Роторный двигатель: принцип работы

Недостатки

Именно по причине того, что двигатель Ванкеля, при всех своих плюсах, имеет большое количество минусов, сегодня только Mazda продолжает развивать и совершенствовать его. Хотя патент на него купили сотни компаний, среди которых Toyota, Alfa Romeo, General Motors, Daimler-Benz, Nissan и другие.

Малый ресурс

Главный, и самый существенный недостаток – малый моторесурс двигателя. В среднем он равен 100 тысячам километров для России. В Европе, США и Японии этот показатель вдвое больше, благодаря качеству горючего и грамотному техническому обслуживанию.

Самую высокую нагрузку испытывают металлические пластины, апексы – радиальные торцевые уплотнители между камерами. Им приходится выдерживать высокую температуру, давление и радиальные нагрузки. На RX-7 высота апекса составляет 8.1 миллиметра, замена рекомендована при износе до 6.5, на RX-8 ее сократили до 5.3 заводских, а допустимый износ не более 4.5 миллиметров.

Низкая экологичность

Поскольку система смазки роторно-поршневого двигателя подразумевает прямой впрыск масла в камеру сгорания, а еще из-за неполного сгорания топлива, выхлопные газы имеют повышенную токсичность. Это затрудняло прохождение экологической проверки, нормам которой необходимо было соответствовать, чтобы продавать автомобили на американском рынке.

Для решения проблемы инженеры Mazda создали термальный реактор, который дожигал углеводороды перед выбросом в атмосферу. Впервые его установили на автомобиль Mazda R100.

Вместо того чтобы свернуть производство как другие, Mazda в 1972 году начала продажу автомобилей с системой снижения вредных выбросов для роторных двигателей REAPS (Rotary Engine Anti-Pollution System).

Высокий расход

Все авто с роторными двигателями отличает высокий расход горючего.

Кроме Mazda были еще Mercedes C-111, Corvette XP-882 Four Rotor (четырехсекционный, объем 4 литра), Citroen M35, но это в основном экспериментальные модели, да и из-за разгоревшегося в 80-х годах нефтяного кризиса их производство было приостановлено.

Малая длина рабочего хода ротора и серповидная форма камеры сгорания, не позволяют рабочей смеси прогореть полностью. Выпускное отверстие открывается еще до момента полного сгорания, газы не успевают передать всю силу давления на ротор. Поэтому и температура выхлопных газов этих двигателей такая высокая.

Статья в тему: Куда уходит масло из двигателя?

История отечественного РПД

В начале 80-х технологией заинтересовались и в СССР. Правда патент не был куплен, и до всего решили доходить своим умом, проще говоря – скопировать принцип работы и устройство роторного двигателя Mazda.

Для этих целей было создано конструкторское бюро, а в Тольятти цех для серийного производства. В 1976 году первый опытный образец односекционного двигателя ВАЗ-311, мощностью 70 л. с. установлен на 50 автомобилей. За очень короткий срок они выработали ресурс. Дала о себе знать плохая сбалансированность РЭМ (роторно-эксцентрикового механизма) и быстрый износ апексов.

Однако разработкой заинтересовались спецслужбы, для которых динамические характеристики мотора были куда важней ресурса. В 1982 году свет увидел двухсекционный роторный двигатель ВАЗ-411, с шириной ротора 70 см и мощностью 120 л. с., и ВАЗ-413 с ротором 80 см и 140 л. с. Позже моторами ВАЗ-414 оснащают машины КГБ, ГАИ и МВД.

Начиная с 1997 года на авто общего пользования ставят силовой агрегат ВАЗ-415, появляется Волга с трехсекционным РПД ВАЗ-425. Сегодня в России машины подобными моторами не комплектуются.

Чем роторный двигатель отличается от обычного

Технический прогресс не стоит на месте и сегодня вместе с самым обычным поршневым двигателем на автомобильном рынке можно встретить и роторно-поршневой вариант. Сегодня вы узнаете, что такое роторный двигатель, и чем он отличается от обычного двигателя, который установлен почти во всех современных автомобилях.

