9Ноя

Роторный двс принцип работы: Принципы работы, плюсы и минусы роторного двигателя — особенности роторно-поршневого ДВС — журнал За рулем

Содержание

Что лучше роторный двигатель поршневой. Принцип работы роторного двигателя внутреннего сгорания. Моторы для авиации, «восьмерок» и «девяток»

» у большинства людей вызывает ассоциации с цилиндрами и поршнями, системой газораспределения и кривошипно-шатунным механизмом. Все потому, что подавляющее большинство автомобилей снабжено классическим и ставшим наиболее популярным типом двигателей – поршневым.

Сегодня речь пойдет о роторно-поршневом двигателе Ванкеля, который обладает целым набором выдающихся технических характеристик, и в свое время должен был открыть новые перспективы в автомобилестроении, но не смог занять достойного места и массовым не стал.

История создания

Самым первым тепловым двигателем роторного типа принято считать эолипил. В первом веке нашей эры его создал и описал греческий механик-инженер Герон Александрийский.

Конструкция эолипила довольна проста: на оси, проходящей через центр симметрии, расположена вращающаяся бронзовая сфера. Водяной пар, используемый как рабочее тело, истекает из двух сопел, установленных в центре шара друг напротив друга и перпендикулярно оси крепления.


Механизмы водяных и ветряных мельниц, использующих в качестве энергии силу стихии, тоже можно отнести к роторным двигателям древности.

Классификация роторных двигателей

Рабочая камера роторного ДВС может быть герметично замкнутой или иметь постоянную связь с атмосферой, когда от окружающей среды ее отделяют лопасти роторной крыльчатки. По такому принципу построены газовые турбины.

Среди роторно-поршневых двигателей с замкнутыми камерами сгорания специалисты выделяют несколько групп. Разделение может происходить по: наличию или отсутствию уплотнительных элементов, по режиму работы камеры сгорания (прерывисто-пульсирующий или непрерывный), по типу вращения рабочего органа.


Стоит отметить, что у большинства описываемых конструкций нет действующих образцов и они существуют на бумаге.
Классифицировал их русский инженер И.Ю. Исаев, который сам занят созданием совершенного роторного двигателя. Он произвел анализ патентов России, Америки и других стран, всего более 600.

Роторный ДВС с возвратно-вращательным движением

Ротор в таких двигателях не вращается, а совершает возвратно-дуговые качания. Лопатки на роторе и статоре неподвижны, и между ними происходят такты расширения и сжатия.

С пульсирующе-вращательным, однонаправленным движением

В корпусе двигателя расположены два вращающихся ротора, сжатие происходит между их лопастей в моменты сближения, а расширение в момент удаления. Из-за того что вращение лопастей происходит неравномерно, требуется разработка сложного механизма выравнивания.

С уплотнительными заслонками и возвратно-поступательными движениями

Схема с успехом применяемая в пневмомоторах, где вращение осуществляется за счет сжатого воздуха, не прижилась в двигателях внутреннего сгорания по причине высокого давления и температур.

С уплотнителями и возвратно-поступательными движениями корпуса

Схема аналогична предыдущей, только уплотнительные заслонки расположены не на роторе, а на корпусе двигателя. Недостатки те же: невозможность обеспечить достаточную герметичность лопаток корпуса с ротором сохраняя их подвижность.

Двигатели с равномерным движением рабочего и иных элементов

Наиболее перспективные и совершенные виды роторных двигателей. Теоретически могут развивать самые высокие обороты и набирать мощность, но пока не удалось создать ни одной работающей схемы для ДВС.

С планетарным, вращательным движением рабочего элемента

К последним относится наиболее известная широкой общественности схема роторно-поршневого двигателя инженера Феликса Ванкеля.

Хотя существует огромное количество других конструкций планетарного типа:

  • Умплеби (Umpleby)
  • Грея и Друммонда (Gray & Dremmond)
  • Маршалла (Marshall)
  • Спанда (Spand)
  • Рено (Renault)
  • Томаса (Tomas)
  • Веллиндера и Скуга (Wallinder & Skoog)
  • Сенсо (Sensand)
  • Майлара (Maillard)
  • Ферро (Ferro)

История Ванкеля

Жизнь Феликса Генриха Ванкеля не была простой, рано оставшись сиротой (отец будущего изобретателя погиб в первой мировой войне), Феликс не мог собрать средства для обучения в университете, а рабочую специальность не позволяла получить сильная близорукость.

Это побудило Ванкеля на самостоятельное изучение технических дисциплин, благодаря чему в 1924 году ему пришла в голову идея создать роторный двигатель с вращающейся камерой внутреннего сгорания.


В 1929 году он получает патент на изобретение, которое и стало первым шагом к созданию знаменитого РПД Ванкеля. В 1933 году изобретатель, оказавшись в рядах противников Гитлера, проводит полгода в тюрьме. После освобождения разработками роторного двигателя заинтересовались в компании BMW и стали финансировать дальнейшие исследования, выделив для работы мастерскую в Ландау.

После войны она достается в качестве репарации французам, а сам изобретатель попадает в тюрьму, как пособник гитлеровского режима. Лишь в 1951 году, Феликс Генрих Ванкель устраивается на работу в компанию по производству мотоциклов «NSU» и продолжает исследования.


В том же году он начинает совместную работу с главным конструктором «NSU» Вальтером Фройде, который и сам давно занимается изысканиями в области создания роторно-поршневого двигателя для гоночных мотоциклов. В 1958 году первый образец двигателя занимает место на испытательном стенде.

Как работает роторный двигатель

Сконструированный Фройде и Ванкелем силовой агрегат, представляет собой ротор, выполненный в форме треугольника Рело. Ротор планетарно вращается вокруг шестерни, закрепленной в центре статора — неподвижной камеры сгорания. Сама камера выполнена в форме эпитрохоиды, которая отдаленно напоминает восьмерку с вытянутым наружу центром, она выполняет роль цилиндра.

Совершая движение внутри камеры сгорания, ротор образует полости переменного объема, в которых происходят такты двигателя: впуск, сжатие, воспламенение и выпуск. Камеры герметично отделены друг от друга уплотнителями – апексами, износ которых является слабым место роторно-поршневых двигателей.

Воспламенение топливо-воздушной смеси осуществляется сразу двумя свечами зажигания, поскольку камера сгорания имеет вытянутую форму и большой объем, что замедляет скорость горения рабочей смеси.

На роторном двигателе используется угол запоздания а не опережения, как на поршневом. Это необходимо чтобы воспламенение происходило чуть позже, и сила взрыва толкала ротор в нужном направлении.

Конструкция Ванкеля позволила значительно упростить двигатель, отказаться от множества деталей. Отпала необходимость в отдельном газораспределительном механизме , существенно уменьшились вес и размеры мотора.

Преимущества

Как говорилось ранее, роторный двигатель Ванкеля не требует такого большого количества деталей как поршневой, поэтому имеет меньшие размеры, вес и удельную мощность (количество «лошадей» на килограмм веса).

Нет кривошипно-шатунного механизма (в классическом варианте), что позволило снизить вес и вибронагруженность. Из-за отсутствия возвратно-поступательных движений поршней и малой массы подвижных частей, двигатель может развивать и выдерживать очень высокие обороты, практически мгновенно реагируя на нажатие педали газа.

Роторный ДВС выдает мощность в трех четвертях каждого оборота выходного вала, тогда как поршневой лишь на одной четверти.

Недостатки

Именно по причине того, что двигатель Ванкеля, при всех своих плюсах, имеет большое количество минусов, сегодня только Mazda продолжает развивать и совершенствовать его. Хотя патент на него купили сотни компаний, среди которых Toyota, Alfa Romeo, General Motors, Daimler-Benz, Nissan и другие.

Малый ресурс

Главный, и самый существенный недостаток – малый моторесурс двигателя. В среднем он равен 100 тысячам километров для России. В Европе, США и Японии этот показатель вдвое больше, благодаря качеству горючего и грамотному техническому обслуживанию.


Самую высокую нагрузку испытывают металлические пластины, апексы – радиальные торцевые уплотнители между камерами. Им приходится выдерживать высокую температуру, давление и радиальные нагрузки. На RX-7 высота апекса составляет 8.1 миллиметра, замена рекомендована при износе до 6.5, на RX-8 ее сократили до 5.3 заводских, а допустимый износ не более 4.5 миллиметров.

Важно контролировать компрессию, состояние масла и масляных форсунок, которые подают смазку в камеру двигателя. Основные признаки износа двигателя и приближающегося капитального ремонта – низкая компрессия, расход масла и затрудненный запуск «на горячую».

Низкая экологичность

Поскольку система смазки роторно-поршневого двигателя подразумевает прямой впрыск масла в камеру сгорания, а еще из-за неполного сгорания топлива, выхлопные газы имеют повышенную токсичность. Это затрудняло прохождение экологической проверки, нормам которой необходимо было соответствовать, чтобы продавать автомобили на американском рынке.

Для решения проблемы инженеры Mazda создали термальный реактор, который дожигал углеводороды перед выбросом в атмосферу. Впервые его установили на автомобиль Mazda R100.


Вместо того чтобы свернуть производство как другие, Mazda в 1972 году начала продажу автомобилей с системой снижения вредных выбросов для роторных двигателей REAPS (Rotary Engine Anti-Pollution System).

Высокий расход

Все авто с роторными двигателями отличает высокий расход горючего .

Кроме Mazda были еще Mercedes C-111, Corvette XP-882 Four Rotor (четырехсекционный, объем 4 литра), Citroen M35, но это в основном экспериментальные модели, да и из-за разгоревшегося в 80-х годах нефтяного кризиса их производство было приостановлено.

Малая длина рабочего хода ротора и серповидная форма камеры сгорания, не позволяют рабочей смеси прогореть полностью. Выпускное отверстие открывается еще до момента полного сгорания, газы не успевают передать всю силу давления на ротор. Поэтому и температура выхлопных газов этих двигателей такая высокая.

История отечественного РПД

В начале 80-х технологией заинтересовались и в СССР. Правда патент не был куплен, и до всего решили доходить своим умом, проще говоря – скопировать принцип работы и устройство роторного двигателя Mazda.

Для этих целей было создано конструкторское бюро, а в Тольятти цех для серийного производства. В 1976 году первый опытный образец односекционного двигателя ВАЗ-311, мощностью 70 л. с. установлен на 50 автомобилей. За очень короткий срок они выработали ресурс. Дала о себе знать плохая сбалансированность РЭМ (роторно-эксцентрикового механизма) и быстрый износ апексов.


Однако разработкой заинтересовались спецслужбы, для которых динамические характеристики мотора были куда важней ресурса. В 1982 году свет увидел двухсекционный роторный двигатель ВАЗ-411, с шириной ротора 70 см и мощностью 120 л. с., и ВАЗ-413 с ротором 80 см и 140 л. с. Позже моторами ВАЗ-414 оснащают машины КГБ, ГАИ и МВД.

Начиная с 1997 года на авто общего пользования ставят силовой агрегат ВАЗ-415, появляется Волга с трехсекционным РПД ВАЗ-425. Сегодня в России машины подобными моторами не комплектуются.

Список автомобилей с роторно-поршневым двигателем

Марка Модель
NSU Spider
Ro80
Mazda Cosmo Sport (110S)
Familia Rotary Coupe
Parkway Rotary 26
Capella (RX-2)
Savanna (RX-3)
RX-4
RX-7
RX-8
Eunos Cosmo
Rotary Pickup
Luce R-130
Mercedes C-111
XP-882 Four Rotor
Citroen M35
GS Birotor (GZ)
ВАЗ 21019 (Аркан)
2105-09
ГАЗ 21
24
3102


Список роторных двигателей Mazda

Тип Описание
40A Первый стендовый экземпляр, радиус ротора 90 мм
L8A Система смазки с сухим картером, радиус ротора 98 мм, объем 792 куб. см
10A (0810) Двухсекционный, 982 куб. см, мощность 110 л. с., смешение масла с топливом для смазки, вес 102 кг
10A (0813) 100 л. с., увеличение веса до 122 кг
10A (0866) 105 л. с., технология снижения выбросов REAPS
13A Для переднеприводной R-130, объем 1310 куб. см, 126 л. с., радиус ротора 120 мм
12A Объем 1146 куб. см, упрочнен материал ротора, увеличен ресурс статора, уплотнения из чугуна
12A Turbo Полупрямой впрыск, 160 л. с.
12B Единый распределитель зажигания
13B Самый массовый двигатель, объем 1308 куб. см, низкий уровень выбросов
13B-RESI 135 л. с., RESI (Rotary Engine Super Injection) и впрыск Bosch L-Jetronic
13B-DEI 146 л. с., переменный впуск, системы 6PI и DEI, впрыск с 4 инжекторами
13B-RE 235 л. с., большая HT-15 и малая HT-10 турбины
13B-REW 280 л. с., 2 последовательные турбины Hitachi HT-12
13B-MSP Renesis Экологичный и экономичный, может работать на водороде
13G/20B Трехроторные двигатели для автогонок, объем 1962 куб. см, мощность 300 л. с.
13J/R26B Четырехроторные, для автогонок, объем 2622 куб. см, мощность 700 л. с.
16X (Renesis 2) 300 л. с., концепт-кар Taiki

Правила эксплуатации роторного двигателя

  1. замену масла производить каждые 3-5 тысяч километров пробега. Нормальным считается расход 1.5 литра на 1000 км.
  2. следить за состоянием масляных форсунок, средний срок их жизни составляет 50 тысяч.
  3. менять воздушный фильтр каждые 20 тысяч.
  4. использовать только специальные свечи, ресурс 30-40 тысяч километров.
  5. заливать в бак бензин не ниже АИ-95, а лучше АИ-98.
  6. замерять компрессию при замене масла. Для этого используется специальный прибор, компрессия должна быть в пределах 6.5-8 атмосфер.

При эксплуатации с компрессией ниже этих показателей, стандартного ремкомплекта может оказаться недостаточно – придется менять целую секцию, а возможно и весь движок.

День сегодняшний

На сегодняшний день производится серийный выпуск модели Mazda RX-8, оснащенной двигателем Renesis (сокращение Rotary Engine + Genesis).


Конструкторам удалось вдвое сократить потребление масла и на 40% расход топлива, а экологический класс довести до уровня Euro-4. Двигатель с рабочим объемом 1.3 литра выдает мощность в 250 л. с.

Несмотря на все достижения японцы не останавливаются на достигнутом. Вопреки утверждениям большинства специалистов о том, что РПД не имеет будущего, они не прекращают совершенствовать технологию, и не так давно представили концепт спортивного купе RX-Vision, с роторным двигателем SkyActive-R.

Автомобильная индустрия постоянно развивается. Неудивительно, что появляются альтернативные технологии, которые тем мне менее редко появляются в массовом производстве. Именно к таким можно причислить роторные двигатели.

Важно! Бурный толчок в развитии автомобилестроения дало изобретение двигателя внутреннего сгорания. Как результат машины стали ездить на жидком топливе, и началась бензиновая эра.

Машины с роторным двигателем

Роторно-поршневой двигатель был изобретён компанией NSU. Создателем аппарата стал Вальтер Фройде. Тем не менее данное устройство в научных кругах носит имя другого учёного, а именно Ванкеля.

Дело в том что над этим проектом работал дуэт инженеров. Но основная роль в создании устройства принадлежала именно Фройде. В то время как он трудился над роторной технологией, Ванкель работал над другим проектом, который закончился ничем.

Тем не менее в результате подковёрных игр теперь мы все знаем этот аппарат как роторный двигатель Ванкеля. Первая рабочая модель была собрана в 1957 году. Автомобилем первоиспытателем стал NSU Spider. В то время он смог развить скорость в сто пятьдесят километров. Мощность мотора «Паука» составляла 57 л. с.

«Паук» с роторным двигателем выпускался с 1964 по 1967 год. Но массовым так и не стал. Тем не менее автопроизводители не поставили крест на этой технологии. Мало того, они выпустили ещё одну модель — NSU Ro-80, и она стала настоящим прорывом. Большую роль сыграл правильный маркетинг.

Обратите внимание на название. Уже в нём содержится указание на то, что машина оснащена роторным двигателем. Пожалуй, результатом этого успеха стала установка данных моторов, на такие известные автомобили, как:

  • Citroen GS Birotor,
  • Mercedes-Benz С111,
  • Chevrolet Corvette,
  • ВАЗ 21018.

Больше всего популярности роторные двигатели получили в стране «Восходящего солнца». Японская компания Mazda пошла на рисковый по тем временам шаг и стала производить автомобили с использованием данной технологии.

Первой ласточкой от компании «Мазда» стала машина Cosmo Sport. Нельзя сказать, что она снискала огромную популярность, но свою аудиторию она нашла. Тем не менее это был лишь первый шаг выхода роторных двигателей на японский рынок, а вскоре, и на мировой.

Японские инженеры не просто не отчаялись, а наоборот, стали работать с утроенной силой. Результатом их трудов стала серия, которую с благоговением вспоминают все уличные гонщика в любой стране мира — Rotor-eXperiment или сокращённо RX.

В рамках этой серии было выпущено несколько легендарных моделей, среди которых Mazda RX-7. Сказать, что эта машина с роторным двигателем была популярна, всё равно что промолчать. Миллионы фанатов уличных гонок начинали именно с неё. При относительно низкой цене, она имела просто невероятные технические характеристики:

  • разгон до сотни — 5,3 секунды;
  • максимальная скорость — 250 километров в час;
  • мощность — 250—280 лошадиных сил в зависимости от модификации.

Машина является настоящим произведением искусства, она легка и манёвренна, а её двигатель вызывает восхищение. При описанных выше характеристиках он имеет объём всего в 1,3 литра. В нём две секции, а рабочее напряжение 13В.

Внимание! Mazda RX-7 выпускалась с 1978 по 2002. За это время было произведено около миллиона машин с роторными двигателями.

К сожалению, последняя модель этой серии была выпущена в 2008 году. Mazda RX8 завершила легендарную линейку. Собственно на этом историю роторного двигателя в массовом производстве можно считать завершённой.

Принцип работы

Многие автомобильные эксперты считают, что конструкцию обычного поршневого аппарата нужно оставить в далёком прошлом. Тем не менее миллионам машин нужна достойная замена, может ли им стать роторный двигатель, давайте разберёмся.

Принцип работы роторного двигателя базируется на давлении, которое создаётся при сжигании топлива. Основной частью конструкции является ротор, который отвечает за создание движений нужной частоты. В результате энергия передаётся на сцепление. Ротор выталкивает её, передавая на колёса.

Ротор имеет форму треугольника. Материалом конструкции служит легированная сталь. Деталь находится в овальном корпусе, в котором, собственно, и происходит вращение, а также ряд важных для выработки энергии процессов:

  • сжатие смеси,
  • впрыск топлива,
  • создание искры,
  • подача кислорода,
  • слив отработанного сырья.

Главная особенность устройства роторного двигателя заключается в том, что ротор имеет крайне необычную схему передвижения. Результатом подобного конструкторского решения являются три полностью изолированные друг от друга ячейки.

Внимание! В каждой ячейки происходит определённый процесс.

В первую ячейку поступает воздушно-топливная смесь. В полости происходит перемешивание. Дальше ротор перемещает полученную субстанцию в следующий отсек. Именно здесь проходит сжатие и воспламенение.

В третьей ячейке удаляется использованное топливо. Слаженная работа трёх отсеков как раз и даёт ту удивительную производительность, которая была продемонстрирована на примере автомобилей из серии RX.

Но главный секрет устройства кроется совсем в другом. Дело в том, что эти процессы не возникают один за другим, они происходят моментально. Как результат всего за один оборот проходит три такта.

Выше была представлена схема работы базового роторного мотора. Многие производители стараются модернизировать технологию, чтобы добиться больше производительности. Некоторым это удаётся, другие же терпят поражение.

Японским инженерам удалось добиться успеха. Уже упомянутые выше двигатели «Мазда» имеют до трёх роторов. Во сколько в таком случае возрастёт производительность, вы можете себе представить.

Приведём наглядный пример. Возьмём обычный мотор РПД с двумя роторами и найдём ближайший аналог — шестицилиндровый двигатель внутреннего сгорания. Если же добавить в конструкцию ещё одни ротор, то разрыв будет и вовсе колоссальным — 12 цилиндров.

Виды роторных двигателей

Множество автокомпаний бралось за производство роторных двигателей. Неудивительно, что было создано много модификаций, каждая из которых имеет свои особенности:

  1. Роторный двигатель с разнонаправленным движением. Ротор здесь не вращается, а как бы качается вокруг своей оси. Процесс сжатия происходит между лопатками мотора.
  2. Пульсирующе-вращательный роторный двигатель. Внутри корпуса два ротора. Сжатие проходит между лопастями этих двух элементов, когда они сближаются и удаляются.
  3. Роторный двигатель с уплотнительной заслонкой — данная конструкция до сих пор широко задействуется в пневматических моторах. Для роторных двигателей внутреннего сгорания существенно переделывается камера, в которой проходит воспламенение.
  4. Роторный двигатель, работающий за счёт вращательных движений. Считается, что именно эта конструкция является наиболее технически совершенной. Здесь нет деталей, которые совершают возвратно-поступательные движения. Поэтому роторные двигатели такого типа легко достигают 10 000 оборотов в минуту.
  5. Планетарно-вращательный роторный двигатель — самая первая модификация, изобретённая двумя инженерами.

Как видите, наука не стоит на месте, немалое количество видов роторных моторов позволят надеяться на дальнейшее развитие технологии в отдалённом будущем.

