Холостые обороты роторного двигателя

Роторный двигатель: принцип работы, схема роторного двигателя

Потребность в двигателе малых габаритов и большой мощности заставляет изобретателей и конструкторов продолжать поиски новых решений. Несколько лет назад в ФРГ появился роторный двигатель Ванкеля. Приводимые в печати его показатели гораздо выше, чем у поршневых двигателей. Но, в то же время, двигатель Ванкеля и по сей день не смог вытеснить обычные бензиновые моторы, в первую очередь, потому, что до сих пор не найдены надежные конструкции скользящих ребер ротора и системы охлаждения ротора, а также планетарной передачи на выходной вал двигателя.

В 1960 г. автор этой статьи совместно с инженером А. А. Светикас сконструировал маленький вертолет ранцевого типа, для которого необходимо было создать двигатель малого веса, но большой мощности. За основу была взята упомянутая система Ванкеля, но цилиндр сложной формы (по кривой, называемой эпициклоидой) был заменен двумя спаренными простыми цилиндрами, а планетарная передача была заменена эксцентриком на валу двигателя; уплотнение было принято пластинчатое.

Первая модель двигателя нашей конструкции представляла собой роторный (беспоршневой) двигатель, имеющий очень небольшие габариты и высокую удельную мощность. Приведем сравнение объема цилиндра и веса, приходящихся на 1 л. с. мощности, нашего двигателя и обычного поршневого четырехтактного двигателя:

Поршневой	Роторный
Объем цилиндра, см³	40	4
Вес, кг	2,8	0,38

Такие высокие показатели роторного двигателя достигаются главным образом благодаря отсутствию кривошипно-шатунного механизма и большому числу оборотов двигателя; используются высокие степени сжатия, а это важный фактор обеспечения экономичности двигателя. Кроме того, полное отсутствие клапанного устройства делает роторный двигатель значительно менее сложным и более дешевым в производстве, чем поршневой. В роторном двигателе нет движущихся возвратно-поступательно инерционных масс, что также представляет большое преимущество перед обычными поршневыми двигателями.

Роторный двигатель при габаритах 150х150х230 мм развил мощность 30 л. с. при 1300 об/мин, степени сжатия ξ = 6 и удельном расходе топлива 240 г/л., с.-час. Двигатель имеет только десять основных деталей (без карбюратора и свечи зажигания). Роторный двигатель работает по четырехтактному циклу; за один оборот ротора и вала производится три рабочих хода.

Рис. 1. Принцип работы (I—IV) и кинематическая схема роторного двигателя

Обозначения позиций на схеме — см. рис. 2.

В положении I (рис. 1) объем всасывания минимален и заключен между уплотняющими ребрами А и С. Между ребрами А и В происходит сжатие, а между В и С — рабочий ход, т. е. горение рабочей смеси.

В положении II уплотнительное ребро С откроет выхлопное отверстие, и начнется фаза выхлопа; объем всасывания, заключенный между ребрами А и С, увеличился по сравнению с положением I; сжатие происходит между ребрами А и В, а между ребрами В и С завершается рабочий ход.

В положении III выхлопное и впускное отверстия разделены между собой ребром С; происходят одновременно выхлоп и всасывание. Объем между ребрами А и В минимален — производится зажигание смеси.

В положении IV объем между ребрами А и В увеличивается, причем расстояние от центра вала до ребра В больше, чем до ребра А, и ротор поворачивается по часовой стрелке. Зазор между ротором и корпусом в точке D должен быть не более 0,2—0,5 мм, чтобы выхлопные газы не могли зажечь смесь, поступающую в двигатель из карбюратора. Кинематическая схема роторного двигателя приведена на рис. 1 (справа внизу на рисунке), а конструктивная схема — на рис. 2.

Рис. 2. Конструктивная схема роторного двигателя: поперечный разрез (показан вариант с водяным охлаждением) и продольный разрез (вариант с воздушным охлаждением).

1 — корпус двигателя; 2 — ротор; 3 — продольные уплотнения — лопасти ротора;
4 — боковые (торцевые) уплотнения; 5 — медно-графитовый подшипник скольжения;
6 — неподвижная центральная шестерня, связанная с ротором внутренним зацеплением 7; 8 — правый эксцентрик; 9 — левый эксцентрик с валом;
10 — балансиры; 11 — стакан прерывателя; 12 — правый фланец; 13 — крышка-фланец, в которой закреплен вал неподвижной шестерни; 14 — втулка;
15 — стяжная шпилька между эксцентриками; 16 — левый фланец; 17 — маховик-вентилятор; 18 — кожух маховика-вентилятора.
А — место свечи; Б — выхлоп; В — место карбюратора; Г — окно всасывания;
Д — распределительный кулачок зажигания; Е — место магнето; Ж — подача масла от маслонасоса; И — место маслонасоса и бензонасоса; К — поток воздуха.

