В чем минусы роторного двигателя

Принцип работы роторного двигателя, плюсы и минусы системы

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.

Изобретение являет собой эллипсоид, внутри полого корпуса размещается насаженный на вал ротор. Лопасти ротора при вращении взаимодействуют с краями корпуса, в котором он размещен. Обычно их количество может составлять 1,2, или 3, хотя наиболее часто устанавливается 2 треугольника Рело. Давлением газа и центробежных сил пластины, создается полная герметизация камеры, за счет их прижимания к внутренней части конструкции. Таким образом, строение РПД позволяет работать без наличия дополнительных узлов и деталей — в нем отсутствуют коленвал, шатуны, противовесы, а также газораспределительная система. ГРС заменяют впускные и выпускные просеки, и сам ротор, поочередно открывающий и закрывающий эти просеки.

Роторный ДВС имеет простой принцип работы, который основывается на высоких оборотах. Ротор вращается внутри овального корпуса. При рабочем цикле создаются по окружности статора свободные полости, в которых и запускается двигатель. Приводится в действие движок посредством впускных/выпускных окон в боковых корпусах. В результате чего, ротор, вращаясь, открывает и закрывает их соответственно. Почему-то все сдвигают плечами и не могут понять, почему же казалось-бы такое простое строение не оправдало ожиданий и уступило дорогу поршневому движку? Если рабочий цикл состоит из постоянных преобразований по принципу:

• впрыска топлива,
• сжатия,
• рабочего такта,
• выпуска газа.

Инженеры настаивают на том, чтобы все-таки дать этому мотору вторую жизнь, усовершенствовать его и запустить в обиход.

Устройство

В конструкцию силового агрегата входит:

• Корпус.
• Выходной вал.
• Ротор.

Сам корпус являет собой основную рабочую камеру. На роторном двигателе она имеет овальную форму. Столь необычная конструкция камеры сгорания обусловлена использованием трехгранного ротора. Так, при соприкосновении его со стенками образуются изолированные закрытые контуры. Именно в них осуществляются рабочие такты ДВС. Это:

• Впуск.
• Сжатие.
• Воспламенение и рабочий ход.
• Выпуск.

Среди особенностей роторного двигателя внутреннего сгорания стоит отметить отсутствие классических впускных и выпускных клапанов. Вместо них использованы специальные отверстия. Они находятся по бокам камеры сгорания. Данные отверстия напрямую соединяются с системой выпуска газов и системой питания.

Плюсы и минусы

Есть ряд преимуществ:

• меньшее количество деталей, как минимум на 35% меньше относительно поршневого. Меньше деталей — меньше поломок;
• если сопоставить с конкурентом такой же мощности, то РПД будет в 2 раза меньше по размеру;
• отсутствие высокой нагрузки даже на больших оборотах и если на низких передачах разогнаться сильнее сотни километров в час;
• меньше весит, поэтому машину проще уравновесить, она становится более устойчивой;
• нет проблемы вибрации даже у самых легких авто. Поршневой вибрирует гораздо сильнее, ввиду чего роторный лучше сбалансирован.

Но есть и недостатки:

• главный минус — небольшой ресурс, это издержка простой конструкции. Рабочий угол уплотнителей постоянно меняется, из-за чего они быстро изнашиваются. Износ усиливается и от того, что через каждый такт меняется температура. Вдобавок давление, оказываемое на трущиеся поверхности, от этого есть только одно средство — впрыскивание масла в коллектор;
• при износе уплотнителей образуются утечки между камерами. Разница в давлении очень большая, от этого страдает КПД. Вред для экологии усиливается;
• из-за серповидной конфигурации камер топливо сгорает не полностью. Из-за небольшой длины рабочего хода и скорости вращения ротора выталкиваются несгоревшие газы высокой температуры. Выделяются не только продукты сгорания бензина, но и масло, ввиду чего окружающая среда подвергается крайне негативному влиянию. Поршневые двигатели не настолько вредные для экологии;
• про высокий расход топлива уже было сказано, но это касается не только бензина, но и масла. Такой двигатель съедает до литра на тысячу километров. Если забыть про масло, то можно столкнуться с необходимостью дорогого ремонта или вовсе замены мотора;
• высокая себестоимость. Требуются качественные дорогие материалы и высокотехнологичное оборудование.

У роторного двигателя достаточно недостатков, но и его конкурент не совершенный. Поэтому соревнование между ними длилось достаточно долго. Сейчас гонка окончена, но никто не может сказать, навсегда или нет.

