Роторный двигатель внутреннего сгорания

Содержание

Словосочетание «двигатель внутреннего сгорания» 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
NSU	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
Corvette	XP-882 Four Rotor
Citroen	M35
Citroen	GS Birotor (GZ)
ВАЗ	21019 (Аркан)
ВАЗ	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

Эксперты рекомендуют в обслуживании придерживаться следующих правил:

замену масла производить каждые 3-5 тысяч километров пробега. Нормальным считается расход 1.5 литра на 1000 км.
следить за состоянием масляных форсунок, средний срок их жизни составляет 50 тысяч.
менять воздушный фильтр каждые 20 тысяч.
использовать только специальные свечи, ресурс 30-40 тысяч километров.
заливать в бак бензин не ниже АИ-95, а лучше АИ-98.
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.

znanieavto.ru

Роторно — поршневой двигатель (двигатель Ванкеля)

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 см³ 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.

zewerok.ru

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.

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

avtodvigateli.com

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.

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.

2auto.su

Роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания

Валерий Васильев, фото автора

За историю автомобилестроения лучшие умы человечества придумали немало самых разнообразных конструкций двигателей. Но только некоторым из них удалось стать серийными образцами. Остальные, несмотря на оригинальность заложенных идей, так и не вышли из стадии эксперимента. Возможно, судьба роторно-лопастного мотора, созданного в Псковском государственном политехническом университете, окажется более удачливой.

Расклад сил

Развитие и область применения двигателей внутреннего сгорания (ДВС) приобрели сегодня всеобъемлющий характер. Многочисленные научные исследования и разработки превратили ДВС в сложнейшую, но надежную и универсальную систему. В то же время опыт длительной эксплуатации в составе транспортных средств выявил недостатки, которые практически невозможно исключить путем модернизации конструкции двигателя, не затронув базовых принципов его организации, таких как механические потери на трение и процесс внутреннего сгорания топлива.

Главным недостатком ДВС, который в результате массового распространения автомобильного транспорта занял лидирующее положение, стал фактор загрязнения окружающей среды выхлопными газами. Доля вредных веществ, поступающих в атмосферу с отработавшими газами автомобильных двигателей, составляет до 63% от общего загрязнения окружающей среды. В связи с этим в последние десятилетия в мире ужесточаются требования к экологическим нормам для транспортных средств, и в первую очередь это касается двигателей внутреннего сгорания. Последние, потребляя пятую часть первичных энергоносителей, являются основным источником загрязнения окружающей среды. Однако планируемые меры, даже в случае их полной реализации, способны лишь снизить темпы увеличения загрязняющего действия ДВС транспортных средств на фоне быстрого роста их количества и мощности.

Экологические преимущества двигателей с внешним подводом теплоты
Тип двигателя	Токсичность, мг/(л.с..с)
Тип двигателя	NO_x	CO	C_xH_y
Карбюраторный двигатель	0,6–2,0	40–100	15–120
Дизель	0,4–2,0	0,2–5,0	0,6–12
Газовая турбина	0,7–2,0	2,0–3,6	0,012–0,07
Двигатель внешнего сгорания	0,1–0,2	0,05–0,2	0,0015–0,009
Нормы Euro 5	0,414	0,311	0,095

Таким образом, назрела необходимость производства принципиально иного двигателя, способного кардинально изменить ситуацию, работающего на различных видах топлива и не имеющего вредных выбросов в атмосферу.

По критерию экологичности использования любого вида топлива наилучшие характеристики у двигателя с внешним подводом тепла (ДВПТ), реализующего цикл Стирлинга. Внешний подвод тепла позволяет применять различные тепловые источники без каких-либо существенных изменений конструкции двигателя. В подобных двигателях могут быть использованы практически все виды ископаемого топлива – от твердых до газообразных. Для оценки уровня токсичности двигателя с внешним подводом тепла его удельные выделения токсичных веществ можно сравнить с таковыми у дизеля, газовой турбины и карбюраторного двигателя. По таким показателям вредных веществ, как CO, NO_x и C_xN_y, мотор с внешним подводом тепла выглядит не только значительно лучше перечисленных конкурентов, но и соответствует перспективным экологическим нормам, еще не введенным в действие.