В корпусе 1 двигателя на медно-графитовых подшипниках 5 вращается трехгранный ротор 2 с тремя лопастями (продольными уплотнениями) 3 и боковым (торцевым) уплотнением 4. Ротор 2 описывает круговую орбиту вокруг неподвижной шестерни 6, связанной с ротором внутренним зацеплением 7, и вращает эксцентрик 9, выполненный заодно с валом. Вращающийся ротор с эксцентриками сбалансирован балансирами 10 для устранения вибрации. При батарейном зажигании для опережения зажигания должен быть установлен стакан 11, на котором крепится прерыватель.

Роторный двигатель можно применять на мотоциклах и автомашинах при воздушном охлаждении и на мотолодках при водяном охлаждении.

Н. Н. Мельник, «Катера и яхты», 1965 г.

О конструкции роторного двигателя для самостоятельного изготовления см. на следующей странице.

Поделитесь этой страницей в соц. сетях или добавьте в закладки:

Учебное пособие: Характеристика роторно-поршневого двигателя

Что это такое РПД?

В классическом четырехтактном двигателе один и тот же цилиндр используется для различных операций – впрыск, сжатие, сжигание и выпуска. В роторном же двигателе каждый процесс выполняется в отдельном отсеке камеры. Эффект мало чем отличается от разделения цилиндра на четыре отсека для каждой из операций.

В поршневом двигателе давление возникающее при сгорании смеси заставляет поршни двигаться вперед и назад в своих цилиндрах. Шатуны и коленчатый вал преобразуют это толкательное движение во вращательное, необходимое для движения автомобиля.

В роторном двигателе нет прямолинейного движения которое надо было бы переводить во вращательное. Давление образуется в одном из отсеков камеры заставляя ротор вращаться, это снижает вибрацию и повышает потенциальную величину оборотов двигателя. В результате всего большая эффективность, и меньшие размеры при той же мощности, что и обычного поршневого двигателя.

Как работает РПД?

Функцию поршня в РПД выполняет трехвершинный ротор, преобразующий силу давления газов во вращательное движение эксцентрикового вала. Движение ротора относительно статора (наружного корпуса) обеспечивается парой шестерен, одна из которых жестко закреплена на роторе, а вторая на боковой крышке статора. Сама шестерня неподвижно закреплена на корпусе двигателя. С ней в зацеплении находится шестерня ротора который с зубчатым колесом как бы обкатывается вокруг нее.

Вал вращается в подшипниках, размещенных на корпусе, и имеет цилиндрический эксцентрик, на котором вращается ротор. Взаимодействие этих шестерен обеспечивает целесообразное движение ротора относительно корпуса, в результате которого образуются три разобщенных камеры переменного объема. Передаточное отношение шестерен 2:3, поэтому за один оборот эксцентрикового вала ротор поворачивается на 120 градусов, а за полный оборот ротора в каждой из камер совершается полный четырехтактный цикл.

Газообмен регулируется вершиной ротора при прохождении ее через впускное и выпускное окно. Такая конструкция позволяет осуществлять 4-тактный цикл без применения специального механизма газораспределения.

Герметизация камер обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами. Крутящий момент получается в результате действия газовых сил через ротор на эксцентрик вала Смесеобразование, зажигание, смазка, охлаждение, запуск — принципиально такие же, как и у обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания

Достоинства и недостатки РПД

Все части роторного двигателя постоянно вращаются в одном направлении, что не создает вибрации, связанной с переменным направлением движения поршней, присущей обычным двигателям.

Наряду с несомненными достоинствами у двигателя Ванкеля существуют и серьезные конструктивные недостатки, преодолеть которые крайне сложно.

Камера сгорания роторного двигателя имеет в плане форму серпа. Поэтому при том же объеме, что и у цилиндрической камеры обычного мотора, площадь ее поверхности намного больше.

Следствие — большая теплонагруженность двигателя и меньший тепловой КПД.

Кроме того, серповидная форма не позволяет организовать вихревое наполнение камеры сгорания, чтобы добиться полного сгорания топливовоздушной смеси.

Отсюда худшая, по сравнению с поршневыми моторами, экономичность и проблемы с выбросом вредных веществ.

Столь же обширен список технологических недостатков. На первом месте — сам процесс изготовления статора сложной формы с износостойкой рабочей поверхностью.

Трудность еще и в том, что статор должен успешно противостоять температурным деформациям: в отличие от обычного мотора, где теплонагруженная камера сгорания частично охлаждается в фазе впуска и сжатия свежей рабочей смесью, здесь процесс сгорания всегда происходит в одной части двигателя, а впуск — в другой.

