Роторный двигатель: принцип работы, плюсы и минусы устройства

rotornyj dvigatel

Роторный двигатель внутреннего сгорания, созданный как альтернатива классическим поршневым агрегатам, отличался компактными размерами и высокой мощностью. Технологические сложности и высокая себестоимость не позволили мотору завоевать популярность. Серийный выпуск был освоен всего несколькими автомобильными заводами, а внедрение турбокомпрессоров и использование систем непрерывной регулировки фаз газораспределения поставили крест на дальнейшем развитии оригинальной конструкции.

rotornyj dvigatel

Что такое роторный двигатель

В ДВС с коленчатым валом сгорающая топливовоздушная смесь воздействует на поршень и шатун, которые совершают возвратно–поступательное движение. Недостатками силовых установок поршневого типа является механическая неуравновешенность деталей, вызывающая вибрации.

dvigatel

Но производители поршневых моторов нашли способы устранения дефекта путем установки балансирных валов или маховиков с усовершенствованной конструкцией.

Кто изобрел

Концепцию работоспособного роторно–поршневого двигателя предложил немецкий инженер и изобретатель Вальтер Фройде, являвшийся сотрудником компании NSU (затем фирма вошла в состав марки Audi). Одновременно похожий проект разработал и Феликс Ванкель, также трудившийся в NSU. В конструкции установок использовался треугольный ротор с профилем Рело, позволивший избежать вибраций от движения поршней традиционного ДВС. Ротор вращается в цилиндре статора со специальным профилем, обеспечивающим чередование тактов и защиту от выхода газов.

rotary2

Внешний вид

Оригинальная схема роторно–поршневого мотора позволила отказаться от массивного блока цилиндров, вместо которого используется цилиндрический картер с двойной стенкой для циркуляции охлаждающей жидкости. Двигатель Ванкеля уже и короче поршневого движка, что позволяет снизить габариты моторного отсека. Мотор работает на смеси, приготовляемой в карбюраторе или при помощи форсунок для непосредственного впрыска бензина. На валу устанавливается шкив для привода навесных агрегатов и муфта сцепления для передачи мощности к коробке скоростей.

rotorno porshnevyj dvigatel

Достоинства и недостатки роторных ДВС

Сильные стороны
Улучшенную динамическую характеристику, позволяющую быстро разогнать автомобиль без переключения скоростей при частоте вращения вала до 8000 об/мин
Отсутствие вибраций при работе, характерных для традиционных поршневых двигателей, что обеспечивает повышение комфортности
Меньшие габариты, роторный двигатель Ванкеля отличается от традиционных моторов уменьшенными в 1,5–2 раза размерами при одинаковом рабочем объеме. Компактность роторной установки позволяет применять агрегат на малогабаритной технике (преимущество нивелировано созданием классических двигателей с маленьким объемом и наддувом)
Повышенную удельную мощность, обеспечиваемую снижением массы подвижных частей и новым принципом работы. Агрегат выдает полезную мощность на протяжении 3/4 оборота вала, у мотора традиционной конструкции с 4 цилиндрами передача потока мощности осуществляется на протяжении 1/4 оборота
Простоту конструкции, в роторных силовых агрегатах используется в 15–20 раз меньше деталей, чем в поршневых двигателях (без учета компонентов навесной системы)
Увеличенную на 20–25% частоту вращения выходного вала, достигаемую за счет отсутствия преобразования одного вида движения в другой
Слабые стороны
Недостаточная прочность и долговечность конструкции. Роторы вращаются и передают момент через эксцентриковый редуктор, который подвергается воздействию механических и термических нагрузок. Является ключевым минусом РПД, ограничивающим развитие и распространение двигателя Ванкеля
Система смазки роторно–поршневого мотора требует частой замены масла. Даже при своевременном обслуживании ресурс уплотнителей камеры сгорания не превышает 50 тыс. км. При несвоевременном обслуживании происходит поломка ротора или картера, что приводит к необходимости капитального ремонта агрегата
Зависимость эффективности работы от состояния уплотнителей, при вращении ротора в изношенном моторе увеличиваются утечки газа между камерами. Образующиеся при сгорании топлива газы имеют повышенную токсичность, которую невозможно снизить каталитическим нейтрализатором. Инженеры Mazda смогли устранить дефект путем внедрения колец из высоколегированной стали
Склонность роторных моторов к перегреву, поскольку цикл сгорания длится на протяжении 3/4 оборота ротора и происходит в камере, имеющей невыгодную конфигурацию свода. По этой причине КПД поршневого двигателя выше, чем у роторного аналога
Сложность капитального ремонта силового агрегата по сравнению с классическим ДВС и меньший ресурс
Повышенная стоимость производства комплектующих, для обработки деталей требуется оборудование с повышенной точностью
Сложность технического обслуживания роторного агрегата по сравнению со стандартной конструкцией