Итак, преимущества двигателей с внешним подводом тепла выражаются в термическом КПД, достигающем 60%, использовании практически всех видов топлива, включая солнечную энергию, возможности регулирования мощности путем изменения давления рабочего тела и температуры, легком пуске при низкой температуре, герметичности, высоком моторесурсе.

Исходя из этого можно сказать, что в сфере создания двигателей возникло техническое противоречие: с одной стороны, имеются компактные и дешевые двигатели внутреннего сгорания, а с другой – массивные и дорогие в изготовлении моторы с внешним подводом теплоты.

Давайте рассмотрим недостатки поршневого двигателя Стирлинга. Во-первых, это сложность конструктивного исполнения отдельных узлов, проблемы в области уплотнений, регулирования мощности и т. д. Особенности технического решения обусловливаются применяемыми рабочими телами. Так, например, гелий обладает сверхтекучестью, что определяет повышенные требования к уплотняющим элементам рабочих поршней, штока вытеснителя и т. д. Во-вторых, формирование облика перспективных, предполагаемых к производству машин Стирлинга невозможно без разработки новых технических решений основных узлов. В-третьих, высокий уровень технологии производства.

Кроме того, данная проблема связана с необходимостью применения в машинах Стирлинга жаростойких сплавов и цветных металлов, их сварки и пайки. Отдельный вопрос – изготовление регенератора и насадки для него для обеспечения, с одной стороны, высокой теплоемкости, а с другой – низкого гидравлического сопротивления. Все это требует высокой квалификации рабочего персонала и современного технологического оборудования. Зарубежный опыт создания современных высокоэффективных машин Стирлинга показывает, что без точного математического моделирования рабочих процессов и оптимального проектирования основных узлов доводка таких машин превращается в многолетние изнурительные экспериментальные исследования.

Свой путь

Взвесив все «за» и «против», в Псковском государственном политехническом университете (ППИ) подумали, почему бы не создать новый тип двигателя, соединяющего в себе преимущества роторно-лопастной расширительной машины и принципа внешнего подвода теплоты.

Кстати, работы по созданию роторно-лопастного двигателя ведутся в ППИ уже более 30 лет. За это время создан коллектив из высококвалифицированных научных сотрудников, накоплены значительный опыт и научно-технический материал. Результатом исследований стало создание натурного образца роторно-лопастной расширительной машины на основе рычажно-кулачкового преобразователя движения.

В практическое русло работы вошли в 1998 году, когда в рамках федеральной целевой программы ППИ заключил договор с Миннауки на опытно-конструкторские работы на тему: «Разработка технологии и изготовление опытного образца роторно-лопастного двигателя внутреннего сгорания». Итогом работы стало создание технологии изготовления и макета РЛД внутреннего сгорания.

Исследование данных макетов позволило доказать принцип работы роторно-лопастной машины, отработать конструкцию рычажно-кулачкового механизма, утвердиться в надежности и долговечности работы РЛД и подтвердить достоинства роторно-лопастных машин.

Принцип работы роторно-лопастного двигателя известен уже давно. Этот механизм содержит два ротора с лопастями и цилиндр с впускными и выпускными окнами. В двигателе предусмотрен механизм связи, позволяющий роторам совершать движение друг относительно друга и вращательно-колебательное движение относительно цилиндра, а также устройство, позволяющее суммировать движение роторов и передать равномерное вращение выходному валу.

При этом выяснилось, что коэффициент компактности основного объема роторно-лопастного двигателя (отношение эквивалентного рабочего объема к объему двигателя) достигает 15–20%, в то время как максимальное значение этого показателя для поршневых (V-образных с кривошипно-шатунным механизмом) составляет 1–2%. Столь большое (в несколько раз) преимущество по удельно-массовым показателям открывает перспективы практического применения двигателей данной схемы.