Еще одна проблема — уплотнения ротора. Если в поршневом моторе кольца соприкасаются с зеркалом цилиндра только одной рабочей кромкой и под постоянным углом, то уплотнения на вершинах ротора касаются статора под постоянно изменяющимися углами, что приводит к большим нагрузкам на их грани.

Кроме того, эти уплотнения работают в условиях ограниченной смазки и плохого теплоотвода — для их смазывания приходится дополнительно впрыскивать масло прямо во впускной коллектор. Нетрудно догадаться, что экологических показателей мотора это тоже не улучшает.

История изобретения и отец двигателя

Феликс Генрих Ванкель (нем. Felix Heinrich Wankel, 13 августа 1902, Лар (Шварцвальд) — 9 октября 1988, Гейдельберг) — немецкий конструктор двигателей. Соавтор изобретения роторно-поршневого двигателя (так называемого двигателя Ванкеля), конструкция которого показана в 1957 вместе с инженером компании NSU Вальтером Фройде (W. Froude), которому и принадлежала идея данной конструкции двигателя. Ванкель всю свою жизнь работал над созданием другого мотора с простым вращением взаимодействующих роторов.

Вместе с Вальтером Фройде и своей группой он провел обширные исследования механических уплотнений вращающихся клапанов (золотников). Они сформулировали также требования к эффективным подвижным уплотнениям. В этой области следует также отметить важную роль группы В. Бензингера (W. Benzinger) фирмы Daimler-Benz.

Биография Ванкеля

Отец Ванкеля погиб в первой мировой войне; оставшийся без отца, бросив гимназию, Феликс Ванкель не смог ни поступить в университет, ни даже получить рабочую специальность. Самостоятельно изучая технические дисциплины, Ванкель уже в 1924 году пришёл к идее роторно-поршневого двигателя. В 1920-е годы Ванкель примкнул к НСДАП, но в 1933 оказался среди противников Гитлера и провёл полгода в тюрьме. В 1936 прототип его роторного двигателя заинтересовал BMW; Ванкель получил финансирование, а в 1936 — собственную мастерскую в Линдау для разработки опытных авиадвигателей под патронажем геринговского министерства авиации.

-В 1945 оборудование Ванкеля было вывезено во Францию по репарациям;

-В 1951, с помощью фирмы Goetze, Ванкель возобновил исследования — сначала в собственном доме

-В 1954 он наконец нашёл оптимальную конфигурацию камеры сгорания РПД;

-В 1958 NSU выпустило первый автомобиль с упрошённым вариантом РПД, однако самого конструктора эта реализация не удовлетворила

-С 1960 Ванкель работает в новом исследовательском центре в Линдау.

-В 1964 году в фирме NSU появился двигатель оригинальной конструкции Ванкеля Ro 80 (всего было выпущено около 40 000 таких машин).

-В 1959—1970 патент Ванкеля приобрели все крупнейшие автопроизводители западного мира, однако в 2007—2008 годах машины с роторно — поршневым двигателем конструкции Ванкеля и Фройда производятся только под маркой Mazda.

-В 1936 Ванкель женился на Эмме Кирн (1905—1975), детей у них не было. Ванкель никогда не имел водительских прав, так как с детства страдал крайней близорукостью. Он не владел основами высшей математики, полагаясь на своё исключительное чувство пространства.

История ротора ВАЗ

Год 1974-й. Приказом генерального директора Волжского автозавода создано специальное конструкторское бюро роторно-поршневых двигателей.

Планы самые грандиозные — создать роторно-поршневой двигатель для автомобилей «ВАЗ», превосходящий по своим показателям традиционный поршневой мотор.

Основу коллектива составили выпускники вузов и специалисты авиационных предприятий Самары. В арсенале у них были молодость и энтузиазм. Начальником СКБ РПД был назначен заместитель технического директора Борис Сидорович ПОСПЕЛОВ, главным конструктором — Михаил Алексеевич КОРЖОВ.