Мощность и рабочий такт

При работе мотора Ванкеля используется стандартный 4–тактный цикл, газораспределение осуществляется кромками ротора. Поступающий поток имеет сниженную турбулентность, что приводит к неравномерному сгоранию смеси и выбросу части топлива с потоком отработавших газов. За один рабочий цикл ротора соединенный с ним эксцентриковый вал выполнит 3 оборота.

При вращении происходит изменение объема камер, что позволяет отказаться от установки клапанного механизма с принудительным приводом.

В чем отличие от других видов двигателя

Если сравнивать роторный агрегат с моторами традиционной конструкции, то основными отличиями являются:

  • отсутствие деталей, совершающих возвратно–поступательное движение (схема работы классического ДВС позаимствована с небольшими изменениями у поршневых паровых двигателей);
  • меньшее количество камер сгорания, в РПД используется от 1 до 4 секций, а в серийных поршневых агрегатах может использоваться до 12 цилиндров;
  • сниженный рабочий объем, не превышающий 2 л;
  • отсутствие газораспределительного механизма с отдельными кулачковыми валиками и цепным либо ременным приводом;
  • небольшие габариты, позволяющие сместить центр тяжести автомобиля к поверхности дороги и повысить устойчивость на высоких скоростях;
  • отсутствие масляной ванны в картере, запас смазки хранится в отдельном бачке, жидкость подается к трущимся парам насосом через форсунки с обратным клапаном;
  • способность работать без риска детонации на бензине со сниженным октановым числом (разница с поршневой установкой доходит до 15 единиц при сопоставимой степени сжатия);
  • повышенная температура потока отработавших газов, позволяющая сократить выброс окиси азота;
  • необходимость использования моторного масла на синтетической основе с минимальной зольностью для защиты уплотнителей от отложений.

Разновидности роторного двигателя

Кроме схемы Ванкеля существуют и другие виды роторных агрегатов. Например, роторно–лопастной двигатель был создан в начале XX века, первый рабочий вариант собрала группа разработчиков под руководством О.М. Иванова. Был проведен расчет прочности элементов, но сложности с созданием надежного уплотнения подвижных лопастей решить не удалось и проект был закрыт. Уже в XXI столетии предполагалось использовать подобный мотор на «Ё–Мобиле», но проект также не получил развития.

Предлагавшийся несколькими конструкторами роторно–волновой двигатель был ориентирован на малую авиацию. Существовали проекты агрегатов внешнего сгорания, в которых вал вращается за счет потока раскаленных газов или пара. Применение роторных паровых агрегатов ограничивается токсичностью выхлопа и необходимостью установки в машине котла, работающего под высоким давлением, что снижает безопасность эксплуатации.

Существует роторная альтернатива поршневым дизельным ДВС. В конструкции использован клапанный механизм оригинальной конструкции. Для работы на дизельном топливе требуется высокая степень сжатия, поэтому мотор оснащен системой уплотнений из легированных жаростойких сталей. Было создано несколько экспериментальных моделей, не дошедших до конвейерной сборки из–за сложности конструкции и недостаточного ресурса. По мере износа уплотнителей двигателя снижается давление в камере и ухудшается воспламенение подаваемого форсункой топлива.

