2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Чем отличаются роторные двигатели

Общие сведения

Ни в традиционной книжно – журнальной литературе, ни в обширных залежах интернет – сайтов нет серьезных и развернутых исследований в отношении такой перспективно продуктивной области технических устройств как роторные двигатели. Настоящий сайт усилиями его автора попытается заполнить этот пробел в истории техники и в сфере её нынешнего развития.

Безраздельно властвующие сегодня в мировой технике поршневые двигатели с линейным возвратно — поступательным движением поршня имеют огромные недостатки, которые невозможно преодолеть в принципе никакими конструкционными ухищрениями, никакими «электронными обвесами», никаким тюнингом. Поэтому мировая техническая мысль не менее ста лет пытается найти достойную альтернативу поршневым двигателям внутреннего сгорания. Надо сказать, что в области машин с выводом мощности на вал вращения (не реактивные двигатели) поршневой мотор уже давно вытеснен из многих сфер применения. В стационарных установках это место давно и прочно занял электрический мотор, а в авиации — газотурбинный двигатель, в энергетических установках больших мощностей – на крупных электростанциях и в быстроходных судовых силовых машинах надежно работают паровые турбины. Надо сказать, что все эти типы двигателей относятся к роторным машинам – в них главный рабочий орган совершаетпростое вращательное движение. С точки зрения кинематики механической схемы и динамики термодинамических процессов – это самый простой, эффективный тип движения. Но вот в области поршневых двигателей внутреннего сгорания, которые безраздельно господствуют в области мобильных моторов малой и средней мощности, все еще безальтернативно применяется малоэффективный метод движения главных рабочих органов – поршней в цилиндрах по типу возвратно – поступательного движения. При этом подобные моторы для преобразования возвратно – поступательного движения поршня во вращательное движение рабочего вала используют кривошипно — шатунный механизм. Главные характеристики такого механизма- высокая динамическая нагруженность знакопеременными нагрузками от возвратно – поступательных движений, значительные размеры и сложность в изготовлении. Именно несовершенный способ организации технологических процессов в поршневом двигателе и своеобразный режим работы кривошипно-шатунного механизма, приводят к плохому (пульсирующему) режиму крутящего момента поршевых моторов. Именно обладание таким некачественным типом крутящего момента требует от поршневых ДВС обязательногоприменения на транспортных средствах коробки передач.
Массовый потребитель неудовлетворён тяговыми и стартовыми возможностями традиционных поршневых двигателей, поэтому многие из владельцев автомобилей прибегают к разным типам «тюнинга двигателя«, чтобы повысить мощность и приемистость своих моторов.

Надо сказать, что подобная организация рабочих процессов и типов движений досталась современным двигателям внутреннего сгорания от паровых машин 19-го века, которые по своей сути были крайне малоэффективными машинами, а первые двигатели внутреннего сгорания в 60-х и 70-х годах позапрошлого века были именно копиями паровых машин, которые унаследовали от паровиков очень многие их родовые недостатки…
Выражаясь современным языком — создатель первого ДВС французский техник Ленуар в 60-х годах 19-го века совершил средней сложности тюнинг парового поршневого двигателя и у него получился поршневой атмосферный ДВС, работающий без сжатия.

Постараемся ответить на трудный вопрос — почему же наиболее массовая область техники – транспортное двигателестроение до сих пор оказывается в положении заповедника устаревших инженерных решений и архаических конструкций? И возможно ли мировому техническому прогрессу выбраться из этого более чем векового застоя?

Ответ на такие сложные вопросы таков – выбраться из такого незавидного положения возможно, но сложно. Именно такая изначальная сложность инженерной задачи и объясняет причину, по которой более ста лет в этой области массовой техники применяются устаревшие и малоэффективные, но технологически легко исполнимые и конструктивно надежные технические решения.