Разработка первых вазовских РПД шла параллельно с изучением конструкций зарубежных образцов и под очень скромные технологические возможности экспериментального цеха, поэтому часть деталей использовалась с импортных двигателей. Первые двигатели не отличались ни изяществом компоновки, ни своими показателями, и это естественно для начала работ с таким сложным изделием, но они позволили накопить опыт и обозначить основные проблемы такой простой на первый взгляд конструкции. Было сделано несколько вариантов компоновки РПД в автомобили «ВАЗ», прежде чем появился прототип, который стал базовым двигателем и который приняли на подготовку производства. Этим двигателем стал односекционный РПД ВАЗ-311 мощностью 70 л.с. с геометрическими параметрами, как у японского 13В. Подготовка производства велась по нереальным планам одновременно с доводкой двигателя: проблем было больше, чем решений. Невзирая на недоведенность конструкции, было принято решение о выпуске опытно-промышленной партии автомобилей ВАЗ-21018 с РПД. После того как автомобили были проданы, разразился скандал, так как массовые дефекты в эксплуатации породили волну рекламаций. Руководство завода вынуждено было заменить на проданных автомобилях роторно-поршневые двигатели на серийные поршневые. Последовали и оргмероприятия: численность СКБ была сокращена вдвое, прекратилось строительство цехов и административного здания. Ушло много высококвалифицированных специалистов. Так закончился период авантюр и фантазий, требовалось серьезно оценить состояние дел.

Обстановка в СКБ была критической. Б.С. Поспелов смог в этой сложной ситуации сохранить самообладание и сделать правильные выводы. Оценка областей применения РПД и их технический уровень показывали, что для выполнения всех требований, которые предъявляются к автомобильному двигателю, необходим большой объем доводочных работ, освоение новых материалов и технологий и проведение длительных испытаний. Возможность установки в вазовский автомобиль двигателя мощностью 120. 140 л.с. заинтересовала спецслужбы, требования по ресурсу и расходу топлива были ниже, чем у автомобиля общего назначения, а замена двигателя в ходе эксплуатации ими допускалась. С их стороны гарантировалась квалифицированная эксплуатация и предоставление информации о дефектах. Для СКБ это было идеальным вариантом. Так появился автомобиль специального назначения ВАЗ-21019 с двухсекционным двигателем мощностью 120 л.с.

Ситуация в СКБ стабилизировалась, начался плодотворный период доводки, было реальное продвижение по пути улучшения показателей двигателя. Появились положительные отзывы о нашем автомобиле и его незаменимости при выполнении оперативной работы. Символично, что работавшие на автомобилях с РПД называли его «Аркан».

Стали поступать предложения от других предприятий о разработке РПД для мотоцикла, летательных аппаратов, амфибийных судов, подвесных лодочных моторов. Работы велись по хоздоговорам и частично компенсировали затраты на содержание СКБ.

К концу 80-х стало возможным вернуться к проекту автомобиля общего назначения с выполнением всех норм. Поэтому, когда СКБ был заказан двигатель для автомобиля специального назначения «Таврия», Поспелов поставил задачу — спроектировать двигатель, который бы, кроме автомобиля «ЗАЗ», мог быть установлен в автомобиль ВАЗ-2108 без доработки кузова и трансмиссии. Что и было сделано. Двигатель получился на редкость удачным, первые же образцы без особых проблем прошли испытания в составе автомобилей «ВАЗ» и «ЗАЗ». Мощность этого двигателя 105 л.с. была достаточной для «Таврии» (максимальная скорость более 200 км/ч) и мала для переднеприводных автомобилей «ВАЗ», поэтому планировалась разработка двигателя большего рабочего объема для автомобилей семейства ВАЗ-2108. Но этому не суждено было случиться. 16 января 1987 г. умер Борис Сидорович Поспелов. Конструктор, энергичный и справедливый руководитель, достойный человек. На общем собрании СКБ РПД начальником был избран Владимир Андреевич ШНЯКИН.

Главным стратегическим направлением стало создание двигателей для авиации общего назначения. Автомобильный двигатель становится второстепенной работой, хотя производство устаревшей «классики» ВАЗ-21079 с карбюраторным РПД ВАЗ-4132 продолжается. Работы над двигателем для переднеприводных автомобилей «ВАЗ» были прекращены.

Бесспорно, в России с ее огромной территорией считается странным тот факт, что отсутствует авиация общего назначения, т.е. небольшие 2. 7-местные самолеты. Привлекательна перспектива — быть монополистом на этом еще только зарождающемся рынке.

Но за этой привлекательностью кроется огромная работа по созданию целой отрасли, не существующей пока еще в нашем государстве. Огромны и технические проблемы, связанные с выполнением специфических авиационных требований, которые не имеют места при создании автомобильного мотора.

Необходимость финансирования услуг сторонних организаций не позволяет совсем отказаться от выпуска автомобилей с РПД. Это обстоятельство в 1994 г. заставляет заняться разработкой двигателя мощностью 140 л.с. для семейства автомобилей ВАЗ-2108. Работы ведутся спешно, в результате новый двигатель ВАЗ-415 имел много дефектов, устранить которые можно было только заменой двигателя. С большим трудом удалось устранить большинство из этих дефектов, выполнить российские нормы токсичности и получить сертификат, позволяющий продавать автомобиль с РПД. И все же это был и есть двигатель 80-х годов, с карбюратором.