Чем является РПД?

Для того, чтобы сравнивать роторный двигатель с поршневым необходимо полностью разобраться с тем, что же он из себя представляет. Как и поршневой вариант, роторный двигатель использует давление, которое появляется при сгорании топливно-воздушной смеси. Само же название происходит от основной детали – движущегося ротора, за счет которого и происходит процесс работы двигателя. Ротор имеет похожую на треугольник форму и крепится к особому механизму. Примечательно, что его вращение происходит не вокруг конкретной оси, а он будто бегает вокруг шестерни.

Двигатель имеет 4 фазы: Впуск, сжатие, зажигание, выпуск. Сначала топливно-воздушная смесь засасывается в первую камеру, где и смешивается. Затем, при помощи ротора, она сжимается в следующей камере и зажигается при помощи свечей. После смесь идет дальше, где вытесняются использованные части топлива и все начинается сначала.

На сегодняшний день серийным выпуском автомобилей с роторным двигателем занимается только компания «Mazda» . Стоит признать, они неплохо себя показали, особенно тогда, когда компания не была настолько крупной и шла на большой риск, запуская подобные варианты двигателей.

Преимущества перед обычным двигателем внутреннего сгорания

Преимуществ перед обычным двигателем оказалось достаточно, чтобы компания «Mazda» могли выпускать их серийно и превратиться в серьезную корпорацию. Какие же преимущества у роторного двигателя перед обычным:

• Благодаря механическому равновесию двигателя у него заметно меньше вибраций при работе, что влияет на комфорт в легковых автомобилях;
• Высокая динамика работы двигателя позволяет на низкой передаче разгонять автомобиль до скорости свыше 100 км/час при высоких оборотах.
• Выше мощность при меньших объемах. Двигатель объемом в 1,3 литра может выдавать до 250 лошадиных сил. Благодаря этому в Японии, где и находится главный офис компании «Mazda», они пользовались большой популярностью при большом налоге на топливо;
• Меньше движущихся деталей и меньшие габариты. Если в поршневом ДВС будет минимум 40 движущихся частей, то, например в двухроторном двигателе их всего 3 – 2 ротора и выходной вал;
• Экологичность. Хоть РПД выделяет слишком много углеводорода, выброс оксида азота у него значительно меньше, чем у обычных ДВС. Но даже проблема с углеводородом была решена японскими инженерами. После введения в США закона «о чистом воздухе» , двигатели «Mazda» подверглись нескольким модификациям, которые позволили снизить выброс углеводорода;

Недостатки роторного двигателя

Как у всего в этом мире у роторного двигателя есть и свои недостатки:

• Цена двигателя может порой кусаться. Связано это с не самой большой популярностью роторных двигателей. В свое время и на западе рассматривали варианты использования РПД, но идею быстро отсекли и посчитали устаревшей. Интересно, что в России тесты также проходили, как вариант автомобилей для спецслужб, но идея тоже не прижилась из-за недостаточного финансирования со стороны государства. Серийный же выпуск таких двигателей удалось запустить только японцам. Поэтому и цена достаточно большая;
• Высокий расход топлива. Из-за того, что камера сгорания больше обычно поршневого ДВС на нее необходимо больше топлива. Это и является одним из самых главных минусов роторного варианта двигателя. Тем более, при постоянно растущих в России ценах на топливо;

Двигатель Ванкеля: конструкция

Что собой представляет мотор? В центре ротора имеется круглое отверстие. Оно изнутри покрыто зубцами, как на шестеренке. В отверстие вставляется вал с меньшим диаметром. На нем также есть зубцы. Они препятствуют проскальзыванию вала. Отношения диаметров подбираются таким образом, чтобы перемещение вершин треугольников осуществлялось по одной замкнутой кривой. Она именуется «эпитрохоида». Задача Ванкеля состояла в том, чтобы для начала понять, что работа такого механизма возможна. Затем ему нужно было все точно и верно рассчитать. В результате поршень, выполненный в форме треугольника Рело, отсекает три камеры переменного положения и объема.

Минусы

Первый минус – это высокие требования к качеству масла. Хоть мотор и работает по типу двухтактного, сюда нельзя заливать дешевую «минералку». Детали и механизмы силового агрегата подвергаются существенным нагрузкам, поэтому для сохранения ресурса нужна плотная масляная пленка между трущимися парами. Кстати, регламент замены смазки составляет шесть тысяч километров.

Следующий недостаток касается быстрого износа уплотняющих элементов ротора. Это происходит вследствие малого пятна контакта. Из-за износа уплотнительных элементов, образуется высокий перепад давлений. Это негативно сказывается на производительности роторного двигателя и расходе масла (а соответственно и экологических показателях).

Также роторные двигатели склонны к перегреву. Это происходит из-за особой линзовидной формы камеры сгорания. Она плохо отводит тепло по сравнению со сферической (как на обычных ДВС), поэтому при эксплуатации нужно всегда следить за температурным датчиком. В случае перегрева, деформируется ротор. При работе он будет образовать значительные задиры. В результате ресурс мотора приблизится к концу.

Достоинства и недостатки

Теперь о достоинствах роторных моторов, а их вполне много. Выходит, что одна секция по мощности равна 3-цилиндровому мотору, при этом она в габаритных размерах значительно меньше. Это сказывается на компактности самых моторов. Об этом можно судить по модели Mazda RX-8. Этот автомобиль, обладая хорошим показателем мощности, имеет средне моторную компоновку, чем удалось добиться точной развесовки авто по осям, влияющую на устойчивость и управляемость авто.

Помимо компактных размеров в этом двигателе отсутствует газораспределительный механизм (ГРМ), ведь все фазы газораспределения выполняются самим ротором. Это значительно уменьшило металлоемкость конструкции, и как следствие – массу двигателя.

Из-за ненадобности поршней и ГРМ снижено количество подвижных частей в двигателе, что сказывается на надежности конструкции.

Сам двигатель из-за отсутствия разнонаправленных движений, которые есть в поршневом моторе, при работе меньше вибрирует.

Но и недостатков у такого двигателя тоже хватает. Начнем с того, что система смазки у него идентична с системой 2-тактного двигателя. То есть, смазка поверхности цилиндра производится вместе с топливом. Но только организация подачи масла несколько иная. Если в 2-тактном двигателе масло для смазки добавляется прямо в топливо, то в роторном оно подается через форсунки, а потом оно уже смешивается с топливом.

Использование такого типа смазки привело к тому, что для двигателя подходит только минеральное масло или специализированное полусинтетическое. При этом в процессе работы масло сгорает, что негативно сказывается на составе выхлопных газов. По экологичности роторный двигатель сильно уступает 4-тактному поршневому двигателю.

При всей простоте конструкции роторный мотор обладает сравнительно небольшим ресурсом. У той же Mazda пробег до капитального ремонта составляет всего 100 тыс. км. В первую очередь «страдают» апексы – аналоги компрессионных колец в поршневом двигателе. Апексы размещаются на вершинах ротора и обеспечивают плотное прилегание вершины к стенке цилиндра.

Недостатком является также невозможность проведения восстановительных работ. Если у ротора изношены посадочные места апексов – ротор полностью заменяется, поскольку восстановить эти места невозможно.

То же касается и цилиндра статора. При его повреждении расточка практически невозможна из-за сложности выполнения такой работы.

Из-за большой скорости вращения эксцентрикового вала, его вкладыши изнашиваются значительно быстрее.

В общем, при значительно простой конструкции, из-за сложности процессов его работы роторный двигатель оказывается по надежности значительно хуже поршневого.

