» 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 |
| 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 |
| XP-882 Four Rotor | |
| Citroen | M35 |
| GS Birotor (GZ) | |
| ВАЗ | 21019 (Аркан) |
| 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
- 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.
Как известно, принцип работы роторного двигателя основан на высоких оборотах и отсутствии движений, которыми отличается ДВС. Это и отличает агрегат от обычного поршневого двигателя. РПД называют ещё двигателем Ванкеля, и сегодня мы рассмотрим его работу и явные достоинства.
Ротор такого двигателя находится в цилиндре. Сам корпус не круглого типа, а овального, чтобы ротор треугольной геометрии нормально в нём помещался. У РПД не бывает коленчатого вала и шатунов, а также отсутствуют в нём другие детали, что делает его конструкцию намного проще. Если говорить другими словами, то примерно около тысячи деталей обычного двигателя внутреннего сгорания в РПД нет.
Работа классического РПД основана на простом движении ротора внутри овального корпуса. В процессе движения ротора по окружности статора создаются свободные полости, в которых и происходят процессы запуска агрегата.
Удивительно, но роторный агрегат представляет собой некий парадокс. В чём он заключается? А в том, что он имеет гениально простую конструкцию, которая почему-то не прижилась. А вот более сложный поршневой вариант стал популярным и повсюду используется.
Строение и принцип работы роторного двигателя
Схема работы роторного двигателя представляет собой нечто совершенно иное, чем обычный ДВС. Во-первых, следует оставить в прошлом конструкцию двигателя внутреннего сгорания, известную нам. А во-вторых, попытаться впитать в себя новые знания и понятия.
Как и поршневой, роторный двигатель использует давление которое создается при сжигании смеси воздуха и топлива. В поршневых двигателях, это давление создается в цилиндрах, и двигает поршни вперед и назад. Шатуны и коленчатый вал преобразуют возвратно-поступательные движения поршня во вращательное движение, которое может быть использовано для вращения колес автомобиля.
РПД назван так из-за ротора, то есть такой части мотора, которая движется. Благодаря этому движению мощность передаётся на сцепление и КПП. По сути, ротор выталкивает энергию топлива, которая затем передаётся колёсам через трансмиссию. Сам ротор выполнен обязательно из легированной стали и имеет, как и говорилось выше, форму треугольника.
Капсула, где находится ротор, - это своеобразная матрица, центр вселенной, где все процессы и происходят. Другими словами, именно в этом овальном корпусе происходит:
- сжатие смеси;
- топливный впрыск;
- поступление кислорода;
- зажигание смеси;
- отдача сгоревших элементов в выпуск.
Одним словом, шесть в одном, если хотите.
Сам ротор крепится на специальном механизме и не вращается вокруг одной оси, а как бы бегает. Таким образом, создаются изолированные друг от друга полости внутри овального корпуса, в каждой из которых и происходит какой-либо из процессов. Так как ротор треугольный, то полостей получается всего три.
Всё начинается следующим образом: в первой образующейся полости происходит всасывание, то есть камера наполняется воздушно-топливной смесью, которая здесь же перемешивается. После этого ротор вращается и толкает эту перемешанную смесь в другую камеру. Здесь смесь сжимается и воспламеняется при помощи двух свечей.
Смесь после этого идёт в третью полость, где и происходит вытеснение частей использованного топлива в систему выхлопа.
Это и есть полный цикл работы РПД. Но не всё так просто. Это мы рассмотрели схему РПД только с одной стороны. А действия эти проходят постоянно. Если говорить иначе, процессы возникают сразу с трёх сторон ротора. В итоге всего за единственный оборот агрегата повторяется три такта.
Кроме того, японским инженерам удалось усовершенствовать роторный двигатель. Сегодня роторные двигатели Мазда имеют не один, а два и даже три ротора, что в значительной мере повышает производительность, тем более если сравнить его с обычным двигателем внутреннего сгорания. Для сравнения: двухроторный РПД сравним с шестицилиндровым ДВС, а 3-роторный с двенадцатицилиндровым. Вот и получается, что японцы оказались такими дальновидными и преимущества роторного мотора сразу распознали.Опять же, производительность - это не одно достоинство РПД. Их у него много. Как и было сказано выше, роторный двигатель очень компактный и в нём используется на целых тысячу деталей меньше, чем в том же ДВС. В РПД всего две основные детали - ротор и статор, а проще этого ничего не придумаешь.
Принцип работы роторного двигателя
Принцип работы роторно-поршневого двигателя заставил в своё время многих талантливых инженеров удивлённо вскинуть бровями. И сегодня талантливые инженеры компании Мазда заслуживают всяческих похвал и одобрения. Шутка ли, поверить в производительность, казалось бы, похороненного двигателя и дать ему вторую жизнь, да ещё какую!
Ротор имеет три выпуклых стороны, каждая из которых действует как поршень. Каждая сторона ротора имеет углубление в ней, что повышает скорость вращения ротора в целом, предоставляя больше пространства для топливо-воздушной смеси. На вершине каждой грани находится по металлической пластине, которые и формируют камеры, в которых происходят такты двигателя. Два металлических кольца на каждой стороне ротора формируют стенки этих камер. В середине ротора находится круг, в котором имеется множество зубьев. Они соединены с приводом, который крепится к выходному валу. Это соединение определяет путь и направление, по которому ротор движется внутри камеры.
Камера двигателя приблизительно овальной формы (но если быть точным — это Эпитрохоида, которая в свою очередь представляет собой удлиненную или укороченную эпициклоиду, которая является плоской кривой, образуемой фиксированной точкой окружности, катящейся по другой окружности). Форма камеры разработана так, чтобы три вершины ротора всегда находились в контакте со стенкой камеры, образуя три закрытых объемах газа. В каждой части камеры происходит один из четырех тактов:
- Впуск
- Сжатие
- Сгорание
- Выпуск
Отверстия для впуска и выпуска находятся в стенках камеры, и на них отсутствуют клапаны. Выхлопное отверстие соединено непосредственно с выхлопной трубой, а впускное напрямую подключено к газу.
Выходной вал имеет полукруглые выступы-кулачки, размещенные несимметрично относительно центра, что означает, что они смещены от осевой линии вала. Каждый ротор надевается на один из этих выступов. Выходной вал является аналогом коленчатого вала в поршневых двигателях. Каждый ротор движется внутри камеры и толкает свой кулачок.
Так как кулачки установлены несимметрично, сила с которой ротор на него давит, создает крутящий момент на выходном валу, заставляя его вращаться.
Строение роторного двигателя
Роторный двигатель состоит из слоев. Двухроторный двигателя состоят из пяти основных слоев, которые удерживаются вместе благодаря длинным болтам, расположенным по кругу. Охлаждающая жидкость протекает через все части конструкции.
Следующий слой содержит в себе непосредственно сам ротор и выхлопную часть.
Центр состоит из двух камер подачи топлива, по одной для каждого ротора. Он также разделяет эти два ротора, поэтому его внешняя поверхность очень гладкая.
В центре каждого ротора крепится две большие шестерни, которые вращаются вокруг более маленьких шестерней и крепятся к корпусу двигателя. Это и является орбитой для вращения ротора.
Конечно же, если бы у роторного мотора не было недостатков, то он обязательно бы применялся на современных автомобилях. Возможно даже, что, если бы роторный двигатель был безгрешен, мы и не узнали бы про двигатель поршневой, ведь роторный создали раньше. Затем человеческий гений, пытаясь усовершенствовать агрегат, и создал современный поршневой вариант мотора.
Но к сожалению, минусы у роторного двигателя имеются. К таким вот явным ляпам этого агрегата можно отнести герметизацию камеры сгорания. А в частности, это объясняется недостаточно хорошим контактом самого ротора со стенками цилиндра. При трении со стенками цилиндра металл ротора нагревается и в результате этого расширяется. И сам овальный цилиндр тоже нагревается, и того хуже - нагревание происходит неравномерно.
Если в камере сгорания температура бывает выше, чем в системе впуска/выпуска, цилиндр должен быть выполнен из высокотехнологичного материала, устанавливаемого в разных местах корпуса.
Для того чтобы такой двигатель запустился, используются всего две свечи зажигания. Больше не рекомендуется ввиду особенностей камеры сгорания. РПД наделён бывает совершенно иной камерой сгорания и выдаёт мощность три четверти рабочего времени ДВС, а коэффициент полезного действия составляет целых сорок процентов. По сравнению: у поршневого мотора этот же показатель составляет 20%.
Преимущества роторного двигателя
Меньше движущихся частей
Роторный двигатель имеет намного меньше частей, чем скажем 4-х цилиндровый поршневой движок. Двух роторный двигатель имеет три главные движущиеся части: два ротора и выходной вал. Даже самый простой 4-х цилиндровый поршневой двигатель имеет как минимум 40 движущихся частей, включая поршни, шатуны, стержень, клапаны, рокеры, клапанные пружины, зубчатые ремни и коленчатый вал. Минимизация движущихся частей позволяет получить роторным двигателям более высокую надежность. Именно поэтому некоторые производители самолетов (к примеру Skycar) используют роторные двигатели вместо поршневых.
Мягкость
Все части в роторном двигателе непрерывно вращаются в одном направлении, в отличие от постоянно изменяющих направление поршней в обычном двигателе. Роторный движок использует сбалансированные крутящиеся противовесы, служащие для подавления любых вибраций. Подача мощности в роторном двигателе также более мягкая. Каждый цикл сгорания происходит за одни оборот ротора в 90 градусов, выходной вал прокручивается три раза на каждое прокручивание ротора, каждый цикл сгорания проходит за 270 градусов за которые проворачивается выходной вал. Это значит, что одно роторный двигатель вырабатывает мощность в три четверти. Если сравнивать с одно-цилиндровым поршневым двигателем, в котором сгорание происходит каждые 180 градусов каждого оборота, или только четверти оборота коленчатого вала.
Неспешность
В связи с тем, что роторы вращаются на одну треть вращения выходного вала, основные части двигателя вращаются медленней, чем части в обычном поршневом двигателе. Это также помогает и в надежности.
Малые габариты + высокая мощность
Компактность системы вместе с высоким КПД (сравнительно с обычным ДВС) позволяет из миниатюрного 1,3-литрового мотора выдавать порядка 200-250 л.с. Правда, вместе с главным недостатком конструкции в виде высокого расхода топлива.
Недостатки роторных моторов
Самые главные проблемы при производстве роторных двигателей:
- Достаточно сложно (но не невозможно) подстроиться под регламент выброса CO2 в окружающую среду, особенно в США.
- Производство может стоить намного дороже, в большинстве случаев из-за небольшого серийного производства, по сравнению с поршневыми двигателями.
- Они потребляют больше топлива, так как термодинамическое КПД поршневого двигателя снижается в длинной камере сгорания, а также благодаря низкой степени сжатия.
- Роторные двигатели в силу конструкции ограничены в ресурсе — в среднем это порядка 60-80 тыс. км
Такая ситуация просто вынуждает причислять роторные двигатели к спортивным моделям автомобилей. Да и не только. Приверженцы роторного двигателя сегодня нашлись. Это известный автопроизводитель Мазда, вставший на путь самурая и продолживший исследования мастера Ванкеля. Если вспомнить ту же ситуацию с Субару, то становится понятен успех японских производителей, цепляющихся, казалось бы, за всё старое и отброшенное западниками как ненужное. А на деле японцам удаётся создавать новое из старого. То же тогда произошло с оппозитными двигателями, являющимися на сегодняшний день «фишкой» Субару. В те же времена использование подобных двигателей считалось чуть ли не преступлением.
Работа роторного двигателя также заинтересовала японских инженеров, которые на этот раз взялись за усовершенствование Мазды. Они создали роторный двигатель 13b-REW и наделили его системой твин-турбо. Теперь Мазда могла спокойно поспорить с немецкими моделями, так как открывала целых 350 лошадок, но грешила опять же большим расходом топлива.
Пришлось идти на крайние меры. Очередная модель Мазда RX-8 с роторным двигателем уже выходит с 200 лошадками, что позволяет сократить расход топлива. Но не это главное. Заслуживает уважения другое. Оказалось, что до этого никто, кроме японцев, не догадался использовать невероятную компактность роторного двигателя. Ведь мощность в 200 л.с. Мазда RX-8 открывала с двигателем объёмом 1,3 литра. Одним словом, новая Мазда выходит уже на другой уровень, где способна конкурировать с западными моделями, беря не только мощностью мотора, но и другими параметрами, в том числе и низким расходом топлива.Удивительно, но РПД пытались ввести в работу и у нас в стране. Такой двигатель был разработан для установки его на ВАЗ 21079, предназначенный как транспортное средство для спецслужб, однако проект, к сожалению, не прижился. Как всегда, не хватило бюджетных денег государства, которые чудесным образом из казны выкачиваются.
Зато это удалось сделать японцам. И они на достигнутом результате останавливаться не желают. По последним данным, производитель Мазда усовершенствует двигатель и в скором времени выйдет новая Мазда, уже с совершенно другим агрегатом.
Разные конструкции и разработки роторных двигателей
Двигатель Ванкеля
Двигатель Желтышева
Двигатель Зуева
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 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. 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 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. 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 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.
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.
Роторно-поршневой двигатель или двигатель Ванкеля представляет собой мотор, где главным рабочим элементом осуществляются планетарные круговые движения. Это принципиально другой вид двигателя, отличный от поршневых собратьев в семействе ДВС.
В конструкции такого агрегата используется ротор (поршень) с тремя гранями, внешне образующим треугольник Рело, осуществляющий круговые движения в цилиндре особого профиля. Чаще всего поверхность цилиндра исполнена по эпитрохоиде (плоской кривой, полученной точкой, которая жестко связана с окружностью, осуществляющей движение по внешней стороне другой окружности). На практике можно встретить цилиндр и ротор иных форм.
Составные элементы и принцип работы
Устройство двигателя типа РПД предельно проста и компактна. На ось агрегата устанавливается ротор, который крепко соединяется с шестерней. Последняя сцепляется со статором. Ротор, имеющий три грани, двигается по эпитрохоидальной цилиндрической плоскости. В результате чего сменяющиеся объемы рабочих камер цилиндра отсекаются с помощью трех клапанов. Уплотнительные пластины (торцевого и радиального типа) прижимаются к цилиндру под действием газа и за счет действия центростремительных сил и ленточных пружин. Получаются 3 изолированные камеры разные по объемным размерам. Здесь осуществляются процессы сжимания поступившей смеси горючего и воздуха, расширения газов, оказывающих давление на рабочую поверхность ротора и очищающих камеру сгорания от газов. На эксцентриковую ось передается круговое движение ротора. Сама ось находится на подшипниках и передает момент вращения на механизмы трансмиссии. В этих моторах осуществляется одновременная работа двух механических пар. Одна, которая состоит из шестерен, регулирует движение самого ротора. Другая — преобразует вращающиеся движение поршня во вращающиеся движения эксцентриковой оси.
Детали Роторно-поршневого двигателя
Принцип работы двигателя Ванкеля
На примере двигателей, установленных на автомобилях ВАЗ, можно назвать следующие технические характеристики:
— 1,308 см3 – рабочий объем камеры РПД;
— 103 кВт/6000 мин-1 – номинальная мощность;
— 130 кг масса двигателя;
— 125000 км – ресурс двигателя до первого полного его ремонта.
Смесеобразование
В теории в РПД применяют несколько разновидностей смесеобразования: внешнее и внутреннее, на основе жидких, твердых, газообразных видов топлива.
Касательно твердых видов топлива стоит отметить, что их первоначально газифицируют в газогенераторах, так как они приводят к повышенному золообразованию в цилиндрах. Поэтому большее распространение на практике получили газообразные и жидкие топлива.
Сам механизм образования смеси в двигателях Ванкеля будет зависеть от вида применяемого топлива.
При использовании газообразного топлива его смешение с воздухом происходит в специальном отсеке на входе в двигатель. Горючая смесь в цилиндры поступает в готовом виде.
Из жидкого топлива смесь приготавливается следующим образом:
- Воздух смешивается с жидким топливом перед поступлением в цилиндры, куда поступает горючая смесь.
- В цилиндры двигателя жидкое топливо и воздух поступают по отдельности, и уже внутри цилиндра происходит их смешивание. Рабочая смесь получается при соприкосновении их с остаточными газами.
Соответственно, топливно-воздушная смесь может готовиться вне цилиндров или внутри их. От этого идет разделение двигателей с внутренним или внешним образованием смеси.
Особенности РПД
Преимущества
Преимущества двигателей роторно-поршневого типа по сравнению со стандартными бензиновыми двигателями:
— Низкие показатели уровня вибрации.
В моторах типа РПД отсутствует преобразование возвратно-поступательного движения во вращательное, что позволяет агрегату выдержать высокие обороты с меньшими вибрациями.
— Хорошие динамические характеристики.
Благодаря своему устройству такой мотор, установленный в машине, позволяет ее разогнать выше 100 км/ч на высоких оборотах без избыточной нагрузки.
— Хорошие показатели удельной мощности при малой массе.
Из-за отсутствия в конструкции двигателя коленчатого вала и шатунов достигается небольшая масса движущихся частей в РПД.
— В двигателях такого типа практически отсутствует система смазки.
Непосредственно в топливо добавляется масло. Топливно-воздушная смесь сама осуществляет смазывание пар трения.
— Мотор роторно-поршневого типа имеет небольшие габаритные размеры.
Установленный роторно-поршневой мотор позволяет максимально использовать полезное пространство моторного отсека автомобиля, равномерно распределить нагрузку на оси автомашины и лучше рассчитать расположение элементов коробки передач и узлов. Например, четырехтактный двигатель такой же мощности будет в два раза больше роторного двигателя.
Недостатки двигателя Ванкеля
— Качество моторного масла.
При эксплуатации такого типа двигателей необходимо уделять должное внимание к качественному составу масла, применяемого в двигателях Ванкеля. Ротор и находящаяся внутри камера двигателя имеют большую площадь соприкосновения, соответственно, износ двигателя происходит быстрее, а также такой двигатель постоянно перегревается. Нерегулярная смена масла наносит огромный урон двигателю. Износ мотора возрастает в разы из-за наличия абразивных частиц в отработанном масле.
— Качество свечей зажигания.
Эксплуатантам таких двигателей приходится быть особо требовательным к качественному составу свечей. В камере сгорания из-за ее небольшого объема, протяженной формы и высокой температуры затруднен процесс зажигания смеси. Следствием является повышенная рабочая температура и периодическая детонация камеры сгорания.
— Материалы уплотнительных элементов.
Существенной недоработкой мотора типа РПД можно назвать ненадежную организацию уплотнений промежутков между камерой, где сгорает топливо, и ротором. Устройство ротора такого мотора достаточно сложное, поэтому уплотнения требуются и по граням ротора, и по боковой поверхности, имеющей соприкосновение с крышками двигателя. Поверхности, которые подвергаются трению, необходимо постоянно смазывать, что выливается в повышенный расход масла. Практика показывает, что мотор типа РПД может потребить от 400 гр до 1 кг масла на каждые 1000 км. Снижаются экологичные показатели работы двигателя, так как горючее сгорает вместе с маслом, в результате в окружающую среду выбрасывается большое количество вредных веществ.
Из-за своих недоработок такие моторы не получили широкого распространения в автомобилестроении и в изготовлении мотоциклов. Но на базе РПД изготавливаются компрессоры и насосы. Авиамоделисты часто используют такие двигатели для конструирования своих моделей. Из-за невысоких требований к экономичности и надежности конструкторы не применяют сложную систему уплотнений в таких моторах, что значительно снижает его себестоимость. Простота его конструкции позволяет без проблем встроить в авиамодель.
КПД роторно-поршневой конструкции
Не смотря на ряд недоработок, проведенные исследования показали, что общий КПД двигателя Ванкеля довольно-таки высокий по современным меркам. Его значение составляет 40 – 45%. Для сравнения, у поршневых двигателей внутреннего сгорания КПД составляет 25%, у современных турбодизелей – около 40%. Самый высокий КПД у поршневых дизельных двигателей составляет 50%. До настоящего времени ученые продолжают работу по изысканию резервов для повышения КПД двигателей.
Итоговый КПД работы мотора состоит из трех основных частей:
- Топливная эффективность (показатель, характеризующий рациональное использование горючего в моторе).
Исследования в этой области показывают, что только 75% горючего сгорает в полном объеме. Есть мнение, что данная проблема решается путем разделения процессов сгорания и расширения газов. Необходимо предусмотреть обустройство специальных камер при оптимальных условиях. Горение должно происходить в замкнутом объеме, при условии нарастания температурных показателей и давления, расширительный процесс должен происходить при невысоких показателях температур.
- КПД механический (характеризует работу, результатом которой стало образование переданного потребителю крутящего момента главной оси).
Порядка 10% работы мотора расходуется на приведение в движение вспомогательных узлов и механизмов. Исправить данную недоработку можно путем внесения изменений в устройство двигателя: когда главный движущийся рабочий элемент не прикасается к неподвижному корпусу. Постоянное плечо крутящего момента должно присутствовать на всем пути следования основного рабочего элемента.
- Термическая эффективность (показатель, отражающий количество тепловой энергии, образованной от сжигания горючего, преобразующейся в полезную работу).
На практике 65% полученной тепловой энергии улетучивается с отработанными газами во внешнюю среду. Ряд исследований показал, что можно добиться повышения показателей термической эффективности в том случае, когда конструкция мотора позволяла бы осуществлять сгорание горючего в теплоизолированной камере, чтобы с самого начала достигались максимальные показатели температуры, а в конце эта температура понижалась до минимальных значений путем включения паровой фазы.
Современное состояние роторно-поршневого двигателя
На пути массового применения двигателя встали значительные технические трудности:
— отработка качественного рабочего процесса в камере неблагоприятной формы;
— обеспечение герметичности уплотнения рабочих объемов;
— проектировка и создания конструкции корпусных деталей, которые надежно прослужат весь жизненный цикл работы двигателя без коробления при неравномерном нагрева этих деталей.
В результате огромной проделанной научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы этим фирмам удалось решить почти все наиболее сложные технические задачи на пути создания РПД и выйти на этап их промышленного производства.
Первый массовый автомобиль NSU Spider с РПД начала выпускать фирма NSU Motorenwerke. Вследствие частых переборок двигателей из-за выше сказанных технических проблем на раннем этапе развития конструкции двигателя Ванкеля, взятые NSU гарантийные обязательства привели ее к финансовому краху и банкротству и последовавшему слиянию с Audi в 1969 году.
Между 1964 и 1967 годом произведено 2375 автомобилей. В 1967 году Spider был снят с производства и заменён на NSU Ro80 с роторным двигателем второго поколения; за десять лет производства Ro80 выпущено 37398 машин.
Наиболее успешно с данными проблемами справились инженеры фирмы Mazda. Она и остается единственным массовым производителем машин с роторно-поршневыми двигателями. Доработанный мотор серийно начался ставить на автомобиль Mazda RX-7 с 1978 года. С 2003 преемственность приняла модель Mazda RX-8, она и является на данный момент массовой и единственной версией автомобиля с двигателем Ванкеля.
Российские РПД
Первое упоминание о роторном двигателе в Советском Союзе относится к 60-м годам. Исследовательские работы по роторно-поршневым двигателям начались в 1961 году, соответствующим постановлением Минавтопрома и Минсельхозмаша СССР. Промышленное же изучение с дальнейшем выводом на производство данной конструкции началось в 1974 году на ВАЗе. специально для этого было создано Специальное конструкторское бюро роторно-поршневых двигателей (СКБ РПД). Поскольку лицензию купить не было возможности, был разобран и скопирован серийный «ванкель» от NSU Ro80. На этой основе разработали и собрали двигатель Ваз-311, а произошло это знаменательное событие в 1976 году. На ВАЗе разрабатывали целую линейку РПД от 40 до 200 сильных двигателей. Доработка конструкции тянулась почти шесть лет. Удалось решить целый ряд технических проблем связанные с работоспособностью газовых и маслосъемных уплотнений, подшипников, отладить эффективный рабочий процесс в камере неблагоприятной формы. Свой первый серийный автомобиль ВАЗ с роторным двигателем под капотом представил публике в 1982 году, это был Ваз-21018. Машина внешне и конструктивно была как и все модели данной линейки, за одним исключением, а именно, под капотом стоял односекционный роторный двигатель мощностью 70 л.с. Длительность разработки не помешала случиться конфузу: на всех 50 опытных машинах при эксплуатации возникли поломки мотора, заставившие завод установить на его место обычный поршневой.
Ваз 21018 с Роторно-поршневым двигателем
Установив, что причиной неполадок являлись вибрации механизмов и ненадёжность уплотнений, конструкторы предприняли спасти проект. Уже в 83-ем появились двухсекционные Ваз-411 и Ваз-413 (мощностью, соответственно, 120 и 140 л.с.). Несмотря на низкую экономичность и малый ресурс, сфера применения роторного двигателя всё-таки нашлась – ГАИ, КГБ и МВД требовались мощные и незаметные машины. Оснащённые роторными двигателями «Жигули» и «Волги» легко догоняли иномарки.
С 80-ых годов 20 века СКБ был увлечён новой темой – применение роторных двигателей в смежной отрасли — авиационной. Отход от основной отрасли применения РПД привело к тому, что для переднеприводных машин роторный двигатель Ваз-414 создаётся лишь к 1992 году, да ещё три года доводится. В 1995 году Ваз-415 был представлен к сертификации. В отличие от предшественников он универсален, и может устанавливаться под капотом как заднеприводных («классика» и ГАЗ), так и переднеприводных машин (ВАЗ, Москвич). Двухсекционный «Ванкель» имеет рабочий объём 1308 см 3 и развивает мощность 135 л.с. при 6000об/мин. «Девяносто девятую» он ускоряет до сотни за 9 секунд.
Роторно-поршневой двигатель ВАЗ-414
На данный момент проект по разработке и внедрения отечественного РПД заморожен.
Ниже представлено видео устройства и работы двигателя Ванкеля.
Роторно-поршневой двигатель(РПД), или двигатель Ванкеля. Двигатель внутреннего сгорания, разработанный Феликсом Ванкелем в 1957 году в соавторстве с Вальтером Фройде. В РПД функцию поршня выполняет трехвершинный (трехгранный) ротор, совершающий вращательные движения внутри полости сложной формы. После волны экспериментальных моделей автомобилей и мотоциклов, пришедшейся на 60-е и 70-е годы ХХ века, интерес к РПД снизился, хотя ряд компаний по-прежнему работает над совершенствованием конструкции двигателя Ванкеля. В настоящее время РПД оснащаются легковые автомобили компании Mazda. Роторно-поршневой двигатель находит применение в моделизме.