Возможность совершить технический прорыв, и выйти на новый уровень инженерных решений, возможен в области все тех же роторных машин, то есть использовать принцип простого вращения главного рабочего органа, как это используется в электродвигателях или в силовых турбинах. Но вся сложность заключается в том, что организовать рабочий цикл из четырёх тактов полноценного двигателя внутреннего сгорания вокруг простого вращения главного рабочего органа очень сложно. И именно вокруг этой сложной инженерной задачи вращались все усилия и творческие порывы конструкторской мысли не один десяток лет. Но сложность темы оказалась настолько велика, что до сегодняшнего дня массового вывода на рынок роторных двигателей и достойной их конкуренции с традиционными поршневыми двигателями так и не произошло. Сверх прогрессивной конструкции роторного двигателя внутреннего сгорания, которая бы по всем параметрам превосходила традиционные поршневые моторы до сих пор так и не создано.

Задачу настоящего сайта его автор видит как раз в том, чтобы исследовать саму возможность решения такой задачи, ввести читателя в круг уже имеющихся разработок и перспективных инженерных изысканий. Познакомить посетителей сайта как с мировыми новациями на эту тему, так и представить собственные разработки в этой области.

С древности известны колеса ветряных и водяных мельниц, которые можно отнести к примитивным роторным двигательным механизмам. Самый первый тепловой двигатель в истории — эолипил Герона Александрийского (I в. н. э) также относится к роторным двигателям. В XIX веке, вместе с массовым появлением поршневых паровых машин, начинают создаваться и активно использоваться и роторные паровые двигатели. К ним можно отнести как паровые роторные машины с непрерывно открытыми в атмосферу камерами расширения — это паровые турбины, так и паровые машины с герметично запираемыми камерами расширения: к ним, например, можно отнести «коловратную машину» Н. Н. Тверского, которая успешно эксплуатировалась во многих экземплярах в конце XIX века в России.

Читать еще:  Асинхронные двигатели с тормозом схеме подключения

С началом массового применения ДВС в первые десятилетия XX века начались и работы по попыткам создать эффективный роторный ДВС. Однако эта задача оказалась большой инженерной трудностью, и лишь в 1930-х годах была создана работоспособная дизельная турбина, которая по классификации относится к роторным ДВС с непрерывно открытой в атмосферу камерой сгорания.

Работоспособный роторный ДВС с герметично запираемой камерой сгорания удалось создать лишь в конце 1950-х годов группе исследователей из немецкой фирмы NSU, где Вальтер Фройде и Феликс Ванкель разработали схему роторно-поршневого двигателя.

В отличие от газовых турбин, которые широко и массово применяются уже более 50 лет, роторный двигатель Ванкеля и Фреде не показал очевидных преимуществ перед поршневыми ДВС, а также имел заметные недостатки, которые и сдерживают массовое применение этих моторов в промышленности. Но потенциально широкий набор возможных конструктивных решений создают широкое поле для инженерных поисков, которые уже привели к появлению таких конструкций, как роторно-лопастной двигатель Вигриянова, трёхтактный и пятитактный роторные двигатели Исаева и 2-тактный роторно-поршневой двигатель

Конструктивные особенности роторного мотора

Хотя роторный мотор конструктивно имеет меньше деталей, его принцип работы несколько сложнее. Также в устройстве роторного двигателя применены элементы из разных материалов (чугун, алюминий). Еще имеются особые покрытия (например, хром).

Статоры (корпусы роторов) имеют металлические вставки из особой стали, интегрированные в алюминиевый корпус. На деле, статор больше похож на цилиндр с хонингованной гильзой. В свою очередь, боковые корпусы выполнены из чугуна, в них сделаны впускные и выпускные окна. На крайних статорах крепятся шестерни.

  • На обычном поршне традиционного ДВС поршень имеет 3 кольца – пара компрессионных и маслосъемное кольцо. В свою очередь, ротор имеет апексы (уплотнители вершин ротора). Апексы играют роль компрессионных колец. Указанные элементы прижимаются к стенке статора пружиной, а также они прижаты за счет центробежной силы.