Эксплуатация автомобилей с РПД показала наличие устойчивого спроса на автомобиль с повышенными динамическими качествами. Разгон автомобиля с РПД ВАЗ-415 до 100 км/ч составляет 9 сек. и максимальная скорость — 190 км/ч.

Но сегодня для продолжения производства требуется серьезная модернизация выпускаемого РПД ВАЗ-415. Это прежде всего внедрение мероприятий для выполнения современных норм токсичности и адаптация двигателя под семейство автомобилей ВАЗ-2110. И как ни странно, но, кроме технических проблем, обозначились и другие сложности.

Опыт работы СКБ над автомобильным и авиационным двигателями одновременно показал несовместимость этих работ по большинству конструкторских решений. Частично могут быть единой технологическая и производственные базы, а разработчики авиационного и автомобильного двигателей должны быть рядом, но отдельно. Требования к автомобильному и авиационному двигателям во многом противоположны. Так, например, режимы работы автомобильного двигателя, определяющие его экономичность и токсичность в городском цикле, для авиационного двигателя не регламентируются вообще. И наоборот: главные режимы работы авиационного мотора — «взлетный» и «крейсерский» — малозначимы для автомобильного двигателя. Особая проблема — материалы. Общепринятые в автомобилестроении материалы не могут быть применены для авиационного двигателя. Поэтому работа конструкторов одновременно и над авиационным, и над автомобильным двигателями малопродуктивна. Здесь требуется командная работа, когда конкретные люди занимаются конкретным делом.

Что касается техники, то современные технологии и электронные системы, внедренные за последние годы, позволяют в короткие сроки успешно решить все проблемы, связанные с экологией, ресурсом и топливной экономичностью, что и продемонстрировала Mazda. Очевидные преимущества РПД позволяют расширить мощностной ряд автомобилей «ВАЗ» и предложить покупателю, кроме массового автомобиля, динамичную высокоскоростную модель, демонстрируя тем самым, что заводу не чужды уникальные технологии. А это уже имидж и реклама. Все это реально.

Роторно-поршневой двигатель имеет достаточный потенциал, чтобы быть конкурентоспособным и равным среди лучших. А пока производство СКБ РПД продолжает выпуск автомобилей семейства ВАЗ-2108 с роторно-поршневым карбюраторным двигателем мощностью 140 л.с.

Технические характеристики роторно-поршневого двигателя (рпд) ВАЗ-4132 и ВАЗ-415

Роторно-поршневой двигатель

Главной особенностью любого роторно-поршневого двигателя можно считать применение специального ротора (поршня), имеющего три грани, который вращается внутри специального цилиндра по эпитрохоиде (впрочем, возможны и другие формы цилиндра). Постараемся подробно разобрать конструкцию РПД, его преимущества и недостатки перед другими типами двигателей.

Особенности конструкции роторно — поршневых двигателей Венкеля

Впервые, такой тип двигателя был разработан в 1957 году двумя инженерами: Вальтером Фройде и Феликсом Ванкелем. На валу устанавливается ротор, который имеет жесткое соединение со специальным зубчатым колесом. Это колесо входит в зацепление со статором, который имеет вид неподвижной шестерни. Диаметр ротора достаточно сильно превышает диаметр статора, что дает возможность зубчатому колесу полностью обкатываться вокруг статора. Каждая вершина граней ротора движется по эпитрохоидальной поверхности и отделяет три, постоянно меняющихся, объема.

Данная конструкция позволяет выполнить действия всех четырех тактов любого из существующих двигателей внутреннего сгорания, причем, без применения механизма, отвечающего за газораспределение. Камеры сгорания герметизируются с помощью специальных пружинных лент и пластин, которые придавливаются к поверхности цилиндра давлением, создаваемым газом. Так как в роторно-поршневом двигателе отсутствует ГРМ, это делает его конструкцию намного проще любого другого двигателя. Кроме того, отсутствие различных тяжелых элементов, таких как, шатуны и коленчатый вал, позволяют сделать его размеры намного меньше, в то время как, мощность увеличивается. Один оборот такого двигателя равняется одному циклу, что можно сравнить с полным оборотом двухцилиндрового поршневого двигателя.

Подача топлива в камеру сгорания, смазка подвижных частей двигателя, охлаждение и запуск осуществляются точно также, как и на обычном ДВС. Расход топлива может варьироваться от

Видео — Принци работы РДП

Преимущества и недостатки РДП

Преимущества

1. Прежде всего, такой двигатель обладает самым низким уровнем вибраций. Его конструкция абсолютно уравновешена и делает движение на легких транспортных средствах намного комфортнее.