Но в целом, роторный двигатель не является тупиковой ветвью развития двигателей внутреннего сгорания. Та же Mazda постоянно совершенствует данный тип мотора. К примеру, мотор, устанавливаемый на RX-8 по токсичности уже мало отличается от поршневого, что является большим достижением.

Теперь они стараются еще и увеличить ресурс. Однако это скорее всего будет достигнуто за счет использования особых материалов изготовления элементов двигателя, а также из-за высокой степени обработки поверхностей, что еще больше осложнит и увеличит стоимость ремонта.

Принцип работы роторного двигателя

Принцип работы роторно-поршневого двигателя заставил в своё время многих талантливых инженеров удивлённо вскинуть бровями. И сегодня талантливые инженеры компании Мазда заслуживают всяческих похвал и одобрения. Шутка ли, поверить в производительность, казалось бы, похороненного двигателя и дать ему вторую жизнь, да ещё какую!

Роторный двигатель в разрезе

Ротор роторного двигателя

Камера роторного двигателя

Ротор имеет три выпуклых стороны, каждая из которых действует как поршень. Каждая сторона ротора имеет углубление в ней, что повышает скорость вращения ротора в целом, предоставляя больше пространства для топливо-воздушной смеси. На вершине каждой грани находится по металлической пластине, которые и формируют камеры, в которых происходят такты двигателя. Два металлических кольца на каждой стороне ротора формируют стенки этих камер. В середине ротора находится круг, в котором имеется множество зубьев. Они соединены с приводом, который крепится к выходному валу. Это соединение определяет путь и направление, по которому ротор движется внутри камеры.

Камера двигателя приблизительно овальной формы (но если быть точным — это Эпитрохоида, которая в свою очередь представляет собой удлиненную или укороченную эпициклоиду, которая является плоской кривой, образуемой фиксированной точкой окружности, катящейся по другой окружности). Форма камеры разработана так, чтобы три вершины ротора всегда находились в контакте со стенкой камеры, образуя три закрытых объемах газа. В каждой части камеры происходит один из четырех тактов:

• Впуск
• Сжатие
• Сгорание
• Выпуск

Отверстия для впуска и выпуска находятся в стенках камеры, и на них отсутствуют клапаны. Выхлопное отверстие соединено непосредственно с выхлопной трубой, а впускное напрямую подключено к газу.

Выходной вал роторного двигателя

Выходной вал имеет полукруглые выступы-кулачки, размещенные несимметрично относительно центра, что означает, что они смещены от осевой линии вала. Каждый ротор надевается на один из этих выступов. Выходной вал является аналогом коленчатого вала в поршневых двигателях. Каждый ротор движется внутри камеры и толкает свой кулачок.

Так как кулачки установлены несимметрично, сила с которой ротор на него давит, создает крутящий момент на выходном валу, заставляя его вращаться.

Строение роторного двигателя

Роторный двигатель состоит из слоев. Двухроторный двигателя состоят из пяти основных слоев, которые удерживаются вместе благодаря длинным болтам, расположенным по кругу. Охлаждающая жидкость протекает через все части конструкции.

Как самостоятельно полировать автомобиль?

Два крайних слоя закрыты и содержат подшипники для выходного вала. Они также запечатаны в основных разделах камеры, где содержатся роторы. Внутренняя поверхность этих частей очень гладкая и помогает роторам в работе. Отдел подачи топлива расположен на конце каждой из этих частей.

Следующий слой содержит в себе непосредственно сам ротор и выхлопную часть.

Центр состоит из двух камер подачи топлива, по одной для каждого ротора. Он также разделяет эти два ротора, поэтому его внешняя поверхность очень гладкая.

В центре каждого ротора крепится две большие шестерни, которые вращаются вокруг более маленьких шестерней и крепятся к корпусу двигателя. Это и является орбитой для вращения ротора.