О системе смазки и питании

Данный агрегат не имеет отличий в системе топливоподачи. Здесь также используется погружной насос, что подает бензин под давлением из бака. А вот смазочная система имеет свои особенности. Так, масло для трущихся частей двигателя подается прямо в камеру сгорания. Для смазки предусмотрено специальное отверстие. Но возникает вопрос: куда затем девается масло, если оно проникает в камеру сгорания? Здесь принцип работы схож с двухтактным двигателем. Смазка попадает в камеру и сгорает вместе с бензином. Такая схема работы используется на каждом роторно-лопастном двигателе и поршневом в том числе. Ввиду особой конструкции смазочной системы такие моторы не могут отвечать современным экологическим нормам. Это одна из нескольких причин, почему роторные двигатели на ВАЗе и других моделях авто серийно не применяются. Впрочем, сперва отметим преимущества РПД.

Конструкция и принцип действия роторного двигателя

Ротор двигателя имеет треугольную форму с выгнутыми наружу (выпуклыми) сторонами (рис. «Сравнение четырех тактов рабочего цикла роторного двигателя и двигателя с возвратно-поступательным движением поршней» ). Внутри охлаждаемого водой кожуха находится овальная или, точнее, эпитрохоидальной формы камера ротора. При враще­нии ротора три его вершины обкатываются по стенке корпуса, образуя три взаимно гермети­зированные камеры с изменяемым рабочим объемом (А, В, С), располагаемые через 120° по дуге окружности. Каждая из этих камер обеспе­чивает реализацию полного четырехтактного цикла сгорания при каждом полном обороте ротора; т.е. за один полный оборот треугольного ротора двигатель заканчивает четырехтактный процесс три раза, а эксцентриковый элемент осуществляет равное число оборотов.

Передаточное отношение зубчатого колеса с внутренними зубьями и ведущего зубчатого колеса составляет 3:2. Следовательно, ротор вращается со скоростью равной одной трети скорости вращения эксцентрикового вала.

Сравнение 4-тактных рабочих циклов роторного двигателя и двигателя с возвратно-поступательным движением поршней

По мере поворота эксцентрикового вала про­исходит увеличение объема (см. рис. а). Это соответствует движению поршня вниз в двигателе с возвратно-поступательным дви­жением поршней, т.е. такту впуска топливно­воздушной смеси.

По мере продолжения поворота ротора впуск­ной канал соответствующей камеры закрыва­ется (рис. Ь), и объем газа, находящегося в камере, сжимается. Для двигателя с возвратно-поступательным движением поршней это соот­ветствует перемещению поршня из НМТ в ВМТ при закрытых клапанах. Перетекание газа мимо трохоидального сужения облегчается за счет выемки в основании ротора (Ь, с).

Незадолго до того, как объем снова начи­нает увеличиваться, производится зажигание, и начинается процесс сгорания смеси (см. рис. с). Давление газов передается ротором на эксцентриковый вал, что вызывает вращение эксцентрикового вала и ротора. При этом объем камеры снова начинает увеличиваться (с, d). Это соответствует рабочему ходу или такту расширения на двигателе с возвратно-­поступательным движением поршня. Здесь эксцентриковый вал выполняет функцию шатунной шейки в двигателе с возвратно-­поступательным движением поршней.

Приблизительно в точке достижения мак­симального объема камеры ротор открывает выпускное отверстие, и начинается выпуск от­работавших газов (см. рис. d), что соответ­ствует такту выпуска в двигателе с возвратно­-поступательным движением поршней.

В двух других камерах, окружающих ротор, выполняется такая же последовательность со смещением на 120° относительно ротора. В результате этого процесса за один оборот ротора впуск смеси через впускной канал и выпуск отработавших газов через выпускной канал осуществляется три раза.

Эквивалентный рабочий объем роторного двигателя вычисляется в соответствии со следующим соотношением:

эквивалентный рабочий объем = количество роторов • объем камеры • 2

Направление движения ротора

Движение ротора по трохоидальной поверх­ности цилиндра направляется:

• Направляющей шестерней, жестко закре­пленной на торцевом щите;
• Внутренним зубчатым венцом ротора, ко­торый обкатывается вокруг направляющей шестерни;
• Эксцентриковым валом, который передает крутящий момент на трансмиссию и, таким образом, эквивалентен коленчатому валу двигателя с возвратно-поступательным движением поршней.

