Роторный двигатель: принцип работы с видео, устройство

1 ≫

Роторный двигатель является одной из разновидностей тепловых ДВС. Первый роторный двигатель, принцип работы которого кардинально отличается от традиционного двигателя внутреннего сгорания, появился в 19 веке.

Его особенностью было использование не возвратно поступательных движений, как в классическом ДВС, а вращение в специальном овальном корпусе трехгранного ротора. Такая схема применялась в первых поршневых паровых машинах и дала толчок к активному проектированию и созданию роторных паровых двигателей. С роторного парового двигателя и начиналась история двигателя внутреннего сгорания роторного типа. Впервые схему классического роторно-поршневого (двигателя Ванкеля) разработали в конце 1950-х годов в немецкой фирме NSU, авторами стали Феликс Ванкель и Вальтер Фройде.

Конструкция

Давайте рассмотрим основные части РПД:

  • корпус двигателя;
  • ротор;
  • выходной вал.

Как и любой другой двигатель внутреннего сгорания, двигатель Ванкеля имеет корпус, который включает основную рабочую камеру, в нашем случае – овальной формы.

Форма камеры сгорания (овал) обусловлена применением трехгранного ротора, грани которого при соприкосновении со стенками камеры сгорания овальной формы образуют изолированные закрытые контуры. В этих изолированных контурах и происходят все такты работы РПД:

  • впуск;
  • сжатие;
  • воспламенение;
  • выпуск.

Такая компоновка позволяет обойтись без впускных и выпускных клапанов. Впускные и выпускные отверстия находятся по бокам камеры сгорания, а соединены напрямую к системе питания и системе выпуска отработанных газов.

Следующей составной частью роторного мотора является непосредственно ротор. В РПД ротор выполняет функцию поршней в обычном двигателе. Своей формой ротор похож на треугольник с закругленными наружу краями и вдающимися внутрь гранями. Закругление краев ротора необходимо для лучшего уплотнения камеры сгорания. Выборка внутри грани нужна для увеличения объема камеры сгорания, правильного горения топливно-воздушной смеси и увеличения скорости вращения ротора. Вверху каждой грани и по ее бокам находятся металлические пластины, задача которых состоит в уплотнении камеры сгорания, аналогично поршневым кольцам классического ДВС. Внутри ротора расположены зубцы, вращающие привод, который, в свою очередь, вращает выходной вал.

Классический мотор имеет коленчатый вал, в РПД его функцию выполняет выходной вал. Относительно центра выходного вала расположены выступы-кулачки в форме полукругов. Выступы-кулачки несимметричны по отношению к центру и явно смещены относительно центра оси. На каждый выступ-кулачок выходного вала приходится по своему ротору. Вращательное движение каждого ротора, передаваемое на выступ-кулачок, заставляет выходной вал вращаться вокруг своей оси, что, в свою очередь, создает крутящий момент на выходном валу.

Рабочие такты РПД

Давайте теперь более подробно рассмотрим принцип работы роторного двигателя и рабочие процессы, происходящие внутри него. Как и классический мотор, двигатель Ванкеля имеет те же такты впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска.

Начало такта впуска происходит в момент прохода одной из вершин ротора впускного канала корпуса мотора. В этот момент в постепенно расширяющуюся камеру сгорания всасывается топливно-воздушная смесь либо просто воздух, в зависимости от компоновки системы подачи топлива. При дальнейшем вращении ротора к точке, когда вторая вершина проходит впускной канал, начинается такт сжатия топливно-воздушной смеси. Давление смеси вместе с движением ротора постепенно нарастает и достигает своего пика в момент прохождения зоны свечей зажигания. В момент воспламенения начинается такт рабочего хода ротора.

В связи с особой формой камеры сгорания, вытянутой вдоль стенки корпуса, целесообразно использовать две свечи зажигания. Использование двух свечей позволяет быстро и равномерно произвести поджиг топливно-воздушной смеси, что гарантирует быстрое, плавное и равномерное распространение фронта пламени.

Две свечи может иметь и обычный поршневой мотор, например некоторые спортивные двигатели, но в РПД использование двух свечей зажигания просто необходимо.

Образовавшееся давление газов поворачивает ротор на эксцентрике вала, что в свою очередь приводит к возникновению крутящего момента на выходном валу. При приближении к выпускному каналу вершины ротора давление в камере сгорания плавно снижается. Вращаясь по инерции, вершина ротора достигает выпускного канала, начинается такт выпуска. Выхлопные газы устремляются в выпускной канал, и как только вершина ротора достигает впускного канала, снова начинается такт впуска.

Система питания и смазка

Роторный мотор не имеет принципиальных отличий от классического ДВС в системах зажигания, топливоподачи и охлаждения. Однако система смазки имеет свои особенности. Для смазывания движущихся частей масло подается прямо в камеру сгорания через специальное отверстие, поэтому сгорает вместе с топливно-воздушной смесью как в двухтактном двигателе.

Как и любая техническая конструкция, роторный мотор обладает своими преимуществами и недостатками.

Достоинствами роторно-поршневого двигателя

  1. Обладая малым весом и габаритами, роторный мотор имеет больше возможностей для достижения правильной развески и улучшения управляемости, а так же делает автомобиль более просторным в салоне;
  2. более высокая удельная мощность по сравнению с классическими моторами;
  3. более ровная и широкая полка крутящего момента;
  4. отсутствие кривошипно-шатунного механизма, клапанов, пружин, газораспределительного механизма, а вместе с ним и распредвалов, ремня грм или цепи;
  5. хорошая сбалансированность и плавность работы РПД, которую можно сравнить с работой рядной «шестерки»;
  6. меньшая склонность к детонации;
  7. отсутствие кривошипно-шатунного механизма, а вследствие этого отсутствие необходимости преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращение коленчатого вала, делает РПД более оборотистым нежели обычный мотор;

Недостатки

  1. Необходимость применения эксцентрикового механизма для соединения ротора и вала увеличивает давление между трущимися деталями, что вместе с высокой температурой повышает износ двигателя. Именно поэтому выдвигаются повышенные требованию к качеству масла и периодичности его смены;
  2. быстрый износ уплотнителей ротора вследствие малой площади пятна контакта и высокому перепаду давлений. Таким образом, роторный мотор быстро теряет свой КПД, экологические показатели ухудшаются;
  3. линзовидная форма камеры сгорания гораздо хуже отдает тепло, нежели сферическая камера сгорания, что обуславливает склонность к перегреву;
  4. низкие показатели экономичности на малых и средних оборотах, по сравнению с обычным двигателем внутреннего сгорания;
  5. роторный мотор имеет очень высокие требования к обработке деталей и квалификации персонала при производстве данного типа двигателя;
  6. необходимость добавления масла во время рабочих тактов РПД обуславливает плохие экологические характеристики;

Современные реалии

В настоящее время наибольших успехов в производстве роторных двигателей добились инженеры корпорации Mazda. Последняя генерация их двигателя Ванкеля, под названием «Renesis», совершила настоящий прорыв. Им удалось не только решить главные проблемы данного типа ДВС, такие как повышенный расход топлива и токсичность, но и снизить потребление масла на 50%, тем самым доведя экологические показатели до норм Euro 4. Новое поколение РПД Mazda могут использовать в качестве топлива как бензин, так и водород, что делает этот мотор интересными и перспективными для использования в будущем.

Материалы: http://autolirika.ru/teoriya/rotornyj-dvigatel-princip-raboty.html

2 ≫

Роторно-поршневой двигатель (двигатель Ванкеля) — это двигатель внутреннего сгорания с принудительным воспламенением, работающий на топливо-воздушной смеси. Конструкция с расположенными друг за другом роторами позволяет достигнуть высоких мощностных характеристик при малых геометрических размерах двигателя. Высокая стоимость изготовления, вызванная дороговизной уплотнений роторов, обусловила применение роторно-поршневых двигателей только на некоторых моделях автомобилей

Особенность двигателя — применение трёхгранного ротора (поршня), имеющего вид треугольника Рело, вращающегося внутри цилиндра специального профиля, поверхность которого выполнена по эпитрохоиде.

  • В двигателе происходит всасывание, сгорание и расширение топливовоздушной смеси, в результате чего выполняется механическая работа, подобно тому, как это происходит в четырехтактном (поршневом) двигателе.
  • В поршневом двигателе, как видно из рисунка, это преобразование происходит за счет вертикального движения поршней. При этом происходит открытие и закрытие соответствующих клапанов, что позволяет осуществить четыре рабочих такта – всасывание, сжатие, расширение и выпуск. В роторном двигателе эти же четыре такта осуществляются за счет того, что вращающийся ротор открывает и закрывает впускные и выпускные окна.
  • Поскольку в роторном двигателе указанные четыре такта происходят в каждой из трех рабочих камер, то фактически за один оборот ротора имеют место три цикла (хода расширения).
  • За один оборот ротора эксцентриковый вал совершает три оборота.

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.

Смесеобразование, зажигание, смазка, охлаждение, запуск принципиально такие же, как и у обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания. Практическое применение получили двигатели с трёхгранными роторами, с отношением радиусов шестерни и зубчатого колеса: R:r = 2:3, которые устанавливают на автомобилях, лодках и т. п. Преимущества, недостатки и их разрешение

  • низкий уровень вибраций. РПД полностью механически уравновешен, что позволяет повысить комфортность лёгких транспортных средств типа микроавтомобилей, мотокаров и юникаров;
  • главным преимуществом роторно-поршневого двигателя являются отличные динамические характеристики: на низкой передаче возможно без излишней нагрузки на двигатель разогнать машину выше 100 км/ч на более высоких оборотах двигателя (8000 об/мин и более), чем в случае конструкции обычного двигателя внутреннего сгорания.

