Rotary vs Piston — Журнал DSPORT

T Роторный двигатель Ванкеля: самое ценное предложение Mazda также является источником сотен веселых интернет-мемов. В то время, когда поршневые двигатели внутреннего сгорания были основной технологией, используемой в автомобилях, Mazda решила разработать конкурирующую технологию. В начале 70-х двигатель Rotary приводил в действие почти все автомобили модельного ряда Mazda. Когда случился кризис газа, он все еще использовался в высокопроизводительных автомобилях Mazda. Mazda Rotary обладала преимуществами по сравнению с поршневыми двигателями, но также обладала огромным списком недостатков. Давайте посмотрим, чем он отличается от поршневого двигателя, а также некоторые его плюсы и минусы.

Текст Bassem Girgis и Jim Mederer // Фотографии Staff and Racing Beat

ДСПОРТ Выпуск #206

Поршневой двигатель внутреннего сгорания состоит из блока, кривошипа, шатунов, поршней, головок, клапанов, распределительных валов, системы впуска, системы выпуска и системы зажигания. Все они работают вместе, чтобы преобразовать химическую энергию в механическую энергию, которая позволяет вашему автомобилю двигаться. Внутри блока коленчатый вал соединен с рядом шатунов (в зависимости от того, сколько цилиндров у вашего двигателя), а шатуны прикреплены к такому же количеству поршней. Когда поршни двигаются вверх и вниз, они вращают коленчатый вал с помощью шатунов.

Начиная с поршня в верхней мертвой точке (первый шаг в четырехтактном цикле), впускные клапаны открываются, а выпускные закрыты (открытие и закрытие управляется распределительным валом, который синхронизирован с коленчатым валом с помощью ремень или цепь). Когда коленчатый вал продолжает вращаться, он тянет поршень вниз, всасывая воздух в цилиндры. К тому времени, когда поршень достигает дна, цилиндр уже заполнен воздухом и топливом.

Для завершения полного четырехтактного процесса поршень должен совершить два полных прохода в цилиндре.

Затем поршень начинает двигаться вверх во время такта сжатия. Во время этого такта впускной и выпускной клапаны закрыты. Движение поршня вверх сжимает воздушно-топливную смесь, которая смешивает молекулы воздуха и топлива, когда они сближаются. Этот процесс создает смесь, оптимизированную для сгорания. Как только поршень снова приближается к верхней мертвой точке, свеча зажигания срабатывает, вызывая воспламенение в цилиндре.

Рабочий ход создает управляемое сгорание, вызванное искрой. Сгорание толкает поршень вниз по цилиндру. Давление, создаваемое сгоранием, является движущей силой, которая приводит в движение колеса вашего автомобиля. Когда поршень движется к нижней мертвой точке, выступ выпускного распредвала начинает открывать выпускной клапан, готовясь к последнему такту в четырехтактном цикле.

Когда цилиндр снова начинает подниматься вверх, выпускные клапаны полностью открываются. Это позволяет выхлопным газам выходить из цилиндров, чтобы снова освободить место для следующего четырехтактного цикла. Выхлопные газы выходят через выпускной коллектор, через каталитический нейтрализатор и через выхлопную трубу и глушитель. К тому времени, когда поршень возвращается в верхнюю мертвую точку, выпускной клапан почти закрыт, а впускной клапан начинает открываться. Затем процесс повторяется.

Роторный двигатель имеет тот же четырехтактный цикл, что и поршневой двигатель, для выработки мощности на маховике. В отличие от поршневого двигателя, в котором сгорание происходит в цилиндре, роторный двигатель опирается на давление, содержащееся в камере в корпусе, которая герметизирована одной стороной ротора. Два ротора используются вместо поршней. Ротор трехгранный, который вращается вокруг корпуса ротора с помощью эксцентрикового вала. Три стороны изогнуты в виде трех лепестков, а корпус ротора имеет форму грубой восьмерки (8). Когда ротор вращается внутри корпуса, зазор между ротором и корпусом то увеличивается, то уменьшается.

В то время как в поршневых двигателях для распредвалов и клапанов используется ремень ГРМ или цепь, в роторных двигателях используется только цепь для масляного насоса.

Воздух и топливо попадают в корпус ротора по мере увеличения объема между одной из лопастей ротора и стенкой корпуса. По мере вращения ротора и увеличения объема создается вакуум, который втягивает воздух и топливо в корпус. Как только кончик одной из сторон ротора выходит из этой области всасывания, следующая сторона ротора начинает процесс всасывания. Ротор продолжает вращаться до тех пор, пока объем между кулачком ротора и стенкой корпуса не начнет уменьшаться. Это сжимает воздушно-топливную смесь подобно тому, как это происходит в поршневом двигателе, когда поршень движется вверх. Затем сжатая смесь поступает в следующую часть корпуса, где находится свеча зажигания. Свеча зажигания воспламеняет сжатую смесь. В то время как нижняя свеча зажигания воспламеняет большую часть смеси через большее отверстие, верхняя свеча зажигания воспламеняет топливо в меньшем конце камеры сгорания. Воспламененный воздух и топливо сгорают (сгорают с контролируемой скоростью), что приводит в движение ротор по часовой стрелке. Поскольку ротор продолжает вращаться после первого удара, объем между ротором и корпусом увеличивается, что позволяет газам расширяться. Последний шаг — это когда объем уменьшается в последний раз, чтобы вытолкнуть выхлопные газы через выпускные отверстия, прежде чем сделать еще один оборот и снова запустить четырехтактный цикл.