Предложенная конструктивная схема роторно-лопастного двигателя имеет ряд преимуществ по сравнению с шатунно-поршневым двигателем. На основании проведенных ранее исследований, выявления проблем в области создания двигателей с внешним подводом теплоты, требованиям к современным моторам возникла идея объединить роторно-лопастную конструкцию двигателя с принципом внешнего подвода теплоты. Данный синтез явился следствием тщательного анализа современных конструктивных вариантов двигателей с выявлением достоинств и недостатков каждого.

В настоящее время существует три основные проблемы в области создания роторно-лопастных машин. В основе конструкции предложенной расширительной машины и двигателя внутреннего сгорания лежит четырехзвенный механизм преобразования движения, особенность конструкции которого заключается в следущем: механизм состоит из четырехзвенника и кулачка. Четырехзвенник состоит из шарнирно связанных плеч одинаковой длины. К серединам плеч шарнирно прикреплены рычаги лопастей. Механизм обеспечивает основные функциональные требования к преобразователю движения. Закон изменения угла между лопастями синусоидальный. Графики скоростей и ускорений лишены резких скачков, поэтому достигается плавность и безударность работы механизма. В конструкции нет недостатков, связанных с использованием зубчатых колес. В свою очередь простота изготовления определяется отсутствием сложных прецизионных деталей, сферических шарниров и т. п., применением однотипных элементов. К тому же механизм реверсивен, обратим, уравновешен, что расширяет функциональные возможности двигателя, спроектированного на его основе.

Число рабочих тактов при одном обороте выходного вала равно четырем, в то время как для шатунно-поршневого ДВС оно равно двум. Равенство продолжительности рабочих тактов на одном обороте выходного вала обеспечивается симметричной конструкцией механизма преобразования. Степень сжатия рабочего тела зависит от диапазона изменения угла между лопастями. Для данного механизма она ограничивается лишь конструктивными и прочностными параметрами реального механизма.

Отличия и преимущества

В 2007 г. ППИ выиграл конкурс в рамках федеральной целевой программы и заключил государственный контракт с Федеральным агентством по науке и инновациям на проведение научно-исследовательских работ на тему «Разработка математической модели протекания термодинамического цикла с внешним подводом теплоты, позволяющей создать экологически чистый двигатель роторно-лопастного типа».

В итоге появилась методика расчета и проектирования РЛД с внешним подводом теплоты (РЛДВПТ), в частности, созданы математические модели отдельных узлов двигателя, а также математическая модель, подтверждающая возможность реализации термодинамического цикла с внешним подводом теплоты в РЛД. Для проведения экспериментальных исследований были созданы и исследованы макет механизма преобразователя движения и макет камеры сгорания. Полученные результаты явились доказательной базой правильности теоретических расчетов.

Сравнитльные характеристики роторно-лопастных (РЛД) и шатунно-поршневых (ШПД) двигателей
Показатели	РЛД	ШПД
Удельная масса, кг/кВт	0,4–0,8	2,5–4,5
Удельная мощность, кВт/л	200	50–80
Минимальная скорость вращения, мин^-1	60	600–800
Потери на механическое трение, %	10	35
Средняя скорость лопастной (поршневой) группы, м/с	30–50	15–25
Амплитуда вибраций (в подвешенном состоянии), мкм	100	3000

Как следствие исследования механических и термодинамических процессов двигателя подтвердили возможность и перспективность создания нового типа двигателя – РЛДВПТ (роторно-лопастной двигатель с внешним подводом тепла).

Для практического осуществления цикла с внешним подводом теплоты в двигателе, имеющем замкнутое рабочее пространство, необходимы циклическое изменение объема рабочего пространства, подвод теплоты к рабочему телу, отвод теплоты от него и регенерация некоторой части тепла. Реализовать условия осуществления термодинамического цикла с внешним подводом теплоты на базе двигателя роторно-лопастного типа возможно несколькими способами, для осуществления которых используются соответствующие конструктивные решения.

Сравнение параметров двигателей Стирлинга с РЛДВПТ
Показатели	4S1210 «Дженерал Моторс» (экспери-ментальные данные)	4L23 «Дженерал Моторс» (расчетные данные)	Рядный «Филипс» (расчетные данные)	РЛДВПТ (расчетные данные)
Мощность, кВт	280	95	147	300
Частота вращения, мин^-1	1500	2100	3000	1500
КПД, %	35	–	–	22,6
Температура нагревателя, °С	650	760	700	427
Температура охладителя, °С	32	57	40	77
Рабочее тело	H₂	H₂	He	СО₂
Среднее давление, МПа	10,35	10,3	21,6	3,1
Количество цилиндров	4	4	4	2
Объем цилиндра, cм³	2270	1510	400	1000
Удельная мощность, Вт/ cм³	58	15,7	136	150
Масса, кг	2270	725	400	500
Габаритные размеры, мм	1880x1016x x1930	1360x600x x1000	1130x440x x963	1200x600x x900
Объемная мощность, кВТ/м³	76	116,4	308	464
Удельная масса, кг/кВТ	8	7,6	2,72	1,66

Конструктивно двигатель состоит из двух модулей, каждый из которых включает лопастную группу и механизм преобразования движения. Модули жестко соединены между собой и повернуты друг относительно друга на 45°. В конструкции для нагревания и охлаждения рабочего тела предусмотрены нагреватель и охладитель.

рабочее тело в отличие от поршневого Стирлинга может иметь большую молярную массу по сравнению с гелием и водородом, что приводит к уменьшению среднего давления рабочего тела и применению общедоступных уплотнений;
температура рабочего тела в нагревателе благодаря круговой циркуляции ниже, чем у обычных Стирлингов, что дает возможность применять недорогие по стоимости стали и сплавы;
применение конструктивной схемы роторно-лопастной машины позволяет снизить удельную массу двигателя.

Область применения

По данному принципу можно создать целое семейство двигателей различной мощности. Сейчас отрабатывается конструкция мотора мощностью до 300 кВт. Область применения роторно-лопастных двигателей с внешним подводом тепла достаточна велика. Они могут использоваться везде, где работают ДВС, в том числе и на автомобильном транспорте. РЛДВПТ способны функционировать в условиях, где ДВС не работают, а именно: в воде, под землей, в космосе, в условиях песчаных бурь. При изменении конструкции механизма преобразования движения роторно-лопастная машина работает как пневмодвигатель либо гидродвигатель, как расширительная (паровая) машина или дроссель в магистральных газопроводах для понижения давления с целью получения электричества. РЛДВПТ могут работать с такими источниками энергии, как компрессор; жидкостный, тепловой, вакуумный насосы, а также холодильная машина.

Cпециалисты Псковского государственного политехнического университета продолжают совершенствовать свое детище, и, возможно, очень скоро оно станет настоящей альтернативой традиционным конструкциям двигателей.

Автор благодарит М.А. Донченко за помощь в подготовке статьи

www.gruzovikpress.ru

Роторно-поршневой двигатель описание фото видео история

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

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.

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	136	113
Габаритные размеры, мм
высота	560	570
ширина	546	535
длина	495	665
Минимальный удельный расход топлива (по ВСХ), г / кВт * ч (г / л.с. * Час)	312.2 (230)	312.2 (230)
Расход масла в% от расхода топлива	0,7	0,6
Ресурс двигателя до первого капитального ремонта, тыс. Км	125	125
назначение	ВАЗ-21059/21079	ВАЗ-2108/2109/21099/2115/2110

выпускаются модели

модель	двигатель РПД	Время разгона 0-100, сек	Максимальная скорость, км \ ч
ВАЗ 21018	ВАЗ-311	—	160
ВАЗ 21019	ВАЗ-411	—	178
ВАЗ 21059	ВАЗ-4132	9	180
ВАЗ 21079	ВАЗ-4132	9	180
ВАЗ 2108-91	ВАЗ-415	8	200
ВАЗ 2109-91	ВАЗ-415	9	190
ВАЗ 21099-91	ВАЗ-415	9	190
ВАЗ 2110-91	ВАЗ-415	9	190
ВАЗ 2115-91	ВАЗ-415	9	190

КПД роторно-поршневой конструкции

Итоговый КПД работы мотора состоит из трех основных частей:

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

КПД механический (характеризует работу, результатом которой стало образование переданного потребителю крутящего момента главной оси).

Термическая эффективность (показатель, отражающий количество тепловой энергии, образованной от сжигания горючего, преобразующейся в полезную работу).

Роторно-поршневой двигатель Ванкеля

seite1.ru

принцип работы и наглядное видео

Роторный двигатель (РД) считается двигателем внутреннего сгорания, который практически полностью отличается от привычного поршневого агрегата. Как известно, в цилиндре поршневого двигателя выполняется несколько тактов: впуск, сжатие, затем рабочий ход и в заключении – выпуск.

Что касается РД, то он осуществляет все те же такты, при этом они осуществляются в разных частях камеры. Сравнить их можно было бы лишь в том случае, если в поршневом агрегате присутствовал отдельный цилиндр для каждого из тактов и поршень постепенно перемещался бы от цилиндра к цилиндру.

Роторный движок изобрел и сконструировал доктор Феликс Ванкель, поэтому его часто называют двигателем Ванкеля.

Принцип работы

Роторный двигатель использует давление, возникающее во время сгорания топливовоздушной смеси. Такое давление в поршневых двигателях создается в цилиндрах, что привод в движение поршни.

Коленчатый вал и шатуны приводят поршень во вращательное движение и благодаря этому колеса автомобиля начинают вращаться. В данном двигателе, давление при сгорании возникает в камере, которая сформирована частью самого корпуса и закрыта одной из сторон треугольного ротора, выполняющего роль поршней.

В данном видео, вам покажут, как работает роторный двигатель для Mazda RX-8. Приятного просмотра!

Вращения ротора напоминают линию, которая нарисована спирографом. Такая траектория позволяет вершинам ротора контактировать с корпусом движка, что образует при этом три разделенных между собой объема газа.

Когда ротор вращается, эти объемы поочередно расширяются и сжимаются.Именно это обеспечивает поступление в движок топливовоздушной смеси, а также сжатие и выпуск выхлопа. Он обладает системой зажигания и впрыска топлива, которые похожи на используемые системы в поршневых агрегатах.

Его конструкция полностью отличается от поршневого движка. Ротор обладает тремя выпуклыми сторонами, которые исполняют роль поршней. На каждой стороне устройства, присутствует специальное углубление, увеличивающее скорость вращения самого ротора.

Это оставляет для топливовоздушной смеси больше свободного места. На вершине всех граней расположены металлические пластины, которые разделяют все свободное место на камеры. На каждой из сторон ротора присутствуют два кольца из металла, формирующие стенки камер.

В центральной части устройства, находится зубчатое колесо, зубья которого смотрят внутрь. Это колесо сопрягается с шестерней, которая закреплена на корпусе двигателя. Данное сопряжение задает направление и траекторию вращения в корпусе движка.

Особенности роторного двигателя

В данном видео, вам расскажут об истории двигателей, а так же чем они так примечательны.

Корпус двигателя отличается овальной формой.Форма самой камеры сконструирована таким образом, чтобы все вершины ротора контактировали со стеной камеры.

Они образуют три разделенные между собой объемы газа. В корпусе происходит процесс внутреннего сгорания. Свободное пространство корпуса делится на четыре части для впуска, сжатия, рабочего такта и выпуска.

Важно отметить, что порт впуска и выпуска находятся в корпусе. Клапаны в порте отсутствуют. Впускной порт напрямую соединен с дросселем, а выпускной порт – с выхлопной системой.

Выходной вал отличается закругленными выступами-кулачками, которые эксцентрично расположены. С каждым из выступов сопряжен ротор. Выходной вал представляет собой аналог коленчатого вала в поршневом движке.Вращаясь, ротор толкает выступы-кулачки.