Принцип работы
Сила давления газов от сгоревшей топливо-воздушной смеси приводит в движение ротор, насаженный через подшипники на эксцентриковый вал. Движение ротора относительно корпуса двигателя (статора) производится через пару шестерен, одна из которых, большего размера, закреплена на внутренней поверхности ротора, вторая, опорная, меньшего размера, жестко прикреплена к внутренней поверхности боковой крышки двигателя. Взаимодействие шестерен приводит к тому, что ротор совершает круговые эксцентричные движения, соприкасаясь гранями с внутренней поверхностью камеры сгорания. В результате между ротором и корпусом двигателя образуются три изолированные камеры переменного объема, в которых происходят процессы сжатия топливо-воздушной смеси, ее сгорания, расширения газов, оказывающих давление на рабочую поверхность ротора и очищения камеры сгорания от отработанных газов.
Вращательное движение ротора передается на эксцентриковый вал, установленный на подшипниках и передающий вращающий момент на механизмы трансмиссии. Таким образом в РПД одновременно работают две механические пары: первая - регулирующая движение ротора и состоящая из пары шестерен; и вторая - преобразующая круговое движение ротора во вращение эксцентрикового вала.
Передаточное соотношение шестерен ротора и статора 2:3, поэтому за один полный оборот эксцентрикового вала ротор успевает провернуться на 120 градусов. В свою очередь за один полный оборот ротора в каждой из трех образуемых его гранями камер производится полный четырехтактный цикл двигателя внутреннего сгорания.
схема РПД
1 - впускное окно; 2 выпускное окно; 3 - корпус; 4 - камера сгорания; 5 – неподвижная шестерня; 6 - ротор; 7 – зубчатое колесо; 8 - вал; 9 – свеча зажигания
Достоинства РПД
Главным достоинством роторно-поршневого двигателя является простота конструкции. В РПД на 35-40 процентов меньше деталей, чем в поршневом четырехтактном двигателе. В РПД отсутствуют поршни, шатуны, коленчатый вал. В «классическом» варианте РПД нет и газораспределительного механизма. Топливо-воздушная смесь поступает в рабочую полость двигателя через впускное окно, которое открывает грань ротора. Отработанные газы выбрасываются через выпускное окно, которое пересекает, опять же, грань ротора (это напоминает устройство газораспределения двухтактного поршневого двигателя).
Отдельного упоминания заслуживает система смазки, которая в простейшем варианте РПД практически отсутствует. Масло добавляется в топливо - как при эксплуатации двухтактных мотоциклетных моторов. Смазка пар трения (прежде всего ротора и рабочей поверхности камеры сгорания) производится самой топливо-воздушной смесью.
Поскольку масса ротора невелика и легко уравновешивается массой противовесов эксцентрикового вала, РПД отличается небольшим уровнем вибраций и хорошей равномерностью работы. В автомобилях с РПД легче уравновесить двигатель, добившись минимального уровня вибраций, что хорошо сказывается на комфортабельности машины в целом. Особой плавностью хода отличаются двухроторные двигатели, в которых роторы сами являются снижающими уровень вибраций балансирами.
Еще одно привлекательное качество РПД - высокая удельная мощность при высоких оборотах эксцентрикового вала. Это позволяет добиться от автомобиля с РПД отличных скоростных характеристик при относительно небольшом расходе топлива. Малая инерционность ротора и повышенная по сравнению с поршневыми двигателями внутреннего сгорания удельная мощность позволяют улучшить динамику автомобиля.
Наконец, немаловажным достоинством РПД являются небольшие размеры. Роторный двигатель меньше поршневого четырехтактного мотора той же мощности примерно вдвое. И это позволяет рациональней использовать пространство моторного отсека, более точно рассчитывать расположение узлов трансмиссии и нагрузку на переднюю и заднюю ось.
Недостатки РПД
Главный недостаток роторно-поршневого двигателя - невысокая эффективность уплотнений зазора между ротором и камерой сгорания.
Имеющий сложную форму ротор РПД требует надежных уплотнений не только по граням (а их четыре у каждой поверхности - две по вершинным, две по боковым граням), но и по боковой поверхности, соприкасающейся с крышками двигателя. При этом уплотнения выполнены в виде подпружиненных полосок из высоколегированной стали с особо точной обработкой как рабочих поверхностей, так и торцов. Заложенные в конструкцию уплотнений допуски на расширение металла от нагрева ухудшают их характеристики - избежать прорыва газов у торцевых участков уплотнительных пластин практически невозможно (в поршневых двигателях используют лабиринтовый эффект, устанавливая уплотнительные кольца зазорами в разные стороны).