Двигатель Ванкеля

Единственная серийная версия РПД оснащена ротором со сложным профилем, вращающимся внутри цилиндра.

dvigatel vankelya

Существуют двигатели с одной или несколькими секциями, что позволяет повысить мощность и крутящий момент.

Воспламенение сжатой рабочей смеси осуществляется искровым разрядом, вращающийся ротор обеспечивает впуск свежей порции рабочей смеси и вытеснение отработавших газов в атмосферу.

Мотор Желтышева

В конструкции 5–тактного мотора использованы неподвижный кулачок и поворотные лопасти, закрепленные на вращающейся оси. Изменение положения заслонок происходит за счет направляющих, скользящих по поверхности кулачка. Была создана компьютерная модель, опытный образец не собирался из–за отсутствия финансирования.

motor zheltysheva

Двигатель Зуева

Конструкция Зуева предусматривает установку звездообразной поршневой группы. При работе двигателя вращается корпус с золотниковыми клапанами для обеспечения газораспределение и коленчатый вал, который используется для привода коробки передач или иного механизма. В конструкции привода золотникового диска использован планетарный редуктор, на внешней части корпуса выполнены ребра для охлаждения. За каждый оборот агрегат с 5 цилиндрами дает 4 рабочих хода, серийно мотор не производился.

dvigatel zueva

Подробнее о конструкции роторного мотора

Устройство роторного мотора Ванкеля отличается простотой по сравнению с классической поршневой схемой. Каналы впуска и выпуска выполнены в стенке корпуса и перекрываются ротором, клапана и привод в конструкции не предусмотрены. В конструкции системы смазки имеется электронный блок управления, дозирующий подачу масла в зависимости от частоты вращения. Угар моторного масла является нормой для РПД и одновременно усложняет работу каталитического нейтрализатора, который быстро выходит из строя при постоянном попадании масла.

Узлы двигателя

РПД состоит из нескольких секций, которые собираются в единый блок при помощи болтов, имеющих герметичные втулки для защиты от течи антифриза. Торцевые крышки оснащены постелями для подшипников скольжения оси и посадочными гнездами для монтажа сальников.

Детали оснащены направляющими втулками, предотвращающими ошибочный монтаж и совмещающими каналы для циркуляции хладагента.

Ротор мотора

Узел имеет 3 рабочие грани, соединенные криволинейными поверхностями. На торцах предусмотрена выемка для установки уплотнителя, дополнительные кольца расположены на боковой части. Внутри детали имеются полости для снижения веса и центральное отверстие с внутренней шестерней для соединения с зубчатым колесом на поверхности корпуса. Деталь изготовлена из стали с повышенным содержанием легирующих элементов.

vhodnoj val 1

Корпус роторного двигателя

Картер выполнен из алюминиевого сплава со стальной гильзой или серого чугуна. В стенках расположены каналы для циркуляции охлаждающей жидкости, в конструкции используется помпа и термостат для поддержания заданной температуры. По бокам картера установлены крышки с отверстиями для опор вала, предусмотрены точки крепления навесного оборудования и колокола сцепления. Агрегат ставится в моторном отсеке на резиновых подушках, снижающих уровень вибраций.

maxresdefault

Выходной вал мотора

На поверхности оси имеются эксцентриковые кулачки, необходимые для сопряжения с роторами. Число кулачков зависит от количества секций РПД. При пуске агрегата роторы передают крутящий момент на кулачки, которые являются аналогами кривошипов коленчатого вала.

vhodnoj val

Ось установлена на подшипниках скольжения, которые смазываются под давлением, на торцевых кромках имеются сальники.

Принцип работы роторного мотора

Общая схема работы РПД конструкции Ванкеля показана на разрезе агрегата. Силовая установка поддерживает 4–тактный цикл, состоящий из этапов всасывания, сжатия, расширения и финишного выброса продуктов сгорания в атмосферу. Вращение ротора передается через планетарный механизм к главному валу, который соединен через муфту сцепления с агрегатами трансмиссии машины. Не существует РПД, поддерживающих 2–тактный режим работы.

No Title

No Description

Забор топливно воздушной смеси

Подача горючей смеси осуществляется за счет разряжения. РПД ранних моделей оснащались 2–камерным карбюратором с поплавковой камерой и пусковым устройством для обогащения смеси в момент пуска. Позднее стали устанавливаться форсунки с электронным управлением, дозирующие подачу бензина в зависимости от внешних условий (температуры воздуха или режима работы). Попавшая в рабочую камеру смесь начинает сжиматься, что позволяет повысить эффективное давление в момент воспламенения.

zabor smesi

Сжигание топлива

В конце такта сжатия подается искра, воспламеняющая рабочую смесь. Расширяющиеся газы под высоким давлением начинают толкать ротор и связанный с ним вал. Дополнительная свеча зажигания подает искру для воспламенения остатков топливной смеси. После окончания процесса расширения агрегат переходит к такту выпуска, позволяющему удалить продукты сгорания в атмосферу.

Выброс выхлопов

В цикле выброса вращающийся ротор выводит продукты сгорания через отверстие в выпускной коллектор. Вместе с выхлопом выбрасываются остатки топливной смеси, которые догорают в корпусе каталитического нейтрализатора. В состав выхлопной системы входят резонатор и глушитель, снижающие уровень шума до допустимых законодательством пределов. Такт выброса автоматически завершается после перекрытия выпускного отверстия кромкой вращающегося элемента РПД. Температура газов на +250°…+300°С выше, чем у поршневых установок.

Характеристики роторного двигателя

Параметры атмосферного РПД 13B–MSP от Mazda RX8, имеющего торговое название Renesis (от английского Rotary ENgine genESIS):

масса с навесным оборудованием (но без заправки охлаждающей жидкостью и маслом)122 кг
степень сжатия9 единиц
мощностьдо 250 л. с. при частоте вращения 8500 об/мин
крутящий моментдо 222 Н*м при 5000 об/мин
рабочий объем1308 см³
тип топливабензин с октановым числом не ниже 98 единиц
контрольный расходне менее 10,6 л на 100 км пробега

Установка системы наддува позволяет повысить крутящий момент на 25–30% при смещении полки в зону средних оборотов. Например, применение двойной турбины Hitachi HT–12 на версии 13B–REW обеспечивало рост мощности до 280 л. с. при одновременном увеличении расхода топлива. Специально для участия в 24–часовой гонке в Ле–Мане была создана версия 26В с 4 секциями и рабочим объемом 2622 см³.

harakteristiki(40)

Агрегат развивал до 700 л. с. при частоте вращения 9000 об/мин и оснащался третьей свечой зажигания в каждой секции, позволившей улучшить сгорание топлива.

Специальное конструкторское бюро при заводе ВАЗ разрабатывало РПД с 1973 г. Было создано несколько десятков проектов агрегатов мощностью от 40 до 270 л. с., часть из которых дошла до стадии мелкосерийного производства. Существовали модификации для установки на мотоциклы ИЖ или самодельные летательные аппараты, были построены экспериментальные модели для автомобилей ИЖ и ЗАЗ. Разрабатывался проект агрегата объемом 3,5 л и мощностью более 300 л. с., пригодного для установки на экранопланы или маломерные речные суда.

Известные авто, оснащенные роторным двигателем

В перечень автомобилестроительных компаний, в которых нашлись приверженцы роторного двигателя. Ниже перечислены несколько серийных моделей, выпускавшихся с 70–х гг. прошлого века. В СССР первенцем стала модель ВАЗ–2107 «Жигули», получившая работоспособный роторный двигатель ВАЗ мощностью 140 л. с. Машина ограниченно использовались силовыми структурами (ГАИ или КГБ) вплоть до середины 90–х гг. прошлого века. Было собрано несколько образцов седанов «Волга» с моторами ВАЗ, которые являются объектами коллекционирования.