Поскольку они расположены несимметрично, ротор давит на них с силой, которая заставляет вращаться выходной вал.

Роторный двигатель собирают слоями.Движок с двумя роторами собирается пятью слоями, которые крепятся длинными болтами, расположенными по кругу.

Через все элементы конструкции проходит охлаждающая жидкость. Два крайних слоя обладают уплотнениями и подшипниками для выходного вала.

Кроме того, они изолируют части корпуса двигателя, в которых находятся роторы. Внутренняя поверхность каждой части является гладкой и это обеспечивает должное уплотнение роторов.

Следует отметить, что впускной порт присутствует в крайних частях. Овальный корпус ротора и выпускной порт расположен в следующем слое. Здесь и установлен ротор.

В центральной части присутствуют впускные порты – для каждого ротора отведен один такой порт.

Роторный движок Mazda RX-8

Центральная часть разделяет между собой роторы, именно поэтому ее поверхность внутри является совершенно гладкой.

Достоинства и недостатки

На роторный двигатель в свое время обратило внимание множество ведущих производителей авто.

Благодаря своей конструкции и принципу работы, он обладал весомыми преимуществами перед поршневыми движками. В первую очередь, роторный агрегат отличается лучшей сбалансированностью и подвергается минимальной вибрации.

Помимо этого, такой двигатель отличается превосходными динамическими характеристиками (на низкой передаче автомобиль с таким движком можно без особых усилий разогнать более чем на 100 км/ч при высоких оборотах).

Данный агрегат гораздо легче и компактнее поршневого движка. В данном двигателе используется меньше узлов, и он отличается высокой мощностью по сравнению с поршневым агрегатом.

Среди недостатков роторного движка следует выделить:

повышенный расход топлива при низких оборотах;
сложность производства отдельных деталей, которое требует использования дорогостоящего высокоточного оборудования;
склонность к перегреву из-за особенной формы камеры сгорания;
износ уплотнителей, которые расположены между форсунками из-за частых перепадов давления;
потребность в своевременной и частой смене моторного масла (замена должна производиться каждые 5000 километров).

К эксплуатации роторных агрегатов нужно подходить ответственнее, чем к обслуживанию поршневых агрегатов.

Стоянка запрещена знак. Более детальную информацию, ищите на нашем сайте.

Здесь, вы найдёте много картинок с предупреждающими знаками дорожного движения.

При помощи данной статьи, вы сможете ознакомится с рейтингом видеорегистраторов 2015 года.

Их капитальный ремонт и техобслуживание важно проводить вовремя.

Особенность двигателей автомобилей Mazda

Компания Mazda начала производство моделей с роторными движками еще в далеком 1963-ом году.

Наиболее успешным авто компании оснащенным роторным агрегатом стала модель RX-7, выпущенная в 1978-ом году. Правда, до нее было выпущено множество машин, автобусов и грузовиков с роторными двигателями. После модели RX-7, производство которой было остановлено в 1995-ом году, роторным двигателем начали снабжать модель RX-8.

Данный двигатель считался лучшим агрегатом в 2003-ом году. Данный движок с двумя роторами производил 250 лошадиных сил. Однако в 2008-ом году компания прекратила продажу Mazda RX-8 в Европе из-за выбросов ее движка, которые не соответствовали европейским стандартам.

Однако разработчики компании решили на этом не останавливаться и создали современный роторный двигатель Renesis 16X, соответствующий международным и европейским стандартам.

Система впрыска была значительно переработана, благодаря чему топливо расходуется гораздо экономнее.

Помимо этого, корпус движка изготовлен из современного алюминиевого сплава. Компания также выпустила роторный агрегат, который может работать на водороде. Последней разработкой производителя с роторным двигателем на данный момент является модель Premacy Hydrogen RE Hybrid.

natapku.ru

Роторный двигатель внутреннего сгорания – Принципы работы, плюсы и минусы роторного двигателя — особенности роторно-поршневого ДВС — журнал За рулем