Достоинства и недостатки роторного двигателя

Как видите, роторные моторы пользовались определённой популярностью в своё время. Мало того, действительно, легендарные машины были оснащены моторами такого класса. Чтобы понять, почему данный аппарат устанавливался на передовые модели японских машин, нужно узнать все его достоинства и недостатки.

Достоинства

С предыстории, представленной ранее, вы уже знаете, что роторный двигатель в своё время привлёк большое внимание производителей моторов, на то было несколько причин:

  1. Повышенная компактность конструкции.
  2. Малый вес.
  3. РПД хорошо сбалансирован и создаёт при работе минимум вибраций.
  4. Количество запчастей в моторе на порядок меньше, чем в поршневом аналоге.
  5. РПД обладает высокими динамическими качествами

Самое же главное достоинство РПД — высокая удельная мощность. Авто с роторным двигателем может разогнаться до 100 километров без переключения на высокие передачи при сохранении большого количества оборотов.

Важно! Использование роторного двигателя позволяет добиться повышенной устойчивости автомобиля на дороге благодаря идеальной развесовке.

Недостатки

Вот и пришло время больше узнать, почему, несмотря на все преимущества, большинство производителей перестали устанавливать роторные двигатели на свои автомобили. К недостаткам РПД причисляют:

  1. Повышенный расход топлива при работе на низких оборотах. В самых требовательных к ресурсам машинам он может достигать 20—25 литров на 100 километров пробега.
  2. Сложность в изготовлении. На первый взгляд конструкция роторного двигателя намного проще, чем у поршневого. Но дьявол кроется именно в деталях. Их изготовить крайне непросто. Геометрическая точность каждой запчасти должна быть на идеальном уровне, иначе ротор не сможет пройти эпитрохоидальную кривую с должным результатом. РПД требует при своём изготовлении высокоточное оборудование, которое стоит немалых денег.
  3. Роторный двигатель часто перегревается. Это связано с необычным строением камеры сгорания. К сожалению, даже спустя много лет инженерам не удалось исправить данный дефект. Избыток энергии, вырабатываемой при сгорании топлива нагревает цилиндр. Это сильно изнашивает мотор и сокращает срок его эксплуатации.
  4. Также роторный двигатель страдает перепадами давления. Результат подобного эффекта быстрый износ уплотнителей. Ресурс работы одного качественно собранного РПД лежит в диапазоне от 100 до 150 тысяч километров пробега. После прохождения данного рубежа без капитального ремонта уже не обойтись.
  5. Сложная процедура смены масла. Потребление роторным двигателем масла на 1000 километров составляет 600 миллилитров. Чтобы детали получали надлежащую смазку масло необходимо менять один раз на 5000 км. Если же этого не сделать, то становится крайне вероятным серьёзное повреждение ключевых узлов агрегата.

Как видите, несмотря на выдающиеся преимущества РПД имеет ряд весомых недостатков. Тем не менее конструкторские подразделения в ведущих автомобильных фирмах до сих пор пытаются модернизировать эту технологию, и кто знает, возможно, однажды, у них это получится.

Итоги

Роторные двигатели имеют множество весомых преимуществ, они хорошо сбалансированы, позволяют быстро наращивать обороты и обеспечивают набор скорости до 100 км за 4—7 секунд. Но есть у роторных моторов и недостатки, главный из которых маленький срок эксплуатации.

Роторный двигатель представляет собой двигатель внутреннего сгорания, устройство которого в корне отличается от обычного поршневого двигателя.
В поршневом двигателе в одном и том же объеме пространства (цилиндре) выполняются четыре такта: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Роторный двигатель осуществляет те же такты, но все они происходят в различных частях камеры. Это можно сравнить с наличием отдельного цилиндра для каждого такта, причем поршень постепенно перемещается от одного цилиндра к другому.

Роторный двигатель изобретен и разработан доктором Феликсом Ванкелем и иногда называется двигатель Ванкеля или роторный двигатель Ванкеля.

В этой статье мы расскажем о том, как работает роторный двигатель. Для начала рассмотрим принцип его работы.

Принцип работы роторного двигателя

Ротор и корпус роторного двигателя Mazda RX-7. Эти детали заменяют поршни, цилиндры, клапаны и распредвал поршневого двигателя.

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

В роторном двигателе, давление сгорания образуется в камере, сформированной частью корпуса, закрытой стороной треугольного ротора, который используется вместо поршней.

Ротор вращается по траектории, напоминающую линию, нарисованную спирографом. Благодаря такой траектории, все три вершины ротора контактируют с корпусом, образуя три разделенных объема газа. Ротор вращается, и каждый из этих объемов попеременно расширяется и сжимается. Это обеспечивает поступление топливовоздушной смеси в двигатель, сжатие, полезную работу при расширении газов и выпуск выхлопа.

Mazda RX-8


Mazda стала пионером в массовом производстве автомобилей с роторным двигателем. RX-7, который поступил в продажу в 1978 году, был, пожалуй, наиболее успешным автомобилем с роторным двигателем. Но ему предшествовал целый ряд автомобилей, грузовиков и даже автобусов с роторным двигателем, начиная с Cosmo Sport 1967 года. Однако RX-7 не производится с 1995 года, но идея роторного двигателя не умерла.

Mazda RX-8 оснащена роторным двигателем под названием RENESIS. Этот двигатель был назван лучшим двигателем 2003 г. Он является атмосферным двухроторным и производит 250 л.с.

Строение роторного двигателя


Роторный двигатель имеет систему зажигания и систему впрыска топлива, схожие с используемыми в поршневых двигателях. Строение роторного двигателя в корне отличается от поршневого.

Ротор

Ротор имеет три выпуклых стороны, каждая из которых выполняет роль поршня. Каждая сторона ротора имеет углубление, что повышает скорость вращения ротора, предоставляя больше пространства для топливовоздушной смеси.

На вершине каждой грани расположена металлическая пластина, которая разделяет пространство на камеры. Два металлических кольца на каждой стороне ротора формируют стенки этих камер.

В центре ротора расположено зубчатое колесо с внутренним расположением зубьев. Оно сопрягается с шестерней, закрепленной на корпусе. Такое сопряжение задает траекторию и направление вращения ротора в корпусе.

Корпус (статор)


Корпус имеет овальную форму (форму эпитрохоиды, если быть точным). Форма камеры разработана так, чтобы три вершины ротора всегда находились в контакте со стенкой камеры, образуя три изолированных объемах газа.

В каждой части корпуса происходит один из процессов внутреннего сгорания. Пространство корпуса разделено для четырех тактов:

  • Впуск
  • Сжатие
  • Рабочий такт
  • Выпуск
Порты впуска и выпуска расположены в корпусе. В портах отсутствуют клапаны. Выпускной порт непосредственно соединен с выхлопной системой, а впускной порт - с дросселем.

Выходной вал


Выходной вал (обратите внимание на эксцентриковые кулачки)

Выходной вал имеет закругленные выступы-кулачки, расположенные эксцентрично, т.е. смещены относительно центральной оси. Каждый ротор сопряжен с одним из этих выступов. Выходной вал является аналогом коленчатого вала в поршневых двигателях. При вращении ротор толкает кулачки. Так как кулачки установлены несимметрично, сила с которой ротор на него давит, создает крутящий момент на выходном валу, заставляя его вращаться.

Сбор роторного двигателя

Роторный двигатель собирается слоями. Двухроторный двигатель состоит из пяти слоев, удерживаемых длинными болтами, установленными по кругу. Охлаждающая жидкость проходит через все части конструкции.

Два крайних слоя имеют уплотнения и подшипники для выходного вала. Они также изолируют две части корпуса, в которых расположены роторы. Внутренние поверхности этих частей являются гладкими, что обеспечивает надлежащее уплотнение роторов. Впускной порт подачи расположен в каждой из крайних частей.

Часть корпуса, в которой расположен ротор (обратите внимание на расположение выпускного порта)

Следующий слой включает корпус ротора овальной формы и выпускной порт. В этой части корпуса установлен ротор.

Центральная часть включает два впускных порта - по одному для каждого ротора. Она также разделяет роторы, поэтому ее внутренняя поверхность является гладкой.

В центре каждого ротора расположено зубчатое колесо с внутренним расположением зубьев, которое вращается вокруг меньшей шестерни, установленной на корпусе двигателя. Она определяет траекторию вращения ротора.

Мощность роторного двигателя

В центральной части расположен впускной порт для каждого ротора

Как и поршневые двигатели, в роторном двигателе внутреннего сгорания используется четырехтактный цикл. Но в роторном двигателе такой цикл осуществляется иначе.

За один полный оборот ротора эксцентриковый вал выполняет три оборота.

Основным элементом роторного двигателя является ротор. Он выступает в роли поршней в обычном поршневом двигателе. Ротор установлен на большом круглом кулачке выходного вала. Кулачок смещен относительно центральной оси вала и выступает в роли коленчатой рукояти, позволяя ротору вращать вал. Вращаясь внутри корпуса, ротор толкает кулачок по окружности, поворачивая его три раза за один полный оборот ротора.

Размер камер, образованных ротором, изменяется при его вращении. Такое изменение размера обеспечивает насосное действие. Далее мы рассмотрим каждый из четырех тактов роторного двигателя.

Впуск

Такт впуска начинается при прохождении вершины ротора через впускной порт. В момент прохождения вершины через впускной порт, объем камеры приближен к минимальному. Далее объем камеры увеличивается, и происходит всасывание топливовоздушной смеси.

При дальнейшем повороте ротора, камера изолируется, и начинается такт сжатия.

Сжатие

При дальнейшем вращении ротора, объем камеры уменьшается, и происходит сжатие топливовоздушной смеси. При прохождении ротора через свечи зажигания, объем камеры приближен к минимальному. В этот момент происходит воспламенение.

Рабочий такт

Во многих роторных двигателях установлено две свечи зажигания. Камера сгорания имеет достаточно большой объем, поэтому при наличии одной свечи, воспламенение происходило бы медленнее. При воспламенении топливовоздушной смеси образуется давление, приводящее ротор в движение.

Давление сгорания вращает ротор в сторону увеличения объема камеры. Газы сгорания продолжают расширяться, вращая ротор и создавая мощность до момента прохождения вершины ротора через выпускной порт.

Выпуск

При прохождении ротора через выпускной порт, газы сгорания под высоким давлением выходят в выхлопную систему. При дальнейшем вращении ротора, объем камеры уменьшается, выталкивая оставшиеся выхлопные газы в выпускной порт. К тому моменту, как объем камеры приближается к минимальному, вершина ротора проходит через впускной порт, и цикл повторяется.

Необходимо отметить, что каждая из трех сторон ротора всегда вовлечена в один из тактов цикла, т.е. за один полный оборот ротора осуществляется три рабочих такта. За один полный оборот ротора, выходной вал совершает три оборота, т.к. на один оборот вала приходится один такт.

Различия и проблемы

По сравнению с поршневым двигателем, роторный двигатель имеет определенные отличия.

Меньше движущихся деталей

В отличие от поршневого двигателя, в роторном двигателе используется меньше движущихся деталей. Двухроторный двигатель включает три движущиеся детали: два ротора и выходной вал. Даже в простейшем четырехцилиндровом двигателе используется не менее 40 движущихся деталей, включая поршни, шатуны, распредвал, клапаны, клапанные пружины, коромысла, ремень ГРМ и коленвал.

Благодаря уменьшению количества движущихся деталей, повышается надежность роторного двигателя. По этой причине некоторые производители вместо поршневых двигателей используют роторные на своих воздушных судах.

Плавная работа

Все части роторного двигателя вращаются непрерывно в одном направлении, а не постоянно меняют направление движения, как поршни в обычном двигателе. В роторных двигателях используются сбалансированные вращающиеся противовесы, предназначенные для гашения вибраций.

Подача мощности также обеспечивается более плавно. В связи с тем, что каждый такт цикла протекает за поворот ротора на 90 градусов, и выходной вал совершает три оборота на каждый оборот ротора, каждый такт цикла протекает за поворот выходного вала на 270 градусов. Это значит, что двигатель с одним ротором обеспечивает подачу мощности при 3/4 оборота выходного вала. В одноцилиндровом поршневом двигателе, процесс сгорания происходит на 180 градусах каждого второго оборота, т.е. 1/4 каждого оборота коленвала (выходной вал поршневого двигателя).

Медленная работа

В связи с тем, что ротор вращается со скоростью, равной 1/3 скорости вращения выходного вала, основные движущиеся детали роторного двигателя движутся медленнее, чем детали в поршневом двигателе. Благодаря этому, также обеспечивается надежность.

Проблемы

Роторные двигатели имеют ряд проблем:
  • Сложное производство в соответствии с нормами состава выбросов.
  • Затраты на производство роторных двигателей выше по сравнению с поршневыми, так как количество производимых роторных двигателей меньше.
  • Расход топлива у автомобилей с роторным двигателей выше по сравнению с поршневыми двигателями, в связи с тем, что термодинамический КПД снижен из-за большого объема камеры сгорания и низкого коэффициента сжатия.

Как известно, принцип работы роторного двигателя основан на высоких оборотах и отсутствии движений, которыми отличается ДВС. Это и отличает агрегат от обычного поршневого двигателя. РПД называют ещё двигателем Ванкеля, и сегодня мы рассмотрим его работу и явные достоинства.

Ротор такого двигателя находится в цилиндре. Сам корпус не круглого типа, а овального, чтобы ротор треугольной геометрии нормально в нём помещался. У РПД не бывает коленчатого вала и шатунов, а также отсутствуют в нём другие детали, что делает его конструкцию намного проще. Если говорить другими словами, то примерно около тысячи деталей обычного двигателя внутреннего сгорания в РПД нет.

Работа классического РПД основана на простом движении ротора внутри овального корпуса. В процессе движения ротора по окружности статора создаются свободные полости, в которых и происходят процессы запуска агрегата.

Удивительно, но роторный агрегат представляет собой некий парадокс. В чём он заключается? А в том, что он имеет гениально простую конструкцию, которая почему-то не прижилась. А вот более сложный поршневой вариант стал популярным и повсюду используется.

Строение и принцип работы роторного двигателя

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.

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

РПД назван так из-за ротора, то есть такой части мотора, 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.

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-топливной смесью, 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 в систему выхлопа.

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, японским инженерам 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 роторного двигателя

Принцип работы роторно-поршневого двигателя заставил в своё время многих талантливых инженеров удивлённо вскинуть бровями. И сегодня талантливые инженеры компании Мазда заслуживают всяческих похвал и одобрения. Шутка ли, поверить в производительность, казалось бы, похороненного двигателя и дать ему вторую жизнь, да ещё какую!




Ротор имеет три выпуклых стороны, каждая из которых действует как поршень. Каждая сторона ротора имеет углубление в ней, что повышает скорость вращения ротора в целом, предоставляя больше пространства для топливо-воздушной смеси. На вершине каждой грани находится по металлической пластине, которые и формируют камеры, в которых происходят такты двигателя. Два металлических кольца на каждой стороне ротора формируют стенки этих камер. В середине ротора находится круг, в котором имеется множество зубьев. Они соединены с приводом, который крепится к выходному валу. Это соединение определяет путь и направление, по которому ротор движется внутри камеры.

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

  • Впуск
  • Сжатие
  • Сгорание
  • Выпуск

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


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

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

Строение роторного двигателя

Роторный двигатель состоит из слоев. Двухроторный двигателя состоят из пяти основных слоев, которые удерживаются вместе благодаря длинным болтам, расположенным по кругу. Охлаждающая жидкость протекает через все части конструкции.

Два крайних слоя закрыты и содержат подшипники для выходного вала. Они также запечатаны в основных разделах камеры, где содержатся роторы. Внутренняя поверхность этих частей очень гладкая и помогает роторам в работе. Отдел подачи топлива расположен на конце каждой из этих частей.

Следующий слой содержит в себе непосредственно сам ротор и выхлопную часть.

Центр состоит из двух камер подачи топлива, по одной для каждого ротора. Он также разделяет эти два ротора, поэтому его внешняя поверхность очень гладкая.

В центре каждого ротора крепится две большие шестерни, которые вращаются вокруг более маленьких шестерней и крепятся к корпусу двигателя. Это и является орбитой для вращения ротора.

Конечно же, если бы у роторного мотора не было недостатков, то он обязательно бы применялся на современных автомобилях. Возможно даже, что, если бы роторный двигатель был безгрешен, мы и не узнали бы про двигатель поршневой, ведь роторный создали раньше. Затем человеческий гений, пытаясь усовершенствовать агрегат, и создал современный поршневой вариант мотора.

Но к сожалению, минусы у роторного двигателя имеются. К таким вот явным ляпам этого агрегата можно отнести герметизацию камеры сгорания. А в частности, это объясняется недостаточно хорошим контактом самого ротора со стенками цилиндра. При трении со стенками цилиндра металл ротора нагревается и в результате этого расширяется. И сам овальный цилиндр тоже нагревается, и того хуже - нагревание происходит неравномерно.

Если в камере сгорания температура бывает выше, чем в системе впуска/выпуска, цилиндр должен быть выполнен из высокотехнологичного материала, устанавливаемого в разных местах корпуса.

Для того чтобы такой двигатель запустился, используются всего две свечи зажигания. Больше не рекомендуется ввиду особенностей камеры сгорания. РПД наделён бывает совершенно иной камерой сгорания и выдаёт мощность три четверти рабочего времени ДВС, а коэффициент полезного действия составляет целых сорок процентов. По сравнению: у поршневого мотора этот же показатель составляет 20%.

Преимущества роторного двигателя

Меньше движущихся частей

Роторный двигатель имеет намного меньше частей, чем скажем 4-х цилиндровый поршневой движок. Двух роторный двигатель имеет три главные движущиеся части: два ротора и выходной вал. Даже самый простой 4-х цилиндровый поршневой двигатель имеет как минимум 40 движущихся частей, включая поршни, шатуны, стержень, клапаны, рокеры, клапанные пружины, зубчатые ремни и коленчатый вал. Минимизация движущихся частей позволяет получить роторным двигателям более высокую надежность. Именно поэтому некоторые производители самолетов (к примеру Skycar) используют роторные двигатели вместо поршневых.

Мягкость

Все части в роторном двигателе непрерывно вращаются в одном направлении, в отличие от постоянно изменяющих направление поршней в обычном двигателе. Роторный движок использует сбалансированные крутящиеся противовесы, служащие для подавления любых вибраций. Подача мощности в роторном двигателе также более мягкая. Каждый цикл сгорания происходит за одни оборот ротора в 90 градусов, выходной вал прокручивается три раза на каждое прокручивание ротора, каждый цикл сгорания проходит за 270 градусов за которые проворачивается выходной вал. Это значит, что одно роторный двигатель вырабатывает мощность в три четверти. Если сравнивать с одно-цилиндровым поршневым двигателем, в котором сгорание происходит каждые 180 градусов каждого оборота, или только четверти оборота коленчатого вала.

Неспешность

В связи с тем, что роторы вращаются на одну треть вращения выходного вала, основные части двигателя вращаются медленней, чем части в обычном поршневом двигателе. Это также помогает и в надежности.

Малые габариты + высокая мощность

Компактность системы вместе с высоким КПД (сравнительно с обычным ДВС) позволяет из миниатюрного 1,3-литрового мотора выдавать порядка 200-250 л.с. Правда, вместе с главным недостатком конструкции в виде высокого расхода топлива.

Недостатки роторных моторов

Самые главные проблемы при производстве роторных двигателей:

  • Достаточно сложно (но не невозможно) подстроиться под регламент выброса CO2 в окружающую среду, особенно в США.
  • Производство может стоить намного дороже, в большинстве случаев из-за небольшого серийного производства, по сравнению с поршневыми двигателями.
  • Они потребляют больше топлива, так как термодинамическое КПД поршневого двигателя снижается в длинной камере сгорания, а также благодаря низкой степени сжатия.
  • Роторные двигатели в силу конструкции ограничены в ресурсе — в среднем это порядка 60-80 тыс. км

Такая ситуация просто вынуждает причислять роторные двигатели к спортивным моделям автомобилей. Да и не только. Приверженцы роторного двигателя сегодня нашлись. Это известный автопроизводитель Мазда, вставший на путь самурая и продолживший исследования мастера Ванкеля. Если вспомнить ту же ситуацию с Субару, то становится понятен успех японских производителей, цепляющихся, казалось бы, за всё старое и отброшенное западниками как ненужное. А на деле японцам удаётся создавать новое из старого. То же тогда произошло с оппозитными двигателями, являющимися на сегодняшний день «фишкой» Субару. В те же времена использование подобных двигателей считалось чуть ли не преступлением.

Работа роторного двигателя также заинтересовала японских инженеров, которые на этот раз взялись за усовершенствование Мазды. Они создали роторный двигатель 13b-REW и наделили его системой твин-турбо. Теперь Мазда могла спокойно поспорить с немецкими моделями, так как открывала целых 350 лошадок, но грешила опять же большим расходом топлива.

Пришлось идти на крайние меры. Очередная модель Мазда RX-8 с роторным двигателем уже выходит с 200 лошадками, что позволяет сократить расход топлива. Но не это главное. Заслуживает уважения другое. Оказалось, что до этого никто, кроме японцев, не догадался использовать невероятную компактность роторного двигателя. Ведь мощность в 200 л.с. Мазда RX-8 открывала с двигателем объёмом 1,3 литра. Одним словом, новая Мазда выходит уже на другой уровень, где способна конкурировать с западными моделями, беря не только мощностью мотора, но и другими параметрами, в том числе и низким расходом топлива.

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, однако 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 новая Мазда, уже с совершенно другим агрегатом.

Разные конструкции и разработки роторных двигателей

Двигатель Ванкеля

Двигатель Желтышева

Двигатель Зуева

Система газораспределения которого реализована за счёт вращения цилиндра. Цилиндр совершает вращательное движение попеременно проходя впускной и выпускной патрубок, поршень при этом совершает возвратно-поступательные движения.