2. Очень высокие динамические характеристики. Такой двигатель позволяет разогнать транспортное средство на первой передаче до 100 километров в час, при низкой нагрузке на механизмы. Двигатель достаточно долгое время выдерживает число оборотов, достигающее 8000 об/мин.

3. Движущиеся части механизма имеют очень низкую массу, а ротор двигателя выдает мощность в течение всех четвертей каждого оборота. Это позволяет добиться достаточно большой удельной мощности, в отличие от обычного поршневого двигателя. Для сравнения, роторно-поршневой двигатель с рабочим объемом 1.3 литра, выдает мощность, равную 220 лошадиным силам, в то время как, обычный поршневой двигатель с тем же объемом выдает мощность, не превышающую 100 лошадиных сил.

4. Вместо сотен различных деталей, в роторно-поршневых двигателях применяется всего 2-3 десятка. Кроме того, размеры и масса РПД намного меньше, чем у обычных двигателей с шатунами и коленчатым валом.

Недостатки

1. Соединение вала ротора с выходным валом, посредством эксцентрированного механизма, вызывает слишком большое давление между соединяемыми трущимися деталями. Это приводит к лишнему перегреву двигателя и повышенному износу деталей механизма. В связи с этим, появляется острая необходимость в периодической замене масла и уплотнительных элементов. Если выполнять данные требования в соответствии с регламентом, то ресурс двигателя значительно увеличивается, в противно случае, происходит поломка, которая непременно выведет агрегат из строя.

2. Камера сгорания имеет форму линзы, это означает, что при очень малом объеме она имеет очень большую площадь. Все это приводит к образованию лучистой энергии, которая бесполезно влияет на работу двигателя и также приводит к излишнему перегреву. Таким образом, КПД двигателя значительно снижается, что не позволяет использовать его в полной мере.

3. На пониженной передаче такой двигатель обладает очень большим расходом топлива, по сравнению с обычными ДВС.

4. Площадь соприкосновения уплотнителей и вращающихся деталей быстро снижается, это говорит о быстром износе сальников, которые способствует утечке смазывающего вещества и попаданию масла в камеру сгорания. В результате выхлоп получается очень токсичным, а ресурс двигателя быстро снижается. Тем не менее, данную проблему устранили применением высоколегированных сталей при изготовлении РПД.

5. В связи со строгими требованиями к геометрии всех деталей механизма, возникает необходимость в высокоточном оборудовании для изготовления таких двигателей. Это усложняет и делает дороже процесс их производства.

Где применяют роторно-поршневые двигатели?

Изначально, разработка роторно-поршневых двигателей велась для спортивных автомобилей. Ведь для гоночных автомобилей не столь важен большой ресурс, так как ремонт поршневых двигателей тоже требовался и после первого заезда.

В серийном производстве РПД устанавливался на автомобили немецкого производства. Это был седан представительского класса NSU Ro 80. Автомобиль для своего времени был достаточно современным, так как имел привлекательный дизайн и хорошие аэродинамические свойства. Однако, ввиду серьезных недостатков роторно-поршневых двигателей, связанных со слишком частым техническим обслуживанием, получил отрицательную оценку, в связи с чем, стал оснащаться обычными поршневыми двигателями. Это связано с тем, что двигатель приходил в негодность уже после 50 тысяч километров, что являлось малоэкономичным показателем.

В настоящее время роторно-поршневые двигатели изготавливают только два завода в мире – это ВАЗ (Россия) и Mazda (Япония).

Узнай все про автомобили ремонт советы.

Автомобильный портал: советы, видео, инструкции для автовладельцев

Принцип работы роторного двигателя: плюсы и минусы

Чтобы понять, почему промышленники перестали оснащать автомобили этим типом силовой установки, полезно ознакомиться с принципом работы роторного двигателя. Зная основные особенности, конструкцию, достоинства и недостатки, изучив типы РПД, можно оценить перспективы и вероятность последующего массового производства таких моделей машин.

Принцип работы роторного двигателя

Роторный двигатель работает по схеме, отличной от типовой технологии стандартного двигателя внутреннего сгорания с поршнями в качестве основного движущегося элемента. К тому же силовые агрегаты имеют разную конструкцию.

По аналогии с поршневым двигателем принцип действия РПД основан на преобразовании энергии, получаемой в результате сгорания топливовоздушной смеси. В первом случае давление, создаваемое в цилиндрах при сгорании топлива, заставляет поршни двигаться. Возвратно-поступательные движения шатуна и коленчатого вала преобразуются во вращательные, что приводит к вращению колес.

Ротор движется во внутренней полости овальной капсулы, передавая мощность на сцепление и коробку передач. Благодаря своей треугольной форме он выжимает энергию топлива, направляя ее через трансмиссию в колесную систему. Обязательным условием является использование в качестве материала легированной стали.

Внутри цилиндра, где расположен ротор, происходят следующие процессы:

1. воздушно-топливная смесь сжимается;
2. впрыскивается следующая доза топлива;
3. предоставляется кислород;
4. топливо легковоспламеняющееся;
5. сгоревшие элементы направляют к выходу.

Треугольный ротор закреплен на специальном механизме. Когда двигатель запускается, он совершает точные движения, не вращаясь, а как бы скользя внутри овальной капсулы.

Благодаря своей форме он образует в корпусе 3 изолированные камеры.

В них наблюдаются следующие процессы:

• продукты сгорания выбрасываются на выходе из третьей камеры.
• топливо подается в первую полость через входное окно и втягивается кислород, образуя при перемешивании воздушно-топливную смесь;
• сжатие и воспламенение происходит во втором отсеке;

Схема устройства РПД

Проект RPD включает в себя следующие элементы:

1. Ротор с 3 выпуклыми кромками, которые действуют как поршень. За счет впадин увеличивается частота вращения, образуется больше места для топливовоздушной смеси.
2. Металлические пластины прикреплены к верхушкам с каждой стороны. Их назначение – формирование полостей в теле, где происходят рабочие процессы силовой установки.
3. 2 металлических кольца по краям ротора служат для формирования стенок камеры.
4. В центре конструкции находятся 2 больших колеса с большим количеством зубьев, которые вращаются вокруг шестерен меньшего диаметра. Зубчатая передача соединена с приводным устройством, соединенным с выходным валом. Направление и траектория движения внутри камеры зависят от этой связи.
5. Корпус ротора. Он выполнен в виде условного овала. Такая конфигурация обеспечивает постоянный контакт вершин треугольника со стенками капсулы, создавая 3 изолированных объема газа.
6. Форсунки и выхлопные окна. У них нет клапанов. Впускное отверстие соединено с топливной системой, а выпускное – с выхлопной трубой.
7. Выходной вал эксцентриковой конструкции. В нем есть специальные кулачки, которые смещены от центральной линии. На каждом из этих выступов установлен отдельный ротор. Из-за несимметричной установки происходит неравномерное распределение усилия прижима. Это приводит к возникновению крутящего момента, который обеспечивает стабильную работу силовой установки в зависимости от скорости вала.

5 основных слоев, закрепленных по окружности длинными винтами, составляют стандартную конструкцию двухроторного двигателя. Это создает условия для свободной циркуляции теплоносителя внутри системы. Подвижные части, представленные двумя роторами и эксцентриковым выходным валом, расположены между двумя неподвижными секциями.

Мощность и ресурс

По сравнению со стандартным двигателем внутреннего сгорания роторный агрегат отличается более высокой удельной мощностью, которая измеряется в л.с. / кг. Это связано с меньшей массой движущихся частей, составляющих конструкцию РПД. Причина: отсутствие газораспределительного механизма, клапанной системы, коленчатого вала и шатунов.

Кроме того, однороторный двигатель преобразует энергию сгорания во вращательное движение за ¾ ходов рабочего цикла. Для поршневых двигателей этот показатель уменьшается до ¼.

В результате современный серийный РПД с рабочим объемом 1,3 литра развивает мощность до 220 л.с. А если базовую конструкцию дополнить турбинным наддувом, то до 350 л.с.

До 2011 года только японские промышленники компании Mazda выпускали автомобили с роторными двигателями. А потом тоже сняли агрегат с производства. Вероятная причина – недооцененный ресурс электростанции. До первого капитального ремонта автомобили проезжают всего 100 000 км. При аккуратной и уважительной манере вождения пробег увеличивается до 200 тыс. Км.

Уязвимое звено – уплотнения ротора, которые страдают от перегрева и высоких нагрузок. Помимо этих факторов, на них отрицательно влияют детонация и износ подшипников, расположенных на эксцентриковом валу.

Достоинства и недостатки роторного двигателя

Впервые автомобиль с роторным силовым агрегатом вышел на трассу для испытаний в 1958 году. У истоков его создания стоит Феликс Ванкель, имя которого часто называют RPD.

Игнорируя достоинства изобретения немецкого инженера, работавшего над ним вместе со своим коллегой-единомышленником Вальтером Фройде, многие автопроизводители не решились установить новинку на серийные модели своих автомобилей.

Сюда не входят производители Mazda, выпустившие первую версию роторного автомобиля в 1967 году.

