В 1957 году немецкие инженеры Феликс Ванкель и Вальтер Фройде продемонстрировали первый работоспособный роторный двигатель. Уже через семь лет его усовершенствованная версия заняла место под капотом немецкого спорткара «NSU-Спайдер» - первого серийного автомобиля с таким мотором. На новинку купились многие автомобильные компании - «Мерседес-Бенц», «Ситроен», «Дженерал моторс». Даже ВАЗ многие годы мелкими партиями выпускал машины с двигателями Ванкеля. Но единственной компанией, которая решилась на крупносерийное производство роторных двигателей и не отказывалась от них долгое время, несмотря ни на какие кризисы, стала «Мазда». Ее первая модель с роторным мотором - «Космо Спортс (110S)» - появилась еще в 1967 году.
ЧУЖОЙ СРЕДИ СВОИХ
В поршневом моторе энергия сгорания топливовоздушной смеси сначала преобразуется в возвратно-поступательное движение поршневой группы, а уже затем во вращение коленчатого вала. В роторном же двигателе это происходит без промежуточной ступени, а значит, с меньшими потерями.
Есть две версии бензинового 1,3‑литрового атмосферника 13B-MSP с двумя роторами (секциями) - стандартной мощности (192 л.с.) и форсированная (231 л.с.). Конструктивно это бутерброд из пяти корпусов, которые образуют две герметичные камеры. В них под действием энергии сгорания газов вращаются роторы, закрепленные на эксцентриковом валу (подобие коленчатого). Движение это весьма хитрое. Каждый ротор не просто вращается, а обкатывается своей внутренней шестерней вокруг стационарной шестерни, закрепленной по центру одной из боковых стенок камеры. Эксцентриковый вал проходит сквозь весь бутерброд корпусов и стационарные шестерни. Ротор движется таким образом, что на каждый его оборот приходится три оборота эксцентрикового вала.
В роторном моторе осуществляются те же циклы, что и в четырехтактном поршневом агрегате: впуск, сжатие, рабочий такт и выпуск. При этом в нем нет сложного механизма газораспределения - привода ГРМ, распредвалов и клапанов. Все его функции выполняют впускные и выпускные окна в боковых стенках (корпусах) - и сам ротор, который, вращаясь, открывает и закрывает «окна».
Принцип работы роторного двигателя показан на схеме. Для простоты приведен пример мотора с одной секцией - вторая функционирует так же. Каждая боковая сторона ротора образует со стенками корпусов свою рабочую полость. В положении 1 объем полости минимален, и это соответствует началу такта впуска. По мере вращения ротор открывает впускные окна и в камеру всасывается топливовоздушная смесь (позиции 2–4). В положении 5 рабочая полость имеет максимальный объем. Далее ротор закрывает впускные окна и начинается такт сжатия (позиции 6–9). В положении 10, когда объем полости вновь минимален, происходит воспламенение смеси с помощью свечей и начинается рабочий такт. Энергия сгорания газов вращает ротор. Расширение газов идет до положения 13, а максимальный объем рабочей полости соответствует позиции 15. Далее, до положения 18, ротор открывает выпускные окна и выталкивает отработавшие газы. Затем цикл начинается снова.
Остальные рабочие полости работают так же. А поскольку полостей три, то за один оборот ротора происходит аж три рабочих такта! А учитывая, что эксцентриковый (коленчатый) вал вращается в три раза быстрее ротора, на выходе получаем по одному рабочему такту (полезная работа) на один оборот вала для односекционного мотора. У четырехтактного поршневого двигателя с одним цилиндром это соотношение в два раза ниже.
По соотношению числа рабочих тактов на оборот выходного вала двухсекционный 13B-MSP похож на привычный четырехцилиндровый поршневой мотор. Но при этом с рабочего объема 1,3 л он выдает примерно столько же мощности и крутящего момента, сколько поршневой с 2,6 л! Секрет в том, что движущихся масс у роторного мотора в несколько раз меньше - вращаются только роторы и эксцентриковый вал, да и то в одну сторону. У поршневого же часть полезной работы уходит на привод сложного механизма ГРМ и вертикальное движение поршней, которое постоянно меняет свое направление. Еще одна особенность роторного мотора - более высокая стойкость к детонации. Именно поэтому он перспективнее для работы на водороде. В роторном двигателе разрушительная энергия аномального сгорания рабочей смеси действует только в направлении вращения ротора - это следствие его конструкции. А у поршневого мотора она направлена в противоход движению поршня, что и вызывает плачевные последствия.
Двигатель Ванкеля: НЕ ВСЁ ТАК ПРОСТО
Хотя у роторного мотора и меньше элементов, чем у поршневого, в нем применены более хитрые конструктивные решения и технологии. Но между ними можно провести параллели.