Британская компания RCV Engines была создана в 1997 году специально для проработки, испытаний и, наконец, продвижения на рынок всего одного изобретения. Оно, собственно, и зашифровано в названии фирмы: «Вращающийся цилиндр-клапан» - Rotary Cylinder Valve - RCV. К настоящему времени базирующаяся в Вимборне компания не только отладила технологию, но доказала работоспособность этой новой концепции. Она уже наладила серийный выпуск линейки маленьких четырёхтактных моторчиков с рабочим объёмом от 9,5 до 50 «кубиков», предназначенных для авиамоделей, газонокосилок, ручных мотопил и подобной техники. Но вот 1 февраля 2006 года компания презентовала первый образец 125-кубового двигателя для скутеров , благодаря чему дала многим людям повод впервые познакомиться с этой мало известной пока технологией - RCV.

Авторы изобретения заявляют о снижении себестоимости двигателей (на несколько процентов) за счёт сокращения числа деталей, и повышении их удельной мощности как на единицу объёма, так и на единицу веса, по сравнению с аналогами того же класса (процентов на 20).

Принцип работы

Итак, перед нами четырёхтактный двигатель , в котором нет привычных клапанов и всей системы их привода. Вместо них британцы заставили работать распределителем газов сам рабочий цилиндр двигателя, который в моторах RCV вращается вокруг своей оси.

Поршень при этом совершает точно те же движения, что и раньше. А вот стенки цилиндра вращаются вокруг поршня (цилиндр закреплён внутри мотора на двух подшипниках).

С края цилиндра устроен патрубок, который попеременно открывается к впускному или выпускному окну. Предусмотрено тут и скользящее уплотнение, работающее аналогично поршневым кольцам - оно позволяет цилиндру расширяться при нагревании, не теряя герметичность.

Свеча расположена по центру и вращается вместе с цилиндром. Судя по всему, тут применён скользящий графитный контакт, хорошо знакомый автомобилистам по старым механическим распределителям зажигания.

Приводят цилиндр во вращение всего три шестерёнки: одна на цилиндре, одна на коленчатом валу и одна - промежуточная. Естественно, скорость вращения цилиндра - вдвое меньше оборотов коленвала.

См. также

Источники

Напишите отзыв о статье "Роторно-цилиндро-клапанный двигатель"

Отрывок, характеризующий Роторно-цилиндро-клапанный двигатель

С приближением неприятеля к Москве взгляд москвичей на свое положение не только не делался серьезнее, но, напротив, еще легкомысленнее, как это всегда бывает с людьми, которые видят приближающуюся большую опасность. При приближении опасности всегда два голоса одинаково сильно говорят в душе человека: один весьма разумно говорит о том, чтобы человек обдумал самое свойство опасности и средства для избавления от нее; другой еще разумнее говорит, что слишком тяжело и мучительно думать об опасности, тогда как предвидеть все и спастись от общего хода дела не во власти человека, и потому лучше отвернуться от тяжелого, до тех пор пока оно не наступило, и думать о приятном. В одиночестве человек большею частью отдается первому голосу, в обществе, напротив, – второму. Так было и теперь с жителями Москвы. Давно так не веселились в Москве, как этот год.
Растопчинские афишки с изображением вверху питейного дома, целовальника и московского мещанина Карпушки Чигирина, который, быв в ратниках и выпив лишний крючок на тычке, услыхал, будто Бонапарт хочет идти на Москву, рассердился, разругал скверными словами всех французов, вышел из питейного дома и заговорил под орлом собравшемуся народу, читались и обсуживались наравне с последним буриме Василия Львовича Пушкина.
В клубе, в угловой комнате, собирались читать эти афиши, и некоторым нравилось, как Карпушка подтрунивал над французами, говоря, что они от капусты раздуются, от каши перелопаются, от щей задохнутся, что они все карлики и что их троих одна баба вилами закинет. Некоторые не одобряли этого тона и говорила, что это пошло и глупо. Рассказывали о том, что французов и даже всех иностранцев Растопчин выслал из Москвы, что между ними шпионы и агенты Наполеона; но рассказывали это преимущественно для того, чтобы при этом случае передать остроумные слова, сказанные Растопчиным при их отправлении. Иностранцев отправляли на барке в Нижний, и Растопчин сказал им: «Rentrez en vous meme, entrez dans la barque et n"en faites pas une barque ne Charon». [войдите сами в себя и в эту лодку и постарайтесь, чтобы эта лодка не сделалась для вас лодкой Харона.] Рассказывали, что уже выслали из Москвы все присутственные места, и тут же прибавляли шутку Шиншина, что за это одно Москва должна быть благодарна Наполеону. Рассказывали, что Мамонову его полк будет стоить восемьсот тысяч, что Безухов еще больше затратил на своих ратников, но что лучше всего в поступке Безухова то, что он сам оденется в мундир и поедет верхом перед полком и ничего не будет брать за места с тех, которые будут смотреть на него.

Устройство роторного двигателя. Принцип работы роторного двигателя — видео

Автор Master OffRoad На чтение 13 мин. Просмотров 384 Опубликовано

История создания роторного двигателя


Второе имя роторного двигателя (РПД) — ванкель (этакий аналог дизеля). Именно Феликсу Ванкелю сегодня приписываются лавры изобретателя роторно-поршневого двигателя и даже рассказывается трогательная история о том, как Ванкель шел к поставленной цели тогда же, когда Гитлер шел к своей.

На самом деле все было чуточку иначе: талантливый инженер, Феликс Ванкель действительно трудился над разработкой нового, простого двигателя внутреннего сгорания, но это был другой двигатель, основанный на совместном вращении роторов.

После войны Ванкель был привлечен немецкой фирмой NSU, занимавшейся в основном выпуском мотоциклов, в одну из рабочих групп, трудившихся над созданием роторного двигателя под руководством Вальтера Фройде.

Вклад Ванкеля — это обширные исследования уплотнений вращающихся клапанов. Базовая схема и инженерная концепция принадлежат Фройде. Хотя у Ванкеля был патент на двойственное вращение.

Первый двигатель имел вращающуюся камеру и неподвижный ротор. Неудобство конструкции навело на мысль поменять схему местами.

Первый двигатель с вращающимся ротором начал работу в середине 1958 года. Он мало отличался от своего потомка наших дней — разве что свечи пришлось перенести на корпус.

Феликс Ванкель и его первый роторный двигатель

Вскоре фирма объявила о том, что ей удалось создать новый и очень перспективный двигатель. Почти сотня компаний, занимающихся производством автомобилей, закупила лицензии на выпуск этого мотора. Треть лицензий оказалась в Японии.

Строение и принцип работы роторного двигателя

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.

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

РПД назван так из-за ротора, то есть такой части мотора, 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.

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-топливной смесью, 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 в систему выхлопа.

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.


Как самому полировать фары автомобиля? Кроме того, японским инженерам 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.

Строение роторного двигателя

Роторный двигатель состоит из слоев. Двухроторный двигателя состоят из пяти основных слоев, которые удерживаются вместе благодаря длинным болтам, расположенным по кругу. Охлаждающая жидкость протекает через все части конструкции.





Как самостоятельно полировать автомобиль? Два крайних слоя закрыты и содержат подшипники для выходного вала. Они также запечатаны в основных разделах камеры, где содержатся роторы. Внутренняя поверхность этих частей очень гладкая и помогает роторам в работе. Отдел подачи топлива расположен на конце каждой из этих частей.Следующий слой содержит в себе непосредственно сам ротор и выхлопную часть.

Центр состоит из двух камер подачи топлива, по одной для каждого ротора. Он также разделяет эти два ротора, поэтому его внешняя поверхность очень гладкая.

В центре каждого ротора крепится две большие шестерни, которые вращаются вокруг более маленьких шестерней и крепятся к корпусу двигателя. Это и является орбитой для вращения ротора.

Конечно же, если бы у роторного мотора не было недостатков, то он обязательно бы применялся на современных автомобилях. Возможно даже, что, если бы роторный двигатель был безгрешен, мы и не узнали бы про двигатель поршневой, ведь роторный создали раньше. Затем человеческий гений, пытаясь усовершенствовать агрегат, и создал современный поршневой вариант мотора.

Но к сожалению, минусы у роторного двигателя имеются. К таким вот явным ляпам этого агрегата можно отнести герметизацию камеры сгорания. А в частности, это объясняется недостаточно хорошим контактом самого ротора со стенками цилиндра. При трении со стенками цилиндра металл ротора нагревается и в результате этого расширяется. И сам овальный цилиндр тоже нагревается, и того хуже — нагревание происходит неравномерно.

Если в камере сгорания температура бывает выше, чем в системе впуска/выпуска, цилиндр должен быть выполнен из высокотехнологичного материала, устанавливаемого в разных местах корпуса.

Для того чтобы такой двигатель запустился, используются всего две свечи зажигания. Больше не рекомендуется ввиду особенностей камеры сгорания. РПД наделён бывает совершенно иной камерой сгорания и выдаёт мощность три четверти рабочего времени ДВС, а коэффициент полезного действия составляет целых сорок процентов. По сравнению: у поршневого мотора этот же показатель составляет 20%.

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:

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.

Плюсы и минусы

Есть ряд преимуществ:

  • меньшее количество деталей, как минимум на 35% меньше относительно поршневого. Меньше деталей — меньше поломок;
  • если сопоставить с конкурентом такой же мощности, то РПД будет в 2 раза меньше по размеру;
  • отсутствие высокой нагрузки даже на больших оборотах и если на низких передачах разогнаться сильнее сотни километров в час;
  • меньше весит, поэтому машину проще уравновесить, она становится более устойчивой;
  • нет проблемы вибрации даже у самых легких авто. Поршневой вибрирует гораздо сильнее, ввиду чего роторный лучше сбалансирован.

Но есть и недостатки:

  • главный минус — небольшой ресурс, это издержка простой конструкции. Рабочий угол уплотнителей постоянно меняется, из-за чего они быстро изнашиваются. Износ усиливается и от того, что через каждый такт меняется температура. Вдобавок давление, оказываемое на трущиеся поверхности, от этого есть только одно средство — впрыскивание масла в коллектор;
  • при износе уплотнителей образуются утечки между камерами. Разница в давлении очень большая, от этого страдает КПД. Вред для экологии усиливается;
  • из-за серповидной конфигурации камер топливо сгорает не полностью. Из-за небольшой длины рабочего хода и скорости вращения ротора выталкиваются несгоревшие газы высокой температуры. Выделяются не только продукты сгорания бензина, но и масло, ввиду чего окружающая среда подвергается крайне негативному влиянию. Поршневые двигатели не настолько вредные для экологии;
  • про высокий расход топлива уже было сказано, но это касается не только бензина, но и масла. Такой двигатель съедает до литра на тысячу километров. Если забыть про масло, то можно столкнуться с необходимостью дорогого ремонта или вовсе замены мотора;
  • высокая себестоимость. Требуются качественные дорогие материалы и высокотехнологичное оборудование.

У роторного двигателя достаточно недостатков, но и его конкурент не совершенный. Поэтому соревнование между ними длилось достаточно долго. Сейчас гонка окончена, но никто не может сказать, навсегда или нет.

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:

  1. Топливная эффективность (показатель, характеризующий рациональное использование горючего в моторе).

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.

  1. 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.

  1. 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.

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.

Машины с роторным двигателем

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

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

В число моделей с РПД входят:

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

Видео: как устроен и работает роторный двигатель

Подведем итоги

Моторы роторно-поршневого типа превосходно показывают себя в гонках. У них есть для этого высокая мощность, большое количество оборотов. Немаловажно, что машины на нем очень легкие относительно других, так как двигатель меньше и легче. Ресурс двигателя для гонок — не самый важный показатель, как и прожорливость. Но в обычной жизни нельзя этого не учитывать.

Вне недостатки обусловлены строением и принципом работы роторно-поршневого двигателя. Их нельзя отнести к недоработкам, скорее, это особенности. Но в теории есть способ вновь начать пользоваться РПД. Для этого нужно сделать его более экологичным, повысить ресурс и сделать его более экономичным.

Источники

  • https://dolauto.ru/informations/articles/chto-takoe-rotornyy-dvigatel/
  • https://krossovery.info/princip-raboty-rotornogo-dvigatelya-plyusy-i-minusy-sistemy/
  • https://www.syl.ru/article/158520/new_rotornyiy-dvigatel-printsip-rabotyi-plyusyi-i-minusyi-rotornogo-dvigatelya
  • https://geekometr.ru/statji/kak-rabotaet-rotorno-porshnevoy-dvigatel-v-mashine.html
  • https://zewerok.ru/dvigatel-vankelya/
  • https://remontautomobilya.ru/princip-raboty-rotornogo-dvigatelya-plyusy-i-minusy.html

Принцип работы роторного двигателя, плюсы и минусы системы

Как известно, принцип работы роторного двигателя основан на высоких оборотах и отсутствии движений, которыми отличается ДВС. Это и отличает агрегат от обычного поршневого двигателя. РПД называют ещё двигателем Ванкеля, и сегодня мы рассмотрим его работу и явные достоинства.

Ротор такого двигателя находится в цилиндре. Сам корпус не круглого типа, а овального, чтобы ротор треугольной геометрии нормально в нём помещался. У РПД не бывает коленчатого вала и шатунов, а также отсутствуют в нём другие детали, что делает его конструкцию намного проще. Если говорить другими словами, то примерно около тысячи деталей обычного двигателя внутреннего сгорания в РПД нет.

Работа классического РПД основана на простом движении ротора внутри овального корпуса. В процессе движения ротора по окружности статора создаются свободные полости, в которых и происходят процессы запуска агрегата.

Удивительно, но роторный агрегат представляет собой некий парадокс. В чём он заключается? А в том, что он имеет гениально простую конструкцию, которая почему-то не прижилась. А вот более сложный поршневой вариант стал популярным и повсюду используется.

Содержание статьи:

Строение и принцип работы роторного двигателя

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.

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

РПД назван так из-за ротора, то есть такой части мотора, 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.

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-топливной смесью, 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 в систему выхлопа.

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, японским инженерам 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 роторного двигателя

Принцип работы роторно-поршневого двигателя заставил в своё время многих талантливых инженеров удивлённо вскинуть бровями. И сегодня талантливые инженеры компании Мазда заслуживают всяческих похвал и одобрения. Шутка ли, поверить в производительность, казалось бы, похороненного двигателя и дать ему вторую жизнь, да ещё какую!

Роторный двигатель в разрезе Ротор роторного двигателя Камера роторного двигателя

Ротор имеет три выпуклых стороны, каждая из которых действует как поршень. Каждая сторона ротора имеет углубление в ней, что повышает скорость вращения ротора в целом, предоставляя больше пространства для топливо-воздушной смеси. На вершине каждой грани находится по металлической пластине, которые и формируют камеры, в которых происходят такты двигателя. Два металлических кольца на каждой стороне ротора формируют стенки этих камер. В середине ротора находится круг, в котором имеется множество зубьев. Они соединены с приводом, который крепится к выходному валу. Это соединение определяет путь и направление, по которому ротор движется внутри камеры.

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

  • Впуск
  • Сжатие
  • Сгорание
  • Выпуск

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

Выходной вал роторного двигателя

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

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

Строение роторного двигателя

Роторный двигатель состоит из слоев. Двухроторный двигателя состоят из пяти основных слоев, которые удерживаются вместе благодаря длинным болтам, расположенным по кругу. Охлаждающая жидкость протекает через все части конструкции.

Два крайних слоя закрыты и содержат подшипники для выходного вала. Они также запечатаны в основных разделах камеры, где содержатся роторы. Внутренняя поверхность этих частей очень гладкая и помогает роторам в работе. Отдел подачи топлива расположен на конце каждой из этих частей.

Следующий слой содержит в себе непосредственно сам ротор и выхлопную часть.

Центр состоит из двух камер подачи топлива, по одной для каждого ротора. Он также разделяет эти два ротора, поэтому его внешняя поверхность очень гладкая.

В центре каждого ротора крепится две большие шестерни, которые вращаются вокруг более маленьких шестерней и крепятся к корпусу двигателя. Это и является орбитой для вращения ротора.

Конечно же, если бы у роторного мотора не было недостатков, то он обязательно бы применялся на современных автомобилях. Возможно даже, что, если бы роторный двигатель был безгрешен, мы и не узнали бы про двигатель поршневой, ведь роторный создали раньше. Затем человеческий гений, пытаясь усовершенствовать агрегат, и создал современный поршневой вариант мотора.

Но к сожалению, минусы у роторного двигателя имеются. К таким вот явным ляпам этого агрегата можно отнести герметизацию камеры сгорания. А в частности, это объясняется недостаточно хорошим контактом самого ротора со стенками цилиндра. При трении со стенками цилиндра металл ротора нагревается и в результате этого расширяется. И сам овальный цилиндр тоже нагревается, и того хуже — нагревание происходит неравномерно.

Если в камере сгорания температура бывает выше, чем в системе впуска/выпуска, цилиндр должен быть выполнен из высокотехнологичного материала, устанавливаемого в разных местах корпуса.

Для того чтобы такой двигатель запустился, используются всего две свечи зажигания. Больше не рекомендуется ввиду особенностей камеры сгорания. РПД наделён бывает совершенно иной камерой сгорания и выдаёт мощность три четверти рабочего времени ДВС, а коэффициент полезного действия составляет целых сорок процентов. По сравнению: у поршневого мотора этот же показатель составляет 20%.

Преимущества роторного двигателя

Меньше движущихся частей

Роторный двигатель имеет намного меньше частей, чем скажем 4-х цилиндровый поршневой движок. Двух роторный двигатель имеет три главные движущиеся части: два ротора и выходной вал. Даже самый простой 4-х цилиндровый поршневой двигатель имеет как минимум 40 движущихся частей, включая поршни, шатуны, стержень, клапаны, рокеры, клапанные пружины, зубчатые ремни и коленчатый вал. Минимизация движущихся частей позволяет получить роторным двигателям более высокую надежность. Именно поэтому некоторые производители самолетов (к примеру Skycar) используют роторные двигатели вместо поршневых.

Мягкость

Все части в роторном двигателе непрерывно вращаются в одном направлении, в отличие от постоянно изменяющих направление поршней в обычном двигателе. Роторный движок использует сбалансированные крутящиеся противовесы, служащие для подавления любых вибраций. Подача мощности в роторном двигателе также более мягкая. Каждый цикл сгорания происходит за одни оборот ротора в 90 градусов, выходной вал прокручивается три раза на каждое прокручивание ротора, каждый цикл сгорания проходит за 270 градусов за которые проворачивается выходной вал. Это значит, что одно роторный двигатель вырабатывает мощность в три четверти . Если сравнивать с одно-цилиндровым поршневым двигателем, в котором сгорание происходит каждые 180 градусов каждого оборота, или только четверти оборота коленчатого вала.

Неспешность

В связи с тем, что роторы вращаются на одну треть вращения выходного вала, основные части двигателя вращаются медленней, чем части в обычном поршневом двигателе. Это также помогает и в надежности.

Малые габариты + высокая мощность

Компактность системы вместе с высоким КПД (сравнительно с обычным ДВС) позволяет из миниатюрного 1,3-литрового мотора выдавать порядка 200-250 л.с. Правда, вместе с главным недостатком конструкции в виде высокого расхода топлива.

Недостатки роторных моторов

Самые главные проблемы при производстве роторных двигателей:

  • Достаточно сложно (но не невозможно) подстроиться под регламент выброса CO2 в окружающую среду, особенно в США.
  • Производство может стоить намного дороже, в большинстве случаев из-за небольшого серийного производства, по сравнению с поршневыми двигателями.
  • Они потребляют больше топлива, так как термодинамическое КПД поршневого двигателя снижается в длинной камере сгорания, а также благодаря низкой степени сжатия.
  • Роторные двигатели в силу конструкции ограничены в ресурсе — в среднем это порядка 60-80 тыс. км

Такая ситуация просто вынуждает причислять роторные двигатели к спортивным моделям автомобилей. Да и не только. Приверженцы роторного двигателя сегодня нашлись. Это известный автопроизводитель Мазда, вставший на путь самурая и продолживший исследования мастера Ванкеля. Если вспомнить ту же ситуацию с Субару, то становится понятен успех японских производителей, цепляющихся, казалось бы, за всё старое и отброшенное западниками как ненужное. А на деле японцам удаётся создавать новое из старого. То же тогда произошло с оппозитными двигателями, являющимися на сегодняшний день «фишкой» Субару. В те же времена использование подобных двигателей считалось чуть ли не преступлением.

Работа роторного двигателя также заинтересовала японских инженеров, которые на этот раз взялись за усовершенствование Мазды. Они создали роторный двигатель 13b-REW и наделили его системой твин-турбо. Теперь Мазда могла спокойно поспорить с немецкими моделями, так как открывала целых 350 лошадок, но грешила опять же большим расходом топлива.

Пришлось идти на крайние меры. Очередная модель Мазда RX-8 с роторным двигателем уже выходит с 200 лошадками, что позволяет сократить расход топлива. Но не это главное. Заслуживает уважения другое. Оказалось, что до этого никто, кроме японцев, не догадался использовать невероятную компактность роторного двигателя. Ведь мощность в 200 л.с. Мазда RX-8 открывала с двигателем объёмом 1,3 литра. Одним словом, новая Мазда выходит уже на другой уровень, где способна конкурировать с западными моделями, беря не только мощностью мотора, но и другими параметрами, в том числе и низким расходом топлива.

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, однако 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 новая Мазда, уже с совершенно другим агрегатом.

