (I—IV) и кинематическая схема роторного двигателя

Обозначения позиций на схеме — см. рис. 2.

В положении I (рис. 1) объем всасывания минимален и заключен между уплотняющими ребрами А и С. Между ребрами А и В происходит сжатие, а между В и С — рабочий ход, т. е. горение рабочей смеси.

В положении II уплотнительное ребро С откроет выхлопное отверстие, и начнется фаза выхлопа; объем всасывания, заключенный между ребрами А и С, увеличился по сравнению с положением I; сжатие происходит между ребрами А и В, а между ребрами В и С завершается рабочий ход.

В положении III выхлопное и впускное отверстия разделены между собой ребром С; происходят одновременно выхлоп и всасывание. Объем между ребрами А и В минимален — производится зажигание смеси.

В положении IV объем между ребрами А и В увеличивается, причем расстояние от центра вала до ребра В больше, чем до ребра А, и ротор поворачивается по часовой стрелке. Зазор между ротором и корпусом в точке D должен быть не более 0,2—0,5 мм, чтобы выхлопные газы не могли зажечь смесь, поступающую в двигатель из карбюратора. Кинематическая схема роторного двигателя приведена на рис. 1 (справа внизу на рисунке), а конструктивная схема — на рис. 2.

Рис. 2. Конструктивная схема роторного двигателя: поперечный разрез (показан вариант с водяным охлаждением) и продольный разрез (вариант с воздушным охлаждением).

1 — корпус двигателя; 2 — ротор; 3 — продольные уплотнения — лопасти ротора;
4 — боковые (торцевые) уплотнения; 5 — медно-графитовый подшипник скольжения;
6 — неподвижная центральная шестерня, связанная с ротором внутренним зацеплением 7; 8 — правый эксцентрик; 9 — левый эксцентрик с валом;
10 — балансиры; 11 — стакан прерывателя; 12 — правый фланец; 13 — крышка-фланец, в которой закреплен вал неподвижной шестерни; 14 — втулка;
15 — стяжная шпилька между эксцентриками; 16 — левый фланец; 17 — маховик-вентилятор; 18 — кожух маховика-вентилятора.
А — место свечи; Б — выхлоп; В — место карбюратора; Г — окно всасывания;
Д — распределительный кулачок зажигания; Е — место магнето; Ж — подача масла от маслонасоса; И — место маслонасоса и бензонасоса; К — поток воздуха.

В корпусе 1 двигателя на медно-графитовых подшипниках 5 вращается трехгранный ротор 2 с тремя лопастями (продольными уплотнениями) 3 и боковым (торцевым) уплотнением 4. Ротор 2 описывает круговую орбиту вокруг неподвижной шестерни 6, связанной с ротором внутренним зацеплением 7, и вращает эксцентрик 9, выполненный заодно с валом. Вращающийся ротор с эксцентриками сбалансирован балансирами 10 для устранения вибрации. При батарейном зажигании для опережения зажигания должен быть установлен стакан 11, на котором крепится прерыватель.

Роторный двигатель можно применять на мотоциклах и автомашинах при воздушном охлаждении и на мотолодках при водяном охлаждении.

Н. Н. Мельник, «Катера и яхты», 1965 г.

О конструкции роторного двигателя для самостоятельного изготовления см. на следующей странице.

Поделитесь этой страницей в соц. сетях или добавьте в закладки:

Принцип работы роторного двигателя: плюсы и минусы

Чтобы понять, почему промышленники прекратили оснащение автомобилей силовыми агрегатами этого типа, полезно ознакомиться с принципом работы роторного двигателя. Зная основные характеристики, конструкцию, достоинства и недостатки, изучив разновидности РПД, можно оценить перспективы и вероятность последующего серийного выпуска таких моделей машин.

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.

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.

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

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.

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.

Машины с роторным двигателем

В разработке усовершенствованных концепций силового агрегата с базовым элементом конструкции в виде подвижного ротора участвовали и российские конструкторы, включая Зуева, Желтышева, ингушских изобретателей братьев Ахриевых.

Игнорируя инновации, на автомобили по-прежнему устанавливают двигатели Ванкеля.

В число моделей с РПД входят:

1. Мазда RX-8. Конструкторское бюро японского концерна достигло прогресса в усовершенствовании. Их последняя разработка вместимостью 1,3 л развивает мощность 215 л.с. Более поздняя версия с аналогичным объемом выдает 231 л.с. Производство прекращено с августа 2011 г. в результате снижения спроса.
2. ВАЗ 2109-90. Такими машинами пользовались в служебных целях сотрудники российских правоохранительных органов. Милицейские автомобили за 8 секунд могли разогнаться до 100 км/ч и развивали скорость 200 км/ч, легко догоняя преступников. Производились и агрегаты с большей мощностью. Но большая цена и малый ресурс не позволили прижиться РПД, и полицейским пришлось пересесть на транспортные средства с поршневыми моторами.
3. Мерседес С-111. Впервые был представлен автолюбителям на женевском автосалоне в 1970 г. Спортивный автомобиль оснащался трехкамерным двигателем Ванкеля. Максимальная скорость составляла 275 км/ч. На разгон до первой сотни уходило 5 секунд.
4. ВАЗ 21019 Аркан. Модель также закупалась для нужд МВД. Советских милиционеров на таких машинах догнать было невозможно и, тем более, уйти от погони. Большинство преследований завершалось поимкой преступников. Объяснение тому – способность служебного транспорта развивать предельную скорость 160 км/ч. Трехсекционный мотор в 1,3 л выдавал 120 л.с.

В заключение

Двигатель роторного типа – отличный вариант для спортивных и гоночных автомобилей, где не требуется большой ресурс. Высокие скоростные и мощностные показатели позволяют надеяться, что промышленники обратят на него внимание и с небольшими доработками снова начнут выпускать машины с моторами Ванкеля.