Корпусы роторов (статоры) изготовлены по технологии вставки листового металла: в корпус из алюминиевого сплава вставлена подложка из специальной стали. Благодаря этому конструкция легкая и прочная. Стальная подложка имеет хромовое покрытие с микроскопическими канавками для лучшего удержания масла. По сути, такой статор напоминает привычный цилиндр с сухой гильзой и хоном на ней.
Боковые корпусы - из специального чугуна. В каждом есть впускные и выпускные окна. А на крайних (переднем и заднем) закреплены стационарные шестерни. У моторов предыдущих поколений эти окна были в статоре. То есть в новой конструкции увеличили их размер и количество. За счет этого улучшились характеристики впуска и выпуска рабочей смеси, а на выходе - КПД двигателя, его мощность и топливная экономичность. Боковые корпусы в паре с роторами по функционалу можно сравнить с механизмом ГРМ поршневого мотора.
Ротор - по сути, тот же самый поршень и одновременно шатун. Изготовлен из специального чугуна, пустотелый, максимально облегчен. На каждой его стороне есть кюветообразная камера сгорания и, конечно же, уплотнители. Во внутреннюю часть вставлен роторный подшипник - своего рода шатунный вкладыш коленчатого вала.
Если привычный поршень обходится всего тремя кольцами (два компрессионных и одно маслосъемное), то у ротора подобных элементов в несколько раз больше. Так, апексы (уплотнения вершин ротора) играют роль первых компрессионных колец. Они изготовлены из чугуна с электронно-лучевой обработкой - для повышения износостойкости при контакте со стенкой статора.
Апексы состоят из двух элементов - основного уплотнителя и уголка. К стенке статора их прижимает пружина и центробежная сила. Роль вторых компрессионных колец играют боковые и угловые уплотнения. Они обеспечивают газоплотность контакта ротора и боковых корпусов. Как и апексы, к стенкам корпусов они прижимаются своими пружинами. Боковые уплотнители металлокерамические (на них приходится основная нагрузка), а угловые сделаны из специального чугуна. А еще есть изолирующие уплотнения. Они препятствуют перетеканию части отработавших газов во впускные окна через зазор между ротором и боковым корпусом. На обеих сторонах ротора есть и подобие маслосъемных колец - масляные уплотнения. Они задерживают масло, подаваемое в его внутреннюю полость для охлаждения.
Система смазки тоже изощренная. Она имеет минимум один радиатор для охлаждения масла при работе мотора на больших нагрузках и несколько видов масляных форсунок. Одни встроены в эксцентриковый вал и охлаждают роторы (по сути, похожи на форсунки охлаждения поршней). Другие встроены в статоры - по паре на каждый. Форсунки расположены под углом и направлены на стенки боковых корпусов - для лучшей смазки корпусов и боковых уплотнений ротора. Масло попадает в рабочую полость и смешивается с топливовоздушной смесью, обеспечивая смазку остальных элементов, и сгорает вместе с ней. Поэтому важно использовать только минеральные масла или одобренную производителем специальную полусинтетику. Неподходящие виды смазки при сгорании дают большое количество углеродных отложений, а это приводит к детонации, пропускам зажигания и снижению компрессии.
Топливная система довольно проста - за исключением количества и расположения форсунок. Две - перед впускными окнами (по одной на ротор), еще столько же - во впускном коллекторе. В коллекторе форсированного мотора на две форсунки больше.
Камеры сгорания очень длинные, и, чтобы сгорание рабочей смеси было эффективным, пришлось применить по две свечи на каждый ротор. Они отличаются друг от друга длиной и электродами. Во избежание неправильной установки на провода и свечи нанесены цветные метки.
НА ДЕЛЕ
Ресурс мотора 13B-MSP составляет примерно 100 000 км. Как ни странно, он страдает теми же проблемами, что и поршневой.
Первым слабым звеном кажутся уплотнения ротора, которые испытывают сильный нагрев и высокие нагрузки. Это действительно так, но прежде естественного износа их прикончат детонация и выработка подшипников эксцентрикового вала и роторов. Причем страдают только торцевые уплотнения (апексы), а боковые изнашиваются крайне редко.
Детонация деформирует апексы и их посадочные места на роторе. В результате вдобавок к снижению компрессии уголки уплотнений могут вывалиться и повредить поверхность статора, который не подлежит обработке. Расточка бесполезна: во‑первых, сложно найти нужное оборудование, а во‑вторых, запчастей под увеличенный размер просто нет. Не подлежат ремонту и роторы при повреждении пазов под апексы. Как водится, корень беды - в качестве топлива. Честный 98‑й бензин найти не так уж просто.
Быстрее всего изнашиваются коренные вкладыши эксцентрикового вала. Видимо, из-за того, что он вращается в три раза быстрее роторов. В результате роторы получают смещение относительно стенок статора. А вершины роторов должны быть равноудалены от них. Рано или поздно уголки апексов выпадают и задирают поверхность статора. Эту беду никак не предугадать - в отличие от поршневого мотора, роторный практически не стучит даже при износе вкладышей.
У форсированных наддувных моторов бывают случаи, когда из-за очень бедной смеси апекс перегревается. Пружина под ним выгибает его - в результате компрессия значительно падает.
Вторая слабинка - неравномерный нагрев корпуса. Верхняя часть (здесь протекают такты впуска и сжатия) холоднее, чем нижняя (такты сгорания и выпуска). Однако корпус деформируется только у форсированных наддувных моторов мощностью более 500 л.с.
Как и следовало ожидать, мотор очень чувствителен к типу масла. Практика показала, что синтетические масла , пусть и специальные, образуют при сгорании очень много нагара. Он накапливается на апексах и снижает компрессию. Нужно использовать минеральное масло - оно сгорает почти бесследно. Сервисмены рекомендуют менять его через каждые 5000 км.
Масляные форсунки в статоре выходят из строя в основном из-за попадания грязи во внутренние клапаны. Атмосферный воздух проникает в них через воздушный фильтр, и несвоевременная замена фильтра ведет к проблемам. Клапаны форсунок промывке не поддаются.
Проблемы с холодным пуском мотора, особенно в зимнее время, обусловлены потерей компрессии вследствие износа апексов и появления отложений на электродах свечей из-за некачественного бензина.
Свечей хватает в среднем на 15 000–20 000 км.
Вопреки расхожему мнению, производитель рекомендует глушить мотор как обычно, а не на средних оборотах. «Знатоки» уверены, что при выключении зажигания в рабочем режиме сгорают все остатки топлива и это облегчает последующий холодный пуск. По мнению сервисменов, толку от подобных ухищрений ноль. А вот действительно полезным для мотора будет хотя бы небольшой прогрев перед началом движения. С теплым маслом (не ниже 50º) его износ будет меньше.
При качественной дефектовке роторного двигателя и последующем ремонте он отходит еще 100 000 км. Чаще всего требуется замена статоров и всех уплотнений роторов - за это придется выложить не менее 175 000 рублей.
Несмотря на вышеперечисленные проблемы, в России хватает поклонников роторных машин - что уж говорить о других странах! Хотя сама «Мазда» сняла роторную «восьмерку» с производства и с ее наследницей пока не спешит.
Mazda RX-8: ТЕСТ НА ВЫНОСЛИВОСТЬ
В 1991 году «Мазда‑787В» с роторным мотором победила в гонке «24 часа Ле-Мана». Это была первая и единственная победа автомобиля с таким двигателем. Кстати, сейчас далеко не все поршневые моторы доживают до финиша в «длинных» гонках на выносливость.
Роторно-поршневой двигатель или двигатель Ванкеля представляет собой мотор, где главным рабочим элементом осуществляются планетарные круговые движения. Это принципиально другой вид двигателя, отличный от поршневых собратьев в семействе ДВС.
В конструкции такого агрегата используется ротор (поршень) с тремя гранями, внешне образующим треугольник Рело, осуществляющий круговые движения в цилиндре особого профиля. Чаще всего поверхность цилиндра исполнена по эпитрохоиде (плоской кривой, полученной точкой, которая жестко связана с окружностью, осуществляющей движение по внешней стороне другой окружности). На практике можно встретить цилиндр и ротор иных форм.
Составные элементы и принцип работы
Устройство двигателя типа РПД предельно проста и компактна. На ось агрегата устанавливается ротор, который крепко соединяется с шестерней. Последняя сцепляется со статором. Ротор, имеющий три грани, двигается по эпитрохоидальной цилиндрической плоскости. В результате чего сменяющиеся объемы рабочих камер цилиндра отсекаются с помощью трех клапанов. Уплотнительные пластины (торцевого и радиального типа) прижимаются к цилиндру под действием газа и за счет действия центростремительных сил и ленточных пружин. Получаются 3 изолированные камеры разные по объемным размерам. Здесь осуществляются процессы сжимания поступившей смеси горючего и воздуха, расширения газов, оказывающих давление на рабочую поверхность ротора и очищающих камеру сгорания от газов. На эксцентриковую ось передается круговое движение ротора. Сама ось находится на подшипниках и передает момент вращения на механизмы трансмиссии. В этих моторах осуществляется одновременная работа двух механических пар. Одна, которая состоит из шестерен, регулирует движение самого ротора. Другая — преобразует вращающиеся движение поршня во вращающиеся движения эксцентриковой оси.
Детали Роторно-поршневого двигателя
Принцип работы двигателя Ванкеля
На примере двигателей, установленных на автомобилях ВАЗ, можно назвать следующие технические характеристики:
— 1,308 см3 – рабочий объем камеры РПД;
— 103 кВт/6000 мин-1 – номинальная мощность;
— 130 кг масса двигателя;
— 125000 км – ресурс двигателя до первого полного его ремонта.
Смесеобразование
В теории в РПД применяют несколько разновидностей смесеобразования: внешнее и внутреннее, на основе жидких, твердых, газообразных видов топлива.
Касательно твердых видов топлива стоит отметить, что их первоначально газифицируют в газогенераторах, так как они приводят к повышенному золообразованию в цилиндрах. Поэтому большее распространение на практике получили газообразные и жидкие топлива.
Сам механизм образования смеси в двигателях Ванкеля будет зависеть от вида применяемого топлива.
При использовании газообразного топлива его смешение с воздухом происходит в специальном отсеке на входе в двигатель. Горючая смесь в цилиндры поступает в готовом виде.
Из жидкого топлива смесь приготавливается следующим образом:
- Воздух смешивается с жидким топливом перед поступлением в цилиндры, куда поступает горючая смесь.
- В цилиндры двигателя жидкое топливо и воздух поступают по отдельности, и уже внутри цилиндра происходит их смешивание. Рабочая смесь получается при соприкосновении их с остаточными газами.
Соответственно, топливно-воздушная смесь может готовиться вне цилиндров или внутри их. От этого идет разделение двигателей с внутренним или внешним образованием смеси.
Особенности РПД
Преимущества
Преимущества двигателей роторно-поршневого типа по сравнению со стандартными бензиновыми двигателями:
— Низкие показатели уровня вибрации.
В моторах типа РПД отсутствует преобразование возвратно-поступательного движения во вращательное, что позволяет агрегату выдержать высокие обороты с меньшими вибрациями.
— Хорошие динамические характеристики.
Благодаря своему устройству такой мотор, установленный в машине, позволяет ее разогнать выше 100 км/ч на высоких оборотах без избыточной нагрузки.
— Хорошие показатели удельной мощности при малой массе.
Из-за отсутствия в конструкции двигателя коленчатого вала и шатунов достигается небольшая масса движущихся частей в РПД.
— В двигателях такого типа практически отсутствует система смазки.
Непосредственно в топливо добавляется масло. Топливно-воздушная смесь сама осуществляет смазывание пар трения.
— Мотор роторно-поршневого типа имеет небольшие габаритные размеры.
Установленный роторно-поршневой мотор позволяет максимально использовать полезное пространство моторного отсека автомобиля, равномерно распределить нагрузку на оси автомашины и лучше рассчитать расположение элементов коробки передач и узлов. Например, четырехтактный двигатель такой же мощности будет в два раза больше роторного двигателя.
Недостатки двигателя Ванкеля
— Качество моторного масла.
При эксплуатации такого типа двигателей необходимо уделять должное внимание к качественному составу масла, применяемого в двигателях Ванкеля. Ротор и находящаяся внутри камера двигателя имеют большую площадь соприкосновения, соответственно, износ двигателя происходит быстрее, а также такой двигатель постоянно перегревается. Нерегулярная смена масла наносит огромный урон двигателю. Износ мотора возрастает в разы из-за наличия абразивных частиц в отработанном масле.
— Качество свечей зажигания.
Эксплуатантам таких двигателей приходится быть особо требовательным к качественному составу свечей. В камере сгорания из-за ее небольшого объема, протяженной формы и высокой температуры затруднен процесс зажигания смеси. Следствием является повышенная рабочая температура и периодическая детонация камеры сгорания.
— Материалы уплотнительных элементов.
Существенной недоработкой мотора типа РПД можно назвать ненадежную организацию уплотнений промежутков между камерой, где сгорает топливо, и ротором. Устройство ротора такого мотора достаточно сложное, поэтому уплотнения требуются и по граням ротора, и по боковой поверхности, имеющей соприкосновение с крышками двигателя. Поверхности, которые подвергаются трению, необходимо постоянно смазывать, что выливается в повышенный расход масла. Практика показывает, что мотор типа РПД может потребить от 400 гр до 1 кг масла на каждые 1000 км. Снижаются экологичные показатели работы двигателя, так как горючее сгорает вместе с маслом, в результате в окружающую среду выбрасывается большое количество вредных веществ.
Из-за своих недоработок такие моторы не получили широкого распространения в автомобилестроении и в изготовлении мотоциклов. Но на базе РПД изготавливаются компрессоры и насосы. Авиамоделисты часто используют такие двигатели для конструирования своих моделей. Из-за невысоких требований к экономичности и надежности конструкторы не применяют сложную систему уплотнений в таких моторах, что значительно снижает его себестоимость. Простота его конструкции позволяет без проблем встроить в авиамодель.
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:
- 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.
- КПД механический (характеризует работу, результатом которой стало образование переданного потребителю крутящего момента главной оси).
Порядка 10% работы мотора расходуется на приведение в движение вспомогательных узлов и механизмов. Исправить данную недоработку можно путем внесения изменений в устройство двигателя: когда главный движущийся рабочий элемент не прикасается к неподвижному корпусу. Постоянное плечо крутящего момента должно присутствовать на всем пути следования основного рабочего элемента.
- Термическая эффективность (показатель, отражающий количество тепловой энергии, образованной от сжигания горючего, преобразующейся в полезную работу).
На практике 65% полученной тепловой энергии улетучивается с отработанными газами во внешнюю среду. Ряд исследований показал, что можно добиться повышения показателей термической эффективности в том случае, когда конструкция мотора позволяла бы осуществлять сгорание горючего в теплоизолированной камере, чтобы с самого начала достигались максимальные показатели температуры, а в конце эта температура понижалась до минимальных значений путем включения паровой фазы.
Современное состояние роторно-поршневого двигателя
На пути массового применения двигателя встали значительные технические трудности:
— отработка качественного рабочего процесса в камере неблагоприятной формы;
— обеспечение герметичности уплотнения рабочих объемов;
— проектировка и создания конструкции корпусных деталей, которые надежно прослужат весь жизненный цикл работы двигателя без коробления при неравномерном нагрева этих деталей.
В результате огромной проделанной научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы этим фирмам удалось решить почти все наиболее сложные технические задачи на пути создания РПД и выйти на этап их промышленного производства.
Первый массовый автомобиль NSU Spider с РПД начала выпускать фирма NSU Motorenwerke. Вследствие частых переборок двигателей из-за выше сказанных технических проблем на раннем этапе развития конструкции двигателя Ванкеля, взятые NSU гарантийные обязательства привели ее к финансовому краху и банкротству и последовавшему слиянию с Audi в 1969 году.
Между 1964 и 1967 годом произведено 2375 автомобилей. В 1967 году Spider был снят с производства и заменён на NSU Ro80 с роторным двигателем второго поколения; за десять лет производства Ro80 выпущено 37398 машин.
Наиболее успешно с данными проблемами справились инженеры фирмы Mazda. Она и остается единственным массовым производителем машин с роторно-поршневыми двигателями. Доработанный мотор серийно начался ставить на автомобиль Mazda RX-7 с 1978 года. С 2003 преемственность приняла модель Mazda RX-8, она и является на данный момент массовой и единственной версией автомобиля с двигателем Ванкеля.
Российские РПД
Первое упоминание о роторном двигателе в Советском Союзе относится к 60-м годам. Исследовательские работы по роторно-поршневым двигателям начались в 1961 году, соответствующим постановлением Минавтопрома и Минсельхозмаша СССР. Промышленное же изучение с дальнейшем выводом на производство данной конструкции началось в 1974 году на ВАЗе. специально для этого было создано Специальное конструкторское бюро роторно-поршневых двигателей (СКБ РПД). Поскольку лицензию купить не было возможности, был разобран и скопирован серийный «ванкель» от NSU Ro80. На этой основе разработали и собрали двигатель Ваз-311, а произошло это знаменательное событие в 1976 году. На ВАЗе разрабатывали целую линейку РПД от 40 до 200 сильных двигателей. Доработка конструкции тянулась почти шесть лет. Удалось решить целый ряд технических проблем связанные с работоспособностью газовых и маслосъемных уплотнений, подшипников, отладить эффективный рабочий процесс в камере неблагоприятной формы. Свой первый серийный автомобиль ВАЗ с роторным двигателем под капотом представил публике в 1982 году, это был Ваз-21018. Машина внешне и конструктивно была как и все модели данной линейки, за одним исключением, а именно, под капотом стоял односекционный роторный двигатель мощностью 70 л.с. Длительность разработки не помешала случиться конфузу: на всех 50 опытных машинах при эксплуатации возникли поломки мотора, заставившие завод установить на его место обычный поршневой.
Ваз 21018 с Роторно-поршневым двигателем
Установив, что причиной неполадок являлись вибрации механизмов и ненадёжность уплотнений, конструкторы предприняли спасти проект. Уже в 83-ем появились двухсекционные Ваз-411 и Ваз-413 (мощностью, соответственно, 120 и 140 л.с.). Несмотря на низкую экономичность и малый ресурс, сфера применения роторного двигателя всё-таки нашлась – ГАИ, КГБ и МВД требовались мощные и незаметные машины. Оснащённые роторными двигателями «Жигули» и «Волги» легко догоняли иномарки.