Разные конструкции и разработки роторных двигателей

Двигатель Ванкеля

Двигатель Желтышева

Двигатель Зуева

Все о роторных двигателях - виды и принцип работы

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.

Подпишитесь на наш Telegram-канал

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.

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.

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.

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.

Роторный двигатель - устройство, особенности и принцип работы

Когда автомобили с поршневыми двигателями внутреннего сгорания уже широко распространились по всему миру, некоторые инженеры попытались разработать роторные двигатели, такие же эффективные и мощные. Существенных успехов добились специалисты из Германии, что неудивительно, ведь именно в этой стране изобрели автомобиль.

Немного истории

В 1957 году свет увидел первый роторно-поршневой двигатель. Впоследствии он был назван именем одного из разработчиков — Феликса Ванкеля. Второй человек, Вальтер Фройде, участвующий в процессе изобретения, незаслуженно попал в тень соавтора. Оба инженера были представителями немецкой компании NSU, производившей авто и мототехнику.

Годом позднее выпустили первый автомобиль с РПД. К сожалению, даже главных конструкторов модель новой машины не удовлетворила. Дви́гатель доработали, и в конце 60-х годов на свет появился седан, получивший звание «Авто года». Это был Ro-80 той же компании NSU. До 100 км он разгонялся всего за 12,8 с, развивал скорость до 180 км/ч, а весил немногим больше тонны. По тем временам это были грандиозные показатели. Лицензию на производство роторных моторов стали сразу же приобретать одна автомобильная компания за другой.

Неизвестно, как сложилась бы судьба изобретения Ванкеля, если бы в 1973 году не начался энергетический кризис, и цены на нефть резко повысились. Роторный двигатель внутреннего сгорания съедал слишком много топлива, поэтому от его применения начали отказываться.

В конце 90-х авто с моторами Ванкеля выпускали только Россия и Япония. Российские автомобили ВАЗ, оснащенные РПД, малоизвестны, а вот японским моделям удалось добиться мировой популярности.

В настоящее время автомобили с роторными двигателями производит лишь компания Mazda. Японским специалистам удалось усовершенствовать автомобильный мотор до такой степени, что он стал потреблять в 2 раза меньше масла и на 40% меньше топлива. Токсичность выхлопов также сократилась, и двигатель теперь соответствует европейским экологическим стандартам. Новым витком в развитии РПД стало применение водорода в качестве топлива.

Основы устройства роторного двигателя

Чтобы понять, как работает роторный двигатель, надо разобраться с его устройством. Две важные детали РПД — ротор и статор. Ротор, установленный на валу, вращается вокруг неподвижной шестерни — статора. Соединение с шестерней происходит посредством зубчатого колеса. Делают ротор из легированной стали и помещают в цилиндрический корпус.

Ротор двигателя в поперечном срезе имеет треугольную форму, его грани выпуклые, а три вершины постоянно контактируют с внутренней поверхностью корпуса. Таким образом, пространство цилиндра разделяется на три камеры. В результате вращения объем камер меняется. В определенный момент, из-за особенностей формы профиля корпуса, камер становится четыре.

  • На первом этапе в одну из камер через отверстие (впускное окно) запускается топливо.
  • Далее объем камеры с топливом уменьшается, впускное окно полностью закрывается и начинается сжатие топлива.
  • На следующем этапе образуется четыре камеры, срабатывают свечи (их две), происходит возгорание топлива, и совершается полезная работа мотора.
  • При дальнейшем вращении ротора открывается выпускное окно, в которое выходят продукты горения (выхлопные газы).

Как только выпускное окно закрывается, открывается впускное отверстие и цикл повторяется.

Один рабочий цикл совершается за один полный оборот вала. Чтобы поршневой двигатель совершил такую же работу, он должен быть двухцилиндровым.

Для обеспечения герметичности на вершинах ротора устанавливают уплотнительные пластины. К цилиндру их придавливают пружины и центробежная сила, добавляется также давление газа.

Чтобы лучше понять, как устроен роторный двигатель, и что это такое вообще, необходимо изучить схему. На ней представлено поперечное сечение агрегата и процессы, происходящие при движении ротора. Схема роторного мотора показывает, какие этапы проходит ротор, играющий роль поршня.

Типы роторных двигателей

Древнейшие роторные двигатели — это водяные мельницы, в которых колесо вращается от действия воды и передает энергию валу. Устройство современно роторного двигателя, работающего на топливе, значительно сложнее. В нем камера может быть:

  • герметично закрыта;
  • постоянно контактировать с внешней средой.

Первый тип устройств применяют на средствах передвижения, а второй в газовых турбинах. Двигатели с закрытой камерой в свою очередь разделяются на несколько видов. Классификация роторных моторов следующая.

  1. Ротор вращается попеременно то в одну, то в другую сторону, его движение неравномерно.
  2. Вращение происходит в одну сторону, но скорость меняется, движение пульсирующее.
  3. Двигатели с уплотнительными заслонками, сделанными в виде лопастей.
  4. Равномерно вращающийся ротор с заслонками, которые движутся вместе с ротором и выполняют функцию уплотнителя.
  5. Двигатели с ротором, совершающим планетарное движение.

Существует также еще два вида типа роторных двигателей, в которых главный элемент равномерно вращается. Они отличаются организацией рабочей камеры и конструкцией уплотнителей. Двигатель Ванкеля относится к пятому пункту из представленного выше списка.

Преимущества РПД

Рассмотрев устройство роторного двигателя и принцип работы, можно понять, что он полностью отличается от поршневого. Роторный двигатель внутреннего сгорания более компактный, состоит из меньшего количества деталей, а его удельная мощность больше, чем у поршневого мотора.

РПД легче уравновесить, чтобы свести вибрации к минимуму. Это позволяет устанавливать его на легкий транспорт, например, микроавтомобили.

Количество деталей меньше, чем у поршневого двигателя почти в 2 раза. Размеры тоже значительно меньше, и такое преимущество упрощает развесовку по осям, позволяет добиться большей устойчивости на дороге.

Традиционный поршневой двигатель совершает полезную работу только за два оборота вала, а в роторном двигателе полезная работа совершается за один оборот ротора. Это является причиной быстрого разгона автомобилей с РПД.

Высокий расход топлива РПД

Устройство и принцип работы роторного двигателя на удивление просты, понятны и остроумны. Почему же он не получил распространения подобно поршневому ДВС? Не последнее место здесь занимает экономичность.

Роторный двигатель внутреннего сгорания потребляет слишком много топлива. При объеме всего 1,3 литра на каждые 100 км уходит почти 20 литров бензина. По этой причине запускать массовое производство автомобилей с РПД решились не многие компании.

В свете последних событий на Ближнем Востоке, когда за ресурсы ведется ожесточенная война, а цены на нефть и газ остаются по-прежнему довольно высокими, ограниченное применение РПД вполне понятно.

Другие важные недостатки

Следующим недостатком роторно-поршневого двигателя является быстрый износ уплотнителей, расположенных по ребрам ротора. Износ этот происходит по причине быстрого вращения, и как следствие, трения ребер о стенки камеры.

В дополнение к этому усложняется система смазки ребер. Компания Мазда сделала форсунки, которые впрыскивают масло в камеру сгорания. В связи с этим требования к качеству масла повысились. Постоянной обильной смазки также требует главный вал, вокруг которого происходит движение.

Техническое решение вопросов смазки требовало особого подхода, и справиться с задачей смогли только японские инженеры после долгих лет экспериментов.

Температура выхлопных газов у РПД выше, чем у поршневого двигателя. Это связано с относительно малой длиной рабочего хода грани ротора. Процесс горения едва успевает закончиться, как грань уже переместилась настолько, что открывается выпускное окно. В результате в выхлопную трубу выходят газы, которые полностью не передали давление ротору, и температура их высока. В атмосферу также попадает небольшая часть недогоревшей топливной смеси, что отрицательно сказывается на окружающей среде.

В роторном двигателе сложно обеспечить герметичность камеры сгорания. В процессе работы стенки статора неравномерно разогреваются и расширяются. В результате возможны утечки газа. Особенно нагревается та часть, в которой происходит сгорание. Чтобы справить с этой проблемой, различные части делают из разных сплавов. Это в свою очередь усложняет и удорожает процесс производства двигателей.

На стоимость производства роторно-поршневых двигателей Ванкеля не лучшим образом влияет сложная форма камеры. На самом деле у цилиндра не овальное сечение, как иногда говорят. Сечение имеет форму эпитрохоида и требует высокоточного исполнения.

Итак, становится понятно, что у роторного двигателя есть плюсы и минусы. Их можно свести в следующую таблицу.

Достоинства

Недостатки

Хорошая сбалансированность Высокий расход топлива, особенно на малых оборотах
Минимальные вибрации Нарушение герметичности из-за перегрева
Быстрый разгон Требует частой замены масла (каждые 5 тысяч км)
Компактные размеры Быстрый износ уплотнителей
Высокая мощность Дороговизна производства некоторых деталей
Небольшое количество основных деталей Повышенный уровень выброса CO2

Из-за быстрого износа деталей ресурс роторного двигателя составляет около 65 тыс. км. Для сравнения ресурс традиционного двигателя внутреннего сгорания в 2, а то и в 3 раза больше. Обслуживание роторно-поршневых двигателей требует большей ответственности, поэтому они привлекают внимание преимущественно профессионалов. Частично инженерам удалось устранить недостатки автомобилей с РПД, но некоторые из них все же остались.

Роторно-поршневые двигатели Мазды

В то время как другие мировые производители отказались от производства роторных двигателей, корпорация Mazda продолжила работу над ними. Ее специалисты усовершенствовали конструкцию и получили мощный мотор, способный конкурировать с лучшими европейскими агрегатами.

Работать с роторно-поршневым двигателем японцы начали еще в 1963 году. Они выпустили несколько моделей автобусов, грузовиков и легковых авто.

С 1978 по 2003 год компания производила знаменитый спорткар RX-7. Его приемником стала модель RX-8, получившая более 30 наград на международных моторных выставках.

На RX-8 был установлен двигатель Renesis (Rotary Engine Genesis). В разной комплектации автомобиль продавался по всему миру. Самые мощные модели (250 л. с., 8,5 тыс. оборотов в минуту) продавали в Северной Америке и Японии. В 2007 годы в Токио на автосалоне представили концепт кар с мотором Renesis II мощность 300 л. с.

В 2009 году автомобили Мазда с роторным мотором были запрещены в Европе, поскольку выброс углекислого газа превышал существующие на тот момент нормы. В 2102 году массовое производство японских автомобилей с роторными двигателями было прекращено. На данный момент РПД от компании Mazda устанавливают только на спортивные гоночные автомобили.

Принцип работы роторного двигателя внутреннего сгорания. Как работает двигатель ванкеля

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.

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.

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.

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.

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.

Конструкция

Установленный на валу ротор жёстко соединён с зубчатым колесом, которое входит в зацепление с неподвижной шестернёй - статором. Диаметр ротора намного превышает диаметр статора, несмотря на это ротор с зубчатым колесом обкатывается вокруг шестерни. Каждая из вершин трёхгранного ротора совершает движение по эпитрохоидальной поверхности цилиндра и отсекают переменные объёмы камер в цилиндре с помощью трёх клапанов.

Цикл двигателя Ванкеля: впуск (голубой), сжатие (зелёный), рабочий ход (красный), выпуск (жёлтый)

Такая конструкция позволяет осуществить любой 4-тактный цикл Дизеля , Стирлинга или Отто без применения специального механизма газораспределения. Герметизация камер обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами. Отсутствие механизма газораспределения делает двигатель значительно проще четырехтактного поршневого (экономия составляет около тысячи деталей), а отсутствие сопряжения (картерное пространство, коленвал и шатуны) между отдельными рабочими камерами обеспечивают необычайную компактность и высокую удельную мощность. За один оборот ванкель выполняет три полных рабочих цикла, что эквивалентно работе шестицилиндрового поршневого двигателя.

При всех преимуществах (высокая удельная мощность, простота устройства, несложный ремонт при правильной эксплуатации), важной проблемой является меньшая экономичность на низких оборотах по сравнению с обычными ДВС .

Другой особенностью двигателей Ванкеля является его склонность к перегреву. Камера сгорания имеет линзовидную форму, то есть при маленьком объёме у неё относительно большая площадь. При температуре горения рабочей смеси основные потери энергии идут через излучение. Интенсивность излучения пропорциональна четвёртой степени температуры, таким образом идеальная форма камеры сгорания - сферическая. Лучистая энергия не только бесполезно покидает камеру сгорания, но и приводит к перегреву рабочего цилиндра. Эти потери не только снижают эффективность преобразования химической энергии в механическую, но и вызывают проблемы с воспламенением рабочей смеси, поэтому в конструкции двигателя часто предусматривают 2 свечи.

Высокие требования к точности исполнения деталей делают его сложным в производстве. Оно требует высокотехнологичного и высокоточного оборудования - станков, способных перемещать инструмент по сложной траектории эпитрохоидальной поверхности камеры объёмного вытеснения.

Применение

Двигатель разрабатывался изначально именно для применения на автотранспорте. Первый серийный автомобиль с роторным двигателем - немецкий спорткар NSU Wankelspider.

Первый массовый (37,204 экземпляра) - немецкий седан бизнес-класса NSU Ro80. Автомобиль имел достаточно инноваций и помимо двигателя - в частности, кузов с рекордно-низким аэродинамическим сопротивлением, полуавтоматическую коробку передач с гидротрансформатором, блок-фары, и так далее. Ro80 отличалась не только уникальной конструкцией, но и передовым дизайном, который оказался непонятен публике середины шестидесятых; через десять лет именно он был положен в основу стиля моделей «Ауди» 100 и 200 поколения C2 .

К сожалению, ресурс двигателя оказался весьма мал (ремонт требовался уже после пробега порядка 50 тыс. км), поэтому автомобиль заслужил плохую репутацию и относительно малоизвестен. На многих сохранившихся автомобилях оригинальный двигатель заменён на поршневой V4 «Essex» фирмы Ford .

Citroën также экспериментировал с РПД - проект Citroën M35.

После этого серийное и мелкосерийное производство роторно-поршневых двигателей Ванкеля производились только фирмой ВАЗ, в конечном счёте взявшим за основу конструкцию двигателя

Современные двигатели

Инженерам фирмы Euro IV. Двухцилиндровый двигатель «Renesis» объёмом всего 1,3 л выдаёт мощность в 250 л. с. и занимает гораздо меньше места в моторном отсеке. Следующая модель двигателя Renesis 2 16X имеет меньший объём, но бо́льшую мощность, меньше нагревается.

Сноски

Литература

Ссылки

  • Последняя разработка РПД Mazda: Renesis 16X (англ.) , www.mazda.com
  • Wankel-ag.de (нем.) (англ.)
  • Англоязычный форум по РПД (англ.)

РПД СССР/России

  • ВАЗ: Описание моделей с РПД , Ladaonline.ru
Поршневые двигатели и конфигурации двигателей
Одноцилиндровый · · · · · · · · · ·

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:

  1. Воздух смешивается с жидким топливом перед поступлением в цилиндры, куда поступает горючая смесь.
  2. 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.

  1. 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.

  1. 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

Паровые машины, как и традиционные ДВС отличаются общим недостатком - возвратно-поступательные движения поршня должны преобразовываться во вращательные движения колес. Это и является причиной низкого КПД, высокого износа основных элементов.

Многие инженеры пытались решить эту проблему, придумав двигатель внутреннего сгорания, все детали которого бы только вращались. Однако изобрести такой агрегат смог механик-самоучка, не окончивший ни высшего, ни даже средне-специального учебного заведения.

Немного истории

В 1957 году малоизвестный механик-изобретатель Феликс Ванкель и ведущий инженер NSU Вальтер Фреде стали первыми, кто решил установить роторно-поршневой мотор на автомобиль. «Подопытным» стал на NSU Prinz. Первоначальная конструкция была далекой от совершенства. К примеру, свечи приходилось менять практически после полной разборки агрегата. К тому же, надежность мотора оставалась под сомнением, а про экономичность можно было не упоминать.

После множества испытаний концерн занялся выпуском машин с традиционным ДВС. Однако первый роторно-поршневой DKM-54 мог продемонстрировать великий потенциал.

Именно так оригинальная разновидность ДВС получил свой шанс на внедрение в производство авто. В дальнейшем он постоянно дорабатывался, однако перспективы роторно-поршневого мотора уже тогда были очевидны. РПД входит в классификацию роторных моторов как один из 5 представителей линейки.

К 80-м годам 20 века роторные исследовались лишь японской компанией Mazda. Еще к этому мотору проявлял внимание ВАЗ. В СССР бензин стоил достаточно дешево, а такой агрегат имел достаточно большую мощность. Однако к 2004 году производство машин с таким двигателем прекратилось. Япония стала единственной страной, в которой продолжается разработка роторного двигателя.

Есть множество разновидностей роторных агрегатов. Единственное их отличие - поверхность корпуса и число выполненных на роторе граней. Различные компоновки таких моторов применяются в авто- и судостроении.


Достоинства

Двигатель Ванкеля с момента создания имел множество выгодных преимуществ перед поршневыми моторами. Агрегат постоянно дорабатывался,что позволило повысить его экономичность и производительность.

Среди преимуществ»Ванкеля» выступают:

  1. Небольшие габариты и вес. «Ванкель» практически в 2 раза меньшепоршневого ДВС, что положительно сказывается на управляемости машины, способствует оптимальному монтажукоробки передач, позволяет сделать салон намного просторнее.
  2. В сравнении с двухтактным мотором, двигатель Ванкеля имеет гораздо меньше деталей. Это более выгодно с точки зрения ремонта.
  3. Вдвое большая мощность, чем у стандартных ДВС.
  4. Большая плавность работы - отсутствие поступательно-возвратных движений благоприятно сказывается на комфорте езды.
  5. Возможность заправки низкооктановым бензином.

Все элементы мотора вращаются в одну сторону. Это улучшает внутренний баланс агрегата и снижает вибрации. «Ванкель» выдает мощность равномерно и плавно. За время пока ротор оборачивается 1 раз, выходной вал совершает 3 оборота. Каждое сгорание осуществляется за 90 фазу вращение ротора.

Это говорит о том, что с 1 ротором способен выдавать мощностьза ¾ каждого поворота выходного вала. Двигатель с 1 цилиндром может выдавать мощность лишь за ¼ каждого витка выходного вала.

Недостатки

К недостаткам двигателя относятся непривычность для владельцев и механиков. Такой агрегат требует изменить многие привычки. К примеру, тормозить РПД не получится, а штурм подъемов «внатяг» обречен на неудачу. Компактный мотор обладает малой инерцией, чего не скажешь о массивных поршневых ДВС. При частыхзапусках-выключениях «забрасываются» свечи.Звук мотора некоторые автолюбители также относят к недостаткам.

Более серьезными являются органические изъяны роторно-поршневого агрегата. Во-первых, он обладает увеличенным расходом горючего. Это легко объяснить неоптимальной формой камеры, теряющей тепло через стенки. К тому же, мотор «съедает» достаточно много масла. Срок эксплуатации Ванкеля ниже, чем у стандартного ДВС -роторные уплотнениярегулярно изнашиваются.

Значительная роль отведена жесткости внешней характеристики роторно-поршневого мотора. Для управления машиной с таким двигателем требуется достаточно часто манипулировать рычагом коробки передач. Это объясняется тем, что необходим короткий передаточный ряд и увеличенное количество передач.

Идеальным вариантом является монтаж вариатора. Однако на спорткарах автоматы не приживаются, а для авто семейного типа требуется больше экономичности.

Недостатки РПД схожи с недостатками двухтактных поршневых агрегатов. Интересно, что вылечить это можно одними и теми же способами. Увеличенное потребление топлива сбивается непосредственным впрыском, нехватка эластичности - установкой изменяемых фаз. Это повышает экономичность и управляемость. Также для повышения эластичности меняется конфигурация трубопроводов. Такие изменения и были выполнены на моторе Mazda RX-8.

Как работает

Работает двигатель Ванкеляпо принципу, который достаточно просто объяснить даже несведущему в механике человеку. Агрегат обладает минимумом деталей, что позволяет быстро понять, какие системы задействуются в определенные промежутки времени.

Поршень двигателя в РПД заменяется ротором с 3 гранями, который передает силу давления сгораемых газов на вал эксцентрика.

Статор обладает эпитрохоидальной конфигурацией внутренних поверхностей. Он отличается высокой износостойкостью, поскольку имеет специальное покрытие. В вершинах ротора находятсяуплотнения, а на поверхности статораимеются выемки - они являются своеобразными камерами, в которых происходит сгорание. Вал вращается на специальных подшипниках. Они помещены на корпус. Также валоснащенэксцентриком - на нем и вращается ротор.

Шестерня вмонтирована в корпус. Она сцеплена с шестерней ротора. Взаимное действие этих шестерен создает движение ротора. Это позволяет образовать 3 камеры, которые постоянно изменяют свой объем.

Отношение передач шестерен равно 2:3, что обеспечивает один оборот вала за поворот ротора на 120 градусов. Когда ротор совершает полный оборот,все камерывыполняют четырехтактный цикл. Сгораемые газы действуют на эксцентрик вала через ротор - так возникает крутящий момент.

Между ротором и статором имеется 3 камеры. Впуск происходит, когда одна из вершин ротора начинает пересекать впускное отверстие для впрыска топлива. Объем камеры увеличивается, что заставляет смесь ее заполнить. Следующая вершина закрывает окно. Как и поршень двигателя традиционного исполнения, ротор сдавливает рабочую смесь перед воспламенением.

Она сжимается, при наибольшем сжатии в камере возникает искра. В результате осуществляется рабочий ход. После выпускное окно под давлением отработавших газов открывается, и они покидают камеру.