Эксцентриковый вал установлен в подшипниках скольжения в торцевых щитах двигателя и концентрично вращается в направляющей шестерне. Ротор позиционируется на эксцентрике эксцентрикового вала при помощи подшипников сколь­жения. В многороторных двигателях на одном эксцентрике установлено несколько роторов.

Во время вращения ротор опирается с одной стороны на вращающийся эксцентриковый вал, а с другой стороны опора создается в ре­зультате обкатки зубчатым венцом направляю­щей шестерни. Благодаря такому двойному принудительному направлению ротор может вращаться только в пределах трохоидальной поверхности цилиндра таким образом, что его боковые края, скользя по внутренним стенкам цилиндра, образуют три рабочих камеры.

Ротор изготовлен из литой стали и имеет торцевые и радиальные уплотнительные пластины. Эти пластины изготовлены из литой стали и подвергнуты поверхностной электронно-лучевой обработке. Требуемое давление прижима уплотнительных пластин обеспечивается пластинчатыми пружинами.

В трохоидальной камере для смазки уплот­нений установлены маслоразбрызгивающие сопла, подача масла в которые осуществля­ется дозирующим масляным насосом. Это позволяет точно дозировать подачу масла и снизить расход масла приблизительно на 40 % по сравнению с ранними моделями ро­торных двигателей.

Газообмен в роторном двигателе

В отличие от двигателя с возвратно­-поступательным движением поршней, в кото­ром управление газообменом осуществляется клапанами, в роторном двигателе оно осу­ществляется отверстиями в роторе. Впускные и выпускные каналы, на предыдущих версиях двигателя расположенные радиально в трохоидальном корпусе ротора (периферийный впуск и выпуск), в последующих разработках были заменены впускными каналами в торцевых щитах. В последних разработках используются боковые впускные и выпускные каналы.(см. рис. «Роторный двигатель с боковыми впускными и выпускными каналами» ).

Единственным роторным двигателем, уста­навливаемым в настоящее время на серийно выпускаемых легковых автомобилях, явля­ется двухроторный двигатель. Он имеет три боковых впускных канала и два боковых вы­пускных канала для каждого ротора. Боковое расположение каналов газообмена позволяет осуществлять газообмен без перекрытия, что предотвращает перетекание всасываемой све­жей смеси со стороны впуска на сторону вы­пуска. Это дает значительное снижение содер­жания углеводородов в отработавших газах.

Система впуска роторного двигателя

Аналогично двигателю с возвратно­-поступательным движением поршней совре­менные роторные двигатели для легковых автомобилей имеют регулируемую систему впуска, позволяющую влиять на характери­стику крутящего момента двигателя. Каждый впускной канал имеет собственный порт на впускном трубопроводе. Это позволяет под­ключать один, два или три впускных канала, в зависимости от потребностей двигателя.(см. рис. «Впускные и выпускные каналы с различными настройками регулируемой системы впуска» ).

Зажигание в роторном двигателе

Поскольку камеры сгорания роторных дви­гателей имеют вытянутую форму, что небла­гоприятно для зажигания, на современных роторных двигателях устанавливаются две независимые свечи зажигания, со сдвигом момента зажигания во времени. При этом за­паздывающая свеча находится впереди опе­режающей свечи в направлении вращения.

Впрыск топлива в роторном двигателе

Топливо подается в двигатель через топлив­ные форсунки с несколькими отверстиями, установленными в системе впуска, что обе­спечивает достаточное распыление топлива. В двигателе Renesis (Mazda), каждый ротор имеет три топливные форсунки с различным количеством отверстий. Каждая форсунка «обслуживает» один из трех каналов впуска.

Система охлаждения роторного двигателя

Роторный двигатель обычно имеет жидкост­ную систему охлаждения. Расположение ка­налов охлаждения в корпусе ротора адапти­ровано к неравномерной тепловой нагрузке, испытываемой рабочей камерой трохоидальной формы. На стороне впуска, испытываю­щей небольшую тепловую нагрузку, количе­ство каналов охлаждения меньше, чем на стороне выпуска, тепловая нагрузка которой значительно выше. Такое расположение кана­лов охлаждения предотвращает повреждение и деформацию камеры и роторов.

Время для повторного возвращения

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

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

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

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

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

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

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

Наверное, будет не совсем правильно делать из такого легендарного двигателя всего лишь генератор для электромобиля. Но такова сегодняшняя реальность: время роторных моторов прошло, и его не получится вернуть обратно.