Принцип работы роторного двигателя, плюсы и минусы системы

Конструктивные особенности роторного мотора

Хотя роторный мотор конструктивно имеет меньше деталей, его принцип работы несколько сложнее. Также в устройстве роторного двигателя применены элементы из разных материалов (чугун, алюминий). Еще имеются особые покрытия (например, хром).

Статоры (корпусы роторов) имеют металлические вставки из особой стали, интегрированные в алюминиевый корпус. На деле, статор больше похож на цилиндр с хонингованной гильзой. В свою очередь, боковые корпусы выполнены из чугуна, в них сделаны впускные и выпускные окна. На крайних статорах крепятся шестерни.

Сам ротор является поршнем и шатуном, сделан из облегченного чугуна. Н каждой стороне ротора есть камера сгорания и уплотнители для сохранения герметичности. Во внутренней части ротора стоит роторный подшипник, напоминающий вкладыш коленвала.

На обычном поршне традиционного ДВС поршень имеет 3 кольца – пара компрессионных и маслосъемное кольцо. В свою очередь, ротор имеет апексы (уплотнители вершин ротора). Апексы играют роль компрессионных колец. Указанные элементы прижимаются к стенке статора пружиной, а также они прижаты за счет центробежной силы.

Функцию второго пояса компрессионных колец выполняют боковые, а также угловые уплотнения. Они тоже прижимаются пружинами. Эти боковые уплотнители выполнены из металлокерамики, в то же время  угловые уплотнители чугунные. Дополнительно имеются  уплотнения для изоляции, чтобы отработавшие газы не попадали во впускные окна через зазоры, которые образуются между самим ротором и боковым корпусом соответственно.

Еще с двух сторон ротора имеются особые масляные уплотнения (по аналогии с маслосъемными кольцами), которые удерживают масло, поступающее во внутреннюю полость ротора для охлаждения.

Кстати, система смазки роторного ДВС сложная, включает в себя радиатор охлаждения масла, а также целую группу из нескольких типов масляных форсунок. Форсунки интегрированы в эксцентриковый вал для охлаждения роторов, также они установлены в статоры.

Еще масло подается и в рабочую полость, смешиваясь с горючей смесью и выгорая вместе с топливным зарядом. На деле, роторный мотор весьма требователен к качеству масла. Если заливать неподходящую смазку, агрегат коксуется, возникает детонация и т.д.

Также добавим, что система питания простая, есть несколько форсунок (пара форсунок перед впускными окнами, а также во впускном коллекторе). Что касается зажигания, использованы две свечи на один ротор. Это сделано по причине того, что камеры сгорания сами по себе получились длинными. В результате, чтобы добиться равномерного и полноценного сгорания смеси,  используют две свечи, причем их электроды отличаются

При замене свечей важно обращать на это внимание

Принцип работы

Теперь о самом принципе работы. Выполнение определенной работы поршня внутри цилиндров называется тактами. Классический поршневой двигатель имеет четыре такта:

• впуск — в цилиндр подается горючая смесь;
• сжатие — увеличение давления в цилиндре за счет уменьшения объема;
• рабочий ход — энергия, выделенная при сгорании смеси, преобразовывается во вращение вала;
• выпуск — из цилиндра выводятся отработанные газы;

Данные такты имеют все двигатели внутреннего сгорания, и сопровождаются они определенным движением поршня.

Однако они выполняются по-разному. Существуют двухтактные поршневые двигатели, в которых такты совмещены, но такие моторы чаще применяются на мотоциклах и другой бензиновой технике, хотя раньше создавались и дизельные двухтактные моторы. В них одно движение поршня включает два такта. При движении поршня вверх – впуск и сжатие, а при движении вниз – рабочий ход и выпуск. Все это обеспечивается наличием впускных и выпускных окон.

Классические автомобильные поршневые двигатели обычно являются 4-тактными, где каждый такт отделен. Но для этого в двигатель включен механизм газораспределения, который значительно усложняет конструкцию.

Что касается роторного двигателя, то отсутствие поршня как такового позволило несколько совместить конструктивные особенности 2-тактных и 4-тактных моторов.

Принцип работы

Поскольку цилиндр роторного двигателя имеет впускные и выпускные окна, то надобность в газораспределительном механизме отпала, при этом сам процесс работы сохранил все четыре такта по отдельности.

Теперь рассмотрим, как все это происходит внутри статора. Углы ротора постоянно контактируют с цилиндром статора, обеспечивая герметичное пространство между сторонами ротора.

Овальная форма цилиндра статора обеспечивает изменение пространства между стенкой цилиндра и двумя близлежащими вершинами ротора.

Далее рассмотрим действие внутри цилиндра только с одной стороны ротора. Итак, при вращении ротора, одна из его вершин, проходя сужение овала цилиндра, открывает впускное окно и в полость между стороной треугольника ротора и стенкой цилиндра начинает поступать горючая смесь или воздух. При этом движение продолжается, эта вершина достигает и проходит высокую часть овала и дальше идет на сужение. Возможность постоянного контакта вершины ротора обеспечивается его эксцентриковым движением.

Впуск воздуха производится до тех пор, пока вторая вершина ротора не перекроет впускное окно. В это время первая вершина уже прошла высоту овала цилиндра и пошла на его сужение, при этом пространство между цилиндром и стороной ротора начинает значительно сокращаться в объеме – происходит такт сжатия.

В момент, когда сторона ротора проходит максимальное сужение, в пространство между стороной ротора и стенкой цилиндра подается искра, которая воспламеняет горючую смесь, сжатую между зауженной стенкой цилиндра и стороной ротора.

Особенностью роторного двигателя является то, что воспламенение производится не перед прохождением стороны так называемой «мертвой точки», как это делается в поршневом двигателе, а после ее прохождения. Делается это для того, чтобы энергия, выделенная при сгорании, воздействовала на ту часть стороны ротора, которая уже прошла ВМТ (верхняя мёртвая точка). Этим обеспечивается вращение ротора в нужную сторону.

После прохождения свечи, первая вершина ротора начинает открывать выпускное окно, и постепенно, пока вторая вершина не перекроет выпускное окно – производится отвод газов.

Такты двигателя

Следует отметить, что был описан весь процесс, сделанный только одной стороной ротора, все стороны проделывают процесс один за другим. То есть, за одно вращение ротора производится одновременно три цикла – пока в полость между одной стороной ротора и цилиндра запускается воздух или горючая смесь, в это время вторая сторона ротора проходит ВМТ, а третья – выпускает отработанные газы.

Теперь о вращении вала, на эксцентрик которого надет ротор. За счет этого эксцентрика полный оборот вала производится меньше чем за один оборот ротора. То есть, за один полный цикл вал сделает три оборота, при этом отдавая полезное действие дальше. В поршневом двигателе один цикл происходит за два оборота коленчатого вала и только один полуоборот при этом является полезным. Этим обеспечивается высокий выход КПД.

Если сравнить роторный двигатель с поршневым, то выход мощности с одной секции, которая состоит из одного ротора и статора, равна мощности 3-цилиндрового двигателя.

А если учитывать, что Mazda устанавливала на свои авто двухсекционные роторные моторы, то по мощности они не уступают 6-цилиндровым поршневым моторам.

Роторные моторы Мазда

Данный японский концерн по производству легковых и коммерческих авто в представлении не нуждается. Его продукция говорит сама за себя, отличаясь высокой технологичностью, инновационностью, качеством сборки, а также уровнем комфорта, активной и пассивной безопасности для водителя и пассажиров.

Именно этот производитель первым стал устанавливать такие агрегаты серийно. Начав с применения на грузовых машинах и автобусах, в 1978 году завод с успехом использовал его в легковой модели RX 7, которая стала наиболее известной по этому критерию. В 1995‑м такой же движок, но более усовершенствованный, получила RX 8. Впоследствии мотор пришлось подвергнуть доработкам, поскольку он не отвечал нормам экологической безопасности.

В 2003‑м году он даже был признан лучшим двигателем. Невзирая на то, что его пришлось снять с серийного производства, производитель не прекратил изыскания. В настоящее время уже внедряется на новые модели мотор 16X, который обладает более совершенной впускной системой. Благодаря этим новшествам, он отличается уменьшенным потреблением горючего, а сам корпус производится из легких сортов алюминиевых сплавов.

Сегодня мы постарались вкратце разобрать устройство роторного движка, а также познакомиться с его отличительными особенностями, слабыми и сильными характеристиками. Как видим, такое изобретение вполне имеет право на существование, что и было доказано практическим его применением. В ближайшие дни вы сможете ознакомиться с новыми публикациями. А на этом будем прощаться!

Просмотры:1174

0Нравится

Конструктивные особенности двигателя Ванкеля

Теоретическая форма ротора РПД Ванкеля между фиксированными углами является итогом уменьшения объёма геометрической камеры сгорания и увеличения степени сжатия. Симметричная кривая, соединяющая две произвольные вершины ротора, максимальна в направлении внутренней формы корпуса.

Центральный приводной вал, называемый «эксцентриковый» или «E-вал», проходит через центр ротора и поддерживается неподвижными подшипниками. Ролики движутся на эксцентриках (аналогично шатунам), встроенным в эксцентриковый вал (аналогично коленчатому). Роторы вращаются вокруг эксцентриков и совершают орбитальные обороты вокруг эксцентрикового вала.

Вращательное движение каждого ротора на собственной оси вызвано и регулируется парой синхронизирующих передач. Фиксированная шестерня, установленная на одной стороне корпуса ротора, входит в кольцевую шестерню, прикреплённую к ротору, и обеспечивает то, что ротор движется ровно на 1/3 оборота для каждого оборота эксцентрикового вала. Выходная мощность двигателя не передаётся через синхронизаторы. Сила давления газа на роторе (в первом приближении) идёт прямо в центр эксцентриковой части выходного вала.

РПД Ванкеля фактически представляет собой систему прогрессивных полостей переменного объёма. Таким образом, на корпусе имеется три полости, все повторяющие один и тот же цикл. Когда ротор вращается орбитально, каждая его сторона приближается, а затем удаляется от стенки корпуса, сжимая и расширяя камеру сгорания, подобно ходу поршня в двигателе. Вектор мощности ступени сгорания проходит через центр смещённой лопасти.

Двигатели Wankel, как правило, способны достичь гораздо более высоких оборотов, чем те, что с аналогичной выходной мощностью. Это связано с гладкостью, присущей круговому движению, и отсутствием сильно напряжённых частей, таких, как коленчатые и распределительные валы, или шатуны. Эксцентриковые валы не имеют ориентированных по напряжению контуров коленчатых.

https://youtube.com/watch?v=YopoTlhnkDw

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.

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.

Время для повторного возвращения

Вернемся к слухам Mazda о том, что компания может использовать какой-то роторный двигатель в качестве «расширителя» диапазона для своего будущего электрического автомобиля. Эта штука имела бы смысл.

Еще в 2012 году Mazda арендовала в Японии 100 электромобилей Demio EV, они были хороши, но напрягал небольшой диапазон без подзарядки – менее 200 км.

Изучив дело, в 2013 году Mazda создала прототип, который получил небольшой роторный моторчик, тот самый «расширитель» диапазона, который почти удвоил этот диапазон. Модель назвали «Mazda2 RE Range Extender».

Колеса прототипа приводились в движение с помощью электрического двигателя, а 0,33-литровый 38-сильный роторный моторчик работал для того, чтобы перезаряжать батареи электрического двигателя, если они разряжались и поблизости не было места для перезарядки.

Поскольку роторный двигатель не мог отправлять мощность на колеса, Mazda2 RE не был гибридом, как Volt или Prius. Силовой агрегат Ванкеля, скорее, был бортовым генератором, который добавлял энергии аккумуляторам.

Такая же компактность и легкий вес, которые сделали ротор Ванкеля отличным двигателем для спортивного автомобиля, такого как RX-7, также делают его идеальным в новом качестве – расширяющего диапазон генератора на автомобиле, особенно том, который уже имеет электродвигатели и батареи, конкурирующие за пространство, и не может позволить себе много «лишнего» веса.

Роторные двигатели Мазда сделали себе репутацию в основном как моторы для спортивного автомобиля. В былые времена слухи об уникальных возможностях такого рода силовых агрегатов преодолели даже железный занавес СССР, где уже наши инженеры вносили и успешно интегрировали диковинные моторы в отечественные автомобили.

Конструкция

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

Роторно-поршневой двигатель

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 радиальных уплотнений.

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 четырёхтактного поршневого, а отсутствие сопряжения (картерное пространство, коленвал и шатуны) между отдельными рабочими камерами обеспечивают необычайную компактность и высокую удельную мощность. За один оборот эксцентрикового вала двигатель выполняет один рабочий цикл, что эквивалентно работе двухтактного поршневого двигателя. За один оборот ротора эксцентриковый вал выполняет 3 оборота и 3 рабочих хода, что приводит к ошибочным сравнениям роторного двигателя с шестицилиндровым поршневым двигателем.

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.

Автомобили с РПД потребляют от 7 до 20 литров топлива на 100 км, в зависимости от режима движения, масла — от 0,4 л до 1 л на 1000 км.

Рабочий цикл

Двигатель Ванкеля использует четырёхтактный цикл:

• такт A: Топливно-воздушная смесь через впускное окно поступает в камеру двигателя
• такт B: Ротор вращается и сжимает смесь, смесь воспламеняется электрической искрой
• такт C: Продукты горения давят на поверхность ротора, передавая усилия на цилиндрический эксцентрик
• такт D: Вращающийся ротор вытесняет отработанные газы в выпускное окно.

Несмотря на схожесть цикла, динамика сгорания топливно-воздушной смеси в роторно-поршневом двигателе (РПД) сильно отличается от традиционного поршневого двигателя.

В поршневом двигателе (ПД) топливно-воздушный заряд, проходя в цилиндр через клапан на стадии впуска, приобретает высокую турбулентность, которая возрастает с ростом числа оборотов коленчатого вала, что благоприятно сказывается на полноте сгорания смеси. В РПД турбулентность ниже и в момент воспламенения, основной заряд смеси впереди по вращению ротора быстро сгорает, в то время как задняя часть рабочей полости остается не сгоревшей и выбрасывается в атмосферу. Этим объясняется в 6 — 8 раз более высокий процент выбосов в атмосферу несгоревших углеводородов, по сравнению с поршневыми двигателями.

Еще одним отличием рабочего цикла РПД от рабочего цикла ПД является сдвиг момента максимального выделения тепла в камере сгорания на линию расширения после прохождения верхней мертвой точки. Поэтому максимальные температуры цикла, при одинаковой степени сжатия, у РПД ниже, а в фазе выпуска температура отработавших газов на 200 — 250 °С выше чем у поршневых двигателей. Это термодинамически невыгодно и приводит к дополнительному снижению КПД, но в тоже время, по этой причине выброс окиси азота у РПД на 20% ниже, а при одинаковых степенях сжатия, РПД способен работать без детонации на топливе с октановым числом на 15 единиц меньше чем поршневой двигатель.

Устранение недостатков РПД добиваются усложнением систем впрыска, созданием расслоения топливно-воздушной смеси в камере сгорания и т.п.

Устройство и принцип работы

Роторный двигатель, как и традиционный поршневой, является двигателем внутреннего сгорания, но работает он совершенно иначе. В поршневом двигателе, в одном и том же объеме пространства (в цилиндре) попеременно происходят четыре различные работы — впуск, сжатие, сгорание и выпуск (такты).

Роторный двигатель делает эти четыре такта в одном и том же объеме(камере), но каждый из этих тактов происходит в своей отдельной части этой камеры. Как будто для каждого цикла используется отдельный цилиндр, а поршень перемещается от одного цилиндра к другому.Принцип работы роторного двигателя.

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.

В роторном двигателе, давление сгорания содержится в камере, образованной частью объема камеры закрытой стороной треугольного ротора, который используется в данном случае вместо поршней.Ротор и корпус роторного двигателя от Mazda RX-7: Эти детали заменяют поршни, цилиндры, клапаны, шатуны и распредвалы в поршневых двигателях.

Ротор соединен со стенками камеры каждой из трех своих вершин, создавая три отдельных объема газа. Ротор вращается, и каждый из этих объемов попеременно расширяется и сжимается. Цепная реакция всасывает воздух и топливо в рабочую камеру, сжимает смесь, она расширяясь делает полезную работу, затем выхлопные газы выталкиваются, новая порция воздуха и топлива всасывается, и так далее.

Возможен ли самостоятельный ремонт роторного мотора

Ответ, безусловно, будет скорее отрицательный. И дело не в том, что таких автомобилей в мире очень мало – их конструкция настолько уникальна, что что-либо менять внутри самому не представляется возможным.

Конечно, с заменой свечей дела обстоят не так плохо, однако не для первых моделей. У них свечи оказались спрятанными в стационарный вал (подвижными были не только ротор, но и корпус двигателя). Со временем конструкторы перешли к более простому варианту, а свечи начали устанавливать на стенки неподвижного статора, напротив портов впрыска/выпуска.

Большинство других ремонтных работ самостоятельно произвести практически нереально.

Отметим, что классический мотор Ванкеля имеет примерно на 40% меньше комплектующих, чем поршневой двигатель, но это детали, не имеющие аналогов.

Что ещё можно сделать своими руками? Например, поменять вкладыши приводного вала. Эту операцию выполняют, когда они стерлись настолько, что местами проступает медь. Для этого нужно демонтировать шестерни, поменять вкладыши и напрессовать зубчатые колёса на штатное место. Одновременно можно проверить состояние сальников и при необходимости установить новые.

Если при выполнении ремонтных работ демонтаж пружин маслосъемных колец, следует запомнить, где какие стоят, поскольку по форме передние не совпадают с задними. При необходимости можно выполнить замену торцевых пластин, которые тоже не совместимы друг с другом и имеют соответствующую маркировку.

При замене угловых уплотнителей начинать нужно с передней части ротора. Рекомендуется использовать смазку зелёного цвета от Castrol – это поможет зафиксировать уплотнители, пока вы будете заниматься сборкой остальных деталей. Тыльные угловые уплотнители меняются уже после установки приводного вала. При установке прокладок не забудьте смазать их подходящим герметиком. Апексы следует устанавливать в уплотнители после того, как поместите ротор в корпусе. Последнее, что нужно сделать – смазать прокладки тыловой и фронтальной крышек статора перед их установкой.

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.