При одном обороте ротора двигатель совершает 3 цикла - это делает ненужным применение уравновешивающих устройств.

В рабочем процессе есть слабые звенья. Первое - повышенная нагрузка на уплотнения, а второе - избыток динамического перекрытия фаз.Не является оптимальной и конфигурация камеры сгорания. Однако есть и положительный момент - если повышать обороты, скорость распространения факела пламени увеличивается быстрее, чем перетекает топливная смесь.

Это позволяет применять для РПД бензин с пониженным октановым числом. Принцип работы Ванкеля достаточно прост, что в свое время привлекло к изобретению внимание многих производителей авто.

Не каждый автолюбитель знает, что Ванкель является одним из 5 подтипов в классификации роторных моторов.

Компактность, оборотистость, высокая производительность - не этого ли добиваются практически все производители мотоциклов? Однозначно, это так. Однако роторный мотор в мотомире таки не прижился. Все ставки делаются на классические поршневые двигатели.

Однако в истории производства мотоциклов существовало несколько исключений. К примеру, в 1974 году Hercules выпускает массовую серию Wankel, которые оборудованы двигателем KC-27. Это были роторные агрегаты, которые оснащались воздушным охлаждением. Двигатель имел объем294 куб. см. Мощность агрегатов составляла 25л.с. Для смазки агрегата, масло нужно было самостоятельно заливать в топливный бак.

В начале1980 роторный мотор использовали для оснащения мотоциклов Norton. Несмотря на то, что опытные прототипы таких двигателей появились еще в 1970-х.Инженеры Norton успешно внедрили РПД в спорт. К концу 80-х им не было равных.

Сегодня компания производит 588-кубовую модельдвумя роторами NRV588. Также инженерами Norton ведется разработка 700сс версии, которая называется NRV700. Она представляет собой мощный спортбайк, оснащенный инжекторным 170-сильным двигателем Ванкеля.

Как видно, эпоха роторных моторов еще не наступила. Поршневые системы так и остались лидирующими в сфере авто- и мотостроения. Обладатели байков с роторными двигателями могут образовать лишь небольшой круг фанатов Ванкеля. Возобновившийся интерес к «Ванкелю» компании Norton говорит о скором подъеме разработок и достижений в этой сфере.

Одной из причин, по которым двигатель не производится для оснащения автомобилей и мотоциклов - необходимость точного оборудования при его производстве. Малейший брак становится причиной выхода мотора из строя. Это пока не позволяет роторному агрегату заменить поршневой двигатель даже в узкихотраслях производства.

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 взглядом на многие вещи.

Первые типы двигателей

Изобретатель, поняв, как можно осуществить все 4 цикла обычного мотора при вращении, приступил к конструированию. В 1924 году Ванкель создал небольшую мастерскую. Она также выполняла роль лаборатории. Именно здесь Феликс Ванкель стал изучать роторно-поршневые системы. В 1936 году модель, собранная изобретателем, заинтересовала компанию "БМВ". Ванкель получил деньги, ему была предоставлена собственная лаборатория в Линдау.

Там он должен был разрабатывать опытные образцы авиамоторов. Однако до самого конца Второй мировой ни один роторный двигатель Ванкеля не был отправлен в серийное производство. Вероятно, это было вызвано тем, что доведение конструкции до пригодного к эксплуатации состояния и наладка массового производства требовали достаточно много времени

Послевоенные годы

После разгрома фашизма лаборатория была закрыта, а все оборудование, которое там находилось, было переправлено во Францию. В итоге Ванкель остался без работы. Этому поспособствовало его бывшее членство в национальной социалистической партии. Но спустя небольшой период времени Феликса пригласили в компанию NSU в качестве инженера-конструктора. Это предприятие на тот момент считалось старейшим производителем автомобилей и мотоциклов.

Опытный образец

В 1957 году, благодаря поддержке Вальтера Фреде (ведущего инженера в компании NSU), роторно-поршневой двигатель был впервые поставлен на автомобиль. Мотор был установлен на NSU Prinz. Однако первоначальная конструкция была очень далека от совершенства. Она была настолько сложной, что даже для замены свечей нужно было разобрать почти весь мотор. Кроме этого, конструкция была очень ненадежна, неэкономична и имела очень низкий КПД. Двигатель Ванкеля в связи с этим не пошел в серию. Автомобили отправились на конвейер с традиционным ДВС. Тем не менее роторно-поршневой двигатель доказал не только право на свое существование, но и продемонстрировал впечатляющий для того времени потенциал. Перспективы его использования были настолько привлекательны, что инженеров-конструкторов ничего не смогло остановить. Сам изобретатель понимал, что его детище требует усовершенствования, он стремился к тому, чтобы и функционирование, и ремонт двигателя вызывали как можно меньше затруднений. С этого момента началась активная деятельность по доведению мотора до эксплуатационного совершенства.

Двигатель Ванкеля: конструкция

Что собой представляет мотор? В центре ротора имеется круглое отверстие. Оно изнутри покрыто зубцами, как на шестеренке. В отверстие вставляется вал с меньшим диаметром. На нем также есть зубцы. Они препятствуют проскальзыванию вала. Отношения диаметров подбираются таким образом, чтобы перемещение вершин треугольников осуществлялось по одной замкнутой кривой. Она именуется "эпитрохоида". Задача Ванкеля состояла в том, чтобы для начала понять, что работа такого механизма возможна. Затем ему нужно было все точно и верно рассчитать. В результате поршень, выполненный в форме треугольника Рело, отсекает три камеры переменного положения и объема.

Особенности

Конструктивная характеристика двигателя значительно выигрывает в сравнении с обычными моторами. В частности, герметизация камер обеспечивается за счет торцевых и радиальных уплотнительных пластин. Они прижимаются к "цилиндру" с помощью ленточных пружин, давления газа и центробежных сил. Особого внимания заслуживает и характеристика двигателя с точки зрения производительности. За весь цикл вал совершает 3 полных оборота. В обычном поршневом моторе такого результата можно добиться при использовании шести цилиндров.

Внедрение в промышленность

После проведения первой успешной демонстрации в 1957 году двигатель Ванкеля заинтересовал крупнейших автогигантов того времени. Так, первой компанией, выкупившей лицензию, стала Curtiss-Wright. Спустя год изобретение стали использовать такие известные предприятия, как Mazda, Friedrich Krupp, MAN и Daimler-Benz. За достаточно непродолжительный период лицензии приобрело порядка ста компаний, в том числе с мировым именем: Ford, BMW, Porsche, Rolls-Royce.

Преимущества

Какие достоинства имеет двигатель Ванкеля? Принцип работы мотора заключается в том, что реализация любого четырехтактного цикла осуществляется без использования механизма газораспределения. Благодаря этому значительно упрощается конструкция мотора. В обычном 4-тактном поршневом моторе примерно на тысячу элементов больше. Огромный интерес крупнейших автомобильных предприятий был вызван потенциалом конструкции. Несомненными преимуществами является простота производства, несложный ремонт двигателя, компактность и небольшой вес. Все это способствует улучшению управляемости машины, облегчает расположение трансмиссии.

Компактность мотора позволяет создать удобный и довольно просторный салон. Усовершенствованные модели двигателя способны развивать высокую мощность при достаточно экономном расходе топлива. К примеру, современный мотор при объеме 1300 см 3 обладает 220 л. с. Если оснастить двигатель Ванкеля турбокомпрессором, то можно получить мощность до 350 л. с. Еще одним достоинством конструкции является очень низкий уровень вибраций и шумов. Двигатель Ванкеля отличается механической уравновешенностью. Снижение уровня шумов и вибрации достигается небольшим количеством деталей (их на 40% меньше, чем в традиционных моторах). Стоит также отметить и динамические характеристики мотора. На низкой передаче без особенной нагрузки можно разогнать машину до 100 км/ч при высоких оборотах. В конструкции мотора отсутствует механизм, преобразовывающий возвратно-поступательное перемещение во вращательное. За счет этого двигатель Ванкеля может выдерживать большие обороты в сравнении с традиционными ДВС.

Завершение эйфории

В 1964-м вышел автомобиль NSU Spyder, а после него была выпущена легендарная модель Ro 80. И в настоящее время в мире достаточно много существует клубов любителей этих машин. Затем с конвейера сошли такие модели, как Corvette XP, Mercedes C-111, Citroen M35. Однако единственной компанией, которая занялась массовым производством, стала Mazda. С 1967 года она выпускала по 2-3 новых автомобиля с РПД. Двигатель Ванкеля ставили на легкие самолеты, снегоходы, катеры. В 1973 году наступил конец эйфории. В то время нефтяной кризис был в разгаре. Именно в этот период проявился основной недостаток РПД - неэкономичность. Кроме компании Mazda, все производители свернули программы по выпуску автомобилей с роторными двигателями. Однако только Mazda продолжала выпуск таких машин. У компании значительно сократились продажи в Америке.

Недостатки РПД: недолговечность и ненадежность

Наряду с достоинствами, роторные двигатели обладали и существенными минусами. В первую очередь, они были очень недолговечными. Так, одна из первых моделей РПД в ходе испытаний выработала весь ресурс за 2 часа. Более успешный прототип смог выдержать 100 часов. Однако это не обеспечивало нормальной эксплуатации машины. Главная проблема состояла в неравномерности износа внутренней поверхности камеры. В ходе работы на ней образовывались поперечные борозды. Они получили весьма красноречивое название: "метки дьявола". После получения лицензии компания Mazda сформировала специальный отдел, который занимался усовершенствованием мотора. Вскоре выяснилось, что в процессе вращения ротора заглушки, расположенные на его вершинах, начинают вибрировать. Из-за этого и появляются эти борозды. Сегодня проблема долговечности и надежности решена. Для этого в производстве используется высококачественное покрытие, в том числе и керамическое.

Высокая токсичность выхлопов

Это еще один недостаток РПД. В сравнении с традиционными моторами, двигатель Ванкеля выделяет меньшее количество окислов азота, но во много раз больше углеводородов, что обусловлено неполным сгоранием топлива. Инженеры Mazda достаточно быстро нашли эффективное решение проблемы. Специалисты создали "термальный реактор". В нем происходит "дожигание" углеводородов. Mazda R 100 стала первым автомобилем, в котором был применен этот элемент. В 1968 была выпущена еще одна модель с "термальным реактором" - Familia Presto Rotary. Это авто, одно из немногих, сразу прошло достаточно жесткую экологическую проверку, выдвинутую США в 1970-м для импортируемых ТС.

Экономичность

Это еще одна проблема РПД. Частично она вытекает из описанной выше. Расход топлива в стандартном РПД значительно выше, чем у ДВС. Эта проблема снова была решена специалистами Mazda. Внедрив комплекс мер, в числе которых переработка карбюратора и термореактора, добавление в выхлопную систему теплообменника, создание нового зажигания и разработка каталитического конвектора, инженеры добились снижения расхода на 40%. Это позволило выпустить в 1978 году модель RX-7.

Отечественное производство

Кроме компании Mazda, автомобили с РПД выпускал и "АвтоВАЗ". В 1974-м на заводе было сформировано специальное конструкторское бюро. В Тольятти началось строительство цехов для серийного выпуска РПД. В связи с тем, что первоначально предполагалось, что ВАЗ будет просто копировать западную технологию, было решено наладить воспроизводство двигателя Mazda. При этом совершенно не учитывались многолетние наработки отечественных институтов моторостроения.

Достаточно долго велись переговоры между Ванкелем и советскими чиновниками. Некоторые встречи проходили непосредственно в Москве. Денег, однако, было недостаточно, поэтому использовать некоторые технологии так и не удалось. В 1976-м был выпущен первый односекционный мотор ВАЗ-311. Его мощность составила 65 л. с. В течение последующих пяти лет проводилась доводка конструкции. После этого завод выпустил 50 опытных автомобилей с двигателем Ванкеля. Они мгновенно разошлись среди сотрудников предприятия. Однако вскоре выяснилось, что мотор в машинах только внешне был похож на японский. Конструкция его была крайне ненадежна. В течение полугода все двигатели были заменены, а штат конструкторского бюро был сокращен.

Однако отечественное производство мотора было спасено спецслужбами. Их не слишком беспокоил ресурс конструкции и расход топлива. Больше их привлекали динамические характеристики двигателя. В короткое время из двух моторов ВАЗ-311 был собран один двухсекционный. Его мощность увеличилась почти вдвое - до 120 л. с. Двигатель стали ставить на специальную единицу - ВАЗ-21019. Эта модель получила неофициальное наименование "Аркан".

Перепрофилирование

Спецзаказы вдохнули вторую жизнь в конструкторское бюро. На ВАЗе стали выпускать двигатели для авто- и водного спорта. Машины стали часто завоевывать первые места. Спортивные чиновники, в свою очередь, были вынуждены запретить использование РПД. В 1987 на смену Поспелову (руководителю конструкторского бюро) пришел Шнякин. Он недолюбливал наземный транспорт, тяготея больше к авиации. С начала его руководства СКБ перепрофилировало свою деятельность на выпуск двигателей для воздушных машин. Это была неверная стратегия, поскольку самолетов в стране выпускается намного меньше, чем автомобилей. Завод же получал прибыль преимущественно с продажи автомоторов.

Следующей ошибкой стала переориентация на маломощные двигатели. Японцы устанавливают РПД на спортивные машины. А ВАЗ выпускал мололитражные модели "Ока", несмотря на то что динамичные моторы целесообразнее было бы ставить на более быстроходные авто. Так или иначе, на отечественных дорогах оказалось несколько микролитражек "Ока" с РПД. К 1998 году, наконец, завершилась подготовка гражданского варианта двухцилиндрового 1.3-литрового роторного мотора. Его устанавливали на модели ВАЗ 2107-2109 и 2105.

В заключение

Почему же ведущие производители мира все еще не перешли окончательно на выпуск машин с РПД? Дело в том, что для изготовления таких моторов необходима, в первую очередь, очень точная технология, включающая в себя множество разнообразных нюансов. Не каждая, даже крупная компания, может пойти по пути Mazda. Кроме того, дело в оборудовании. Для выпуска двигателя Ванкеля необходимы высокоточные станки для вытачивания поверхностей с эпитрохоидой. Для оборудования, которое используется сегодня на заводах, такая работа вполне выполнима. Сегодня серьезными исследованиями РПД занимается только Mazda. Инженеры компании постоянно совершенствуют конструкцию, решают множество различных проблем. Выпускаемые в Японии роторные двигатели соответствуют принятым в мире стандартам по надежности, расходу топлива и экологичности.

Характеристика роторного двигателя, его плюсы и минусы

7

Сравнивая два вида мотора, роторный и поршневой, очевидным является тот факт, что первый из них имеет преимущества. Простая конструкция, работа на максимальных оборотах без перегрева и значительных потерь, а также фактически отсутствие вибрации — заставляют некоторых любителей “сложных ДВС” обратить внимание на этот агрегат. Хоть широкого распространения он не получил, но все также интересует механиков, в силу своей специфики работы и строения. Для того, чтобы самостоятельно попытаться освоить “азы” строения двигателя, нужно узнать что такое роторный двигатель и по какому принципу он приводится в действие.

Что такое роторный двигатель

Ротор — это “сердце” теплового агрегата, отсюда и название ДВС — роторный. Этим же рабочим элементом он приводится в действие. Основная отличительная техническая характеристика основывается на отсутствии возвратно-поступательных движений. Промежуточный этап полностью исключен, быстрее преобразуется энергия в двигателе, выходит на максимальное значение КПД. Но, в силу своих недостатков, “движок” так и не стал пользоваться спросом.

Устройство и структура роторного двигателя

Изобретение являет собой эллипсоид, внутри полого корпуса размещается насаженный на вал ротор. Лопасти ротора при вращении взаимодействуют с краями корпуса, в котором он размещен. Обычно их количество может составлять 1,2, или 3, хотя наиболее часто устанавливается 2 треугольника Рело. Давлением газа и центробежных сил пластины, создается полная герметизация камеры, за счет их прижимания к внутренней части конструкции. Таким образом, строение РПД позволяет работать без наличия дополнительных узлов и деталей — в нем отсутствуют коленвал, шатуны, противовесы, а также газораспределительная система. ГРС заменяют впускные и выпускные просеки, и сам ротор, поочередно открывающий и закрывающий эти просеки.

Принцип работы роторного двигателя

Роторный ДВС имеет простой принцип работы, который основывается на высоких оборотах. Ротор вращается внутри овального корпуса. При рабочем цикле создаются по окружности статора свободные полости, в которых и запускается двигатель. Приводится в действие движок посредством впускных/выпускных окон в боковых корпусах. В результате чего, ротор, вращаясь, открывает и закрывает их соответственно.  Почему-то все сдвигают плечами и не могут понять, почему же казалось-бы такое простое строение не оправдало ожиданий и уступило дорогу поршневому движку? Если рабочий цикл состоит из постоянных преобразований по принципу:

  • впрыска топлива,
  • сжатия,
  • рабочего такта,
  • выпуска газа.

Инженеры настаивают на том, чтобы все-таки дать этому мотору вторую жизнь, усовершенствовать его и запустить в обиход.

Плюсы и минусы

Чтобы уяснить, почему же агрегат не стал популярным в силу всех своих “за” по мнению механиков, рассмотрим плюсы и минусы роторного двигателя. К преимуществам конструкции относят:

  • Мотор подвергается гораздо меньшей нагрузке на высоких оборотах.
  • Сбалансированность обеспечивает низкий уровень вибрации.
  • Имеет меньше деталей и узлов.
  • Он легче, компактнее, его габариты намного меньше.
  • Имеет практически идеальное распределение веса по осям, что делает автомобиль более устойчивым.

Тем не менее, отмечается и ряд существенных недостатков:

  • Низкие обороты “сжирают топливо по секундно”, слишком высокий расход.
  • Дороговизна деталей.
  • Большой расход и частая замена смазки.
  • Перегрев, как основная беда ДВС. В итоге ломается цилиндр. Такая частая поломка обусловлена конструкционными особенностями.
  • Форма камер не позволяет топливу сгорать полностью, и газы поступают на выхлоп. Поэтому силовая установка считается менее экологичной.

Теперь не остается сомнений, что все преимущества роторного двигателя не могут покрыть существенные минусы установки.

Система смазки и питания роторного двигателя

Подача масла осуществляется под давлением к основным движущимся деталям. Система смазки работает следующим образом:

  • Масляный насос всасывает масло из масляного бака.
  • Через маслопровод и форсунки масло подается в замкнутый контур воздушного охлаждения.
  • Масло попадает в рабочую полость, совмещается с тепловоздушной смесью, чем обеспечивает смазку узлов и механизмов, и сгорает вместе с ней.

Система питания включается после того, как стартер обеспечит устойчивость жидкостного кольца в барабане. Это происходит так:

  • При вращении ротора его торцевые радиальные выступы отсекают порции топливной смеси или воздуха.
  • Сжатые порции топливной смеси или воздуха поступают в камеры сгорания.

Зажигание топливной смеси происходит по-разному, это зависит от используемого принципа смесеобразования.

Где используется

Испытания проводились немцами. В 1957 году инженеры Германии Феликс Венкель и Вальтер Фройде выпустили этот агрегат на обозрение, как “рабочую единицу”. Спустя семь лет, этот мощный двигатель был под капотом спорткара “Спайдер”. Новинку естественно “начали есть все автопроизводители”, в частности: “Мерседес-Бенц”, “Ситроен” и прочие. Даже Ваз испытывал ДВС Ванкеля. Но, единственный кто все-таки решился на серийное производство — это “Мазда”, она же и стала последней точкой в выпуске этого устройства. На сегодня практикуется мелкосерийное производство для мотоциклов. Но, роторный движок это идеальный вариант для гоночной машины и спорткара, а не обычной тюнингованной “Дженерал Моторс”.

Возможные проблемы и неисправности роторного двигателя

Некоторые особенности строения силовой установки влияют на возникновение неисправностей двигателя:

  • Линзовидная форма имеет прямое воздействие на цилиндр. В результате работы появляется перегрев из-за сгорающего топлива в камере и преобразования в тепло. Цилиндр работает на износ, приходит в негодность.
  • Быстрому изнашиванию поддаются и уплотнители. Находящиеся между форсунками прокладки поддаются высоким перепадам давления в камерах сгорания. Только капремонт силового агрегата могут исправить эту проблему.
  • Вся установка в целом и ее отдельные части могут часто выходить из строя, если не проводить своевременно смену масла.

Узлы и агрегаты двигателя

Учитывая все особенности работы роторного двигателя, следует более ответственно подходить к его обслуживанию, своевременно проводить техобслуживание и ремонт. Хотя на данный момент серийное производство автомобилей с роторным двигателем не налажено, разработчики не собираются расставаться с этой идеей. Силовые установки постоянно совершенствуются, поэтому пока еще рано списывать его со счетов.

Роторный двигатель Mazda | Преимущества и информация

Роторный двигатель: главный продукт Mazda's Heritage

Большинство двигателей внутреннего сгорания, которые вы видите сегодня на дорогах, построены на стандартных принципах поршневых двигателей. Однако это не единственный двигатель внутреннего сгорания. Роторный двигатель, часто называемый двигателем Ванкеля в честь его изобретателя, доктора Феликса Ванкеля, является мощной альтернативой поршневому двигателю и важной частью фирменного наследия Mazda в области технических характеристик.

Как это работает

Роторный двигатель работает по тому же основному принципу, что и поршневой двигатель: сгорание в силовой установке высвобождает энергию для приведения в действие транспортного средства. Однако система подачи в роторном двигателе полностью уникальна.