  • Малая удельная масса при высокой удельной мощности, причины:

      1. Масса движущихся частей в РПД гораздо меньше, чем в аналогичных по мощности «нормальных» поршневых двигателях, так как в его конструкции отсутствуют коленчатый вал и шатуны.

    2. К тому же однороторный двигатель выдаёт мощность в течение трёх четвертей каждого оборота выходного вала. В отличии от одноцилиндрового поршневого двигателя, который выдаёт мощность только в течение одной четверти каждого оборота выходного вала. (современный серийный РПД с объёмом рабочей камеры 1300 см³ имеет мощность 220 л.с., а с турбокомпрессором — 350 л.с.)

  • меньшие в 1,5—2 раза габаритные размеры.
  • меньшее на 35—40 % число деталей

    За счёт отсутствия преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное двигатель способен выдерживать бо́льшие обороты с меньшими вибрациями, по сравнению с традиционными двигателями. Роторно-поршневые двигатели обладают более высокой мощностью при небольшом объёме камеры сгорания, сама же конструкция двигателя сравнительно мала и содержит меньше деталей. Небольшие размеры улучшают управляемость, облегчают оптимальное расположение трансмиссии и позволяют сделать автомобиль более просторным для водителя и пассажиров.

    Соединение ротора с выходным валом через эксцентриковый механизм, являясь характерной особенностью РПД Ванкеля, вызывает давление между трущимися поверхностями, что в сочетании с высокой температурой, приводит к дополнительному износу и нагреву двигателя.

    В связи с этим возникает повышенное требование к периодической замене масла. При правильной эксплуатации периодически производится капитальный ремонт, включающий в себя замену уплотнителей. Ресурс при правильной эксплуатации достаточно велик, но не заменённое вовремя масло неизбежно приводит к необратимым последствиям, и двигатель выходит из строя.

    Важной проблемой считается состояние уплотнителей. Площадь пятна контакта очень невелика, а перепад давления очень высокий. Следствием этого, неразрешимого для двигателей Ванкеля, противоречия являются высокие утечки между отдельными камерами и, как следствие, падение коэффициента полезного действия и токсичность выхлопа.Проблема быстрого износа уплотнителей на высокой скорости вращения была разрешена применением высоколегированной стали.

    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.

    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 фирмами Mazda (Япония) и ВАЗ (СССР,Россия).

    Инженерам фирмы Mazda удалось решить все основные проблемы РПД — токсичность выхлопа и неэкономичность. По сравнению с двигателями-предшественниками «Renesis», удалось сократить потребление масла на 50 %, бензина на 40 % и довести выброс вредных окисей до норм, соответствующих 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.

    Автомобили марки Mazda с буквами RE в наименовании могут использовать в качестве топлива как бензин, так и водород. Это явилось вторым витком роста внимания к РПД двигателю со стороны разработчиков. Двигатель успешно может использовать водород, так как менее чувствителен к детонации, чем обычный двигатель, использующий возвратно-поступательное движение поршня.Автомобили с РПД потребляют от 7 до 20 литров топлива на 100 км, в зависимости от режима движения, и масла от 0,4 л до 1 л на 1000 км (для двигателей Mazda 0,4 — 0,6 л.). В настоящее время исследование этого типа двигателя активно ведёт японский автоконцерн Mazda, оснащая доработанными моделями роторных двигателей автомобили серии RX.

    Range Rover Sport

    Новый БМВ 3

    BMW 6

    Aston Martin One-77

    Новая Nissan Tiida

    Новый автомобиль Nissan Tiida абсолютно безо всякой маскировки.

    Материалы: http://www.jap-parts.ru/General_device_of_car/phases/rotor/

    • 3 ≫

    Главной особенностью любого роторно-поршневого двигателя можно считать применение специального ротора (поршня), имеющего три грани, который вращается внутри специального цилиндра по эпитрохоиде (впрочем, возможны и другие формы цилиндра). Постараемся подробно разобрать конструкцию РПД, его преимущества и недостатки перед другими типами двигателей.

    Впервые, такой тип двигателя был разработан в 1957 году двумя инженерами: Вальтером Фройде и Феликсом Ванкелем. На валу устанавливается ротор, который имеет жесткое соединение со специальным зубчатым колесом. Это колесо входит в зацепление со статором, который имеет вид неподвижной шестерни. Диаметр ротора достаточно сильно превышает диаметр статора, что дает возможность зубчатому колесу полностью обкатываться вокруг статора. Каждая вершина граней ротора движется по эпитрохоидальной поверхности и отделяет три, постоянно меняющихся, объема.