С 80-ых годов 20 века СКБ был увлечён новой темой – применение роторных двигателей в смежной отрасли — авиационной. Отход от основной отрасли применения РПД привело к тому, что для переднеприводных машин роторный двигатель Ваз-414 создаётся лишь к 1992 году, да ещё три года доводится. В 1995 году Ваз-415 был представлен к сертификации. В отличие от предшественников он универсален, и может устанавливаться под капотом как заднеприводных («классика» и ГАЗ), так и переднеприводных машин (ВАЗ, Москвич). Двухсекционный «Ванкель» имеет рабочий объём 1308 см 3 и развивает мощность 135 л.с. при 6000об/мин. «Девяносто девятую» он ускоряет до сотни за 9 секунд.
Роторно-поршневой двигатель ВАЗ-414
На данный момент проект по разработке и внедрения отечественного РПД заморожен.
Ниже представлено видео устройства и работы двигателя Ванкеля.
Изобретение двигателя внутреннего сгорания дало толчок к производству автомобилей, передвигающихся на жидком виде топлива. Двигатели эти на протяжении всей истории автомобилестроения эволюционировали: появлялись различные конструкции моторов. Одной из прогрессивных, но так и не получивших распространение конструкций двигателей стал роторно-поршневой агрегат. Об особенностях этого типа двигателя, его достоинствах и недостатках мы поговорим в сегодняшнем материале.
История
Разработчиком роторно-поршневого двигателя стал дуэт инженеров компании NSU – Феликс Ванкель и Вальтер Фройде. И хотя основная роль в создании роторного двигателя принадлежит именно Фройде (второй участник проекта в это время работал над конструкцией иного двигателя), в автомобильной среде силовой агрегат известен как мотор Ванкеля.
Эта силовая установка была собрана и испытана в 1957 году. Первым автомобилем, на который установили роторно-поршневой двигатель, стал спорткар NSU Spider, который развивал скорость 150 км/час при мощности мотора 57 лошадиных сил. Производилась эта модель на протяжении трех лет (1964-1967 годы).
По настоящему массовым автомобилем с роторным двигателем стало второе детище компании NSU – седан Ro-80.
В названии автомобиля указывалось, что модель оснащается роторным агрегатом. Впоследствии роторные двигатели устанавливались на автомобили Citroen (GS Birotor), Mercedes-Benz (С111), Chevrolet (Corvette), ВАЗ (21018) и так далее. Но самый массовый выпуск моделей с роторным двигателем был налажен японской компанией Mazda. Начиная с 1964 года, компания произвела несколько автомобилей с подобным типом силовой установки, а пионером в этом деле стала модель Cosmo Sport. Самая известная модель с роторно-поршневым двигателем, которая выпускалась этим производителем – RX (Rotor-eXperiment). Производство последней модели из этого семейства, в специальной версии Spirit R, было свернуто в середине 2012 года. Впрочем, не все экземпляры роторной «восьмерки» еще распроданы – официальный дилер Mazda в Индонезии еще продает эти автомобили.
Устройство
Особенностью роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания стало присутствие в его конструкции трехгранного ротора – поршня. Он вращается в цилиндре, который имеет специальную форму. Ротор насажен на вал, и соединен с зубчатым колесом, которое, в свою очередь, имеет сцепление со статором – шестерней. Ротор вращается вокруг статора по так называемой эпитрохоидальной кривой, его лопасти попеременно перекрывают камеры цилиндра, в которых происходит сгорание топлива.
В конструкции роторного двигателя отсутствует газораспределительный механизм – его функцию выполняет сам ротор, который при помощи своих лопастей распределяет поступающую горючую смесь и выпускает отработанные в цилиндре газы. Подобная конструкция двигателя позволяет обойтись без множества узлов, крайне необходимых для простого поршневого двигателя (например, коленчатый вал, шатуны), что, во-первых, позволяет уменьшить размер и массу силового агрегата, а во-вторых – уменьшить стоимость его производства.
Достоинства и недостатки
Роторно-поршневой двигатель не зря привлек внимание многих именитых автомобильных компаний. Его конструкция и принцип действия позволяли получить несколько довольно весомых преимуществ перед обычными двигателями.
Во-первых, роторно-поршневой мотор в силу своей конструкции обладал лучшей среди остальных типов силовых установок сбалансированностью, и был подвержен минимальным вибрациям.
Во-вторых, у этой силовой установки отмечались отменные динамические характеристики: без существенной нагрузки на двигатель, авто с роторно-поршневым мотором легко можно разогнать до 100 км/час и более на низкой передаче при высоких оборотах двигателя.
В-третьих, роторный двигатель компактнее и легче, чем стандартный поршневой силовой агрегат. Эта особенность позволяла конструкторам добиться практически идеальной развесовки по осям, что влияло на устойчивость автомобиля на дороге.
В-четвертых, в нем используется намного меньшее количество узлов и агрегатов, чем в обычном двигателе.
Наконец, в-пятых, роторный двигатель обладает высокой удельной мощностью.
Недостатки
К минусам роторно-поршневого двигателя, из-за которых он так и не смог получить массового применения и не используется сегодня в автомобилях всех брендов, относится, во-первых, большой расход топлива на низких оборотах. На некоторых моделях он достигает 20 литров на 100 км пробега, что, согласитесь, совсем не экономично и бьет по карману владельца авто с роторным двигателем.
Во-вторых, недостатком этого типа двигателей является сложность изготовления его деталей: чтобы ротор правильно прошел эпитрохоидальную кривую, необходима высокая геометрическая точность при создании как самого ротора, так и цилиндра. Для этого производители роторных двигателей используют высокоточное и дорогостоящее оборудование, а стоимость производства закладывают в цену автомобиля.
В-третьих, роторный двигатель склонен к перегреву из-за особенности конструкции камеры сгорания: она имеет линзовидную форму, а не сферическую, как у обычных поршневых моторов. Топливная смесь, сгорая в такой камере, превращается в тепловую энергию, которая расходуется в большей части неэффективно – ее избыток нагревает цилиндр, что в конечном итоге приводит к износу и выходу его из строя.
В-четвертых, высокий износ уплотнителей между форсунками ротора из-за перепадов давления в камерах сгорания двигателя. Именно поэтому ресурс таких двигателей составляет 100-150 тысяч км, после чего, как правило, требуется силового агрегата.
В-пятых, роторно-поршневой двигатель нуждается в своевременной и четко соблюдаемой процедуре : мотор потребляет примерно 600 мл моторного масла на 1000 км, так что менять его приходится раз в 5000 км пробега. Если его вовремя не заменить, это чревато выходом из строя узлов и агрегатов мотора, что повлечет за собой дорогостоящий ремонт. То есть, к эксплуатации и обслуживанию роторно-поршневых двигателей следует подходить более ответственно, чем к обслуживанию обычных моторов, вовремя проводя их техническое обслуживание и капитальный ремонт.
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.
Концепция роторного двигателя весьма интересна. Такие крупнейшие концерны, как Mazda, Citroen, Mersedes-Benz и General Motors, выпускали автомобили с роторными двигателями, однако позднее от них отказались. В этой статье мы рассмотрим принцип работы роторного ДВС, а также преимущества и недостатки этой конструкции.
Что такое роторный двигатель
Роторно-поршневой двигатель (РПД) - это класс тепловых двигателей, объединённых типом движения рабочего элемента, или ротора. В частном случае такого устройства можно выделить роторные двигатели внутреннего сгорания (роторные ДВС).
Такой тип двигателя не нуждается в элементах, которые преобразуют поступательные движения во вращательные. Соответственно, при работе роторного ДВС значительно меньше потерь, нежели поршневого, весь отсутствует промежуточное звено, такое как коленчатый вал.
На первый взгляд, этот агрегат отлично решает поставленную перед ним задачу и имеет более высокий КПД. Однако такая конструкция не получила большого распространения, и даже автомобильному концерну Mazda, который долго выпускал автомобили с таким типом двигателя, в частности модель RX-8, пришлось в конце концов отказаться от роторных систем.
Это обусловлено некоторыми недостатками в работе системы, о которых пойдёт речь далее в статье.
Немного истории возникновения агрегата
Знаете ли вы? В первой версии конструкции Ванкеля имелась подвижная камера и зафиксированный ротор, однако в итоге схему поменяли местами.
В этом тандеме Ванкель провёл исследования уплотнений вращающихся клапанов, а базовую схему и инженерную концепцию сформулировал Фройде. Сейчас роторный ДВС часто называют двигателем Ванкеля.
Впервые данная модель «сердца автомобиля» была испытана на NSU Spider, мощность мотора которого составила 57 лошадиных сил. При этом он легко разгонялся до скорости 150 км/ч.
Первым массовым авто с роторной системой стал NSU Ro-80 - второй по счёту автомобиль во всей линейке компании. В отечественном автопроме данная модель двигателя использовалась на ВАЗ 21079, которая была служебной машиной, часто милицейской.
А самой массовой серией машин с роторным ДВС по праву считается Mazda RX (Rotor-eXperiment), которая производилась вплоть до середины 2012 года, хотя и сейчас ещё не до конца распроданы выпущенные автомобили.
Конструкция роторного двигателя
Подвижный элемент этой конструкции устанавливается на валу и соединяется с шестерёнкой, которая соединена со статором и образует так называемую «неподвижную шестерню». Диаметр статора по размерам значительно меньше диаметра ротора, вращающегося вокруг шестерни вместе с зубчатым колесом.
Ротор имеет трёхгранную форму и движется по поверхности цилиндра. В процессе движения он поочерёдно закрывает объёмы камер при помощи уплотнений, находящихся в вершинах ротора. Во время работы конструкции не требуется специального газораспределения.
1 и 2 - части впускной системы двигателя; 3 - задняя часть корпуса двигателя; 4 и 6 - цилиндры (корпус ротора); 5 - средняя часть корпуса двигателя; 7 - передняя часть корпуса двигателя; 8 - корпус дроссельной заслонки; 9 и 11 - стационарные (неподвижные) шестерни на фланцах; 10 - ротор с внутренним зубчатым венцом в сборе; 12 - эксцентриковый вал роторов; 13 - приёмный выпускной коллектор.
Благодаря действию давления газа и центробежных сил пластины, которые выполняют роль уплотнителя, прижимаются к внутренней поверхности устройства, и в результате происходит герметизация камеры.
Схема в итоге оказалась куда проще и компактнее, чем поршневые устройства, в том числе за счёт отсутствия картерного пространства, шатунов и коленвала. Чаще всего при изготовлении конструкции применяется соотношение радиуса шестерни к зубчатому колесу 2:3.
Принцип работы
Роторный двигатель не производит возвратно-поступательные движения, как обычный поршневой ДВС. Принцип работы основан на вращении поршня. В работе нет точек замирания, как у поршневого устройства, то есть он работает более плавно, без импульсов.
РПД использует избыточное давление, которое возникает в процессе сгорания смеси топлива и воздуха. С помощью шатуна и коленчатого вала приводится в движение поршень. Давление возникает в камерах, которые формируются самой конструкцией цилиндра и корпусом ротора, играющего роль поршня.
Траектория работы ротора похожа на линию спирографа. Когда происходит соприкосновение вершин движущего элемента и стенок самого ДВС, создаются непроницаемые камеры сгорания.
Вращающийся ротор позволяет осуществлять следующие процессы:
- поступление воздушно-топливной смеси;
- её сжатие;
- воспламенение;
- выпуск выхлопа.
При поступлении воздуха в камеру одновременно впрыскивается топливо. При вращении ротора в этой камере смесь сжимается. Вращаясь, ротор перемещает камеру со смесью к свечам зажигания, после чего происходит воспламенение топлива и расширение.
На следующем повороте смесь выходит в выхлопную трубу, и процесс повторяется. Такой процесс работы ничем не отличается от работы четырёхтактного поршневого ДВС.
Видео: как работает роторный двигатель
Плюсы и минусы
К преимуществам роторного двигателя можно отнести:
- отсутствие пульсирующих импульсных нагрузок;
- КПД такого двигателя составляет 40 %, в отличие от 20 % поршневого ДВС;
- его мощность значительно выше, к тому же работает он намного тише, что позволяет использовать топливо с низким октановым числом;
- он сделан из гораздо меньшего количества металла, а значит, более лёгкий;
- конструкция содержит меньшее число агрегатов и узлов.
Недостатки:
- Герметизация камеры сгорания и впуска-выпуска.
- Для разработки нужны точные расчёты, ведь в при трении металл в результате нагрева расширяется. Точные расчёты позволяют сохранить компрессию и КПД.
- В процессе работы такой двигатель имеет склонность к перегревам, чем и уступает поршневым ДВС.
- Из-за конструкции самого устройства зоны нагрева распределены неравномерно, поскольку в камере сгорания температура выше, чем в камере впуска-выпуска. Следовательно, и цилиндр нагревается неравномерно. Для устранения такого дефекта конструкции необходимо в процессе производства цилиндра использовать различные материалы.
- Износостойкость у данного типа значительно ниже, чем у поршневых ДВС, так как роторный работает на больших оборотах.
- Из-за больших оборотов значительно увеличивается расход топлива и масла.
- Поскольку в процессе работы роторного ДВС топливо не успевает полностью сгореть, выхлопные газы являются более токсичными, нежели у поршневого.
- При использовании роторного двигателя нужно регулярно производить замену масла и чётко следить за выполнением этой процедуры.
Роторный двигатель хоть и не получил такого же распространения, как поршневой ДВС, однако тоже нашёл свою нишу в автомобильной промышленности.
Важно! В автомобилях с таким двигателем необходимо масло заменять каждые 5000 км. Если своевременно не выполнять замену, то вероятность поломок значительно увеличивается, что влечёт за собой дорогостоящий ремонт.
Например, его часто устанавливают в машины, которые участвуют в гонках. Несмотря на существенные недостатки, этот двигатель обладает и несомненными достоинствами, поэтому по-прежнему считается серьёзной альтернативой поршневым ДВС.