Достоинства РПД

1. Высокий КПД, достигающий 40%. Обоснование: Есть 3 рабочих цикла на 1 оборот эксцентрикового вала.
2. Упрощенный дизайн. Отсутствуют многие типичные компоненты поршневых двигателей внутреннего сгорания, в том числе газораспределительный механизм, шатуны, клапаны и т.д.
3. Высокие обороты. Двигатель на основе треугольного роторного элемента совершает до 10 тысяч оборотов в минуту.
4. Плавная работа без вибрации. Объяснение этому – стабильная ориентация движения ротора в одном направлении.
5. Устойчивость к детонации. Это позволяет использовать водород во время работы.
6. Компактный размер. По сравнению с поршневыми агрегатами размер РПД в 2 раза меньше. Следствием этого является небольшой вес полностью оборудованной конструкции и наличие свободного места для комфортного положения водителя и пассажиров.
7. Никакой дополнительной нагрузки при увеличении количества оборотов. Учитывая это, можно разогнать автомобиль до 100 км / ч на пониженной передаче.
8. Весы. Позволяет более эффективно балансировать автомобиль, обеспечивая стабильную устойчивость на любом дорожном покрытии.

Недостатки РПД

Конструкторам, разработавшим роторную установку, так и не удалось устранить недостатки:

1. Главным недостатком создатели автолюбители считают ограниченный ресурс двигателя, оправданный конструктивными особенностями. Постоянные изменения рабочего угла вершин вызывают их ускоренный износ.
2. Срок службы заканчивается быстрее из-за колебаний температуры, которые сопровождают каждый цикл. В сочетании с нагрузками, которым подвергаются трущиеся детали, они наносят непоправимый ущерб функциональным узлам и материалам. Проблема может быть решена путем прямого впрыскивания минеральной смазки в коллектор.
3. Поскольку внутренние полости камер имеют форму полумесяца, топливо в них сгорает не полностью. Ротор, вращающийся со скоростью с ограниченной длиной хода, выталкивает горячие газы в выхлопное отверстие. Наличие фрагментов масла в продуктах сгорания приводит к токсичным выбросам.
4. Недостаточная герметичность конструкции из-за износа прокладок вызывает протечки между отсеками с большими перепадами давления между отсеками. Результат – снижение эффективности и увеличение ущерба окружающей среде.
5. Большой расход горюче-смазочных материалов. По сравнению с поршневым двигателем роторный агрегат потребляет намного больше топлива (20 литров на 100 км) и масла (1 литр на 1000 км). Забывчивость водителя, потерявшего очередную партию смазки, приводит к незапланированному капитальному ремонту или полной замене двигателя.
6. Для производства РПД используется высокоточное оборудование. К качеству материалов также предъявляются повышенные требования. Следовательно, конечная стоимость роторного двигателя возрастает.

Машины с роторным двигателем

Российские конструкторы, в том числе Зуев, Желтышев и ингушские изобретатели братья Ахриевы, также участвовали в разработке усовершенствованных концепций силового агрегата с основным конструктивным элементом в виде движущегося ротора.

Несмотря на нововведение, автомобили по-прежнему оснащаются двигателями Ванкеля.

Модели RPD включают:

1. Mazda RX-8. Конструкторское бюро японской фирмы добилось прогресса в улучшении. Их последняя разработка объемом 1,3 литра развивает мощность 215 л.с. Более поздняя версия с аналогичным объемом выдает 231 л.с. Производство было прекращено в августе 2011 года из-за снижения спроса.
2. ВАЗ 2109-90. Эти машины использовались в служебных целях российскими правоохранительными органами. Полицейские машины за 8 секунд могли разгоняться до 100 км / ч и развивать скорость до 200 км / ч, легко догоняя преступников. Выпускались также агрегаты с большей мощностью. Но высокая цена и небольшие ресурсы не позволили РПД прижиться, и полиции пришлось перейти на автомобили с поршневыми двигателями.
3. Мерседес S-111. Впервые он был представлен автомобилистам на Женевском автосалоне в 1970 году. Спорткар был оснащен трехкамерным двигателем Ванкеля. Максимальная скорость составляла 275 км / ч. На разгон до первой сотни понадобилось 5 секунд.
4. ВАЗ 21019 Аркейн. Модель также была закуплена для нужд МВД. На таких машинах невозможно было добраться до советских милиционеров и, тем более, уйти от преследования. Большинство судебных разбирательств закончились поимкой преступников. Объяснение этому – способность служебных автомобилей развивать максимальную скорость 160 км / ч. Трехсекционный двигатель объемом 1,3 литра выдавал 120 л.с.

В заключение

Роторный двигатель – отличный вариант для спортивных и гоночных автомобилей, где не требуется большого ресурса. Показатели высокой скорости и мощности вселяют надежду, что промышленники обратят внимание и с небольшими доработками снова начнут выпускать автомобили с двигателями Ванкеля.