Сгорание — это то, что приводит в действие большинство двигателей. Как роторные, так и поршневые двигатели работают по четырехтактному циклу. Четырехтактный двигатель включает такт впуска, такт сжатия, рабочий такт и такт выпуска. Оба двигателя нуждаются в воздухе, топливе и искре для работы.

Все углы поворота указаны для выходного вала (эксцентрикового вала/коленчатого вала), а не для ротора. Оба двигателя сжигают сжатую топливно-воздушную смесь для развития мощности вращения. Оба двигателя четырехтактные.

Ротор вращается вокруг эксцентрикового вала внутри корпуса. Воздух сжимается вместе с топливом, затем вводится искра , и, наконец, выхлоп выходит через выпускное отверстие.

Однако одно большое различие между ними состоит в том, что реципиент имеет 180 градусов за ход (или 4 x 180 = 720 градусов за термодинамический цикл, это два оборота кривошипа для одного полного четырехтактного цикла в цилиндре), в то время как поворотный имеет 270 градусов за «ход» (или 4 х 270 = 1080 градусов за термодинамический цикл, это три оборота кривошипа за один полный оборот ротора). Да, вам, возможно, придется немного подумать об этом, но поверьте нам, это правда.

Для каждого полного ротора производится в два раза больше импульсов мощности, чем для одного цилиндра. Это означает, что 1,3-литровый двигатель выдает в 1,5 раза больше мощности и крутящего момента, чем двигатель аналогичного объема.

Это имеет хорошие и плохие последствия. Предполагая, что оба двигателя имеют одинаковые максимальные обороты, это означает, что у роторного двигателя есть в 1,5 раза больше миллисекунд для выполнения каждого «хода». Это одна из причин, почему ротарианцы так хорошо дышат — у них больше времени (в миллисекундах), чтобы втянуть и выплюнуть смесь.

У них также больше времени для рабочего хода – реальный плюс для получения максимальной отдачи от выхлопных газов, особенно на высоких оборотах. Теперь плохая часть. У ротора также есть в 1,5 раза больше миллисекунд для передачи тепла от горящей смеси к маслу и воде.

Это одна из причин, по которой вращающиеся устройства тратят больше тепла в процессе охлаждения. Другим последствием является то, что если вы рассматриваете только одну сторону одного ротора, ротор получает только 2/3 от количества импульсов мощности, чем реципиент. Однако на самом деле у каждого ротора есть три боковых стороны, каждая из которых находится в разных точках термодинамического цикла, поэтому каждый полный ротор фактически дает в два раза больше импульсов мощности (в 3 раза 2/3), чем одноцилиндровый реципиент. Смущенный? Найдите минутку, чтобы изучить рисунки 2 и 3 и вникнуть во все это. Суть в том, что 1,3-литровый роторный двигатель развивает мощность и крутящий момент в 1,5 раза больше, чем двигатель аналогичного размера. Это как 2,0-литровый поршневой двигатель.

Иными словами, 2-роторный роторный двигатель имеет то же количество пусковых импульсов, что и 4-цилиндровый ресивер, но поскольку продолжительность каждого пускового импульса составляет 270 градусов, двигатель работает более плавно из-за перекрытия стреляющие импульсы.

Итак, в чем смысл всей этой математики? Ну, смысл в том, чтобы лучше понять, ПОЧЕМУ некоторые вещи так важны для роторного двигателя, особенно теплопередача. Помните, что тепло — это потенциальная мощность, поэтому сохранение тепла в горючей смеси увеличивает мощность, которую вы можете использовать.

Перейдем к следующему пункту: По сравнению с реципиентом всасываемый заряд (когда он находится внутри двигателя) на самом деле проходит долгий и мучительный путь. На приведенных выше рисунках это показано в деталях.