В последние годы надежность уплотнений резко возросла. Конструкторы нашли новые материалы для уплотнений. Однако, говорить о каком-то прорыве пока не приходится. Уплотнения до сих пор остаются самым узким местом РПД.
Сложная система уплотнений ротора требует эффективной смазки трущихся поверхностей. РПД потребляет больше масла, чем четырехтактный поршневой двигатель (от 400 граммов до 1 килограмма на 1000 километров). При этом масло сгорает вместе с топливом, что плохо сказывается на экологичности моторов. В выхлопных газах РПД опасных для здоровья людей веществ больше, чем в выхлопных газах поршневых двигателей.
Особые требования предъявляются и к качеству масел, используемых в РПД. Это связано, во-первых, со склонностью к повышенному износу (из-за большой площади соприкасающихся деталей - ротора и внутренней камеры двигателя), во-вторых, к перегреву (опять же из-за повышенного трения и из-за небольших размеров самого двигателя). Для РПД смертельно опасны нерегулярная смена масла - поскольку абразивные частицы в старом масле резко увеличивают износ двигателя, и переохлаждение мотора. Запуск холодного двигателя и недостаточный его прогрев приводят к тому, что в зоне контакта уплотнений ротора с поверхностью камеры сгорания и боковыми крышками оказывается мало смазки. Если поршневой двигатель заклинивает при перегреве, то РПД чаще всего - во время запуска холодного двигателя (или при движении в холодную погоду, когда охлаждение оказывается избыточным).
В целом рабочая температура РПД выше, чем у поршневых двигателей. Самая термонапряженная область - камера сгорания, которая имеет небольшой объем и, соответственно, повышенную температуру, что затрудняет процесс поджига топливо-воздушной смеси (РПД из-за протяженной формы камеры сгорания склонны к детонации, что тоже можно отнести к недостаткам этого типа двигателей). Отсюда требовательность РПД к качеству свечей. Обычно их устанавливают в эти двигатели попарно.
Роторно-поршневые двигатели при великолепных мощностных и скоростных характеристиках оказываются менее гибкими (или менее эластичными), чем поршневые. Они выдают оптимальную мощность только на достаточно высоких оборотах, что вынуждает конструкторов использовать РПД в паре с многоступенчатыми КП и усложняет конструкцию автоматических коробок передач.
В конечном итоге РПД оказываются не такими экономичными, какими должны быть в теории.
Практическое применение в автопромышленности
Наибольшее распространение РПД получили в конце 60-х и начале 70-х годов прошлого столетия, когда патент на двигатель Ванкеля был куплен 11 ведущими автопроизводителями мира.
В 1967 году немецкая компания NSU выпустила серийный легковой автомобиль бизнес-класса NSU Ro 80 . Эта модель выпускалась в течение 10 лет и разошлась по миру в количестве 37204 экземпляров. Автомобиль пользовался популярностью, но недостатки установленного в нем РПД, в конце концов, испортили репутацию этой замечательной машины. На фоне долговечных конкурентов модель NSU Ro 80 выглядела «бледно» - пробег до капитального ремонта двигателя при заявленных 100 тысячах километров не превышал 50 тысяч.
С РПД экспериментировали концерн Citroen , Mazda , ВАЗ . Наибольших успехов добилась Mazda, которая выпустила свой легковой автомобиль с РПД еще в 1963 году, на четыре года раньше появления NSU Ro 80.
Сегодня концерн Mazda оснащает РПД спорткары серии RX. Современные автомобили Mazda RX-8 избавлены от многих недостатков РПД Феликса Ванкеля. Они вполне экологичны и надежны, хотя среди автовладельцев и специалистов по ремонту считаются «капризными».
Практическое применение в мотопромышленности
В 70-е и 80-е годы с РПД экспериментировали некоторые производители мотоциклов - Hercules, Suzuki и другие. В настоящее время мелкосерийное производство «роторных» мотоциклов налажено только в компании Norton, выпускающей модель NRV588 и готовящей к серийному выпуску мотоцикл NRV700.
Norton NRV588 - спортбайк, оснащенный двухроторным двигателем общим объемом в 588 кубических сантиметров и развивающим мощность в 170 лошадиных сил. При сухом весе мотоцикла в 130 кг энерговооруженность спортбайка выглядит в буквальном смысле запредельной. Двигатель этой машины оснащен системами впускного тракта переменной величины и электронного впрыска топлива. О модели NRV700 известно лишь то, что мощность РПД у этого спортбайка будет достигать 210 л.с.
