Все они ставили роторные движки под капот своих автомобилей. А японские и по сей день пользуются ротором – правда, уже в современной, усовершенствованной модификации. В чем же успешность роторного двигателя Ванкеля?
Принцип работы роторно-поршневого двигателя
Роторный совершает те же четыре такта, что и его поршневой собрат: впуск, сжатие, рабочий такт, выпуск . Но работает ротор по-другому. Поршневой двигатель выполняет четыре такта в одном цилиндре. А роторный хоть и выполняет их в одной камере, но каждый из тактов проходит в её отдельной части. То есть, цикл будто выполняется в отдельном цилиндре, а поршень «бегает» от одного цилиндра к другому. При этом, в роторном моторе нет механизма газораспределения. В отличие от поршневого двигателя, всю работу выполняют впускные и выпускные окна, размещенные в боковых корпусах. Ротор вращается и регулирует работу окон: открывает и закрывает их.
Кстати, о роторе. Не нужно и говорить, что он является основным элементом мотора, именно ротор дал название самому двигателю. Что же это за деталь? Ротор имеет треугольную форму, он недвижимо скреплен с эксцентриковым валом и насажен на него не по центру. При вращении элемент описывает капсуловидную форму , а не круг, благодаря его расположению. Ротор передает мощность от мотора к коробке передач и сцеплению, проще говоря, выталкивает сгоревшее топливо и передает вращение на трансмиссию к колесам. Полость, в которой вращается ротор, сделана в форме капсулы.
Принцип работы роторно-поршневого двигателя состоит в следующем. При вращении ротор создает вокруг себя три, изолированные друг от друга, полости. Происходит это благодаря капсульной форме полости вокруг ротора и треугольной форме самого ротора. Первая полость – полость всасывания , в ней смешивается топливо с кислородом. Далее смесь перегоняется во вторую камеру движением ротора и там же сжимается. Здесь её воспламеняют две свечи, она расширяется и толкает поршень. Поступательным движением ротор прокручивается, открывается следующая полость, где выходят отработавшие газы и остатки топлива.
Недостатки и преимущества роторного двигателя
Как и любой другой ДВС, роторный движок имеет как плюсы, так и минусы. Сначала рассмотрим его преимущества перед другими движками.
1. Производительность роторного двигателя в несколько раз выше остальных. Пока в обычных ДВС за один оборот проходит один такт, то в роторном моторе – три (всасывание, сжатие, воспламенение). Причем, современные движки оборудованы сразу двумя или тремя роторами, поэтому 2-х роторный движок можно сравнить с 6-ти цилиндровым обычным ДВС, а 3-х роторный – с 12-тью цилиндрами.
2. Малое количество деталей . Простота конструкции мотора (ротор и статор) позволяют использовать меньшее количество деталей. Статистика гласит, что в ДВС на 1000 деталей больше, чем в роторном моторе.
3. Низкий уровень вибрации . Ротор вращается по кругу, не совершая возвратно-поступательных движений. Соответственно, вибрация практически не ощутима. Кроме того, роторных двигателей обычно два, поэтому они уравновешивают работу друг друга.
4. Высокие динамические характеристики . За один оборот двигатель совершает три такта. Поэтому даже на малых оборотах двигатель развивает высокую скорость.
5. Компактность и маленький вес. Из-за простоты конструкции и маленького количества деталей мотор обладает маленьким весом и размером.
Несмотря на множество плюсов, мотор имеет и несколько минусов, не позволяющих автокомпаниям массово использовать его на своих авто.
1. Склонность к перегреву. Во время горения рабочей смеси вырабатывается лучистая энергия, которая бесцельно покидает камеру сгорания и нагревает мотор. Это происходит из-за формы камеры, которая напоминает капсулу или линзу, то есть, имея маленький объем, она обладает большой рабочей поверхностью. Чтобы энергия не выходила, камера должна была иметь сферическую форму.
2. Регулярная замена масла. Ротор соединен с выходным валом эксцентриковым механизмом. Этот способ соединения вызывает дополнительное давление, что вкупе с высокой температурой нагревает двигатель. Именно поэтому нужно периодически отдавать машину на капремонт и заменять масло. Без замены масла двигатель выходит из строя.
3. Регулярная замена уплотнителей. На маленькой площади контакта ротора с валом образуется повышенное давление. Уплотнители изнашиваются, в камерах образуются утечки. Вследствие этого увеличивается токсичность выхлопа и падение КПД. Кстати, на новых моделях эту проблему решили, используя высоколегированную сталь.
4. Высокая цена. Для роторных двигателей детали должны производиться с высокой геометрической точностью. Поэтому в производстве роторных двигателей используют дорогостоящее оборудование и дорогие материалы. Вследствие этого цена на роторный мотор высокая при кажущейся простоте конструкции.
Применение роторных двигателей: от изобретения до наших дней
Разработкой роторного двигателя инженеры зан0имаются очень давно. Изобретатель паровой машины Джеймс Ватт
положил начало мечте о двигателе роторного типа. В 1846 году инженеры уже определили форму камеры сгорания и основы работы роторного ДВС. Но двигатель так и оставался мечтой.
Но в 1924 году
молодой и талантливый Феликс Ванкель начал основательную практическую работу по созданию роторного двигателя. Двадцатидвухлетний инженер как раз окончил высшую школу и поступил в издательство технической литературы. Именно тогда Ванкель начал чертить проект собственного двигателя, опираясь на обширные теоретические знания из литературы.
Создав собственную лабораторию, инженер начал получать патенты на изделия. В 1934 году Ванкель подал заявку
на первый роторный двигатель.
Но судьба распорядилась иначе. Талантливого инженера отметила власть, и он начал работу на крупнейших автомобильных концернах фашистской Германии. Свои проекты ему пришлось отложить. После войны инженер сидел в тюрьме , как пособник нацистского режима, а его лабораторию вывезли французы. И только в 1951 году ученый восстановил имя, начав работать на фирму мотоциклов . Там он восстановил свою лабораторию и привлек к проекту роторного двигателя ещё одного ученого по имени Вальтер Фройде. Вместе они выпустили первый роторный мотор 1 февраля 1957 году. Изначально он работал на метаноле, но к июлю мотор перевели на бензин. В 50-е Германию начала оправляться от последствий войны, соответственно, богатели и автомобильные компании.
Компания NSU, в которой работали Ванкель и Фройде, готовилась массово выпускать автомобили на роторном двигателе. В 1960 году в Мюнхене показали NSU Spider с двигателем Ванкеля под капотом. А в 1968 году вышел NSU Ro-80, который повлиял на дальнейшее автомобилестроение. Автомобиль разгонялся до 180 км/ч, с места машина разгонялась до 100 км/ч за 12,8 с
. Ro-80 стал автомобилем года, и многие концерны выкупали права на двигатель Ванкеля. Но из-за недостатков в конструкции двигателя и дороговизны производства, компании отказывались массово делать машины с роторным мотором. Но опытные образцы были.
Например, Mercedes-Benz, выпустивший в 1970 году автомобиль С111. Стильный оранжевый автомобиль с обтекаемым надежным кузовом разгонялся до 100 км/ч за 4,8 с. Но прожорливость автомобиля не дала компании массово производить С111.
Заинтересовались ротором и . Уже в 1972 году публике представили первый "Корвет" с двухсекционным роторным мотором. В 1973 появились Корветы с четырьмя секциями, но в 1974 году, из-за нехватки денег, Chevrolet отложили работу над роторными двигателями.
Соседняя Франция тоже взяла на вооружение двигатели Ванкеля. В 1974 году компания Citroen выпустила на рынок Citroen GS Birotor. Под капотом был двухсекционный двигатель Ванкеля. Но машина не пользовалась популярностью. За два года французская компания продала всего 874 машины. В 1977 году Ситроен отозвал роторные авто с целью их ликвидации, но вполне вероятно, что 200 из них смогли уцелеть.
В СССР тоже пробовали применять двигатель Ванкеля. Лицензию на заводах ВАЗ купить не могли, поэтому скопировали односекционный роторный мотор с NSU Ro-80. На его основе в 1976 году собрали двигатель ВАЗ-311. Доработка длилась 6 лет. Первым серийным ВАЗом с ротором под капотом был 21018. Но модель с треском провалилась. Все 50 опытных образцов сломались.
В 1983 году в СССР появились двухсекционные роторные модели. Оснащенные таким мотором «Жигули» и «Волги» с легкостью догоняли иномарки.
Но потом конструкторское бюро отвлеклось от автомобилестроения и безрезультатно пыталось применить роторный движок в авиации. Привело это к тому, что развивающаяся отрасль остановилась на модели ВАЗ-415 в 1995 году.
До 2012 года серийно выпускалась модель Mazda RX-8
, с усовершенствованным двигателем Ванкеля. Вообще, японцы единственные, кто серийно производил роторные машины с 1967 года. В 70-х годах Mazda представила бренд RX, который обозначает использование роторных моторов. Японцы ставили ротор на любое авто, включая пикапы и автобусы. Может быть, поэтому RX-8 имеет отличные технические и экологические характеристики, что было так несвойственно первым автомобилям с двигателем Ванкеля.
Подписывайтесь на наши ленты в
Единственная на данный момент выпускаемая в промышленном масштабе модель мотора роторного типа — это двигатель Ванкеля. Его относят роторным разновидностям движков, имеющим планетарное круговое движение основного рабочего элемента. Благодаря такой конструктивной компоновке, решение может похвастаться предельно простым техническим устройством, но не характеризуется оптимальностью в способах организации рабочего процесса и потому обладает своими неотъемлемыми и серьезными недостатками.
Двигатель Ванкеля роторный представлен во множестве вариаций, но, по сути, они различны между собой разве что численностью роторных граней и соответствующей формой внутренних поверхностей корпуса.
В общих чертах рассмотрим конструктивные особенности данного решения и углубимся немного в историю его создания и область использования.
История решений такого типа стартует в 1943 году. Именно тогда изобретателем Майларом была предложена первая аналогичная схема. После спустя некоторое время было подано еще ряд патентов на движки такой схемы. Также и разработчиком немецкой фирмы NSU. Но основным минусом, от которого страдал роторно поршневой двигатель Ванкеля, была система из уплотнений, расположенная между ребер на стыках соседствующих граней элемента треугольного типа и поверхностями неподвижных корпусных частей. Для решения столь трудной задачи подключился Феликс Ванкель, специализирующийся на уплотнениях. После, за счет своей устремленности и инженерному складу ума он возглавил разрабатывающую группу. И уже к 57-у году в недрах немецкой лаборатории был собран первый вариант, оснащенный основным вращающимся элементом треугольного типа и рабочей капсульной камерой, где вращательный элемент был намертво закреплен, в то время как вращение осуществлялось корпусом.
Куда более практичная вариация характеризовалась неподвижной рабочей камерой, в которой осуществлялось вращение треугольника. Такой вариант дебютировал годом позднее. К ноябрю 59-го года прошлого столетия фирмой были объявлены работы по созданию функционального решения роторного типа. За кратчайшие сроки множеством компаний по всему миру была приобретена лицензия на эту разработку, и из сотни фирм, около трети были из Японии.
Решение оказалось довольно компактным, мощным, с малым числом деталей. Европейские салоны пополнились машинами с роторными вариациями движков, но, увы, они обладали малым вращающим ресурсом, стремительным потреблением топлива и токсичным выхлопом.
Из-за нефтяного кризиса семидесятых попытки улучшить разработку до нужного уровня были свернуты. Лишь японской Маздой все также продолжались работы в этой области. Также трудился и ВАЗ, поскольку топливо в стране был очень дешевым, а мощные, хотя и с низким ресурсом, моторы были нужны силовым министерствам.
Но спустя тридцать лет ВАЗ закрыл производство и только Мазда до сих пор серийно запускает транспорт с моторами роторного типа. На данный момент выпускается лишь одна модель с таким решением – это Мазда RX-8.
После небольшого экскурса в историю стоит подробно остановиться на достоинствах и недостатках.
Высокая мощность, почти вдвое превышающая показатели поршневых вариаций с четырьмя тактами. Массы неравномерно движущихся элементов в нем сравнительно ниже, чем в случае поршневых вариаций, и амплитуда движения значительно ниже. Это возможно из-за того, что в поршневых решениях происходят возвратно-поступательные движения, в то время как в рассматриваемом типе применяются планетарной схемы.
На большую мощность влияет и то, что она выдается в течение троих четвертей при каждом обороте вала. Для сравнения, одноцилиндровый поршневой мотор даёт мощность лишь на протяжении четверти каждого из оборотов. Потому за единицу объема камеры сжигания берется куда больше мощности.
При объёмах камеры в тысячу триста сантиметров, у RX-8 в плане мощности, достигается показатель двести пятьдесят лошадиных сил. У предшественника, а именно у RX-7, с аналогичным объемом, но с турбиной было триста пятьдесят лошадиных сил. Потому особыми чертами автомобиля становится отличная динамика: при низких передачах можно без лишних нагрузок на мотор разогнать транспортное средство до сотни на больших оборотах движка.
Рассматриваемый тип движка куда проще уравновешивается механически и избавляется от вибрации, что способствует повышению комфортности лёгкого транспортного средства;
По части размеров рассматриваемый тип движка в полтора-два раза меньше по сравнению с равными по мощности поршневыми моторами. Число деталей меньше примерно на сорок процентов.
Недостатки двигателя
Небольшая длительность рабочего хода роторных граней. Хоть данный показатель нельзя в чистую сравнивать с другими вариантами из-за разных типов хода поршней и вращающегося элемента, у рассматриваемой разновидности данный показатель примерно на 20% меньше. Тут имеется один существенный нюанс — у поршневых решений происходит линейное увеличение объемов, которое аналогично направлению расстояния от ВМТ до НМТ. Но вот в случае рассматриваемого типа агрегатов данное действие происходит сложнее и лишь отрезок траектории передвижения оказывается непосредственно линией хода.
Потому решение характеризуется меньшей топливной эффективностью, нежели у поршневых вариаций. Потому малая длительность способствует очень высокой температуре выходящих газов – рабочим газам не удается во время передать большую часть давления треугольнику, поскольку выполняется открытие окна выхлопа и горячие массы с еще не прекратившимся горением объемных фрагментов выходят по выхлопной трубе. Потому их температура крайне высокая.
Сложность формы камеры горения. У данной камеры серповидная форма и солидная область, где газов контактируют со стенами и ротором. Потому крупная тепловая доля приходится на нагрев элементов движка, а это уменьшает коэффициент полезного действия тепла, но при этом возрастает нагрев движка. Также такие формы камеры приводят к ухудшенному смесеобразованию и замедленному горению рабочих смесей. Потому на движке RX-8 ставят две зажигательные свечи на одну роторную секцию. Такие свойства негативно влияют и на термодинамический коэффициент полезного действия.
Малый вращательный момент. Дабы снималось вращение с работающего ротора, вращательный центр которого непрерывным образом выполняет вращение планетарного типа, в данном моторе применяют на основном валу диски с цилиндровым расположением. Проще говоря — это все является элементами преобразователя. То есть, решение рассматриваемого типа так и не смогло в полной мере избавиться от основного минуса поршневых вариаций, а именно КШМ.
Хоть он и являет собой облегченный вариант, но основные минусы этого механизма: пульсация вращающего момента, малые размеры плеча основного элемента также присутствуют и в рассматриваемом типе.
Именно потому вариация с одной секцией не эффективен, и их нужно увеличивать до двух или трех секций, с целью получения приемлемых характеристик работы, еще рекомендуется устанавливать на вале и маховое колесо.
Кроме присутствия в движке рассматриваемого типа механизма преобразователя, на недостаточный для такого мотора вращающий момент может повлиять и тот нюанс, что кинематические схемы в таких решениях устроены слишком мало рационально в плане восприятия поверхностью вращающегося элемента давления рабочих расширительных масс. Потому только определенная часть давления, а это порядка одной трети – пере компилируется в рабочее вращение элемента, тем самым создавая вращающий момент.
Наличие вибраций внутри корпуса. Проблема в том, что рассматриваемый в статье тип систем подразумевает неравномерное по массе движение. То есть во время вращения массовый центр агрегата выполняет непрерывное передвижение вращательного типа вокруг массового центра, а радиус этого движения соответствует цилиндровому плечу основного моторного вала. Потому на движковый корпус внутри влияет вращающийся постоянным образом силовой вектор, соответствующий силе центробежного типа, появляющейся на находящемся во вращении элементе. То есть он в процессе вращения на также находящемся в движении цилиндрическому валу характеризуется неизбежными и выраженными элементами движения колебательного типа.
Что и является причиной неизбежных вибраций.
Низкая устойчивость к износу в торце уплотнений радиального типа по углам вращающегося треугольника. Поскольку к ним поступает существенная нагрузка радиального типа, свойственная из-за того, что таков двигатель Ванкеля принцип работы.
Высокая вероятность прорыва газовых масс с высоким давлением из зоны одного такта работы в другой такт. Причина кроется в том, что роторный ребровой контакт уплотнителя и стенок камеры сжигания выполняется по единой линии небольшой толщины. Также имеется вероятность прорыва по гнездам, в которые устанавливают свечи, в момент прохода ребра основного вращающегося элемента.
Сложность смазочной системы вращающегося элемента. Как пример, в уже ранее упомянутой модели японского производителя особыми форсунками впрыскивается масло в камеры сжигания, дабы трущиеся в процессе вращения о стенки камеры ребер смазывались. За счет этого усиливается выхлопная токсичность и параллельно с этим повышает необходимость движка в качественном масле.
Также, во время высоких оборотов повышаются запросы к смазке поверхности цилиндрического типа цилиндрического элемента основного вала, вокруг которого осуществляется вращение, и которое занято снятием главного усилия с вращающегося элемента, также переводя во вращательное движение вала. Из-за этих двух технических трудностей, разрешить которые довольно проблематично, проявлялась недостаточная смазка в случае высоких оборотов наиболее загруженных трением элементов движка, а значит, резким образом уменьшался движущий ресурс движка. Из-за этого недостаточного решения выходит очень малый ресурс движков рассматриваемого типа, которые были выпущены отечественным АвтоВАЗом.
Большая требовательность к точности выполнения элементов со сложной формой делают таков движок трудным в производстве. Для его производства требуется высокоточное и дорогое оборудование - станки, способные выполнить рабочую камеру с криволинейной поверхностью.
Если говорить о вращающемся элементе, то у него так же имеется форма треугольника, у которого выпуклые поверхности.
Сделав выводы из всего вышеописанного можно отметить, что рассматриваемый тип обладает не только выраженными преимуществами, но и большим количеством фактически непреодолимых минусов, не позволяющих ему победить поршневые вариации. Однако такая перспектива всерьез обсуждалось сорок или пятьдесят лет назад, и аналитические обзоры пестрили мнениями, что уже к началу девяностых годов прошлого столетия роторные решения разнообразных типов будут доминировать на автомобильном рынке.
Однако, даже с учётом негативных сторон и технических проблем, такое решение смогло неплохо себя зарекомендовать в техническом плане и даже вырвать свою долю на рынке, поскольку минусы конкурентного решения – поршневого мотора с КШМ еще серьёзнее сказываются на работе. И это с учётом того, что поршневой движок долгое время пытались улучшить.
Одним из самых проблематичных моментов при выполнении любого роторного движка — это воссоздание эффективной уплотняющей системы, необходимой для создания замкнутого объёма в рабочих камерах рассматриваемого типа решений. Пока что в схемах это считается одним из главных препятствий. Тут предстоит выполнить сложную в изготовлении уплотнительную систему.
Дабы набить руку и набраться положительного опыта в данном занятии, можно попробовать выполнить компактный рабочий вариант решения рассматриваемого типа непосредственно с «нуля».
Ориентировочный показатель мощности одной из роторных секцией будет находиться в районе сорока лошадиных. А значит, движок рассматриваемого типа, скажем, с двумя секциями, достигнет показателя в восемьдесят лошадиных сил. И так далее по схожему принципу.
В целом, изготовление такого типа решений всегда идет с оптимальным ритмом, при том что можно и вовсе отказаться от сторонних элементов. Как правило, корпусная часть таких решений выполняется из конструкционной стали легированного типа, подвергнутой упрочнению термохимического типа и стойкой к высоким температурам.
Как вариант, оптимальной твердостью поверхностного слоя можно подобрать показатель в районе семидесяти HRC. По части глубины, термически упроченный слой находится в районе полтора миллиметров. Аналогичным образом обрабатываются и до того же показателя твердости и устойчивости к износам уплотнения радиального и торцевого типа.
Такое решение обладает воздушным охлаждением, а смазочное масло будет поступать к камере сжатия посредством двух специальных форсунок. То есть, в данном случае не потребуется смешивать масло и бензин, как это бывает в двухтактных вариациях.
Движок рассматриваемого типа ставят на токарный станок, где он в течение нескольких часов подвергается обкатке без воздействиями температуры. Таким образом, можно оценить эффективность уплотнений и герметичность выполняемых секций как достаточно приемлемую.
Впоследствии можно измерить уровень давления, который наблюдается в зоне сжатия.
Как известно, принцип работы роторного двигателя основан на высоких оборотах и отсутствии движений, которыми отличается ДВС. Это и отличает агрегат от . РПД называют ещё двигателем Ванкеля, и сегодня мы рассмотрим его работу и явные достоинства.
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 , 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 , 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- , 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 .
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, 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 заслуживают всяческих похвал и одобрения. Шутка ли, поверить в производительность, казалось бы, похороненного двигателя и дать ему вторую жизнь, да ещё какую!
С изобретением двигателя внутреннего сгорания прогресс в развитии автомобилестроения шагнул далеко вперед. Несмотря на то, что общее устройство ДВС оставалось одинаковым, данные агрегаты постоянно усовершенствовались. Наряду с этими моторами появлялись более прогрессивные агрегаты роторного типа. Но почему они так и не получили широкого распространения в автомобильном мире? Ответ на этот вопрос мы рассмотрим в статье.
История возникновения агрегата
Двигатель роторного типа был сконструирован и испытан разработчиками Феликсом Ванкелем и Вальтером Фройде в 1957 году. Первый автомобиль, на который был установлен данный агрегат, - спорткар NSU «Спайдер». Исследования показали, что при мощности мотора в 57 лошадиных сил данная машина имела возможность разогнаться до колоссальных 150 километров в час. Производство автомобилей «Спайдер» в комплектации с 57-сильным роторным двигателем длилось около 3-х лет.
После этого данным типом двигателей стали оснащать автомобиль NSU Ro-80. Впоследствии роторные моторы устанавливались на «Ситроены», «Мерседесы», ВАЗы и «Шевроле».
Одним из самых распространенных автомобилей с роторным двигателем является японский спорткар «Мазда» модели Cosmo Sport. Также японцы стали оснащать данным мотором модель RX. Принцип работы роторного двигателя («Мазда» RX) заключался в постоянном вращении ротора с переменой тактов работы. Но об этом немного позже.
В нынешнее время японский автопроизводитель не занимается серийным выпуском машин с роторными двигателями. Последней моделью, на которую ставился такой мотор, стала «Мазда» RX8 модификации Spirit R. Однако в 2012 году производство данной версии автомобиля было прекращено.
Устройство и принцип работы
Какой имеет роторный двигатель принцип функционирования? Данный тип моторов отличается 4-тактным циклом действия, как и на классическом ДВС. Однако принцип работы роторно-поршневого двигателя немного отличается от такового у обычных поршневых.
В чем главная особенность данного мотора? Роторный двигатель Стирлинга имеет в своей конструкции не 2, не 4 и не 8 поршней, а всего один. Называется он ротором. Вращается данный элемент в цилиндре специальной формы. Ротор насаживается на вал и соединяется с зубчатым колесом. Последнее имеет шестеренчатое сцепление со стартером. Вращение элемента происходит по эпитрохоидальной кривой. То есть лопасти ротора попеременно перекрывают камеру цилиндра. В последней происходит сгорание топлива. Принцип работы роторного двигателя («Мазда» Cosmo Sport в том числе) заключается в том, что за один оборот механизм толкает три лепестка жестких кругов. В то время как деталь вращается в корпусе, три отсека внутри меняют свой размер. Благодаря изменению размеров в камерах создается определенное давление.
Фазы работы
Как действует роторный двигатель? Принцип работы (gif-изображения и схему РПД вы можете увидеть ниже) данного мотора заключается в следующем. Функционирование двигателя состоит из четырех повторяющихся циклов, а именно:
- Подачи топлива. Это первая фаза работы двигателя. Она происходит в тот момент, когда вершина ротора находится на уровне отверстия подачи. Когда камера открыта для основного отсека, ее объем приближается к минимуму. Как только ротор вращается мимо нее, в отсек попадает топливно-воздушная смесь. После этого камера снова становится закрытой.
- Сжатия . Когда ротор продолжает свое движение, пространство в отсеке уменьшается. Таким образом, происходит сжатие смеси из воздуха и топлива. Как только механизм проходит отсек со свечей зажигания, объем камеры снова уменьшается. В этот момент происходит воспламенение смеси.
- Воспламенения . Зачастую роторный двигатель (ВАЗ-21018 в том числе) имеет несколько свечей зажигания. Это обусловлено большой длиной камеры сгорания. Как только свеча воспламеняет горючую смесь, уровень давления внутри увеличивается в десятки раз. Таким образом, ротор снова приводится в действие. Далее давление в камере и количество газов продолжают расти. В этот момент происходит перемещение ротора и создание крутящего момента. Так продолжается до тех пор, пока механизм не пройдет выхлопной отсек.
- Выпуска газов. Когда ротор проходит данный отсек, газ под высоким давлением начинает свободно перемещаться в выхлопную трубу. При этом движение механизма не прекращается. Ротор стабильно вращается до тех пор, пока объем камеры сгорания снова не упадет до минимума. К этому времени из мотора выдавится оставшееся количество отработавших газов.
Именно такой имеет роторный двигатель принцип работы. ВАЗ-2108, на который также монтировался РПД, как и японская «Мазда», отличался тихой работой мотора и высокими динамическими характеристиками. Но в серийное производство данная модификация так и не была запущена. Итак, мы выяснили, какой имеет роторный двигатель принцип работы.
Недостатки и преимущества
Не зря данный мотор привлек внимание столь многих автопроизводителей. Его особый принцип работы и конструкция имеют целый ряд преимуществ по сравнению с другими типами ДВС.
Итак, какие имеет роторный двигатель плюсы и минусы? Начнем с явных преимуществ. Во-первых, роторный двигатель имеет наиболее сбалансированную конструкцию, а потому практически не вызывает высоких вибраций при работе. Во-вторых, данный мотор имеет более легкий вес и большую компактность, а потому его установка особо актуальна для производителей спорткаров. Кроме того, небольшой вес агрегата дал возможность конструкторам добиться идеальной развесовки нагрузок по осям. Таким образом, автомобиль с данным двигателем становился более устойчивым и маневренным на дороге.
Ну и, конечно же, простора конструкции. Несмотря на то же самое количество тактов работы, устройство данного двигателя гораздо проще, чем у поршневого аналога. Для создания роторного мотора требовалось минимальное количество узлов и механизмов.
Однако главный козырь данного двигателя заключается не в массе и низких вибрациях, а в высоком КПД. Благодаря особому принципу работы роторный мотор имел большую мощность и коэффициент полезного действия.
Теперь о недостатках. Их оказалось намного больше, чем преимуществ. Основная причина, по которой производители отказывались покупать такие моторы, заключалась в их высоком расходе топлива. В среднем на сто километров такой агрегат тратил до 20 литров горючего, а это, согласитесь, немалый расход по сегодняшним меркам.
Сложность производства деталей
Кроме того, стоит отметить высокую стоимость производства деталей данного двигателя, которая объяснялась сложностью изготовления ротора. Для того чтобы данный механизм правильно прошел эпитрохоидальную кривую, нужна высокая геометрическая точность (для цилиндра в том числе). Поэтому при изготовлении роторных двигателей невозможно обойтись без специализированного дорогостоящего оборудования и особых знаний в технической области. Соответственно, все эти затраты заранее закладываются в цену автомобиля.
Перегревы и высокие нагрузки
Также из-за особой конструкции данный агрегат был часто подвержен перегреву. Вся проблема заключалась в линзовидной форме камеры сгорания.
В отличие от нее, классические ДВС имеют сферическую конструкцию камеры. Топливо, которое сгорает в линзовидном механизме, превращается в тепловую энергию, расходуемую не только на рабочий ход, но и на нагрев самого цилиндра. В конечном итоге частое «закипание» агрегата приводит к быстрому износу и выходу его из строя.
Ресурс
Не только цилиндр терпит большие нагрузки. Исследования показали, что при работе ротора значительная часть нагрузок ложится на уплотнители, расположенные между форсунками механизмов. Они подвергаются постоянному перепаду давления, потому максимальный ресурс двигателя составляет не более 100-150 тысяч километров.
После этого мотору требуется капитальный ремонт, стоимость которого порой равносильна покупке нового агрегата.
Расход масла
Также роторный двигатель очень требователен к обслуживанию.
Расход масла у него составляет более 500 миллилитров на 1 тысячу километров, что заставляет заливать жидкость каждые 4-5 тыс. километров пробега. Если вовремя не произвести замену, мотор попросту выйдет из строя. То есть к вопросу обслуживания роторного двигателя нужно подходить более ответственно, иначе малейшая ошибка чревата дорогостоящим ремонтом агрегата.
Разновидности
На данный момент существует пять разновидностей данных типов агрегатов:
Роторный двигатель (ВАЗ-21018-2108)
История создание ВАЗовских роторных ДВС датируется 1974 годом. Именно тогда было создано первое конструкторское бюро РПД. Однако первый разработанный нашими инженерами двигатель имел схожую конструкцию с мотором Ванкеля, который укомплектовывался на импортные седаны NSU Ro80. Советский аналог получил название ВАЗ-311. Это самый первый советский роторный двигатель. Принцип работы на ВАЗовских автомобилях данного мотора имеет одинаковый алгоритм действия РПД Ванкеля.
Первым автомобилем, на который стали устанавливать данные двигатели, стал ВАЗ модификации 21018. Машина практически ничем не отличалась от своего «предка» - модели 2101 - за исключением используемого ДВС. Под капотом новинки стоял односекционный РПД мощностью в 70 лошадиных сил. Однако в результате исследований на всех 50 образцах моделей были обнаружены многочисленные поломки мотора, которые заставили Волжский завод отказаться от применения данного типа ДВС на своих автомобилях на ближайшие несколько лет.
Основная причина неисправностей отечественного РПД заключалась в ненадежных уплотнениях. Однако советские конструкторы решили спасти данный проект, презентовав миру новый 2-секционный роторный двигатель ВАЗ-411. Впоследствии был разработан ДВС марки ВАЗ-413. Основные их различия заключались в мощности. Первый экземпляр развивал до 120 лошадиных сил, второй - порядка 140. Однако в серию данные агрегаты снова не вошли. Завод принял решение ставить их только на служебные автомобили, использовавшиеся в ГАИ и КГБ.
Моторы для авиации, «восьмерок» и «девяток»
В последующие годы разработчики пытались создать роторный мотор для отечественной малой авиации, однако все попытки оказались безрезультатными. В итоге конструкторы снова занялись разработкой двигателей для легковых (теперь уже переднеприводных) автомобилей ВАЗ серии 8 и 9. В отличие от своих предшественников новоразработанные моторы ВАЗ-414 и 415 являлись универсальными и могли использоваться на заднеприводных моделях авто типа «Волга», «Москвич» и так далее.
Характеристики РПД ВАЗ-414
Впервые данный двигатель появился на «девятках» лишь в 1992 году. По сравнению со своими «предками» данный мотор имел следующие преимущества:
- Высокую удельную мощность, которая давала возможность машине набрать «сотню» всего за 8-9 секунд.
- Большой коэффициент полезного действия. С одного литра сгоревшего топлива удавалось получить до 110 лошадиных сил мощности (и это без какой-либо форсировки и дополнительной расточки блока цилиндров).
- Высокий потенциал для форсирования. При правильной настройке можно было увеличить мощность двигателя на несколько десятков лошадиных сил.
- Высокооборотистость мотора. Такой двигатель способен был работать даже при 10 000 об./мин. При таких нагрузках мог функционировать только роторный двигатель. Принцип работы классических ДВС не позволяет их эксплуатировать долго на высоких оборотах.
- Относительно малый расход топлива. Если прежние экземпляры «съедали» на «сотню» порядка 18-20 литров топлива, то данный агрегат потреблял всего 14-15 в среднем режиме эксплуатации.
Сегодняшняя ситуация с РПД на Волжском автозаводе
Все вышеописанные двигатели не получили большой популярности, и вскоре их производство было свернуто. В дальнейшем Волжский автозавод пока не планирует возрождать разработку роторных двигателей. Так что РПД ВАЗ-414 так и останется скомканным клочком бумаги в истории отечественного машиностроения.
Итак, мы выяснили, какой имеет роторный двигатель принцип работы и устройство.
Основные типы двигателей внутреннего сгорания и паровые машины имеют один общий недостаток. Он состоит в том, что возвратно-поступательное перемещение требует преобразования во вращательное движение. Это, в свою очередь, обуславливает низкую производительность, а также достаточно высокую изнашиваемость деталей механизма, включенных в различные типы двигателей.
Довольно много людей задумывались о том, чтобы создать такой мотор, в котором подвижные элементы только вращались. Однако решить эту задачу удалось только одному человеку. Феликс Ванкель – механик-самоучка — стал изобретателем роторно-поршневого двигателя. За свою жизнь этот человек не получил ни какой-либо специальности, ни высшего образования. Рассмотрим далее подробнее роторно-поршневой двигатель Ванкеля.
Краткая биография изобретателя
Феликс Г. Ванкель родился в 1902 году, 13 августа, в небольшом городке Лар (Германия). В Первую Мировую отец будущего изобретателя погиб. Из-за этого Ванкелю пришлось бросить учебу в гимназии и устроиться помощником продавца в лавке по продаже книг при издательстве. Благодаря этому он пристрастился к чтению. Феликс изучал технические характеристики двигателей, автомобилестроение, механику самостоятельно. Знания он черпал из книг, которые продавались в лавке. Считается, что реализованная позднее схема двигателя Ванкеля (точнее, идея ее создания) посетила во сне. Неизвестно, правда это или нет, но точно можно сказать, что изобретатель обладал незаурядными способностями, тягой к механике и своеобразным
Плюсы и минусы
Преобразуемое движение возвратно-поступательного характера полностью отсутствует в роторном двигателе. Образование давления происходит в тех камерах, которые создаются с помощью выпуклых поверхностей ротора треугольной формы и различными частями корпуса. Вращательные движения ротор осуществляет помощью сгорания. Это способно привести к снижению вибрации и увеличить скорость вращения. Благодаря повышению эффективности, которое обусловлено таким образом, роторный двигатель имеет размеры намного меньше, чем обычный поршневой двигатель эквивалентной мощности.
Роторный двигатель имеет один главный из всех своих компонентов. Эта важная составляющая называется треугольным ротором, который совершает вращательные движения внутри статора. Все три вершины ротора, благодаря этому вращению, имеют постоянную связь с внутренней стеной корпуса. С помощью этого контакта образуются камеры сгорания, или три объема замкнутого типа с газом. Когда происходят вращательные движения ротора внутри корпуса, то объем всех трех образованных камер сгорания все время меняется, напоминая действия обычного насоса. Все три боковых поверхности ротора работают, как поршень.
Внутри у ротора является шестерня небольшого размера с внешними зубьями, которая прикреплена к корпусу. Шестерня, которая больше по диаметру, соединена с данной неподвижной шестерней, что задает саму траекторию вращательных движений ротора внутри корпуса. Зубы в большей шестерни внутренние.
По той причине, что вместе с выходным валом ротор связан эксцентрично, вращение вала происходит наподобие того, как ручка будет вращать коленвал. Выходной вал станет делать оборот три раза за каждый из оборотов ротора.
Роторный двигатель имеет такое преимущество, как небольшая масса. Самый основной из блоков роторного двигателя обладает небольшими размерами и массой. При этом управляемость и характеристики такого двигателя будут лучше. Меньше масса у него получается за счет того, что необходимость в коленвале, шатунах и поршнях просто отсутствует.
Роторный двигатель обладает такими размерами, которые гораздо меньше обычного двигателя соответствующей мощности. Благодаря меньшим размерам двигателя, управляемость будет гораздо лучше, а также сама машина станет просторнее, как для пассажиров, так и для водителя.
Все из частей роторного двигателя осуществляют непрерывные вращательные движения в одном и том же направлении. Изменение их движения происходит так же, как в поршней традиционного двигателя. Роторные двигатели внутренне сбалансированы. Это ведет к снижению самого уровня вибрации. Мощность роторного двигателя кажется намного более гладким и равномерным образом.
Двигатель Ванкеля имеет выпуклый специальный ротор с тремя гранями, который можно назвать его сердцем. Этот ротор совершает вращательные движения внутри цилиндрической поверхности статора. Роторный двигатель «Мазда» является первым в мире роторным двигателем, который был разработан специально для производства серийного характера. Данной разработке было положено начало еще в 1963 году.
Что это такое РПД?
В классическом четырехтактным двигателем одно и то же цилиндр используется для различных операций — впрыск, сжатие, сжигание и выпуска.
В роторном же двигателе каждый процесс выполняется в отдельном отсеке камеры. Эффект мало чем отличается от разделения цилиндра на четыре отсека для каждой из операций.
В поршневом двигателе давление возникает при сгорании смеси заставляет поршни двигаться вперед и назад в своих цилиндрах. Шатуны и коленчатый вал преобразуют этот толкательной движение во вращательное, необходимое для движения автомобиля.
В роторном двигателя нет прямолинейного движения которое надо было бы переводить во вращательное. Давление образуется в одном из отсеков камеры заставляя ротор вращаться, это снижает вибрацию и повышает потенциальную величину оборотов двигателя. В результате всего большая эффективность, и меньшие размеры при той же мощности, что и обычного поршневого двигателя.
Как работает РПД?
Функцию поршня в РПД выполняет трьохвершинний ротор, преобразующий силу давления газов во вращательное движение эксцентрикового вала. Движение ротора относительно статора (наружного корпуса) обеспечивается парой шестерен, одна из которых жестко закреплена на роторе, а вторая на боковой крышке статора. Сама шестерня неподвижно закреплена на корпусе двигателя. С ней в зацеплении находится шестерня ротора из зубчатым колесом как бы обкатывается вокруг нее.
Вал вращается в подшипниках, размещенных на корпусе, и имеет цилиндрический эксцентрик, на котором вращается ротор. Взаимодействие этих шестерен обеспечивает целесообразное движение ротора относительно корпуса, в результате которого образуются три разобщенных камеры переменного объема. Передаточное отношение шестерен 2: 3, поэтому за один оборот эксцентрикового вала ротор возвращается на 120 градусов, а за полный оборот ротора в каждой из камер происходит полный четырехтактный цикл.
Газообмен регулируется вершиной ротора при прохождении ее через впускной и выпускной окно. Такая конструкция позволяет осуществлять 4-тактный цикла без применения специального механизма газораспределения.
Герметизация камер обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаются к цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами. Крутящий момент получается в результате действия газовых сил через ротор на эксцентрик вала Смесеобразование, воспаление, смазка, охлаждение, запуск — принципиально такие же, как и у обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания
Смесеобразование
В теории в РПД применяют несколько разновидностей смесеобразования: внешнее и внутреннее, на основе жидких, твердых, газообразных видов топлива.
Касательно твердых видов топлива стоит отметить, что их первоначально газифицируют в газогенераторах, так как они приводят к повышенному золообразованию в цилиндрах. Поэтому большее распространение на практике получили газообразные и жидкие топлива.
Сам механизм образования смеси в двигателях Ванкеля будет зависеть от вида применяемого топлива.
При использовании газообразного топлива его смешение с воздухом происходит в специальном отсеке на входе в двигатель. Горючая смесь в цилиндры поступает в готовом виде.
Из жидкого топлива смесь приготавливается следующим образом:
- Воздух смешивается с жидким топливом перед поступлением в цилиндры, куда поступает горючая смесь.
- В цилиндры двигателя жидкое топливо и воздух поступают по отдельности, и уже внутри цилиндра происходит их смешивание. Рабочая смесь получается при соприкосновении их с остаточными газами.
Соответственно, топливно-воздушная смесь может готовиться вне цилиндров или внутри их. От этого идет разделение двигателей с внутренним или внешним образованием смеси.
Технические характеристики роторно-поршневого двигателя
| параметры | ВАЗ-4132 | ВАЗ-415 |
| число секций | 2 | 2 |
| Рабочий объем камеры двигателя, куб.см | 1,308 | 1,308 |
| степень сжатия | 9,4 | 9,4 |
| Номинальная мощность, кВт (л.с.) / мин-1 | 103 (140) / 6000 | 103 (140) / 6000 |
| Максимальный крутящий момент, Н * м (кгс * м) / мин-1 | 186 (19) / 4500 | 186 (19) / 4500 |
| Минимальная частота вращения эксцентрикового вала на холостом ходу, мин-1 | 1000 | 900 |
|
Масса двигателя, кг |
||
|
Габаритные размеры, мм |
||
|
Расход масла в% от расхода топлива |
||
|
Ресурс двигателя до первого капитального ремонта, тыс. Км |
||
|
назначение |
ВАЗ-21059/21079 |
ВАЗ-2108/2109/21099/2115/2110 |
выпускаются модели
|
двигатель РПД |
Время разгона 0-100, сек |
Максимальная скорость, км \ ч |
|
КПД роторно-поршневой конструкции
Не смотря на ряд недоработок, проведенные исследования показали, что общий КПД двигателя Ванкеля довольно-таки высокий по современным меркам. Его значение составляет 40 – 45%. Для сравнения, у поршневых двигателей внутреннего сгорания КПД составляет 25%, у современных турбодизелей – около 40%. Самый высокий КПД у поршневых дизельных двигателей составляет 50%. До настоящего времени ученые продолжают работу по изысканию резервов для повышения КПД двигателей.
Итоговый КПД работы мотора состоит из трех основных частей:
Исследования в этой области показывают, что только 75% горючего сгорает в полном объеме. Есть мнение, что данная проблема решается путем разделения процессов сгорания и расширения газов. Необходимо предусмотреть обустройство специальных камер при оптимальных условиях. Горение должно происходить в замкнутом объеме, при условии нарастания температурных показателей и давления, расширительный процесс должен происходить при невысоких показателях температур.
- КПД механический (характеризует работу, результатом которой стало образование переданного потребителю крутящего момента главной оси).
Порядка 10% работы мотора расходуется на приведение в движение вспомогательных узлов и механизмов. Исправить данную недоработку можно путем внесения изменений в устройство двигателя: когда главный движущийся рабочий элемент не прикасается к неподвижному корпусу. Постоянное плечо крутящего момента должно присутствовать на всем пути следования основного рабочего элемента.
- Термическая эффективность (показатель, отражающий количество тепловой энергии, образованной от сжигания горючего, преобразующейся в полезную работу).
На практике 65% полученной тепловой энергии улетучивается с отработанными газами во внешнюю среду. Ряд исследований показал, что можно добиться повышения показателей термической эффективности в том случае, когда конструкция мотора позволяла бы осуществлять сгорание горючего в теплоизолированной камере, чтобы с самого начала достигались максимальные показатели температуры, а в конце эта температура понижалась до минимальных значений путем включения паровой фазы.
Роторно-поршневой двигатель Ванкеля
