Устройство роторного двигателя

После создания двигателя внутреннего сгорания началась эра автомобилей. Самое большое распространение при этом получил мотор поршневого типа. Но при этом с момента создания ДВС перед конструкторами стала задача извлечения максимального КПД при минимальных затратах топлива. Решалась эта задача несколькими путями – от технического улучшения уже имеющихся двигателей, до создания абсолютно новых, с другой конструкцией. Одним из таковых стал роторный двигатель.

Роторный двигатель

Появился он значительно позже поршневого, в 30-х годах. Полноценно работоспособная же модель такого двигателя появилась и вовсе в 50-х годах. После появления роторный двигатель вызвал заинтересованность у многих автопроизводителей, и все они кинулись разрабатывать свои модели роторных силовых установок, однако вскоре от них отказались в пользу обычных поршневых. Из приверженцев роторного мотора осталась только японская фирма Mazda, которая сделала такого типа мотор своей визитной карточкой.

Особенностью такого мотора является его конструкция, которая вообще не предусматривает наличие поршней. В целом это сильно сказалось на конструктивной простоте.

В поршневых моторах энергия сгораемого топлива воспринимается поршнем, который за счет своего возвратно-поступательного движения передает ее на кривошипы коленвала, обеспечивая ему вращение.

У роторных же двигателей энергия сразу преобразовывается во вращение вала, минуя возвратно-поступательное движение. Это сказывается на уменьшении потерь мощности на трение, меньшую металлоемкость и простоту конструкции. За счет этого КПД двигателя значительно возрастает.

Конструкция

Чтобы понять принцип работы, следует разобраться, какова конструкция роторного двигателя. Итак, вместо поршней энергия сгорания топлива у такого силового агрегата воспринимается ротором. Ротор имеет вид равностороннего треугольника. Каждая сторона этого треугольника и играет роль поршня.

Чтобы обеспечить процесс горения, ротор помещается в закрытое пространство, состоящее из трех элементов – двух боковых корпусов, и одного центрального, называющегося статором. Пространство, в котором производится процесс горения, сделано в статоре, боковые корпуса обеспечивают только герметичность этого пространства.

Внутри статора сделан цилиндр, в котором и размещается ротор. Чтобы внутри этого цилиндра происходили все необходимые процессы, выполнен он в виде овала, с немного прижатыми боками.

Сам статор с одной стороны имеет окна для впуска топливовоздушной смеси или воздуха, и выпуска отработанных газов. Противоположно им сделано отверстие под свечи зажигания.

Особенностью движения ротора в цилиндре статора является то, что его вершины постоянно контактируют с поверхностью цилиндра, его движение сделано по эксцентриковому типу. Он не только вращается вокруг своей оси, но еще и смещается относительно нее.

Для этого в роторе сделано большое отверстие, с одной стороны этого отверстия имеется зубчатый сектор. С другой стороны в ротор вставлен вал с эксцентриком.

Чтобы обеспечить вращение в боковой корпус установлена неподвижная шестерня, входящая в зацепление с зубчатым сектором ротора, она является опорной точкой для него. При своем эксцентриковом движении он опирается на неподвижную шестерню, а зацепление обеспечивает ему вращательное движение. Вращаясь, он обеспечивает и вращение вала с эксцентриком, на который он одет.

Принцип работы

Теперь о самом принципе работы. Выполнение определенной работы поршня внутри цилиндров называется тактами. Классический поршневой двигатель имеет четыре такта:

• впуск — в цилиндр подается горючая смесь;
• сжатие — увеличение давления в цилиндре за счет уменьшения объема;
• рабочий ход — энергия, выделенная при сгорании смеси, преобразовывается во вращение вала;
• выпуск — из цилиндра выводятся отработанные газы;

Данные такты имеют все двигатели внутреннего сгорания, и сопровождаются они определенным движением поршня.

Однако они выполняются по-разному. Существуют двухтактные поршневые двигатели, в которых такты совмещены, но такие моторы чаще применяются на мотоциклах и другой бензиновой технике, хотя раньше создавались и дизельные двухтактные моторы. В них одно движение поршня включает два такта. При движении поршня вверх – впуск и сжатие, а при движении вниз – рабочий ход и выпуск. Все это обеспечивается наличием впускных и выпускных окон.

Классические автомобильные поршневые двигатели обычно являются 4-тактными, где каждый такт отделен. Но для этого в двигатель включен механизм газораспределения, который значительно усложняет конструкцию.

Что касается роторного двигателя, то отсутствие поршня как такового позволило несколько совместить конструктивные особенности 2-тактных и 4-тактных моторов.

Поскольку цилиндр роторного двигателя имеет впускные и выпускные окна, то надобность в газораспределительном механизме отпала, при этом сам процесс работы сохранил все четыре такта по отдельности.

Теперь рассмотрим, как все это происходит внутри статора. Углы ротора постоянно контактируют с цилиндром статора, обеспечивая герметичное пространство между сторонами ротора.

Овальная форма цилиндра статора обеспечивает изменение пространства между стенкой цилиндра и двумя близлежащими вершинами ротора.

Далее рассмотрим действие внутри цилиндра только с одной стороны ротора. Итак, при вращении ротора, одна из его вершин, проходя сужение овала цилиндра, открывает впускное окно и в полость между стороной треугольника ротора и стенкой цилиндра начинает поступать горючая смесь или воздух. При этом движение продолжается, эта вершина достигает и проходит высокую часть овала и дальше идет на сужение. Возможность постоянного контакта вершины ротора обеспечивается его эксцентриковым движением.