В реципиенте центр тяжести всасываемого заряда перемещается всего на дюйм или два, когда поршень перемещается вперед и назад между верхней мертвой точкой (ВМТ) и нижней мертвой точкой (НМТ). В роторной машине Mazda заряд перемещается на большое расстояние — около 20 дюймов — от впуска до выхлопа. Одним из плохих результатов является то, что существует много квадратных дюймов поверхности, через которую передается тепло, что снижает тепловую эффективность. Однако есть важный момент: вся масса всасываемого заряда должна пройти через узкую область между корпусом ротора и ротором, поскольку каждая боковая сторона ротора проходит через ВМТ. Это стало возможным благодаря «роторной выемке», отлитой в каждой боковой поверхности ротора — если бы не этот путь, частично сгоревшая смесь никогда не смогла бы протиснуться через узкий зазор между корпусом ротора и ротором ( обычно около 0,010 ~ 0,015 дюйма) при высоких оборотах. Существует грубая параллель с поршнем, который имеет «всплывающий» поршень, который стремится разрезать камеру сгорания надвое в ВМТ. Некоторые рецептуры даже прорезают «огневую щель» (выемку) в середине всплывающей области, чтобы она не мешала распространению фронта пламени в камере. По этой и другим причинам форма углубления ротора очень важна. Он также оказывает большое влияние на определение степени сжатия двигателя, и, как указано во всех учебниках по двигателю внутреннего сгорания, степень сжатия является основным фактором, определяющим мощность и эффективность любого двигателя. Собственно, это и указывает на слабое место ротора — максимальная ПРАКТИЧЕСКАЯ степень сжатия определяется не детонацией (как это принято в рецептах), а способностью горящего заряда проходить через разрежение ротора. Если разрежение слишком маленькое, вблизи задней свечи зажигания создается давление, вызывающее НЕГАТИВНУЮ РАБОТУ! Это может привести к снижению мощности, перегреву задней свечи зажигания и значительному увеличению тепловыделения масла и воды. Таким образом, форма углубления ротора является методом проб и ошибок, чтобы найти наилучший компромисс. Прежде чем мы покинем тему углубления ротора, еще один момент: физическая форма углубления на его передней кромке во многом связана с максимально используемым опережением зажигания. Вы можете понять это лучше, если установите ротор последней модели на 35 градусов BTC, вытащите ведущую свечу зажигания № 1 и посмотрите в отверстие для свечи зажигания. Вы увидите, что изогнутая сторона ротора довольно плотно прилегает к нижней части отверстия свечи зажигания. Если бы в этот момент свеча зажигания воспламенилась, двигатель мог бы дать осечку, потому что фронт пламени мог бы погаснуть (погаснуть) при ударе о поверхность ротора.

Если сейчас повернуть двигатель на 20 градусов BTC, открывается путь для сгорания смеси в разрежении ротора.

Это важная часть причины, по которой почти все двигатели 1974 года и более поздние могут работать с опережением зажигания не более чем на 20-25 градусов при высокой мощности (двигатели более ранних моделей США имели очень длинное, неглубокое углубление, которое позволяло увеличить опережение). Как я объяснял ранее, здесь есть некоторые параллели между роторными двигателями и реципиентами — камера сгорания и конструкция верхней части поршня являются главными проблемами в реципиентах — но есть некоторые отличительные особенности, которые следует учитывать при работе с роторными двигателями.

По правде говоря, вы мало что можете сделать, чтобы изменить форму депрессии сгорания, особенно в двигателях 1989 года и позже с тонкими стенками литья, но вы можете сделать кое-что полезное. Во-первых, вы можете гарантировать, что расстояние от канавки уплотнения вершины до передней кромки углубления сгорания будет одинаковым на всех боковых сторонах всех роторов, чтобы все допускали одинаковое опережение зажигания (отшлифуйте переднюю кромку углубления как нужно).

Затем вы можете попытаться уменьшить теплопередачу в ротор, отполировав углубление сгорания и/или покрыв его «теплозащитным» покрытием (Примечание: не добавляйте измеримой толщины изогнутой боковой поверхности ротора, в противном ротор может удариться о корпус ротора). Многие реципиентные гонщики делают то же самое с поршнями и камерами сгорания по тем же причинам. Я знаю, что тем из вас, кто не очень хорошо знаком с роторными двигателями, будет нелегко разобраться в этой информации, но если вы не понимаете этих основных понятий, другие вопросы (например, синхронизация портов и опережение зажигания) не будут иметь смысла. позже.

Я дам вам еще один предмет для размышления — свечу зажигания. О зажигании роторных двигателей написаны книги, поэтому я коснусь только одной области — теплового диапазона. Для тех, кто этого не знает, роторные двигатели, как правило, используют очень холодные свечи зажигания, то есть свечи, которые хорошо охлаждают свои электроды через водяную рубашку. Этому есть много причин, но одна из наиболее очевидных заключается в том, что, хотя поршневой двигатель имеет горящую смесь вокруг свечи зажигания в течение номинальных 180 градусов (рабочий ход) из 720 полных градусов (или 25% термодинамического цикла время), роторный двигатель имеет горящую смесь вокруг своей ведущей свечи зажигания в течение примерно 70% времени цикла.

Джим Медерер (1942-2016) поделился с нами своими знаниями о роторных двигателях во втором выпуске Drag Sport в 2002 году, прежде чем мы стали журналом DSPORT. Его наследие будет жить как пионер всех вращающихся вещей. Несмотря на то, что его больше нет с нами, его всегда будут помнить за то, что он проложил путь в разработке роторных двигателей в мире производительности с 70-х годов.

Так как у него так мало времени на «остывание», его необходимо охлаждать через водяную рубашку. На самом деле это не относится к задней свече зажигания — она ​​имеет горящую смесь только в течение 25–30% времени цикла, как в поршневом двигателе.