    Данная конструкция позволяет выполнить действия всех четырех тактов любого из существующих двигателей внутреннего сгорания, причем, без применения механизма, отвечающего за газораспределение. Камеры сгорания герметизируются с помощью специальных пружинных лент и пластин, которые придавливаются к поверхности цилиндра давлением, создаваемым газом. Так как в роторно-поршневом двигателе отсутствует ГРМ, это делает его конструкцию намного проще любого другого двигателя. Кроме того, отсутствие различных тяжелых элементов, таких как, шатуны и коленчатый вал, позволяют сделать его размеры намного меньше, в то время как, мощность увеличивается. Один оборот такого двигателя равняется одному циклу, что можно сравнить с полным оборотом двухцилиндрового поршневого двигателя.

    Подача топлива в камеру сгорания, смазка подвижных частей двигателя, охлаждение и запуск осуществляются точно также, как и на обычном ДВС. Расход топлива может варьироваться от

    1. Прежде всего, такой двигатель обладает самым низким уровнем вибраций. Его конструкция абсолютно уравновешена и делает движение на легких транспортных средствах намного комфортнее.

    2. Очень высокие динамические характеристики. Такой двигатель позволяет разогнать транспортное средство на первой передаче до 100 километров в час, при низкой нагрузке на механизмы. Двигатель достаточно долгое время выдерживает число оборотов, достигающее 8000 об/мин.

    3. Движущиеся части механизма имеют очень низкую массу, а ротор двигателя выдает мощность в течение всех четвертей каждого оборота. Это позволяет добиться достаточно большой удельной мощности, в отличие от обычного поршневого двигателя. Для сравнения, роторно-поршневой двигатель с рабочим объемом 1.3 литра, выдает мощность, равную 220 лошадиным силам, в то время как, обычный поршневой двигатель с тем же объемом выдает мощность, не превышающую 100 лошадиных сил.

    4. Вместо сотен различных деталей, в роторно-поршневых двигателях применяется всего 2-3 десятка. Кроме того, размеры и масса РПД намного меньше, чем у обычных двигателей с шатунами и коленчатым валом.

    1. Соединение вала ротора с выходным валом, посредством эксцентрированного механизма, вызывает слишком большое давление между соединяемыми трущимися деталями. Это приводит к лишнему перегреву двигателя и повышенному износу деталей механизма. В связи с этим, появляется острая необходимость в периодической замене масла и уплотнительных элементов. Если выполнять данные требования в соответствии с регламентом, то ресурс двигателя значительно увеличивается, в противно случае, происходит поломка, которая непременно выведет агрегат из строя.

    2. Камера сгорания имеет форму линзы, это означает, что при очень малом объеме она имеет очень большую площадь. Все это приводит к образованию лучистой энергии, которая бесполезно влияет на работу двигателя и также приводит к излишнему перегреву. Таким образом, КПД двигателя значительно снижается, что не позволяет использовать его в полной мере.

    3. На пониженной передаче такой двигатель обладает очень большим расходом топлива, по сравнению с обычными ДВС.

    4. Площадь соприкосновения уплотнителей и вращающихся деталей быстро снижается, это говорит о быстром износе сальников, которые способствует утечке смазывающего вещества и попаданию масла в камеру сгорания. В результате выхлоп получается очень токсичным, а ресурс двигателя быстро снижается. Тем не менее, данную проблему устранили применением высоколегированных сталей при изготовлении РПД.

    5. В связи со строгими требованиями к геометрии всех деталей механизма, возникает необходимость в высокоточном оборудовании для изготовления таких двигателей. Это усложняет и делает дороже процесс их производства.

    Изначально, разработка роторно-поршневых двигателей велась для спортивных автомобилей. Ведь для гоночных автомобилей не столь важен большой ресурс, так как ремонт поршневых двигателей тоже требовался и после первого заезда.

    В серийном производстве РПД устанавливался на автомобили немецкого производства. Это был седан представительского класса NSU Ro 80. Автомобиль для своего времени был достаточно современным, так как имел привлекательный дизайн и хорошие аэродинамические свойства. Однако, ввиду серьезных недостатков роторно-поршневых двигателей, связанных со слишком частым техническим обслуживанием, получил отрицательную оценку, в связи с чем, стал оснащаться обычными поршневыми двигателями. Это связано с тем, что двигатель приходил в негодность уже после 50 тысяч километров, что являлось малоэкономичным показателем.

    В настоящее время роторно-поршневые двигатели изготавливают только два завода в мире – это ВАЗ (Россия) и Mazda (Япония).

    Материалы: http://vipwash.ru/dvigatel/rotorno-porshnevoy-dvigatel


    Back to top