Mazda RX 8

В производственную гамму японского производителя входили несколько спортивных купе с РПД. Например, Mazda RX7, представленная в 1978 г., оснащалась 105–сильным мотором модели 12А.Затем компании удалось усовершенствовать роторный движок, доведя мощность до 115 л. с. для атмосферной версии и до 265 л. с. для турбинной модификации. В 2003 г. дебютировало купе Мазда RX8 с 1,3–литровым мотором мощностью от 192 до 250 л. с. Модель РХ8 пережила рестайлинг и продержалась на конвейере до 2012 г.

rx8 1

На автомобилях Mazda RX–8 с двухсекционным роторным мотором Renesis применялись механические и автоматические коробки передач. Производитель постоянно анализировал плюсы и минусы схемы Ванкеля, но агрегат потреблял много топлива и не соответствовал ужесточавшимся экологическим требованиям. Конструкторам компании не удалось изобрести улучшенную версию РПД, по состоянию на 2021 г. производитель Mazda не устанавливает роторные двигатели на свою продукцию.

Mazda Cosmo Sport

В 1967 г. появилось небольшое купе Cosmo Sport с роторным агрегатом Ванкеля, изготовленным компанией NSU. Поскольку при работе РПД отсутствуют вибрации, то автомобиль позиционировался как комфортный и динамичный транспорт.

mazda cosmo sport

Существовало несколько поколений машин, отличавшихся внешним видом, перечнем доступного оборудования и характеристиками.

Небольшой рабочий объем положительно влиял на транспортный налог, но небольшой ресурс и сложности при ремонте ДВС ограничивали продажи. Поэтому производитель выпустил на рынок модификацию с поршневым силовым агрегатом. Последние роторные автомобили под обозначением Eunos Cosmo были переданы заказчикам в 1995 г. Особенностью модели Eunos Cosmo стало применение 3–секционного двигателя 20B–REW с двойным наддувом, развивавшего до 300 л. с. при рабочем объеме всего 1962 см³. На прямой автомобиль легко разгонялся до 255 км/ч.

Mazda Parkway Rotary 26

В производственную гамму японского концерна входил автобус с РПД, базирующийся на платформе Titan, техника собиралась с 1972 по 1997 г. На тот момент Mazda выпускала двухроторные двигатели, которые стали использоваться на одной из модификаций Parkway для внутреннего рынка Японии. Автобусы развивали максимальную скорость около 40 км/ч и оснащались гидравлической муфтой в трансмиссии, повышавшей плавность хода. Для внешних рынков поставлялись машины с поршневыми двигателями, лицензионное производство модели Combi велось на заводах KIA.

zzkk9kqturbxy9mmjy2mtczmdaymgq4n2fkmgq5yza2zmm4owuwymzlzs5qcgvnkpuczqpaamldlqiazqpawsobotab

Mercedes C111

В конце 60–х гг. прошлого столетия были собраны несколько прототипов Mercedes C111, на которых отрабатывались различные технологические решения. Машина оснащалась роторным мотором с 4 секциями, который развивал 350 л. с. и позволял разогнать купе с кузовом из стекловолокна до 300 км/ч. Существовал образец с упрощенным мотором Ванкеля из 3 секций, снабженным системой прямого впрыска бензина. В 1976 г. немецкий производитель перевел ресурсы на разработку дизельных двигателей и отказался от дальнейшего использования роторно–поршневых моторов.

cca5dc9s 1920

ВАЗ–2109–90

В пятерку автомобилей с РПД попал и отечественный хэтчбэк ВАЗ–2109 (было выпущено несколько десятков седанов ВАЗ–21099 с такой силовой установкой). Волжский автозавод начал разработку роторно–поршневого агрегата для машин с передним приводом в середине 80–х гг. прошлого века. В конструкции мотора ВАЗ–415 используются наработки от версии двигателя для классических «Жигулей». Мощность агрегата варьировалась в пределах от 140 до 250 л. с., а скорость машины превышала 200 км/ч. В 2004 г. подразделение ВАЗ, разрабатывавшее РПД, упразднили.

uoaaagm22ua 960

Более новые модели авто

На 2021 г. роторные моторы не используются на серийных автомобилях. Завод ВАЗ перешел под контроль альянса Renault–Nissan и сконцентрировался на производстве бюджетных автомобилей с классическими силовыми установками. Периодически появляются публикации, что компания Мазда усовершенствует двигатель и представит новое поколение машин с гибридной установкой. В конце 2020 г. представители Mazda заявили о разработке кроссовера MX–30, который получит роторный двигатель в дополнение к электрическому, но не озвучили дату начала производства.

Применение в мотопромышленности

Роторные агрегаты используются всего в нескольких моделях мотоциклов, выпущенных небольшими тиражами. Например, с 1974 г. по 1977 г. собирался Hercules/DKW W–2000 с 30–сильным РПД объемом 294 см³. РПД использовались на британских мотоциклах Norton Classic, F1, Commander и Interpol II, которые разошлись тиражом не более 100 экземпляров каждой модели. Массовой моделью стал японский Suzuki RE5, который оснащался 1–секционным РПД мощностью 62 л. с. и собирался с 1974 г. по 1976 г. Всего было собрано около 6 тыс. экземпляров мотоцикла Suzuki RE5.

71 norton commando fastback pics 001

Авиация и роторные двигатели

Не следует путать мотор Ванкеля с ротационными двигателями, которые использовались на заре винтовой авиации и поршневых ДВС (например, Gnome). В конструкции подобного агрегата имелся неподвижный вал с шатунами и поршнями, вокруг которых вращался блок цилиндров. Сложное устройство ДВС и неудобная схема подключения свечей зажигания вызывали многочисленные нарекания со стороны пилотов и наземного обслуживающего персонала. Усовершенствовать агрегат не удалось и после Первой Мировой войны подобные авиационные двигатели не выпускались.

f znbplmdvdi5yds91cgxvywqvawjsb2nrlzbjys8wy2ewnmu0nmqyztcyowi2mdbhmjdlmgyyzwe1zmu5zc5qcgc x19pzd0xmzaymdq

Частые проблемы в работе роторного двигателя

Основной проблемой при эксплуатации РПД является износ уплотнений, который ускоряется при нарушении регламента обслуживания. Владелец машины должен своевременно менять масло и проверять работу свечей и катушек зажигания. Компания Mazda использовала в агрегатах свечи с иридиевым наконечником, которые отличались по конструкции. Основной элемент воспламенял смесь, а вторичный обеспечивал дожигание топлива. Не рекомендуется глушить холодный РПД из–за риска оседания паров горючего на электродах и сложностей при повторном запуске.

Для подачи масла в РПД используются форсунки, которые требуется проверять при каждом обслуживании. Конструкция агрегата предусматривает впрыск смазки при разряжении в камере и закрытие обратного клапана при создании давления. При поломке форсунок наблюдается сокращение расхода масла, при эксплуатации РПД необходимо постоянно контролировать уровень смазки в расходном бачке.

Дефицит масла приводит к ускоренному износу вкладышей эксцентрикового вала и проседанию ротора относительно рабочего зеркала в корпусе.

Уплотнительные пластины, расположенные на торцах ротора, разработаны с учетом запаса высоты на износ. При чрезмерном истирании элементы могут выпасть и разрушить стенки камеры сгорания. На исправном моторе компрессия не должна падать ниже 6,5 бара (на новом агрегате параметр доходит до 8 бар). Сложности с пуском РПД, неравномерные обороты холостого хода и повышенный угар моторного масла указывают на необходимость ревизии колец.

Перспективность роторных моторов

Дальнейшие перспективы развития ДВС находятся под вопросом из–за попыток массового внедрения электрических моторов и отказа от малолитражных агрегатов. Серийное производство дизельных двигателей для грузового транспорта и тепловозов продолжится. Возможно появление роторных моторов как части гибридных силовых установок, но массовой конструкция не станет. Разработка РПД дорого обходилась автомобильным концернам, в условиях жесткой конкуренции и экономического кризиса создание подобных конструкций экономически нецелесообразно.

Пожаловаться

Оставь свой голос:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

octavia2020 brilliant silver

Skoda Octavia: обзор автомобиля от чешского бренда

Немецкие машины

Немецкие автомобили: марки авто Германии