Функцию второго пояса компрессионных колец выполняют боковые, а также угловые уплотнения. Они тоже прижимаются пружинами. Эти боковые уплотнители выполнены из металлокерамики, в то же время угловые уплотнители чугунные. Дополнительно имеются уплотнения для изоляции, чтобы отработавшие газы не попадали во впускные окна через зазоры, которые образуются между самим ротором и боковым корпусом соответственно.

Еще с двух сторон ротора имеются особые масляные уплотнения (по аналогии с маслосъемными кольцами), которые удерживают масло, поступающее во внутреннюю полость ротора для охлаждения.

Кстати, система смазки роторного ДВС сложная, включает в себя радиатор охлаждения масла, а также целую группу из нескольких типов масляных форсунок. Форсунки интегрированы в эксцентриковый вал для охлаждения роторов, также они установлены в статоры.

Также добавим, что система питания простая, есть несколько форсунок (пара форсунок перед впускными окнами, а также во впускном коллекторе). Что касается зажигания, использованы две свечи на один ротор. Это сделано по причине того, что камеры сгорания сами по себе получились длинными. В результате, чтобы добиться равномерного и полноценного сгорания смеси, используют две свечи, причем их электроды отличаются. При замене свечей важно обращать на это внимание.

Машины с роторным двигателем

В разработке усовершенствованных концепций силового агрегата с базовым элементом конструкции в виде подвижного ротора участвовали и российские конструкторы, включая Зуева, Желтышева, ингушских изобретателей братьев Ахриевых.

Игнорируя инновации, на автомобили по-прежнему устанавливают двигатели Ванкеля.

В число моделей с РПД входят:

  1. Мазда RX-8. Конструкторское бюро японского концерна достигло прогресса в усовершенствовании. Их последняя разработка вместимостью 1,3 л развивает мощность 215 л.с. Более поздняя версия с аналогичным объемом выдает 231 л.с. Производство прекращено с августа 2011 г. в результате снижения спроса.
  2. ВАЗ 2109-90. Такими машинами пользовались в служебных целях сотрудники российских правоохранительных органов. Милицейские автомобили за 8 секунд могли разогнаться до 100 км/ч и развивали скорость 200 км/ч, легко догоняя преступников. Производились и агрегаты с большей мощностью. Но большая цена и малый ресурс не позволили прижиться РПД, и полицейским пришлось пересесть на транспортные средства с поршневыми моторами.
  3. Мерседес С-111. Впервые был представлен автолюбителям на женевском автосалоне в 1970 г. Спортивный автомобиль оснащался трехкамерным двигателем Ванкеля. Максимальная скорость составляла 275 км/ч. На разгон до первой сотни уходило 5 секунд.
  4. ВАЗ 21019 Аркан. Модель также закупалась для нужд МВД. Советских милиционеров на таких машинах догнать было невозможно и, тем более, уйти от погони. Большинство преследований завершалось поимкой преступников. Объяснение тому – способность служебного транспорта развивать предельную скорость 160 км/ч. Трехсекционный мотор в 1,3 л выдавал 120 л.с.

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.

Читать еще:  Шевроле ланос 2006 падает температура двигателя

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.

Читать еще:  Что такое рама радиатора охлаждения двигателя

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.

Общий принцип устройства роторного двигателя

РПД облачен в овальный корпус для оптимального размещения ротора, имеющего треугольную форму. Отличительная особенность ротора в отсутствии шатунов и валов, что значительно упрощает конструкцию. По сути, ключевыми деталями РД являются ротор и статор. Основная двигательная функция в таком типе мотора осуществляется за счет движения ротора, расположенного внутри корпуса, имеющего схожесть с овалом.

Принцип действия основан на высокоскоростном движении ротора по окружности, в результате создаются полости для запуска устройства.

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.

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.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector