Содержание
Как работает роторный двигатель
Что такое роторный двигатель? Как при малом объеме он развивает высокую мощность? Почему роторные двигатели так редко встречаются? Сейчас во всем разберемся!
Двигатель роторного типа или ванкель, был разработан еще в 1957 году Феликсом Ванкелем и Вальтером Фройде. Первое время двигатель активно использовался на различных автомобилях, а затем даже на мотоциклах, но со временем стал появляться все реже.
Что такое роторный двигатель?
Роторный двигатель — это 4-х тактный двигатель внутреннего сгорания. Однако, его строение очень сильно отличается от привычного нам поршневого движка. В виду отсутствия множества элементов, роторный двигатель конструктивно проще поршневого.
Hercules W-2000. Объем 294 см3. Мощность до 32 л.с.
В момент, когда вершина ротора находится на уровне впускного отверстия, открывается впускной клапан, и благодаря вращению ротора происходит заполнение камеры «впуска». Такт работы двигателя проходит в отдельном «цилиндре».
Чтобы разобраться как устроен двигатель, нужно рассмотреть его принцип работы.
Принцип работы.
1 такт — подача топлива.
В момент, когда вершина ротора находится на уровне впускного отверстия, открывается впускной клапан, и, благодаря вращению ротора, происходит заполнение камеры «впуска».
2 такт — сжатие.
Благодаря форме ротора и «цилиндра», рабочая смесь попадает в камеру «сжатия», где она прижимается ротором к стенке «цилиндра».
3 такт — рабочий (воспламенение).
Когда рабочая смесь находится в максимально сжатом состоянии происходит воспламенение (обычно посредствам 2-х свечей). Высвобождающаяся энергия от воспламенения вращает ротор на 1-й такт.
4 такт — выпуск.
После воспламенения отработанная смесь высвобождается через выпускное отверстие.
Как при малом объеме достигается высокая мощность?
Высокая мощность двигателей роторного типа обусловлена тем, что на выходе каждый такт идет как рабочий.
Так как ротор заменяет собой минимум 4 поршня, используя малый объем и возможность развивать высокие обороты, двигатели роторного типа имеют преимущество примерно в 2-3 раза над поршневыми ДВС.
К тому же у роторного двигателя есть еще несколько плюсов:
- двигатель отлично сбалансирован, как следствие практически нет вибрации;
- компактность и малый вес, как следствие возможность добиться оптимального расположения и разрисовки по осям;
- простота конструкции.
Почему роторные двигатели настолько редкие?
Причин здесь несколько:
Сложность конструкции. Производство двигателя роторного типа требует больших затрат. Это обусловлено необходимостью использовать специальное высокоточное оборудование и качественные износостойкие материалы.
Маленький ресурс и неремонтопригодность. Для качественной работы двигателя необходима точная подгонка всех элементов, а так как в процессе использования двигателя происходит износ комплектующих (особенно ротора и корпуса-цилиндра), то не только снижается КПД, но и в разы повышается расход масла.
Локальный перегрев. Роторный двигатель очень боится перегрева. Причиной этому служит малое пятно контакта цилиндра и ротора, которое и является причиной частого перегрева этих моторов.
А на сегодня все!
Устройство роторного двигателя
Содержание
- Роторный двигатель
- Конструкция
- Принцип работы
- Достоинства и недостатки
После создания двигателя внутреннего сгорания началась эра автомобилей. Самое большое распространение при этом получил мотор поршневого типа. Но при этом с момента создания ДВС перед конструкторами стала задача извлечения максимального КПД при минимальных затратах топлива. Решалась эта задача несколькими путями – от технического улучшения уже имеющихся двигателей, до создания абсолютно новых, с другой конструкцией. Одним из таковых стал роторный двигатель.
Роторный двигатель
Появился он значительно позже поршневого, в 30-х годах. Полноценно работоспособная же модель такого двигателя появилась и вовсе в 50-х годах.
После появления роторный двигатель вызвал заинтересованность у многих автопроизводителей, и все они кинулись разрабатывать свои модели роторных силовых установок, однако вскоре от них отказались в пользу обычных поршневых. Из приверженцев роторного мотора осталась только японская фирма Mazda, которая сделала такого типа мотор своей визитной карточкой.
Особенностью такого мотора является его конструкция, которая вообще не предусматривает наличие поршней. В целом это сильно сказалось на конструктивной простоте.
В поршневых моторах энергия сгораемого топлива воспринимается поршнем, который за счет своего возвратно-поступательного движения передает ее на кривошипы коленвала, обеспечивая ему вращение.
У роторных же двигателей энергия сразу преобразовывается во вращение вала, минуя возвратно-поступательное движение. Это сказывается на уменьшении потерь мощности на трение, меньшую металлоемкость и простоту конструкции. За счет этого КПД двигателя значительно возрастает.
Конструкция
Чтобы понять принцип работы, следует разобраться, какова конструкция роторного двигателя.
Итак, вместо поршней энергия сгорания топлива у такого силового агрегата воспринимается ротором. Ротор имеет вид равностороннего треугольника. Каждая сторона этого треугольника и играет роль поршня.
Ротор
Чтобы обеспечить процесс горения, ротор помещается в закрытое пространство, состоящее из трех элементов – двух боковых корпусов, и одного центрального, называющегося статором. Пространство, в котором производится процесс горения, сделано в статоре, боковые корпуса обеспечивают только герметичность этого пространства.
Внутри статора сделан цилиндр, в котором и размещается ротор. Чтобы внутри этого цилиндра происходили все необходимые процессы, выполнен он в виде овала, с немного прижатыми боками.
Сам статор с одной стороны имеет окна для впуска топливовоздушной смеси или воздуха, и выпуска отработанных газов. Противоположно им сделано отверстие под свечи зажигания.
Устройство двигателя
Особенностью движения ротора в цилиндре статора является то, что его вершины постоянно контактируют с поверхностью цилиндра, его движение сделано по эксцентриковому типу.
Он не только вращается вокруг своей оси, но еще и смещается относительно нее.
Для этого в роторе сделано большое отверстие, с одной стороны этого отверстия имеется зубчатый сектор. С другой стороны в ротор вставлен вал с эксцентриком.
Чтобы обеспечить вращение в боковой корпус установлена неподвижная шестерня, входящая в зацепление с зубчатым сектором ротора, она является опорной точкой для него. При своем эксцентриковом движении он опирается на неподвижную шестерню, а зацепление обеспечивает ему вращательное движение. Вращаясь, он обеспечивает и вращение вала с эксцентриком, на который он одет.
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.
Достоинства и недостатки
Теперь о достоинствах роторных моторов, а их вполне много. Выходит, что одна секция по мощности равна 3-цилиндровому мотору, при этом она в габаритных размерах значительно меньше. Это сказывается на компактности самых моторов.
Об этом можно судить по модели Mazda RX-8. Этот автомобиль, обладая хорошим показателем мощности, имеет средне моторную компоновку, чем удалось добиться точной развесовки авто по осям, влияющую на устойчивость и управляемость авто.
Помимо компактных размеров в этом двигателе отсутствует газораспределительный механизм (ГРМ), ведь все фазы газораспределения выполняются самим ротором. Это значительно уменьшило металлоемкость конструкции, и как следствие – массу двигателя.
Из-за ненадобности поршней и ГРМ снижено количество подвижных частей в двигателе, что сказывается на надежности конструкции.
Сам двигатель из-за отсутствия разнонаправленных движений, которые есть в поршневом моторе, при работе меньше вибрирует.
Но и недостатков у такого двигателя тоже хватает. Начнем с того, что система смазки у него идентична с системой 2-тактного двигателя. То есть, смазка поверхности цилиндра производится вместе с топливом. Но только организация подачи масла несколько иная.
Если в 2-тактном двигателе масло для смазки добавляется прямо в топливо, то в роторном оно подается через форсунки, а потом оно уже смешивается с топливом.
Использование такого типа смазки привело к тому, что для двигателя подходит только минеральное масло или специализированное полусинтетическое. При этом в процессе работы масло сгорает, что негативно сказывается на составе выхлопных газов. По экологичности роторный двигатель сильно уступает 4-тактному поршневому двигателю.
При всей простоте конструкции роторный мотор обладает сравнительно небольшим ресурсом. У той же Mazda пробег до капитального ремонта составляет всего 100 тыс. км. В первую очередь «страдают» апексы – аналоги компрессионных колец в поршневом двигателе. Апексы размещаются на вершинах ротора и обеспечивают плотное прилегание вершины к стенке цилиндра.
Недостатком является также невозможность проведения восстановительных работ. Если у ротора изношены посадочные места апексов – ротор полностью заменяется, поскольку восстановить эти места невозможно.
То же касается и цилиндра статора. При его повреждении расточка практически невозможна из-за сложности выполнения такой работы.
Из-за большой скорости вращения эксцентрикового вала, его вкладыши изнашиваются значительно быстрее.
В общем, при значительно простой конструкции, из-за сложности процессов его работы роторный двигатель оказывается по надежности значительно хуже поршневого.
Но в целом, роторный двигатель не является тупиковой ветвью развития двигателей внутреннего сгорания. Та же Mazda постоянно совершенствует данный тип мотора. К примеру, мотор, устанавливаемый на RX-8 по токсичности уже мало отличается от поршневого, что является большим достижением.
Теперь они стараются еще и увеличить ресурс. Однако это скорее всего будет достигнуто за счет использования особых материалов изготовления элементов двигателя, а также из-за высокой степени обработки поверхностей, что еще больше осложнит и увеличит стоимость ремонта.
Мазда Ванкель Роторный двигатель | Как работает роторный двигатель
Мы еще не видели последний из вращающихся треугольников.
Еще в марте Мартейн тен Бринк, вице-президент Mazda Motor Europe по продажам и обслуживанию клиентов, зажег редукторы повсюду, когда сообщил голландскому автоизданию ZERauto, что роторный двигатель Ванкеля вернется в производство.
В частности, тен Бринк сказал, что в 2019 году роторный двигатель может увеличить запас хода электромобиля, но пока это только слухи. Mazda Motor of America не будет обсуждать или подтверждать комментарии Тена Бринка, сообщив нам только, что «Mazda пока не анонсировала никаких конкретных продуктов с роторным двигателем. Однако Mazda по-прежнему привержена работе над технологиями роторных двигателей».
Так что же такого особенного в этом легендарном паровозе, возвращение которого всех так обрадовало? И почему на этот раз все может быть иначе?
Как это работает
Getty Images
Роторный двигатель — это бочкообразный двигатель внутреннего сгорания, в котором отсутствуют многие основные детали, которые можно найти в обычном поршневом двигателе.
Во-первых, нет никаких поршней, пыхтящих вверх и вниз. Скорее, закругленные треугольные роторы — чаще всего два, но иногда один или три — вращаются вокруг вала через полый ствол.
Топливо и воздух закачиваются в пространство между боковинами роторов и внутренними стенками ствола, где они воспламеняются. Быстрое расширение взрывающихся газов вращает роторы, вырабатывая энергию. Роторы выполняют ту же задачу, что и поршни в поршневом двигателе, но с гораздо меньшим количеством движущихся частей, что делает роторный двигатель легче и меньше, чем поршневой двигатель эквивалентного рабочего объема.
Базовый дизайн столетней давности. Сам Феликс Ванкель был немецким инженером, придумавшим свою версию роторного двигателя в 1920 с. Однако, будучи занятым разжиганием войны от имени нацистской партии, он не имел возможности развить свое видение слишком далеко до 1951 года, когда немецкий автопроизводитель NSU пригласил его для разработки прототипа.
Сложная конструкция Ванкеля фактически уступила место более простому прототипу, разработанному инженером Ханнсом Дитером Пашке, которого NSU также пригласил попробовать первоначальную концепцию Ванкеля. Двигатель Пашке — это двигатель, которым Mazda будет владеть и побеждать в 21 веке. Таким образом, современный Ванкель не совсем Ванкель.
Getty Images
Не говоря уже об именах, Ванкеля является наиболее распространенной и успешной конструкцией роторного двигателя, и единственной, которая была запущена в массовое производство. Еще в начале 60-х NSU и Mazda устроили дружеское совместное соревнование по продаже первого автомобиля с двигателем Ванкеля, поскольку они устраняли изломы незрелой конструкции. NSU был первым на рынке в 1964 году, но он разрушил свою репутацию в течение следующего десятилетия, поскольку частые отказы двигателя снова и снова заставляли владельцев обращаться в мастерскую. Вскоре уже можно было найти NSU Spider или Ro 80 с тремя и более двигателями.
Проблема заключалась в апексных уплотнениях — тонких металлических полосках между кончиками вращающихся роторов и корпусами роторов. НСУ сделал их трехслойными, что вызвало неравномерный износ, сделавший их гранатометными. Mazda разработала верхние уплотнения, сделав их однослойными, и представила Wankel в роскошном спортивном автомобиле Cosmo 1967 года.
В начале 70-х Mazda представила целую линейку автомобилей с двигателями Ванкеля, мечта, которая была разрушена нефтяным кризисом 1973 года. Но роторная стала единственной силовой установкой для трех поколений спортивных Mazda RX-7 от 1978 по 2002 год, период, когда двигатель Ванкеля и почитался, и ругался.
Любимый и ненавистный
Популярная механика
Редукторам нравится ротор отчасти потому, что он другой. Автолюбители всегда питали слабость к двигателю, который, если не считать сжигания бензина внутри, мало чем напоминает обычный поршневой двигатель.
Роторный двигатель обеспечивает мощность линейно вплоть до 7000 или 8000 об/мин, в зависимости от специфики двигателя, и этот плоский диапазон мощности отличает его от поршневых двигателей, которые слишком часто потребляют мощность на высоких оборотах, чувствуя себя бессильными на низких оборотах.
Автопроизводителям также понравился поворотный механизм за его плавность хода. Роторы, вращающиеся вокруг центральной оси, обеспечивают приятное отсутствие вибрации по сравнению с поршневым двигателем, чье движение поршня вверх-вниз более резкое. Но необычный двигатель — это незнакомое животное, поэтому поляризационный Ванкель также внушает свою долю отвращения автолюбителям и механикам. Это простая конструкция — без ремня ГРМ, без распределительного вала, без коромысла — но незнакомость вызывает недоверие, а у Ванкеля есть причуды, которые требуют внимания.
Ротор по своей конструкции сжигает масло, закачивая небольшое количество моторного масла в камеры сгорания для смазки роторов, создавая обычную струйку голубого дыма из выхлопной трубы, когда вы заводите машину.
Откровенно говоря, людей это пугает: синий дым из выхлопных газов — это сигнал бедствия, если он исходит от поршневого двигателя.
Ротари также предпочитают минеральное масло синтетическому, а их конструкция означает, что вы должны периодически доливать масло, потому что двигатель постоянно его пьет. Эти верхние уплотнения также не служат долго, прежде чем их нужно будет заменить. Восстановление Ванкеля на 80 000-100 000 миль является типичным, и раньше, чем большинство поршневых двигателей нуждаются в такой исчерпывающей работе.
Современные водители также наиболее чувствительны к другим недостаткам роторных двигателей, более низким выбросам и экономии топлива из-за тенденции двигателя не полностью сжигать топливно-воздушную смесь перед ее выпуском. Для RX-8 Mazda устранила эти проблемы, разместив выпускные отверстия по бокам камер сгорания. Выбросы топлива также стали жестче с годами. Это одна из причин, по которой RX-8, последний автомобиль с двигателем Ванкеля, поступил в продажу в 2002 году и был снят с производства в 2012 году.
0003
Время для второго вращения
Назад к вице-президенту Mazda Мартину тен Бринку ходит слух, что Mazda может использовать какой-то роторный двигатель для увеличения запаса хода электромобиля. Это имело бы смысл. Еще в 2012 году Mazda взяла в лизинг 100 электромобилей Demio EV в Японии, но короткий пробег автомобиля в 124 мили был больным местом. Поэтому в 2013 году Mazda создала прототип, который включал в себя поворотный расширитель диапазона, который почти удвоил этот диапазон, и назвал его Mazda2 RE Range Extender (Mazda2 — это то, как Demio называют за пределами Японии). Колеса прототипа приводились в движение с помощью электродвигателя, а 0,33-литровый роторный двигатель мощностью 38 лошадиных сил включался для подзарядки аккумуляторов электродвигателя, если они разряжались, а подзарядки поблизости не было.
Поскольку роторный двигатель не мог приводить в движение колеса, Mazda2 RE не была гибридом, как Volt или Prius.
Ванкель был скорее бортовым генератором, который увеличивал запас хода автомобиля. Та же компактность и легкий вес, которые сделали двигатель Ванкеля отличным двигателем для спортивного автомобиля, такого как RX-7, также делают его идеальным генератором для увеличения запаса хода в автомобиле, особенно в том, в котором уже есть электродвигатели и аккумуляторы, конкурирующие за пространство, и которые могут не позволять себе брать слишком большой вес. Но концепция увеличения запаса хода не была запущена в производство, и Mazda не продала ни одного электромобиля с тех пор, как были выпущены 100 электромобилей Demio.
Тем не менее, роторный двигатель заработал себе репутацию главным образом как двигатель спортивного автомобиля, а не как генератор, приводимый в движение электродвигателями. Пока ходят слухи о возрождении роторного двигателя, любители автомобилей будут мечтать об этом суетливом, причудливом двигателе, который снова будет вращать колеса для динамичной и динамичной езды.
Мэтью Джансер
Мэтт Дженсер (Matt Jancer) — писатель из Юга, посвященный автомобилям и природе. Если он не находится снаружи, окруженный вещами или не просит животных оставаться неподвижными для фотографий, вы найдете его на обочине дороги под капотом старой машины, раздирающим оборудование для выбросов и ругающимся.
Как работает роторный двигатель
Джефф Глюкер
Джефф Глюкер
Ты мастер во всем, Л.С. Вы полностью понимаете большие блоки Ford FE. Эти двигатели Honda B16 не соответствуют вашим знаниям. По своей сути все эти двигатели ведут себя одинаково. Воздух и топливо попадают в камеру сгорания, а поршни и коленчатый вал превращают их в мощность. Теперь вы столкнулись с роторным двигателем… так что скажите мне, что, черт возьми, делает этот закругленный треугольник и как он заставляет машину двигаться.
Если вы понимаете самые основы двигателя внутреннего сгорания, у вас есть шанс, когда придет время раскрыть тайны Ванкеля.
Роторный двигатель работает по тому же принципу, что и стандартный поршневой двигатель, но по-другому. Инженерное объяснение здесь, чтобы показать нам, что именно происходит под капотом, когда задействован роторный двигатель.
НЕ ПРОПУСТИТЕ: четыре причины, почему роторный двигатель в настоящее время мертв
После объяснения того, как все это работает, EE продолжает объяснять преимущества, которые обеспечивает такая установка. Это включает в себя небольшое количество движущихся частей, способность развивать высокие обороты и присущую плавность хода благодаря балансу внутри двигателя. Кроме того, это компактная установка, поэтому ее легко поместить под любой капот.
Есть и недостатки, наиболее заметными из которых являются расход топлива и расход масла. Это «жадный» двигатель, так как он не так эффективно сжигает все топливо, попадающее в камеру сгорания. Кроме того, детали, которые вращаются в роторном двигателе, нуждаются в надлежащей смазке, а это означает, что требуется целая куча масла.