Поршневой двигатель выполняет четыре ключевые операции: впуск, сжатие, сгорание и выпуск. Роторный двигатель также выполняет каждую из этих ключевых операций, но делает это совершенно уникальным образом. В случае роторного двигателя каждый из этих ключевых процессов обрабатывается отдельной секцией корпуса силовой установки.

Детали роторного двигателя

Роторный двигатель состоит из нескольких ключевых компонентов. Когда вы сами увидите роторный двигатель, станет ясно, насколько он отличается от обычного поршневого двигателя.

  • Ротор : три выпуклые поверхности ротора действуют аналогично поршню, но ротор подвижен, перемещаясь по пути через систему подачи корпуса двигателя.
  • Корпус : Корпус имеет овальную форму и состоит из нескольких частей, отвечающих за впуск, сжатие, сгорание и выпуск.
  • Выходной вал : Этот длинный цилиндрический инструмент построен со смещением относительно центральной линии вала. Каждый из роторов двигателя помещается над выступами выходного вала, чтобы заставить его вращаться. Величина вращения, выполняемая этими лопастями, определяет крутящий момент величиной силы, прикладываемой к ним роторами.

Гордые традиции

Mazda зарекомендовала себя в 1960-х и 1970-х годах как ведущий новатор, когда дело дошло до сложной разработки роторного двигателя.Новаторская традиция Mazda вошла в историю благодаря ряду популярных моделей с роторным двигателем, в том числе Mazda RX-7, которая поступила в продажу еще в 1978 году.

В то время как Mazda прекратила продажу RX-7 еще в 1995 году, нынешние разработчики и инженеры Mazda осознали уникальные возможности роторного двигателя. Радуйтесь возрождению роторного двигателя инженерами Mazda в ближайшие несколько лет!

Двигатель внутреннего сгорания - Energy Education

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) являются наиболее распространенной формой тепловых двигателей, поскольку они используются в транспортных средствах, лодках, кораблях, самолетах и ​​поездах.Они названы так потому, что топливо воспламеняется для выполнения работы внутри двигателя. [1] В качестве выхлопных газов выбрасывается та же смесь топлива и воздуха. Это можно сделать с помощью поршня (так называемого поршневого двигателя) или турбины.

Закон идеального газа

Тепловые двигатели внутреннего сгорания работают по принципу закона идеального газа: [math] pV = nRT [/ math]. Повышение температуры газа увеличивает давление, которое заставляет газ расширяться. [1] Двигатель внутреннего сгорания имеет камеру, в которую добавлено топливо, которое воспламеняется для повышения температуры газа.

Когда в систему добавляется тепло, это заставляет внутренний газ расширяться. В поршневом двигателе это заставляет поршень подниматься (см. Рисунок 2), а в газовой турбине горячий воздух нагнетается в камеру турбины, вращая турбину (рисунок 1). Присоединяя поршень или турбину к распределительному валу, двигатель может преобразовывать часть энергии, поступающей в систему, в полезную работу. [2] Для сжатия поршня в двигателе прерывистого внутреннего сгорания двигатель выпускает газ.Затем используется радиатор, чтобы система работала при постоянной температуре. Газовая турбина, которая использует непрерывное горение, просто выбрасывает свой газ непрерывно, а не по циклу.

Поршни и турбины

Рисунок 1. Схема газотурбинного двигателя. [3]

Двигатель, в котором используется поршень , называется двигателем внутреннего сгорания прерывистого действия , тогда как двигатель, в котором используется турбина , называется двигателем непрерывного внутреннего сгорания .Разница в механике очевидна из-за названий, но разница в использовании менее очевидна.

Поршневой двигатель чрезвычайно отзывчив по сравнению с турбиной, а также более экономичен при низкой мощности. Это делает их идеальными для использования в транспортных средствах, так как они также запускаются быстрее. И наоборот, турбина имеет превосходное отношение мощности к массе по сравнению с поршневым двигателем, а ее конструкция более надежна для продолжительной работы с высокой выходной мощностью. Турбина также работает лучше, чем поршневой двигатель без наддува, на больших высотах и ​​при низких температурах.Его легкий вес, надежность и возможность работы на большой высоте делают турбины предпочтительным двигателем для самолетов. Турбины также широко используются на электростанциях для выработки электроэнергии.

Двигатель четырехтактный

главная
Рис. 2. 4-х тактный двигатель внутреннего сгорания. 1: впрыск топлива, 2: зажигание, 3: расширение (работа сделана), 4: выхлоп. [4]

Хотя существует множество типов двигателей внутреннего сгорания, четырехтактный поршневой двигатель (рис. 2) является одним из самых распространенных.Он используется в различных автомобилях (которые, в частности, используют бензин в качестве топлива), таких как автомобили, грузовики и некоторые мотоциклы. Четырехтактный двигатель обеспечивает один рабочий ход на каждые два цикла поршня. Справа есть анимация четырехтактного двигателя и дальнейшее объяснение процесса ниже.

  1. Топливо впрыскивается в камеру.
  2. Загорается топливо (в дизельном двигателе это происходит иначе, чем в бензиновом).
  3. Этот огонь толкает поршень, что является полезным движением.
  4. Отходы химикатов, по объему (или массе) это в основном водяной пар и двуокись углерода. Могут быть загрязнители, а также окись углерода от неполного сгорания.

Двухтактный двигатель

главная
Рис. 3. 2-тактный двигатель внутреннего сгорания [5]

Как следует из названия, системе требуется всего два движения поршня для выработки энергии. Основным отличительным фактором, который позволяет двухтактному двигателю работать только с двумя движениями поршня, является то, что выпуск и впуск газа происходят одновременно, [6] , как показано на рисунке 3.Сам поршень используется в качестве клапана системы вместе с коленчатым валом для направления потока газов. Кроме того, из-за частого контакта с движущимися компонентами топливо смешивается с маслом для добавления смазки, что обеспечивает более плавный ход. В целом двухтактный двигатель содержит два процесса:

  1. Воздушно-топливная смесь добавляется и поршень движется вверх (сжатие). Впускной канал открывается из-за положения поршня, и топливовоздушная смесь поступает в удерживающую камеру.Свеча зажигания воспламеняет сжатое топливо и начинает рабочий такт.
  2. Нагретый газ оказывает высокое давление на поршень, поршень движется вниз (расширение), отходящее тепло отводится.

Роторный двигатель (Ванкеля)

главная
Рисунок 4. Цикл роторного двигателя. Он всасывает воздух / топливо, сжимает его, воспламеняется, обеспечивая полезную работу, а затем выпускает газ. [7]

В двигателе этого типа имеется ротор (внутренний круг обозначен буквой «B» на рисунке 4), который заключен в корпус овальной формы.Он выполняет стандартные этапы четырехтактного цикла (впуск, сжатие, зажигание, выпуск), однако эти этапы выполняются 3 раза за один оборот ротора , создавая три такта мощности за один оборот .

Для дальнейшего чтения

Список литературы

  1. 1.0 1.1 Р. Д. Найт, «Тепловые двигатели и холодильники» в журнале Физика для ученых и инженеров: стратегический подход, 3-е изд. Сан-Франциско, США: Pearson Addison-Wesley, 2008, гл.19, сек 2, с. 530
  2. ↑ Р. А. Хинрихс и М. Кляйнбах, «Тепло и работа», в Энергия: ее использование и окружающая среда , 5-е изд. Торонто, Онтарио. Канада: Брукс / Коул, 2013, глава 4, стр.93-122
  3. ↑ Wikimedia Commons [Online], доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4c/Jet_engine.svg
  4. ↑ Wikimedia Commons [Online], доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/dc/4StrokeEngine_Ortho_3D_Small.gif
  5. ↑ "Файл: Двухтактный двигатель.gif - Wikimedia Commons ", Commons.wikimedia.org, 2018. [Online]. Доступно: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Two-Stroke_Engine.gif.[ Доступно: 17 мая 2018 г.].
  6. ↑ С. Ву, Термодинамика и тепловые циклы. Нью-Йорк: Nova Science Publishers, 2007.
  7. ↑ Wikimedia Commons [Online], доступно: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fc/Wankel_Cycle_anim_en.gif

Произошла ошибка: SQLSTATE [42S22]: Столбец не найден: 1054 Неизвестный столбец «rev_user» в «списке полей»

Как работает роторный двигатель?

► Как работает двигатель Ванкеля
► Чем они отличаются от 4-тактного
► Почему они возвращаются

Подобно более обычным бензиновым двигателям, роторный двигатель использует топливо, воспламеняемое искрой для выработки энергии, но, помимо этого, он во многом отличается от обычного автомобильного двигателя; в первую очередь, как он берет расширяющиеся газы и тепло сгорания и превращает их в движение, чтобы толкать вашу машину.

Как работает роторный двигатель?

В нормальном двигателе сгорание действует на набор поршней, которые производят линейное движение внутри цилиндров двигателя. Поршни поднимаются и опускаются, как ноги велосипедиста-толкателя, и прикреплены к коленчатому валу, который является компонентом, преобразующим это движение вверх и вниз в круговое движение, приводящее в движение колеса.

В роторном двигателе все основные внутренние компоненты вращаются в основном круговыми движениями, поэтому это более простой и эффективный способ передачи энергии от сжигания бензина до вращения колес.Таким образом, у роторного механизма меньше движущихся частей, он меньше, легче и мощнее для своей вместимости.

В то время как Mazda, без сомнения, является чемпионом по роторным двигателям, японский бренд - не единственный производитель, который баловался этой идеей.

Также, как и в обычных поршневых двигателях, роторный двигатель может быть продублирован для увеличения мощности и мощности. Большинство роторных моделей было «сдвоенным» ротором, но Mazda создала версии с тремя и четырьмя роторами.

Однако, как и следовало ожидать, у этой гениальной идеи есть недостатки.

Запечатанная судьба

Во-первых, специальные уплотнения (их можно услышать, называемые торцевыми, концевыми или верхними уплотнениями), которые помогают создавать сжатие, необходимое для горения, подвержены износу. Когда это происходит, роторные двигатели начинают терять мощность и также могут сжигать масло. Замена уплотнителей - большая работа.

Выбросы и экономика

В то время как характеристики мощности роторного двигателя очень хороши, они не так хороши, когда дело доходит до экономии топлива, и влияние на выбросы также отрицательно.Турбонаддув и каталитические нейтрализаторы в последних разработках помогли в определенной степени, но не настолько, чтобы сохранить принцип с сегодняшними строгими правилами.

Абсолютная мощность

Несмотря на то, что роторный двигатель со свободными оборотами делает автомобили, приводимые в движение им, увлекательными и увлекательными, это достигается за счет низкой мощности и особенно крутящего момента. Эта уникальная производительность ограничивает двигатель для конкретных применений и в основном для спортивных автомобилей.

Многие автопроизводители возились с роторными двигателями, но только Mazda начала их массовое производство.А когда это произошло в 1960-х и 70-х годах, низкая надежность роторного двигателя чуть не поставила компанию на колени. Но современные технологии и материалы означают, что у роторного двигателя может быть будущее, и если вы когда-либо ездили на нем, вы поймете, насколько они восхитительно плавные и полные характера.

Что дальше?

С тех пор, как Mazda прекратила выпуск RX-8 в 2012 году, автомобили с роторным двигателем не были доступны в течение долгого времени, похоже, что так и останется из-за присущих роторным конструктивным недостаткам.

Однако Mazda недавно подтвердила, что возродит культовый роторный двигатель и что она нашла способы решить свои инженерные задачи.

Детали все еще очень легкие, и модель, знаменующая возрождение, еще не объявлена, но вы, возможно, снова сможете путешествовать с помощью этого необычного силового агрегата.

Математическое моделирование поршневого двигателя, роторного двигателя Сореньи и роторного двигателя Ванкеля

В этом документе дается объяснение геометрии, конструкции и принципов работы трех двигателей; Особое внимание уделяется роторному двигателю Сореньи, который имеет деформирующий ромб, вращающийся внутри статора, имеющего математическую форму.Было выполнено базовое идеальное математическое моделирование этих двигателей, предполагая цикл Отто для трех двигателей. Кроме того, он предполагает 100% объемный КПД, полностью открытый дроссель (WOT), отсутствие детонации, механических или тепловых потерь. Эта симуляция фокусируется на том, как топливо сгорает во время сгорания, создавая давление и, следовательно, чистую работу. Проведено сравнение следов давления и характеристик цикла. Исследование завершается анализом и сравнением опережения зажигания; поиск наилучшего продвижения для каждого двигателя, таким образом, сеть между тремя двигателями в течение одного рабочего цикла.Наконец, в этой статье анализируется, как различный коэффициент изменения объема для камеры сгорания Сореньи, Ванкеля и поршневого двигателя влияет на давление, чистую работу и тепловой КПД, генерируемые внутри камеры во время сгорания для каждого рабочего цикла.

1 Введение

Роторные двигатели

за прошедшие годы претерпели множество различных конструкций. Самый успешный из них, двигатель Ванкеля, достиг производительности, но у него были другие проблемы, такие как высокие выбросы углеводородов, повышенный расход масла и топлива, более дорогие производственные затраты и ограниченная топливная гибкость [1].По этой причине они не получили такого развития, как поршневые двигатели. В 2004 году Питер Сореньи вместе со своим партнером Питером Кингом получил патент на двигатель внутреннего сгорания с шарнирным ротором. Двигатель Сореньи может иметь некоторые преимущества перед роторным двигателем Ванкеля и поршневым двигателем [2].

В этой статье исследуется потенциал двигателя Сореньи по сравнению с существующим роторным двигателем Ванкеля и поршневым двигателем. В результате будут определены преимущества и недостатки двигателя Сореньи перед поршневым двигателем и роторным двигателем Ванкеля.

Путем запуска серии базовых симуляций сгорания топлива при разных углах опережения и одинаковой угловой скорости. Их давление, объемы, сетка и термический КПД будут сравниваться при одинаковых рабочих условиях. Также предполагаются оптимальные условия: без учета самовоспламенения, тепловых, механических потерь и потерь на трение. Следовательно, различия в том, как изменяется объем, будут влиять на степень изменения давления и чистую работу, полученную от них в течение цикла.

2 Фон

Поршневые двигатели состоят из поршня внутри цилиндра для создания переменного давления и объема [3]. Но это не единственные двигатели внутреннего сгорания. Роторные двигатели являются промежуточным звеном между поршневыми двигателями и турбинами. Роторные двигатели образуют «множество камер переменного объема» между ротором и внешней частью, известной как статор [4]. К сожалению, роторные двигатели имеют ряд недостатков, таких как более высокий расход топлива и выбросы.Кроме того, они являются менее гибкими в отношении топлива двигателями, имеющими герметичность, срок службы, недостатки степени сжатия и более длинный путь распространения пламени и другие эффекты сгорания, которые делают сгорание нестабильным [5–8].

2.1 Роторные двигатели

2.1.1 Двигатель Ванкеля

Двигатель Ванкеля - роторный двигатель, наиболее успешная разновидность которого имеет ротор треугольной формы. Этот ротор «совершает планетарное вращательное движение относительно внешнего корпуса» [4]. Это движение создается планетарной зубчатой ​​передачей на боковой пластине для поддержания правильной фазы между вращением ротора и эксцентрикового вала, но при этом возникают неуравновешенные силы.Эти силы можно нейтрализовать, просто добавив балансировочные грузы для уравновешивания ротора [7, 8]. Он также заставляет ротор вращаться со скоростью две трети угловой скорости кривошипа, что означает, что он производит три рабочих хода на каждые два оборота коленчатого вала [5, 7–9]. Наконец, дыхание осуществляется через отверстия, которые могут находиться на лицевой стороне статора или по бокам корпуса [5, 9, 10].

2.1.1.1 Геометрия двигателя Ванкеля

Двигатель Ванкеля имеет эпитрохоидный статор, в котором вращается ротор.(1) и (2) определяют координаты по осям X и Y статора, показанного на рис. 1. Кроме того, они использовались для определения объема одной камеры в любой момент времени [7, 11, 12].

Икс знак равно е ⋅ потому что 3 β + р ш ⋅ потому что β (1)

Y знак равно е ⋅ грех 3 β + р ш ⋅ грех β (2)

2.1.2 Двигатель Сореньи

Двигатель Szorenyi имеет четырехсегментный шарнирный роторный узел, который во время вращения деформируется и непрерывно адаптируется к профилю статора, изменяясь от квадрата к ромбу и обратно. Таким образом, Сореньи - роторный двигатель с четырьмя камерами сгорания [2, 13]. Поскольку зацепления нет, он имеет четыре такта на оборот коленчатого вала. Таким образом, один ротор двигателя Сореньи производит такое же количество рабочих ходов, что и поршневой четырехтактный двигатель с восемью цилиндрами [2, 13].Следовательно, двигатель Сореньи должен иметь более высокую выходную мощность при более низких оборотах и ​​меньшую механическую сложность [13].

2.1.2.1 Геометрия Сореньи

Кривая статора, запатентованная как кривая Сореньи, определяется прямым равнобедренным треугольником, как показано на рис. 2 [6]. Он «образован крайними точками основания A и B равнобедренного прямого угла, перемещающегося и одновременно вращающегося треугольника» [2]. В настоящей статье на рис. 1 показан угол, используемый для получения координат x и y профиля статора.Угол поворота коленчатого вала двигателя Сореньи, используемый в этой статье, определяется как угол между положительной вертикальной осью и центром сегмента ротора. Используя обозначения на рис. 1, (3) и (4) определите все точки на кривой статора в декартовых координатах [13]. Тогда можно найти объем в любой момент времени, используя ту же базовую концепцию, что и в объеме двигателя Ванкеля [7].

Рис.2

Схема построения кривой двигателя

Сореньи

Икс А знак равно 1 2 { c 2 - s я п 2 2 θ - грех 2 θ } { грех θ - потому что θ } (3)

Y А знак равно 1 2 { c 2 - s я п 2 2 θ - грех 2 θ } { 1 - 2 грех 2 θ грех θ + потому что θ } (4)

3 Метод

3.1 Тепловое моделирование

Для целей настоящего моделирования общий объем камеры для трех двигателей был определен на 125 куб. Объемы на нескольких этапах были рассчитаны и проверены с помощью программного обеспечения САПР. Моделирование было выполнено с помощью электронной таблицы для расчета объема камеры, сожженной фракции топлива, давления и температуры конечного газа в любое время. В расчетах использовались общие и конкретные параметры для каждого двигателя, чтобы получить чистую выходную мощность за цикл камеры трех двигателей в эквивалентных условиях.Эти параметры описаны в таблице 1 для моделирования двигателей [9, 10, 14–20].

Таблица 1

Предположения сделаны для всех двигателей

Величина Шт.
CR 10: 1
A / F смесь 14,7: 1
п o 101325 Па
T o 293 К
R ВОЗДУХ 287.06 Дж / (° К-моль)
Q LHV 44 МДж
к 1,3
X d 0,9933
м 2
ρ ВОЗДУХ 1.204 кг / м 3
R 8,3145 Дж / (° К-моль)
С В 27,715 Дж / (° К-моль)
м ВОЗДУХ 0,0001505 кг
м F 1.02388E-5 кг
С 5
Отношение ход / диаметр 3.3
л 0,1276 м
a 0,058 м
Соотношение шатун / рычаг коленчатого вала 1,1
Вт R 0,105 кв.м.
e 0,015 кв.м.
Глубинный сегмент Ванкеля 1.37 см
ω 4,2
Соренный сегмент глубина 3,514 см
Масштабный коэффициент Сореньи 1,85

Из-за ограниченного объема данной статьи, следует отметить, что настоящее моделирование не учитывает насос, тепло, механические потери, детонацию, а также их различную эффективность.

Примечание : Та же самая степень сжатия может быть достигнута с использованием другого значения ω путем удаления или добавления материала на поверхность ротора. Целью данной работы не является определение оптимального значения «ω». Хотя это повлияет на объемную историю камеры сгорания. Объем данной статьи не распространяется на оптимизацию значения «ω». Изменяя значение «ω», можно оптимизировать объемную историю камеры, и это может привести к другим результатам для двигателя Сореньи, чем те, которые представлены в документе.

3.2 Камера сгорания двигателей

Для роторных двигателей Сореньи и Ванкеля моделировалась только одна камера для каждого двигателя. При моделировании двигателя определяется объем камеры сгорания в любой момент рабочего цикла. Затем определялись точки контакта сегмента ротора со статором в любой момент времени. После этого рассчитывался объем между ротором и статором в любой момент времени. Полученная площадь умножалась на глубину ротора и масштабный коэффициент для определения рабочего объема [7].

Для роторного двигателя Сореньи, чтобы моделирование было как можно более простым, значение ’ω’, показанное в (3) и (4), было изменено до достижения желаемой степени сжатия. Чтобы проверить геометрию, координаты, сгенерированные при математическом моделировании, были экспортированы в программное обеспечение САПР, как показано на рис. 3. Кроме того, на рис. 3 показана концепция расчета площади проекции рабочей камеры роторного двигателя Сореньи.

Рис.3

Szorenyi Площадь поперечного сечения камеры двигателя при 0, 30, 60 и 90 градусах угла поворота коленчатого вала.

Для роторного двигателя Ванкеля, чтобы получить желаемую степень сжатия, поверхность ротора дополнительно модифицируется за счет образования расчетной полости ротора, что уменьшает объем в камерах. Таким образом, увеличивая степень сжатия до желаемого значения [17].

Как и в двигателе Сореньи, в роторном двигателе Ванкеля было уделено особое внимание тому, чтобы в любой момент определить зону между ротором и статором, как показано на рис.4 [7].

Рис.4

Площадь поперечного сечения камеры двигателя Ванкеля при различных положениях ротора, соответствующих каждые 45 градусов поворота коленчатого вала

Аналогичным образом, объем цилиндра при любом угле поворота коленчатого вала был рассчитан для поршневого двигателя [10].

3.2.1 Сожженная топливная фракция - функция Вибе

Для создания точной модели двигателя, которая определяет температуру и давление во время рабочего такта, важно знать, сколько топлива сжигается внутри камеры сгорания.Функция Вибе используется для определения этого основного параметра, как показано в (5) [9, 10, 20–23].

Икс б знак равно 1 - е Икс п [ - C ( θ - θ 0 Δ θ ) м + 1 ] ; C знак равно пер ( 1 - Икс d ) (5)

Все три двигателя вращаются с одинаковой скоростью, но их конструкция вынуждает их иметь циклы сгорания с разной продолжительностью .Чтобы сравнить сгорание всех трех двигателей эквивалентным способом, массовая доля сожженного топлива mfb, которая представляет собой топливо, сожженное с момента возникновения искры, сравнивалась с процентом периода сгорания, как показано на рис. Можно видеть, что поршневые двигатели и двигатели Ванкеля имеют очень похожую Mfb, если сравнивать ее с процентом сгорания. А у двигателя Сореньи кривая немного ниже, а это значит, что топливо сгорает медленнее в начале и быстрее в конце.Это повлияет на то, как создается давление в камере сгорания.

Рис.5

Доля топлива, сожженная при сгорании

3.3 Определение изменения давления

Постепенное изменение давления в камере сгорания получается на основе закона идеального газа, первого закона термодинамики, закона Майера, отношения удельных теплоемкостей и уравнения тепловыделения [10, 15, 24].Результирующий прирост давления можно выразить в виде (6) [15, 23].

d п знак равно Q L ЧАС V * м ж * d Икс б * ( k - 1 ) - k * п о * d V V (6)

3.4 Определение работы и термический КПД

Результирующие данные моделирования, основанные на диаграмме P-V, и при условии, что величина трения равна нулю, позволяет определить чистую работу, выполненную за цикл [10].

Тепло не может быть полностью преобразовано в работу [24]. Поэтому был рассчитан тепловой КПД, чтобы показать, насколько эффективен двигатель в преобразовании подводимого тепла в механическую работу [10].

4 Результаты и обсуждение

Настоящее исследование и моделирование процессов горения основано на параметрах, представленных ранее в Таблице 1.Для определения наилучшего опережения зажигания было проведено несколько симуляций с использованием термодинамической модели на основе Вибе. Лучшее опережение зажигания - это то, которое обеспечивает максимальную чистую работу для каждого двигателя.

Модель учитывает только положительную чистую работу, создаваемую двигателем. Не учитывает отрицательную работу впуска и выпуска. Предполагается, что дроссельная заслонка полностью открыта.

4.1 Смещенный объем

Что касается положения коленчатого вала, объем камеры сгорания двигателя Сореньи, роторного двигателя Ванкеля и поршневого двигателя различен на протяжении рабочего цикла.История объема всех из них сравнивалась во время фазы сжатия, как показано на рис. 6.

Рис.6

Объем в% от фазы сжатия

Рис. 6 показывает, что двигатель Сореньи имеет самую медленную и лучшую скорость изменения объема около ВМТ и самую быструю около НМТ. Более медленная скорость изменения около ВМТ ближе к идеальному циклу Отто, поскольку она обеспечивает более стабильный объем для сгорания.Следовательно, сжигается более высокая массовая доля топлива.

4.2 Чистая работа

Чистая пиковая выходная мощность по отношению к моменту зажигания показана на рис. 7.

Рис.7

Вариация сети, производимой двигателем Сореньи, двигателем Ванкеля и поршневым двигателем при разном опережении зажигания

Следовательно, на рис. 7 видно, что чистая работа роторного двигателя Сореньи является наибольшей за рабочий цикл, за ним следует роторный двигатель Ванкеля и, наконец, поршневой двигатель, как показано в таблице 2.

Таблица 2

Сравнение чистой работы двигателей

Чистая работа Вт чистая [Дж]
Сорень 213,859
Ванкель 213.043
поршневой 212,876

P-V-диаграммы трех двигателей при их оптимальном опережении зажигания показаны на рис.8. Это приводит к самому высокому максимальному давлению для двигателя Сореньи, за которым следует двигатель Ванкеля. И максимальное давление, и работа выше, чем у поршневого двигателя.

Замкнутые области диаграммы P-V были вычислены с результатом, что двигатель Ванкеля в идеале производит на 0,10% больше чистой работы за цикл, чем двигатель с возвратно-поступательным движением. Кроме того, двигатель Сореньи в идеале производит на 0,462% больше работы за цикл, чем эквивалентный поршневой двигатель.

Рис.8

Сравнение диаграмм P-V двигателей Сореньи, Ванкеля и поршневого двигателя

Кроме того, на рис. 9 верхнее давление двигателя Ванкеля на 4,58% выше, чем у поршневого двигателя, а у двигателя Сореньи на 5,515% выше, чем у такого же поршневого двигателя. Это приводит к более высокой идеальной чистой работе за цикл для двигателя Сореньи, за которым следует двигатель Ванкеля, и наименьшая чистая работа за цикл производится поршневым двигателем.

Рис.9

Сравнение давления в полном цикле двигателей Сореньи, Ванкеля и поршневых двигателей

4.3 Тепловой КПД

Тепловой КПД рассчитан для двигателей Сореньи, Ванкеля и поршневого двигателя. Результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3

Сравнение эффективности преобразования топлива между двигателями Сореньи, Ванкеля и поршневыми двигателями

n f
Сорень 0.474707
Ванкель 0,472900
поршневой 0,472524

Из таблицы 3 видно, что при одинаковых условиях работы двигатель Ванкеля имеет тепловой КПД на 0,079% выше, чем поршневой двигатель. Кроме того, двигатель Сореньи имеет тепловой КПД на 0,462% выше, чем тот же поршневой двигатель.

4.4 Мощность

Мощность является функцией времени и крутящего момента, поэтому для одной камеры каждого двигателя, и три двигателя, вращающиеся с одинаковой скоростью на коленчатом валу, 3000 об / мин, будут иметь разные изменения камеры. Поэтому в таблице 4 указана идеальная выходная мощность для каждого двигателя при одинаковой частоте вращения коленчатого вала.

Таблица 4

Сравнение выходной мощности одной камеры двигателей Сореньи, Ванкеля и поршневого двигателя

Мощность (Вт)
Сорень 7128.6
Ванкель 4734,2
поршневой 3547,9

5 Выводы

В результате математического моделирования установлено, что:

  1. -

    Двигатель Сореньи более чувствителен к изменениям опережения зажигания относительно угла поворота коленчатого вала, чем поршневой двигатель, и имеет большее влияние на производимую чистую работу.

  2. -

    Двигатель Сореньи имеет более короткое вращение коленчатого вала при сгорании, чем поршневые двигатели и двигатели Ванкеля. Следовательно, он должен иметь меньшее опережение зажигания, чем поршневой двигатель и двигатель Ванкеля по отношению к коленчатому валу.

  3. -

    Чистая работа за цикл, производимая двигателем Ванкеля, на 0,079% выше, чем у поршневого двигателя. Кроме того, роторный двигатель Szorenyi на 0,462% выше поршневого двигателя при том же смещенном объеме.

  4. -

    Двигатель Сореньи имеет самую высокую полезную работу за цикл и, следовательно, самый высокий тепловой КПД, как показано в Таблице 2 и 3. За чистой работой и тепловым КПД двигателя Сореньи следует двигатель Ванкеля и, наконец, поршневой двигатель имеет самая низкая чистая работа за цикл.

  5. -

    У двигателя Szorenyi более высокая выходная мощность на 100,90% выше, чем у поршневого двигателя. Также двигатель Ванкеля 33.На 43% выше, чем у поршневого двигателя. Эти различия создаются чистой работой, тепловым КПД и количеством рабочих ходов на оборот коленчатого вала каждого двигателя, когда все двигатели работают с одинаковой частотой вращения коленчатого вала.

Словарь терминов

Обозначение Описание Шт.
a радиус коленвала кв.м.
A / F смесь Соотношение воздух-топливо
B Диаметр отверстия кв.м.
С Коэффициент эффективности для уравнения Вибе
CR Степень сжатия
C p Удельная теплоемкость при постоянном давлении Дж / (° К-моль)
C v Удельная теплоемкость при постоянном объеме Дж / (° К-моль)
dP Изменение давления Па
dT Изменение температуры ° К
дт Перевод часов сек
DV Изменение объема м 3
dX b Изменение функции Wiebe
e Эксцентриситет кв.м.
л Ход кв.м.
л длина шатуна кв.м.
к Коэффициент удельной теплоемкости
M Масса кг
м Показатель Вибе
м ВОЗДУХ Объемная масса воздуха кг
м f Объемная масса топлива кг
n f Тепловой КПД
п. Абсолютное давление Па
P f Конечное давление Па
п. o Начальное давление Па
Q LHV Нижняя теплота сгорания МДж
R Газовая постоянная Дж / (° К-моль)
R ВОЗДУХ Универсальная газовая постоянная для воздуха Дж / (° К-моль)
r Смещение вершины равнобедренного треугольника внутри двигателя Сореньи
T f Конечная температура ° К
T o Начальная температура ° К
В Том м 3
В С Объем при максимальном сжатии (ВМТ) куб.см
V T Общий объем камеры куб.см
Вт нетто Чистая работа за цикл одной камеры Дж
Вт R Радиус формирования Ванкеля кв.м.
w Ширина поверхности ротора по сравнению с радиусом четырехлистного клевера (единица)
X b Функция Wiebe
x d Общая доля сожженного топлива
x Прямоугольные координаты по оси X статора роторного двигателя
Y Прямоугольные координаты по оси Y статора роторного двигателя
ρ ВОЗДУХ Плотность воздуха кг / м 3
м ˙ ж Массовый расход топлива г / с
β Угол образования для уравнения профиля статора двигателя Ванкеля градусов
θ Угол поворота коленчатого вала градусов
Также угол образования четырехлистного клевера для кривой Сореньи
Δθ Продолжительность горения относительно положения коленчатого вала градусов
θ 0 Угол поворота коленчатого вала при начале сгорания градусов

Список литературы

[1] S.Пехан и Б. Кегл. (2001). Конструкция роторного двигателя [Технический документ SAE 2001-01-3194]. Доступно: http://dx.doi.org/10. 4271 / 2001-01-3194 Поиск в Google Scholar

[2] П. Сореньи, «Двигатель внутреннего сгорания с шарнирным ротором», Патент США US 6.718.938 B2, 13 апреля 2004 г. Поиск в Google Scholar

[3 ] З. Спаковски, М. Грейцер и И. Вайц. (10 октября 2008 г.). Термодинамика и движение. Доступно: http://web.mit.edu/16.unified/www/SPRING/propulsion/notes/node25.html Поиск в Google Scholar

[4] F.Ванкель и Э. Хёппнер, «Роторный двигатель внутреннего сгорания», патент США 2988065, 13 июня 1961 г. Поиск в Google Scholar

[5] Л. Пэн, «Фундаментальные исследования уникальной роторной машины», доктор философии, Высшая школа Исследования, Университет Макмастера, Канада, 1994. Поиск в Google Scholar

[6] Р. У. Ричардсон, «Автомобильные двигатели для 1980-х годов», в документе Eaton's Worldwide Analysis of Future Automotive Power Plants, Eaton Corporation, ed, 1973, 40-41. Искать в Google Scholar

[7] K.Ямамото, Роторный двигатель. Япония: Toyo Koyo co. Ltd., 1971. Искать в Google Scholar

[8] К. Ямамото, Роторный двигатель. Хиросима, Япония: Санкайдо, 1981. Поиск в Google Scholar

[9] Т.Дж. Норман, «Эксплуатационная модель двигателя Ванкеля с искровым зажиганием: включая влияние объема щелей, утечки газа и теплопередачи», степень магистра , Кафедра машиностроения, Массачусетский технологический институт, 1983. Поиск в Google Scholar

[10] Дж. Б. Хейвуд, Основы двигателей внутреннего сгорания, том.930: Макгроу-Хилл, Нью-Йорк, 1988. Поиск в Google Scholar

[11] Р. Сиренс, Р. Берт, Д. Е. Винтербоун и П. К. Баруа, «Комплексное исследование производительности двигателя Ванкеля», 1983. Поиск в Google Scholar

[12] М. Александру-Каталин и Б.Н.С. Ливиу-Константин, «РОТАЦИОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ», Морской университет Констанцы. Analele, 2014, 15, 93–99. Поиск в Google Scholar

[13] П. Кинг. (2013, август 2013) Роторный четырехкамерный роторный двигатель Сореньи.Автоинженер [Технический разговор]. 4. Выполните поиск в Google Scholar

[14] Дж. Хейвуд и П. Уоттс, «Параметрические исследования расхода топлива и выбросов NO при работе двигателя с разбавленным искровым зажиганием с использованием моделирования цикла», в публикации C конференции Института инженеров-механиков, 1979, 117-127. Поиск в Google Scholar

[15] Г. Х. Абд Алла, «Компьютерное моделирование четырехтактного двигателя с искровым зажиганием», Energy Conversion and Management, 2002, 43, 1044-1047. Искать в Google Scholar

[16] A.Боретти, С. Цзян и Дж. Скалцо, «Новый двигатель Ванкеля с реактивным зажиганием и портом или прямым впрыском для более быстрого и полного сгорания, специально разработанный для газообразного топлива», Технический документ SAE 0148-7191, 2015 г. Поиск в Google Scholar

[17] М.С. Раджу и Е.А. Уиллис, «Трехмерный анализ и моделирование двигателя Ванкеля», Технический документ SAE 0148-7191, 1991. Поиск в Google Scholar

[18] А. Боретти, «CAD / CFD» / CAE Моделирование двигателей Ванкеля для БПЛА », Технический документ SAE 0148-7191, 2015.Поиск в Google Scholar

[19] С. Д. Хайрес, Р. Дж. Табачински и Дж. М. Новак, «Прогнозирование задержки воспламенения и интервалов горения для однородного заряда, двигатель искрового зажигания», транзакции SAE, 1978, 1053-1067. Поиск в Google Scholar

[20] Дж. И. Гойель, «Обзор разработки и приложений функции wiebe: дань уважения вкладу Ивана Вибе в исследования двигателя», Международный журнал Engine Research, 2010 г., 11, 297-312 . Искать в Google Scholar

[21] G.Аббасзадехмосайеби и Л. Ганиппа, «Определение коэффициента теплоемкости и анализ ошибок для расчетов тепловыделения двигателя», Applied Energy, 1/6/2014, 122, 144. Поиск в Google Scholar

[22] Г. Аббасзадехмосайеби и Л. Ганиппа, «Характеристика уравнения Вибе для анализа тепловыделения на основе коэффициента горения (Ci)», Топливо, 1/3/2014, 119, 301. Поиск в Google Scholar

[23] С. Кляйн и Г. Неллис. (2011). Термодинамика. Доступно: http://RMIT.eblib.com.au/patron/FullRecord.aspx? p = 807134 Искать в Google Scholar

[24] С. Кляйн и Г. Неллис, Термодинамика: Cambridge University Press, 2012. Искать в Google Scholar

Поступила: 03.07.2017

Пересмотрено: 28 марта 2018 г.

Принято: 06.07.2018

Опубликовано в сети: 15.10.2018

Напечатано в печати: 28.01.2019

© 2019 Л.F. Espinosa и P. Lappas, опубликованные De Gruyter.

Это произведение находится под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 Public License.

Малые двигатели в качестве расширителей пара нижнего цикла для двигателей внутреннего сгорания

Нижние циклы рекуперации тепла для двигателей внутреннего сгорания открыли новые возможности для исследований малых пародетандеров (Stobart and Weerasinghe, 2006). Надежные данные для небольших пародетандеров позволят нам спрогнозировать их пригодность в качестве двигателей с нижним циклом и экономию топлива, достигаемую при их использовании в качестве двигателей с нижним циклом.Настоящая статья основана на результатах экспериментов, проведенных на маломасштабных двигателях Ванкеля и двухтактных поршневых двигателях в качестве расширителей воздуха и пародетандеров. Испытательная установка, разработанная в Сассексе, используемая для измерений, состоит из измерений крутящего момента, мощности и скорости, электронного срабатывания клапанов, синхронизированного сбора данных о давлении и температурах пара и внутри двигателей для паровых циклов и циклов внутреннего сгорания. Результаты представлены для четырех режимов двигателя, а именно для поршневого двигателя в режиме расширения парового потока и в режиме расширения воздуха и роторного двигателя Ванкеля в режиме расширения пара и в режиме расширения воздуха.Воздушные испытания предоставят базовые данные о трении и влиянии движения, тогда как паровые испытания покажут, насколько эффективны будут двигатели в этом режиме. Результаты для мощности, крутящего момента и диаграмм сравниваются, чтобы определить изменение производительности от режима расширения воздуха к режиму расширения пара.

1. Введение и мотивация

Поиск подходящего нижнего цикла для рекуперации низкопотенциального тепла, регенерированного из двигателя внутреннего сгорания, основан на температурном диапазоне работы и ожидаемой эффективности.Термоэлектрическая рекуперация тепла обеспечивает относительно чистый и менее сложный вариант, но с очень низкой эффективностью. С другой стороны, было доказано, что пар работает в циклах рекуперации тепла с приличным диапазоном эффективности. Атмосферный двигатель Томаса Ньюкомена, который сегодня называют двигателем Ньюкомена, был первым практическим устройством, которое использовало силу пара для создания механической работы. Джеймс Ватт развил его дальше, и паровые поршневые двигатели используются в течение последних 200 лет [1]. Использование паровых двигателей уменьшилось с появлением двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя.Однако паровые двигатели по-прежнему используются в различных инженерных приложениях, особенно в электроэнергетике. Малые паровые расширительные машины используются ограниченно [2]; Обычно это связано с тем, что также требуется система генерации пара, что делает их неэкономичными. Были попытки использовать пародетандеры в качестве основной силовой установки автомобиля [3]; однако настоящая работа основана на паровых двигателях малой мощности в качестве детандеров нижнего цикла. В этой области не проводилось много исследований.В частности, нет данных о характеристиках этих двигателей. Работа предназначена для создания платформы для разработки небольших паровых двигателей, которые могут быть использованы в качестве тепловых детандеров нижнего цикла. Существуют различные варианты пародетандеров, например, лопастные роторы и микротурбины. Однако поршневые детандеры и двигатели Ванкеля легко доступны в виде небольших двигателей, которые могут быть преобразованы в паровые детандеры. Диапазон двигателей в исследовании был ограничен размером и мощностью, которые могут быть установлены на испытательном устройстве, настольном динамометре.По сути, этот мод ограничился объемом цилиндров менее 20 куб. Основные параметры двух двигателей, которые использовались в исследовании, перечислены в таблице 1.

4
: 1 (приблизительно)

Двигатель Четырехтактный поршневой двигатель Роторный двигатель Ванкеля
Модель OS 32 SX OS 49 PI
Диаметр отверстия (мм) 19.5 НЕТ
Ход (мм) 17,5 НЕТ
Объем (см3) 5,23 4,97
Степень сжатия

1.1. Цикл Ренкина

Паровая машина обычно работает по термодинамическому циклу Ренкина. Циклы Ренкина [4] широко используются как в первичных двигателях, так и в расширителях нижнего цикла.Возвратно-поступательный цикл Ренкина использовался в локомотивах, кораблях и стационарных двигателях. Роторные детандеры, в первую очередь паровые турбины, используются в электроэнергетике. Использование роторного двигателя ограничено оптимальным рабочим диапазоном, который он предлагает по сравнению с широким диапазоном, предлагаемым поршневым двигателем. Использование расширителя пара, используемого в этом исследовании, в основном нацелено на двигатель с прямым соединением, который может работать синхронно с двигателем внутреннего сгорания. Поршневой двигатель имеет такие же характеристики крутящего момента и мощности, что и двигатель внутреннего сгорания.Другое главное преимущество - это наличие небольших двигателей, которые можно переоборудовать в паровые детандеры.

1.1.1. Цикл Ренкина с поршневым детандером

Возвратно-поступательный цикл Ренкина, показанный на Рисунке 1, объясняется следующими этапами: (1-2) Впуск пара под давлением парового резервуара. (2-3) Расширение пара до открытия выпускного отверстия. (3-4 ') Продувка пара до давления конденсатора. (4-5) Выпуск пара до закрытия выпускного отверстия. (5-1) Сжатие пара, оставшегося в цилиндре.


Работу и теплоту для цикла можно определить, получив удельные энтальпии, которые относятся к шагам на Рисунке 1. Теоретическая работа цикла дана как, а подводимое тепло выражено как. Эффективность определяется по формуле. Работой насоса пренебрегают, поскольку она мала по сравнению с поступающим теплом. Поршневые паровые детандеры были наиболее распространенным типом расширителей, известных своим высоким крутящим моментом и простотой в эксплуатации. В основном они используются как морские тягачи и тягачи старых локомотивов.Скорость, доступная для больших паровых машин, ограничена. Возможны прямоточные и противоточные устройства с возвратно-поступательными детандерами [1]. Однако клапанные устройства становятся более сложными с противоточным расположением [5]. Считается, что поршневые двигатели легче реализовать, чем двигатели Ванкеля [6].

1.1.2. Роторные паровые двигатели

Паровые турбины являются эффективными устройствами, но диапазон их работы ограничен, поэтому они не очень подходят для автомобильных применений.Основным преимуществом турбинного цикла является высокий общий КПД при эксплуатации. Однако гибкость работы перевешивает коэффициент полезного действия и делает возвратно-поступательный цикл Ренкина более практичным. Кроме того, способность адаптироваться к колебаниям крутящего момента и скорости в цикле возвратно-поступательного движения делает его предпочтительным устройством для автомобильных приложений. Тем не менее, если энергия, вырабатываемая турбиной, преобразуется в электричество и используется для привода электродвигателя, это приводит к практическому решению для гибридных транспортных средств [7].

Промежуточным решением является роторный детандер Ванкеля [8]. Двигатель Ванкеля предлагает некоторые преимущества как турбинного цикла, так и гибкости поршневого двигателя [9, 10]. Двигатели Микро-Ванкеля могут быть изготовлены с использованием улучшенной технологии изготовления [11]. Были предприняты попытки правильно имитировать работу двигателя Ванкеля [12], но в настоящее время в качестве рабочего тела используется пар без внутреннего сгорания. На рисунке 2 показан теоретический цикл Ренкина и диаграмма давления-объема цикла Ренкина.


1.2. Рекуперация отходящего тепла

Главной достопримечательностью цикла Ренкина [13] сегодня является его применимость в системах рекуперации отходящего тепла [12]. В производстве электроэнергии турбины Ренкина приводятся в действие паром, вырабатываемым за счет утилизации отходящего тепла. Поршневые двигатели в системах утилизации отработанного тепла используются редко. С другой стороны, использование роторных паровых двигателей в малых масштабах не является обычным явлением. Способность цикла Ренкина работать с низкопотенциальными источниками тепла, такими как пар, делает его привлекательным для использования в нижнем цикле [14].В приложениях цикла Ренкина применялись два основных типа расширителей, которые бывают двух типов: первый - это скоростной тип, такой как осевые турбины и турбины с радиальным потоком; другой - поршневого типа, такого как спиральные расширители, винтовые расширители, поршневые расширители и пластинчато-поворотные расширители [15]. Эти детандеры подпитываются паровым резервуаром благодаря рекуперации тепла в нижнем цикле [16, 17].

2. Экспериментальная установка

Экспериментальная установка состоит из динамометра, системы сбора данных, управляемой программным обеспечением LabVIEW, источника пара / воздуха и конденсатора.Входы датчиков поступают в систему через многоканальную карту сбора данных. На рисунке 3 показаны компоненты системы и их взаимосвязь.


2.1. Динамометр

для испытаний малых двигателей предлагает такие преимущества, как портативность, меньшее количество инструментов, низкие затраты на пространство и гибкость. Однако нет доступных динамометрических установок для испытаний небольших двигателей. Следовательно, небольшой динамометрический стенд, изображенный на рисунке 4, должен был быть разработан для установки небольших двигателей для испытаний.Динамометр был заимствован из токарного станка моделистов, а трансмиссия была модифицирована для поглощения мощности и работы двигателя при необходимости. Выходной вал двигателя установлен на одной линии с валом токарного станка. Конструкция датчика крутящего момента соединяет выходной вал двигателя и вал токарного станка. Двигатель постоянного тока мощностью 400 Вт приводит в движение главный вал, который также может поглощать мощность. На конце приводного вала установлен импульсный датчик, который генерирует три потока импульсов, а именно: (i) импульс на оборот (ppr), (ii) импульс на оборот - 90 ° (индикатор направления) и (iii) импульс на оборот. градус угла поворота коленчатого вала (pcd).


В качестве двигателей использовались модифицированные модели двигателей Hobby производства OS (Япония). Имеются следующие данные об используемых двигателях.

Для использования в качестве расширителей пара необходимо было модифицировать впускные и выпускные отверстия для впуска и выпуска пара. Головки двигателя были модифицированы для подключения пара.

На рис. 4 схематически показана конфигурация впускных и выпускных патрубков и клапанов. На рисунке показана конфигурация элементов управления портами, а также подачи и выпуска пара.Устройство роторного двигателя такое же, за исключением того, что роторный двигатель имеет два впускных клапана и два выпускных клапана. Открытие и закрытие поворотных клапанов двигателя происходит без электронного управления.

2.2. Расширители пара

расширители пара доступны в виде поршневых расширителей и роторных расширителей. В данном контексте тестируются однопоточный поршневой детандер и роторный двигатель Ванкеля.

2.2.1. Поршневой паровой двигатель

Двухтактный двигатель внутреннего сгорания был модифицирован для обеспечения впуска пара через верхний клапан с электрическим приводом.С этой целью был модифицирован автомобильный клапан впрыска топлива. Пар поступает через впускной клапан с электрическим приводом и выходит через порт на НМТ. Время впуска пара имеет решающее значение для приведения в движение. Время газораспределения было установлено на 3 ° до ВМТ и сохранено на 100 ° для впускного клапана. Отвод осуществляется через порт длиной 6 мм и шириной 25 мм перед BDC.

2.2.2. Расположение клапанов для двухтактного поршневого двигателя

Карта сбора данных использует два потока импульсов от оптического кодировщика: импульс на оборот (ppr) и импульс на градус угла поворота коленчатого вала (pcd).Импульс ppr совмещен с верхней мертвой точкой поршня. Программное обеспечение LabVIEW, которое контролирует срабатывание клапана и производит выборку данных для хранения, использует импульс pcd в качестве источника тактовых импульсов и импульс ppr в качестве триггера для выходного импульса. Время срабатывания клапана синхронизировано с импульсом pcd и может меняться.

2.2.3. Паровой двигатель Ванкеля

Модифицированный небольшой двигатель внутреннего сгорания Ванкеля используется в качестве расширителя пара. Поток через двигатель Ванкеля является прямоточным, и непрерывная генерация крутящего момента доступна с тремя расширениями за цикл ротора.Диаграмма цикла Ванкеля Ренкина в литературе отсутствует. Однако на рис. 9 показан график зависимости давления от угла поворота коленчатого вала, поскольку он более уместен, чем диаграмма. Двигатель Ванкеля 5 см модели 3 был модифицирован для работы в качестве парового детандера Ванкеля. Есть два впускных и два выпускных отверстия. Они были изменены для достижения оптимальной производительности. Впускной канал расположен под углом 20 ° к исходной линии двигателя, а выпускные клапаны были заменены на боковые выпускные клапаны, как показано на Рисунке 5.


2.3. Контрольно-измерительные приборы и измерения

Двигатель снабжен воздухом или паром в зависимости от ситуации, а расход жидкости регулируется электроникой. Измерения проводились при двух установленных давлениях: 7 бар и 15 бар для воздуха и пара соответственно. Сигналы давления, температуры, крутящего момента, скорости и импульсов подаются через карту сбора данных National Instruments (NI) на компьютер. Связь с весами осуществляется через соединение RS232. Весь сбор данных и контроль выполняются с помощью программного обеспечения LabVIEW.Выборка запускалась импульсом на каждый импульс угла поворота коленчатого вала (pcd) от оптического кодировщика.

2.3.1. Давление

Измерения давления были получены на входе в двигатель, на выходе из двигателя, внутри цилиндра, на входе в подогреватель и на выходе из подогревателя с помощью пьезоэлектрических датчиков давления.

2.3.2. Температура

Температуры на входе в двигатель, на выходе из двигателя, внутри двигателя, на входе в подогреватель и на выходе из подогревателя были получены с помощью типовых термопар.

2.3.3. Крутящий момент и скорость

Крутящий момент и скорость получаются с помощью встроенного датчика крутящего момента, мощность по этим показаниям определяется как

2.3.4. Массовый расход

Конденсат из двигателя собирается в емкость на электронных весах. Увеличение веса во времени дает массовый расход.

2.3.5. Качество пара

Для анализа качества отработанного пара потребовалась установка нового устройства. Пар, выходящий из двигателя, является влажным, и, следовательно, давление и температура сами по себе не могут определить состояние пара.Секция подогревателя установлена ​​на выхлопных трубах, которая доводит пар до состояния перегрева, при котором только давление и температура могут дать состояние пара. На рис. 6 показаны точки отбора температуры и давления, а на рис. 7 - анализатор качества пара.



Датчики давления и температуры размещаются на входе в SQA (ri) и на выходе из SQA (re). Показания используются для получения удельной энтальпии при re из таблиц пара.Тогда где - масса воды, собранной за время t . VI - зарегистрированные напряжение и ток, используемые секцией подогревателя. Наиболее важными измерениями системы являются давление и температура на входе, выходе и внутри двигателя. Эти измерения можно использовать для определения условий на входе и выходе пара и, следовательно, для разработки баланса энергии.

2.3.6. КПД двигателя

КПД двигателя можно рассчитать с помощью значений тепловложения и мощности, развиваемой двигателем.

3. Результаты испытаний двигателя

На рисунках 10 и 13 показаны кривые мощности для различных давлений на впуске двигателя. Оптимальное давление подачи составляет около 30 бар, что было подтверждено предыдущим Прасадом [7]. Давление выше этого диапазона будет иметь отрицательный эффект, что объясняется тщательным анализом диаграммы Мольера для воды. Насыщенный пар при давлении выше 30 бар сохраняет меньшую энтальпию, чем пар при давлении 30 бар. Были произведены измерения давления от пика до пика, и данные относятся к нулевому давлению подачи.Показания наносятся с учетом смещения и отражают абсолютное значение.

3.1. Воздушные испытания двигателя Ванкеля

Данные воздушных испытаний были получены для значений частоты вращения 100, 200, 300, 500, 700, 900, 1100, 1300, 1500, 1700, 2000 и 2300. Диаграмма давления и объема для воздушных испытаний двигателя Ванкеля Двигатель показан на Рисунке 9 для давления воздуха 7 бар. Взаимосвязь между давлением и углом поворота коленчатого вала показана на рисунке 8. Когда давление подачи низкое, имеет место существенная работа двигателя, что иллюстрируется отрицательными давлениями на диаграмме.




Данные воздушных испытаний были получены для значений частоты вращения 200, 300, 500, 900, 1300 и 1700.

3.2. Паровые испытания двигателя Ванкеля

Паровые испытания проводились при давлении подачи 10 бар и давлении подачи 15 бар. Здесь показаны результаты в 15 бар, поскольку 15 бар было самым высоким давлением, при котором данные регистрировались, как на рисунках 11 и 12. Испытания проводились с подачей пара с регулируемым давлением от промышленного котла. Основное наблюдение, которое ожидается от характеристик давления при испытаниях пара, - это эффект расширения.




3.3. Испытания поршневого двигателя воздухом и паром

Были проведены измерения расширения пара при давлении 10 бар в поршневом двигателе. Данные были получены только при 200-800 об / мин. Это считается целесообразным, поскольку предполагается, что двигатель будет работать на более низких оборотах, чем двигатель внутреннего сгорания. Форма диаграммы в значительной степени соответствует теоретической диаграмме, показанной на Рисунке 14. Характеристики удельной мощности и крутящего момента показаны на Рисунке 15 при давлении 10 бар.



Диаграмма крутящего момента также впечатляет и имеет ожидаемую форму, за исключением показаний при 400 об / мин. Однако в целом поведение соответствует ожиданиям.

В таблице 2 приведены результаты испытаний на воздухе и на пару. Диаграммы воздушных испытаний здесь не показаны, поскольку они были сделаны только для целей проверки.


Двигатель Ванкеля Поршневой двигатель

Максимальная мощность (воздух) кг 9029 Максимальный крутящий момент (воздух) 0.80 Нм 0,38 Нм
Максимальная мощность (пар) 5550 Вт / кг 2600 Вт / кг
Максимальный крутящий момент (пар) 11.65 Нм 0,45 Нм
3.4. Анализ результатов

Представлены диаграммы расширения воздуха и пара в роторных и прямоточных поршневых двигателях. Характеристики расширителя Ванкеля показаны на рисунках 9 и 12.Диаграмма зависимости давления от угла поворота коленчатого вала двигателя Ванкеля показывает явное расширение пара на низких оборотах. Эффект расширения уменьшается с увеличением скорости. Это лучше объяснить кривой крутящего момента для того же самого. Развиваемый крутящий момент высок на более низких скоростях. Очевидной причиной такого поведения является время, необходимое пару для расширения [18]. Расширение пара намного выше, чем у воздуха, и выделение энергии хорошо видно. Кривая максимальной мощности для воздуха дает максимум при 1000 об / мин, тогда как для пара - около 400 об / мин.Это показывает более высокую скорость расширения воздуха. Пар, выходящий из двигателей во влажном состоянии, означает, что в процессе расширения происходит фазовый переход. Процесс фазового перехода происходит медленнее, чем прямое расширение воздуха. Однако, когда они используются в качестве нижних циклов, необходимо иметь передаточное число около 10: 1 для работы параллельно с двигателем внутреннего сгорания. Это связано с тем, что оптимальная рабочая частота вращения паровых детандеров находится в пределах от 100 до 250, тогда как двигатели внутреннего сгорания оптимально работают около 2000 об / мин.

Медленная работа пара не делает его менее предпочтительным кандидатом в качестве расширительной среды нижнего цикла. Это позволяет пару накапливаться и потребляться медленнее. После правильной настройки он должен обеспечивать достаточный крутящий момент для повышения крутящего момента через трансмиссию.

Помимо результатов, полученных в ходе тестирования, во время тестирования были выявлены некоторые проблемы. Качество пара имеет решающее значение для продолжительной работы двигателя [19]. Следовательно, система с замкнутым циклом предпочтительнее открытого цикла.Конструкция впускного клапана пара имеет решающее значение при впрыске пара в цилиндр. Механическое устройство может быть более надежным, по крайней мере, для частей, контактирующих с паром. Малогабаритные двигатели могут страдать из-за того, что они маленькие, что снижает их ресурс. Ожидается, что эти двигатели будут обеспечивать лучшую выносливость.

Правильное масштабирование может быть выполнено, когда для двигателей доступны все данные моделирования и испытаний.

4. Заключение и дальнейшая работа

Измерения рабочих характеристик были проведены для прогнозирования пригодности малых двигателей в качестве пародетандеров.Двигатели были модифицированы с учетом парового расширения. Диапазон рабочих скоростей пара намного ниже, чем у двигателя внутреннего сгорания. Это мешает нам проводить прямые сравнения. Воздушные испытания предоставляют очень сопоставимый набор данных для расширителей. Сравнивая данные о максимальной мощности и крутящем моменте двух двигателей, становится очевидным, что двигатель Ванкеля представляет собой гораздо лучшее устройство в качестве расширителя.

Основная цель этой работы состоит в том, чтобы измерить пригодность парового цикла Ренкина в качестве нижнего цикла рекуперации тепла и сравнить характеристики двух типов двигателей, поршневого двигателя и двигателя Ванкеля.Характеристики мощности и крутящего момента, показанные для небольших двигателей, делают их очень подходящими для этой цели. Работа включает разработку полного цикла определения дна Ренкина, включая элементы управления. Это включает в себя систему рекуперации тепла и тепловое регулирование двигателя внутреннего сгорания и парового цикла. Необходимо провести ресурсные испытания паровых двигателей, разработанных для проверки долговечности [3, 20]. Отдельная работа ведется по разработке стратегий и методов борьбы.

Уменьшенный динамометр, разработанный для измерения производительности двигателя, представляет собой очень полезный инструмент для тестирования масштабированных моделей.Полученные кривые крутящего момента и мощности могут быть увеличены для полноразмерного двигателя.

Регулировка фаз газораспределения для двухтактного двигателя является важным фактором в работе двигателя. Небольшие двигатели не позволяют нам гибко это изменить. С электронным запуском можно изменить только время. В полномасштабном двигателе можно использовать клапаны гораздо большего размера, и будет место для более точной регулировки.

Тесты выявили ряд областей, требующих улучшения. Надежность двигателей может быть серьезной проблемой.Использование паромасла, повышающего надежность, возможно в замкнутом цикле. В открытом цикле это становится проблемой выбросов, поскольку он будет выброшен в атмосферу.

Использование малых двигателей для определения характеристик двигателей является основой для проектирования средних паровых двигателей. Результаты могут быть подтверждены моделированием, как только будет доступен полный набор данных. Авторы намерены провести дальнейшие испытания на более крупном двигателе с системой рекуперации тепла, прикрепленной к двигателю внутреннего сгорания.

4.1. Моделирование двигателя

Результаты можно сравнить с результатами, полученными на основе результатов одномерного моделирования двигателя. Могут быть получены значения для расширения воздуха и оптимальная рабочая точка. На данный момент результаты моделирования не представлены. Однако первоначальные сравнения, которые здесь не представлены, предполагают, что измерения могут быть подтверждены моделированием. Эти результаты показывают, что пародетандеры, даже в небольших масштабах, являются подходящими устройствами для нижних циклов рекуперации тепла.Полный набор имитаций, как описано выше, можно использовать для увеличения результатов для коммерческих приложений двигателей. Ожидается, что моторный эффект и трение в небольших двигателях высоки в процентах. Однако они предоставляют концепцию, подтверждающую достоверную статистику.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации этой статьи.

Благодарности

Авторы хотели бы выразить свою благодарность EPSRC за финансирование работы [Grant no.GR / T19810 / 01], профессору Р. К. Стобарту, главному исследователю, Яну Уоллису и Барри Джексону из Университета Сассекса за их поддержку в проведении исследования, а также компании Spirax Sarco Ltd., Великобритания, за предоставление парового оборудования и поддержку.

Принцип работы поршневого двигателя | Авиационные системы

Соотношения между давлением, объемом и температурой газов являются основными принципами работы двигателя. Двигатель внутреннего сгорания - это устройство для преобразования тепловой энергии в механическую.Бензин испаряется и смешивается с воздухом, нагнетается или втягивается в цилиндр, сжимается поршнем, а затем воспламеняется электрической искрой. Преобразование полученной тепловой энергии в механическую, а затем в работу осуществляется в цилиндре. На рисунке показаны различные компоненты двигателя, необходимые для выполнения этого преобразования, а также представлены основные термины, используемые для обозначения работы двигателя.

Рабочий цикл поршневого двигателя внутреннего сгорания включает в себя серию событий, необходимых для индукции, сжатия, воспламенения и горения, вызывающих расширение заряда топлива / воздуха в цилиндре и удаления или выпуска побочных продуктов процесса сгорания.Когда сжатая смесь воспламеняется, образующиеся при сгорании газы расширяются очень быстро и заставляют поршень отодвигаться от головки блока цилиндров. Это движение поршня вниз, воздействующее на коленчатый вал через шатун, преобразуется коленчатым валом в круговое или вращательное движение. Клапан в верхней части или в головке цилиндра открывается, чтобы позволить сгоревшим газам уйти, а импульс коленчатого вала и гребного винта заставляет поршень возвращаться в цилиндр, где он готов к следующему событию в цикле.
Затем открывается другой клапан в головке блока цилиндров, чтобы впустить свежую топливно-воздушную смесь. Клапан, позволяющий отводить горящие выхлопные газы, называется выпускным клапаном, а клапан, который впускает свежий заряд топливно-воздушной смеси, называется впускным клапаном. Эти клапаны открываются и закрываются механически в нужное время с помощью механизма управления клапанами.
Рисунок 1. Компоненты и терминология работы двигателя

Отверстие цилиндра - это его внутренний диаметр.Ход - это расстояние, на которое поршень перемещается от одного конца цилиндра к другому, в частности от верхней мертвой точки (ВМТ) до нижней мертвой точки (НМТ), или наоборот. [Рис. 1]


СВЯЗАННЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Типы двигателей
Редуктор гребного винта и гребные валы
Рабочие циклы
Мощность поршневого двигателя
Эффективность поршневого двигателя

LiquidPiston | StartEngine

Уважаемое сообщество LiquidPiston,

Наша краудфандинговая кампания Reg A + началась очень быстро - было собрано более 4 долларов.5 миллионов менее чем за две недели! Это следует за нашей очень успешной рекламной кампанией Reg CF в январе, когда количество подписчиков превысило 9 часов!

На прошлой неделе мы заняли второе место в конкурсе xTechSearch 3.0 армии США. В итоге LiquidPiston выиграла 145 000 долларов на нескольких этапах конкурса и вышла на этап финалиста, установив ценные контакты с многочисленными армейскими организациями, которые будут приносить пользу компании на долгие годы. Для демонстрации соревнований LiquidPiston успешно управлял своим двигателем X-Mini на гибридно-электрическом БПЛА, демонстрируя универсальность X-Engine и способность обеспечивать компактную и экономичную мощность для пилотируемых или беспилотных летательных аппаратов, использующих тяжелое топливо военного уровня, такое как JP8. .Уникально было продемонстрировано, что двигатель отключается в воздухе, передает мощность на рядный электродвигатель, переходящий в режим «бесшумного крейсерского полета», а затем двигатель был повторно запущен в полете на топливе Jet A, и БПЛА благополучно вернулся. дом. Насколько нам известно, это уникальная возможность, которая никогда ранее не демонстрировалась. Система настроена как параллельный электрический гибрид, что означает, что и двигатель, и двигатель могут работать вместе на взлете, а затем крейсерский полет осуществляется в основном самим двигателем.

Мы также рады официально объявить, что LiquidPiston получила грант фазы I для малых бизнес-инноваций (SBIR) от армии США на разработку своего X-Engine в качестве гибридно-электрической двигательной платформы для беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). . (Пресс-релиз, черновик здесь: ССЫЛКА). Эта награда SBIR основана на импульсе конкурса XTechSearch и призвана помочь финансировать продолжающееся совершенствование нашей технологии двигателей для гибридных электрических / вертикальных двигателей БПЛА.

Пожалуйста, поделитесь видео и возможностью инвестирования со своими друзьями и семьями. Мы с нетерпением ждем грядущих великих событий.

PS - узнайте, как выглядит наш новый сайт! Я надеюсь тебе понравится.