Впуск воздуха производится до тех пор, пока вторая вершина ротора не перекроет впускное окно. В это время первая вершина уже прошла высоту овала цилиндра и пошла на его сужение, при этом пространство между цилиндром и стороной ротора начинает значительно сокращаться в объеме – происходит такт сжатия.

В момент, когда сторона ротора проходит максимальное сужение, в пространство между стороной ротора и стенкой цилиндра подается искра, которая воспламеняет горючую смесь, сжатую между зауженной стенкой цилиндра и стороной ротора.

Особенностью роторного двигателя является то, что воспламенение производится не перед прохождением стороны так называемой «мертвой точки», как это делается в поршневом двигателе, а после ее прохождения. Делается это для того, чтобы энергия, выделенная при сгорании, воздействовала на ту часть стороны ротора, которая уже прошла ВМТ (верхняя мёртвая точка). Этим обеспечивается вращение ротора в нужную сторону.

После прохождения свечи, первая вершина ротора начинает открывать выпускное окно, и постепенно, пока вторая вершина не перекроет выпускное окно – производится отвод газов.

Следует отметить, что был описан весь процесс, сделанный только одной стороной ротора, все стороны проделывают процесс один за другим. То есть, за одно вращение ротора производится одновременно три цикла – пока в полость между одной стороной ротора и цилиндра запускается воздух или горючая смесь, в это время вторая сторона ротора проходит ВМТ, а третья – выпускает отработанные газы.

Теперь о вращении вала, на эксцентрик которого надет ротор. За счет этого эксцентрика полный оборот вала производится меньше чем за один оборот ротора. То есть, за один полный цикл вал сделает три оборота, при этом отдавая полезное действие дальше. В поршневом двигателе один цикл происходит за два оборота коленчатого вала и только один полуоборот при этом является полезным. Этим обеспечивается высокий выход КПД.

Если сравнить роторный двигатель с поршневым, то выход мощности с одной секции, которая состоит из одного ротора и статора, равна мощности 3-цилиндрового двигателя.

А если учитывать, что Mazda устанавливала на свои авто двухсекционные роторные моторы, то по мощности они не уступают 6-цилиндровым поршневым моторам.

Достоинства и недостатки

Теперь о достоинствах роторных моторов, а их вполне много. Выходит, что одна секция по мощности равна 3-цилиндровому мотору, при этом она в габаритных размерах значительно меньше. Это сказывается на компактности самых моторов. Об этом можно судить по модели Mazda RX-8. Этот автомобиль, обладая хорошим показателем мощности, имеет средне моторную компоновку, чем удалось добиться точной развесовки авто по осям, влияющую на устойчивость и управляемость авто.

Помимо компактных размеров в этом двигателе отсутствует газораспределительный механизм (ГРМ), ведь все фазы газораспределения выполняются самим ротором. Это значительно уменьшило металлоемкость конструкции, и как следствие – массу двигателя.

Из-за ненадобности поршней и ГРМ снижено количество подвижных частей в двигателе, что сказывается на надежности конструкции.

Сам двигатель из-за отсутствия разнонаправленных движений, которые есть в поршневом моторе, при работе меньше вибрирует.

Но и недостатков у такого двигателя тоже хватает. Начнем с того, что система смазки у него идентична с системой 2-тактного двигателя. То есть, смазка поверхности цилиндра производится вместе с топливом. Но только организация подачи масла несколько иная. Если в 2-тактном двигателе масло для смазки добавляется прямо в топливо, то в роторном оно подается через форсунки, а потом оно уже смешивается с топливом.

Использование такого типа смазки привело к тому, что для двигателя подходит только минеральное масло или специализированное полусинтетическое. При этом в процессе работы масло сгорает, что негативно сказывается на составе выхлопных газов. По экологичности роторный двигатель сильно уступает 4-тактному поршневому двигателю.

При всей простоте конструкции роторный мотор обладает сравнительно небольшим ресурсом. У той же Mazda пробег до капитального ремонта составляет всего 100 тыс. км. В первую очередь «страдают» апексы – аналоги компрессионных колец в поршневом двигателе. Апексы размещаются на вершинах ротора и обеспечивают плотное прилегание вершины к стенке цилиндра.

Недостатком является также невозможность проведения восстановительных работ. Если у ротора изношены посадочные места апексов – ротор полностью заменяется, поскольку восстановить эти места невозможно.

То же касается и цилиндра статора. При его повреждении расточка практически невозможна из-за сложности выполнения такой работы.

Из-за большой скорости вращения эксцентрикового вала, его вкладыши изнашиваются значительно быстрее.

В общем, при значительно простой конструкции, из-за сложности процессов его работы роторный двигатель оказывается по надежности значительно хуже поршневого.

Но в целом, роторный двигатель не является тупиковой ветвью развития двигателей внутреннего сгорания. Та же Mazda постоянно совершенствует данный тип мотора. К примеру, мотор, устанавливаемый на RX-8 по токсичности уже мало отличается от поршневого, что является большим достижением.

Теперь они стараются еще и увеличить ресурс. Однако это скорее всего будет достигнуто за счет использования особых материалов изготовления элементов двигателя, а также из-за высокой степени обработки поверхностей, что еще больше осложнит и увеличит стоимость ремонта.

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: