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.
Двигатели также подпитывали современную сельскохозяйственную революцию: огромная часть всей нашей пищи теперь собирается или транспортируется с использованием мощности двигателя. Двигатели не делают мир кругом, но они вовлечены практически во все остальное, что происходит на нашей планете. Давайте более подробно рассмотрим, что они собой представляют и как они работают!
Фото: Двигатели Стирлинга не обязательно включают сжигание, хотя они всегда питаются от внешнего источника тепла. Здесь тепло исходит от гигантского массива зеркал, которые собирают солнечную энергию и подают ее в двигатель. Не все двигатели внутреннего сгорания огромны и неэффективны. Шотландский священник Роберт Стирлинг изобрел очень умный двигатель, который имеет два цилиндра с поршнями, приводящими в движение два чудака, ведущих одно колесо. Один цилиндр постоянно горячий, а другой - постоянно холодный.
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:
Двигатель работает, перемещая один и тот же объем газа между цилиндрами через устройство, называемое регенератором, что помогает сохранить энергию и значительно повысить эффективность двигателя. Узнайте больше в нашей основной статье о двигателях Стирлинга.
В середине 19-го века несколько европейских инженеров, в том числе француз Джозеф Этьенн Ленуар и немцы Николаус Отто, усовершенствовали двигатели внутреннего сгорания, которые сжигали бензин. Это был короткий шаг, чтобы Карл Бенц подключил один из этих двигателей к трехколесному экипажу и сделал первый в мире газовый автомобиль. Читайте больше в нашей статье о автомобильных двигателях.
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.
Позже в 19-ом столетии еще один немецкий инженер Рудольф Дизель понял, что может сделать гораздо более мощный двигатель внутреннего сгорания, который мог бы сбегать от всех видов различных видов топлива. В отличие от бензиновых двигателей, дизельные двигатели сжимают топливо гораздо больше, поэтому он спонтанно взрывается в огонь и высвобождает в нем тепловую энергию. Сегодня дизельные двигатели по-прежнему являются подходящими машинами для управления тяжелыми транспортными средствами, такими как грузовые автомобили, корабли и строительные машины, а также многие автомобили.
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.
Как работает роторный мотор Ванкеля на видео
Читайте больше в нашей статье о дизельных двигателях. Один из недостатков двигателей внутреннего сгорания состоит в том, что им нужны цилиндры, поршни и вращающийся коленчатый вал для обеспечения их мощности: цилиндры неподвижны, а поршни и коленчатый вал постоянно движутся. Вращающийся двигатель представляет собой принципиально другую конструкцию двигателя внутреннего сгорания, в которой «цилиндры» вращаются вокруг эффективно неподвижного коленчатого вала.
Фото: паровые двигатели по своей сути неэффективны. Работа Карно говорит нам о том, что для максимальной эффективности пар в таком двигателе необходимо перегревать, а затем дать ему возможность максимально расширяться и остывать в цилиндрах. Пионерами двигателей были инженеры, а не ученые. Ньюкомен и Ватт были практическими «практиками», а не головокружительными, теоретическими мыслителями. Карно заинтересовался выяснением того, как двигатели могут быть более эффективными. Вместо того, чтобы возиться с настоящим паровым двигателем и пытаться улучшить его с помощью проб и ошибок, он сделал себе теоретический движок на бумаге и вместо этого играл с математикой.
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.
Тепловой двигатель Карно представляет собой довольно простую математическую модель того, как наилучший возможный поршневой и цилиндровый двигатель может работать теоретически, бесконечно повторяя четыре этапа, которые теперь называются циклом Карно. Этот прочный и проверенный дизайн предлагает более широкий спектр преимуществ, чем другие одноступенчатые компрессоры и вакуумные насосы, такие как винтовые или жидкостные кольца. Основной принцип тот же для обоих. Воздушный конец состоит из нескольких скользящих лопастей, установленных в ротор, который включает эксцентрическую ось в статическом, герметичном цилиндре.
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.
Когда ротор вращается, центробежная сила заставляет лопасти скользить и выходить из продольных канавок ротора. В их расширенном состоянии эти лопасти функционируют подобно лопастям, которые приспосабливаются к форме цилиндра, поскольку они приводятся в действие ротором. Входящий воздух поступает в воздушный конец, когда впускной клапан, активированный давлением, который является регулирующим поршнем, приводит к состояниям давления в воздушном контуре. Воздух втягивается в цилиндр вращающимися лопастями, которые герметично закрывают пространство, проходя через зону сжатия.
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.
Основная рабочая камера
Воздух сжимается, поскольку объемы между лопатками уменьшаются из-за эксцентриситета стенки цилиндра и ротора. После максимального сжатия воздух выходит через выход. В компрессорах интенсивная закачка охлаждающей жидкости снижает общую температуру цикла сжатия и обеспечивает обильную смазку. Впрыскиваемый хладагент также функционирует как активный герметик для обеспечения герметичности лопаток.
Строение и принцип работы роторного двигателя
Простой дизайн с несколькими движущимися частями. Прочная, компактная конструкция, удобство доступа и обслуживания, легкая замена деталей, чрезвычайно надежная и долговечная. Характер конструкции обеспечивает достаточное сжатие за один этап, что приводит к высокой степени сжатия в течение одного цикла, а также к повышению энергоэффективности, снижению риска повреждения и снижению требований к техобслуживанию.
Достоинствами роторно-поршневого двигателя
- 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;
- более высокая удельная мощность по сравнению с классическими моторами;
- более ровная и широкая полка крутящего момента;
- отсутствие кривошипно-шатунного механизма, клапанов, пружин, газораспределительного механизма, а вместе с ним и распредвалов, ремня грм или цепи;
- хорошая сбалансированность и плавность работы РПД, которую можно сравнить с работой рядной «шестерки»;
- меньшая склонность к детонации;
- 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
- 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;
- быстрый износ уплотнителей ротора вследствие малой площади пятна контакта и высокому перепаду давлений. Таким образом, роторный мотор быстро теряет свой КПД, экологические показатели ухудшаются;
- линзовидная форма камеры сгорания гораздо хуже отдает тепло, нежели сферическая камера сгорания, что обуславливает склонность к перегреву;
- низкие показатели экономичности на малых и средних оборотах, по сравнению с обычным двигателем внутреннего сгорания;
- роторный мотор имеет очень высокие требования к обработке деталей и квалификации персонала при производстве данного типа двигателя;
- необходимость добавления масла во время рабочих тактов РПД обуславливает плохие экологические характеристики;
Прямая осевая муфта к двигателю. Прямое соединение возможно, потому что высокая степень сжатия обеспечивает низкие скорости вращения, исключая необходимость в передаче или передачах. Меньшее количество деталей означает более низкое рассеивание энергии и упрощенное обслуживание.
Более низкие скорости уменьшают вибрацию, уменьшая тем самым шум и износ, снижая температуру и устраняя необходимость в фундаменте. Более низкие температуры уменьшают износ, расход охлаждающей жидкости и утечку, вызванные растяжением деталей. Для охлаждения требуется меньше энергии, а чистота подаваемого воздуха повышается.
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.
При меньшем количестве деталей, которые испытывают небольшой износ, одноступенчатые вращающиеся лопастные агрегаты обеспечивают более чистую и более надежную работу, что значительно снижает потребности в техническом обслуживании. Вращающийся двигатель является альтернативой возвратно-поступательного двигателя. Он разработан Ванкелем в год. Во вращающемся типе двигателя сила давления, создаваемая сжиганием топлива, воздействует на ротор. Таким образом, ротор вращается и преобразует химическую энергию топлива в механическую энергию.
Главное отличие внутреннего устройства и принципа работы роторного двигателя от ДВС заключается в полном отсутствии двигательной активности, при этом удается добиться высоких оборотов работы мотора. У роторного двигателя или иначе двигателя Ванкеля, есть и ряд других преимуществ, их мы и рассмотрим подробнее.
Общий принцип устройства роторного двигателя
РПД облачен в овальный корпус для оптимального размещения ротора, имеющего треугольную форму. Отличительная особенность ротора в отсутствии шатунов и валов, что значительно упрощает конструкцию. По сути, ключевыми деталями РД являются ротор и статор. Основная двигательная функция в таком типе мотора осуществляется за счет движения ротора, расположенного внутри корпуса, имеющего схожесть с овалом.
Основные части роторного двигателя Ванкеля
Этот двигатель компактен и имеет высокое энергетическое соотношение, поэтому он широко используется на подводных лодках и вертолетах. В роторном двигателе Ванкеля некоторые части работают вместе и достигают цели преобразования энергии. В роторном двигателе используется треугольный ротор. Ротор работает как первичный двигатель в роторном двигателе. Сила, создаваемая сжиганием топлива, непосредственно воздействует на ротор, поэтому он вращается эксцентрично. Ротор имеет внутреннее зубчатое колесо с одной стороны, которое затормаживается фиксируемым зубчатым механизмом, расположенным на боковом корпусе, чтобы поддерживать правильное соотношение между ротором и эксцентриковым валом.
Принцип действия основан на высокоскоростном движении ротора по окружности, в результате создаются полости для запуска устройства.
Почему роторные двигатели не пользуются спросом?
Парадокс роторного двигателя заключается в том, что при всей простоте конструкции он не столь востребован, как двигатель внутреннего сгорания, имеющий весьма сложные конструктивные особенности и сложности при осуществлении ремонтных работ.
Вращение ротора в овальной форме, называемой корпусом. Функция корпуса такая же, как и функция цилиндра в возвратно-поступательном двигателе. Корпус содержит впускное и выпускное отверстия, свечу зажигания, водяную рубашку и т.д. основной корпус закрыт при использовании бокового корпуса. Боковой корпус содержит фиксирующее зубчатое колесо, которое сливается с внутренним зубчатым колесом и поддерживает правильное соотношение между ротором и эксцентриковым валом. Обычно его изготавливают из алюминиевого сплава.
Эксцентриковый вал, который также известен как выходной вал, используется для преобразования эксцентричного движения ротора в концентрическое движение и выведения его из двигателя. Все стороны треугольного ротора работают как поршень. Поэтому необходимо запереть всю эту камеру друг с другом. Для выполнения этой функции торцовое уплотнение используется для каждого угла ротора. Это герметичное уплотнение между ротором и корпусом. Обычно его изготавливают из чугуна и иногда высокоуглеродистой сталью.
Разумеется, роторный двигатель не лишен недостатков, иначе он бы нашел широкое применение в современном автопроме, а возможно мы бы и не узнали про существование ДВС, ведь роторный был сконструирован значительно раньше. Так зачем же так усложнять конструкцию, попытаемся разобраться.
Явными недочетами роторного мотора можно считать отсутствие надежной герметизации в камере сгорания. Это легко объяснить конструктивными особенностями и условиями работы мотора. В ходе интенсивного трения ротора со стенками цилиндра происходит неравномерный нагрев корпуса и, как следствие, металл корпуса расширяется от нагрева лишь частично, что и приводит к выраженным нарушениям герметизации корпуса.
Перегревы и высокие нагрузки
Процесс преобразования энергии в роторном двигателе Ванкеля делится на четыре процесса. Это потребление, сжатие, мощность и выхлоп. Все процессы происходят одновременно с каждым ротором во время работы двигателя. Ротор управляется эксцентрично в корпусе таким образом, что между ротором и корпусом находятся три отдельных объема. Эти три тома производят процессы индукции, сострадания, сгорания и выхлопа в последовательностях.
Впуск означает среднее потребление воздухотопливной смеси в двигателе. Это приводит к тому, что воздушная топливная смесь поступает в двигатель через впускной порт, чтобы заполнить пространство. Когда ротор вращается, пространство между лепестками А и В значительно уменьшается. Таким образом, смесь между лопастями А и В сжимается.
Для усиления герметичных свойств, особенно при условии выраженной разницы температурных режимов между камерой и системой впуска или выпуска, сам цилиндр изготавливают из разных металлов и размещают их в разных частях цилиндра, для улучшения герметичности.
Для запуска мотора используют всего две свечи, это связано с конструктивными особенностями мотора, позволяющими выдавать на 20% больше КПД, в сравнении с двигателем внутреннего сгорания, за одинаковый промежуток времени.
Когда смесь между А и В полностью сжата, на свече зажигания возникает искра, которая воспламеняет смесь. Он горит и заставляет ротор вращаться. Он также известен как процесс генерации энергии. Идея роторного двигателя заинтриговала инженеров и изобретателей с самого начала создания двигателя внутреннего сгорания. Однако из-за принципов работы роторного двигателя мало кто мог преодолеть свои проблемы, и в итоге только одному автопроизводителю удалось добиться объемного производства.
Ну, вначале первым инженерным подходом было получение архитектуры двигателя, отличной от конструкции двигателя с возвратно-поступательным движением внутреннего сгорания. И первым, кто построил и запатентовал такой двигатель, был Феликс Милле в Милле, создавший 5-цилиндровый роторный двигатель, встроенный в спицы заднего колеса велосипеда.
Роторный двигатель Желтышева — принцип работы:
Преимущества роторного двигателя
При малых габаритах он способен развивать высокую скорость, однако есть в этом нюансе и большой минус. Несмотря на малые габариты, именно роторный двигатель потребляет огромное количество горючего, а вот ресурс работы мотора составляет всего 65 000 км. Так, двигатель всего в 1,3 л потребляет до 20 л. топлива на 100 км. Возможно, это и стало основной причиной отсутствия популярности данного вида моторов для массового потребления.
Цена на бензин во все времена считается актуальной проблемой человечества, учитывая, что мировые запасы нефти расположены на Ближнем востоке, в зоне постоянных боевых конфликтов, цены на бензин остаются достаточно высокими, и в ближайшей перспективе нет тенденций для их снижения. Это приводит к поиску решений по минимальному потреблению ресурсов не в ущерб мощности, в чем и заключается главный довод в пользу ДВС.
Все это в совокупности определило положение роторных двигателей, как подходящий вариант для спорткаров. Однако известный по всему миру производитель авто «Мазда», продолжил дело изобретателя Ванкеля. Японские инженеры всегда стараются извлекать из невостребованных моделей максимум пользы путем модернизации и применения инновационных технологий, что позволяет сохранять лидирующие позиции на мировом автомобильном рынке.
Принцип работы роторного двигателя Ахриевых на видео:
Новая модель «Мазда», оснащенная роторным двигателем, по мощности не уступает передовым немецким моделям, выдавая до 350 лошадиных сил. При этом расход топлива был несравнимо высоким. Инженерам-конструкторам «Мазда» пришлось уменьшить мощность до 200 лошадиных сил, что позволило нормализовать потребление топлива, однако компактные размеры двигателя позволили наделить авто дополнительными преимуществами и составить достойную конкуренцию европейским моделям авто.
В нашей стране роторные двигатели не прижились. Были попытки установить их на транспорт специализированных служб, но этот проект не был профинансирован в должном объеме. Поэтому все успешные разработки в данном направлении принадлежат японским инженерам из компании «Мазда», намеренной в ближайшее время показать новую модель авто с модернизированным двигателем.
Как работает роторный мотор Ванкеля на видео
Принцип работы роторного двигателя
РПД работает за счет вращения ротора, так идет передача мощности на коробку передач через сцепление. Преобразующий момент заключается в передаче энергии топлива колесам за счет вращения ротора, изготовленного из легированной стали.
Механизм работы роторного-поршневого двигателя:
- сжатие горючего;
- впрыск топлива;
- обогащение кислородом;
- горение смеси;
- выпуск продуктов сгорания топлива.
Как работает роторный двигатель показано на видео:
Ротор закреплен на специальном устройстве, при вращении он образует независимые друг от друга полости. В первой камере происходит наполнение воздушно-топливной смесью. В дальнейшем она тщательно перемешивается.
Затем смесь переходит в другую камеру, где происходит сжатие и воспламенение, благодаря наличию двух свечей. В дальнейшем смесь перемещается в следующую камеру, из нее вытесняются части переработанного топлива, которые выходят из системы.
Так происходит полный цикл работы роторного-поршневого двигателя, основанного на трех тактах работы за всего лишь один оборот ротора. Именно японским разработчикам удалось существенно модернизировать роторный двигатель и установить в нем сразу три ротора, что позволяет значительно увеличить мощность.
Принцип работы роторного двигателя Зуева:
На сегодня, усовершенствованный двухроторный двигатель сравним с двигателем внутреннего сгорания с шестью цилиндрами, а трехроторный по мощности не уступает 12-ти цилиндровому двигателю внутреннего сгорания.
Не стоит забывать и про компактный размер двигателя и простоту устройства, позволяющую при необходимости осуществлять ремонт или полную замену основных агрегатов мотора. Таким образом, инженерам компании «Мазда» удалось подарить вторую жизнь этого простого и производительного устройства.