Конечно же, если бы у роторного мотора не было недостатков, то он обязательно бы применялся на современных автомобилях. Возможно даже, что, если бы роторный двигатель был безгрешен, мы и не узнали бы про двигатель поршневой, ведь роторный создали раньше. Затем человеческий гений, пытаясь усовершенствовать агрегат, и создал современный поршневой вариант мотора.

Но к сожалению, минусы у роторного двигателя имеются. К таким вот явным ляпам этого агрегата можно отнести герметизацию камеры сгорания. А в частности, это объясняется недостаточно хорошим контактом самого ротора со стенками цилиндра. При трении со стенками цилиндра металл ротора нагревается и в результате этого расширяется. И сам овальный цилиндр тоже нагревается, и того хуже — нагревание происходит неравномерно.

Если в камере сгорания температура бывает выше, чем в системе впуска/выпуска, цилиндр должен быть выполнен из высокотехнологичного материала, устанавливаемого в разных местах корпуса.

Для того чтобы такой двигатель запустился, используются всего две свечи зажигания. Больше не рекомендуется ввиду особенностей камеры сгорания. РПД наделён бывает совершенно иной камерой сгорания и выдаёт мощность три четверти рабочего времени ДВС, а коэффициент полезного действия составляет целых сорок процентов. По сравнению: у поршневого мотора этот же показатель составляет 20%.

Двигатель Ванкеля: конструкция

Что собой представляет мотор? В центре ротора имеется круглое отверстие. Оно изнутри покрыто зубцами, как на шестеренке. В отверстие вставляется вал с меньшим диаметром. На нем также есть зубцы. Они препятствуют проскальзыванию вала. Отношения диаметров подбираются таким образом, чтобы перемещение вершин треугольников осуществлялось по одной замкнутой кривой. Она именуется «эпитрохоида». Задача Ванкеля состояла в том, чтобы для начала понять, что работа такого механизма возможна. Затем ему нужно было все точно и верно рассчитать. В результате поршень, выполненный в форме треугольника Рело, отсекает три камеры переменного положения и объема.

Машины с роторным двигателем

Роторно-поршневой двигатель был изобретён компанией NSU. Создателем аппарата стал Вальтер Фройде. Тем не менее данное устройство в научных кругах носит имя другого учёного, а именно Ванкеля.

Дело в том что над этим проектом работал дуэт инженеров. Но основная роль в создании устройства принадлежала именно Фройде. В то время как он трудился над роторной технологией, Ванкель работал над другим проектом, который закончился ничем.

Тем не менее в результате подковёрных игр теперь мы все знаем этот аппарат как роторный двигатель Ванкеля. Первая рабочая модель была собрана в 1957 году. Автомобилем первоиспытателем стал NSU Spider. В то время он смог развить скорость в сто пятьдесят километров. Мощность мотора «Паука» составляла 57 л. с.

«Паук» с роторным двигателем выпускался с 1964 по 1967 год. Но массовым так и не стал. Тем не менее автопроизводители не поставили крест на этой технологии. Мало того, они выпустили ещё одну модель — NSU Ro-80, и она стала настоящим прорывом. Большую роль сыграл правильный маркетинг.

Обратите внимание на название. Уже в нём содержится указание на то, что машина оснащена роторным двигателем. Пожалуй, результатом этого успеха стала установка данных моторов, на такие известные автомобили, как:

Пожалуй, результатом этого успеха стала установка данных моторов, на такие известные автомобили, как:

• Citroen GS Birotor,
• Mercedes-Benz С111,
• Chevrolet Corvette,
• ВАЗ 21018.

Больше всего популярности роторные двигатели получили в стране «Восходящего солнца». Японская компания Mazda пошла на рисковый по тем временам шаг и стала производить автомобили с использованием данной технологии.

Первой ласточкой от компании «Мазда» стала машина Cosmo Sport. Нельзя сказать, что она снискала огромную популярность, но свою аудиторию она нашла. Тем не менее это был лишь первый шаг выхода роторных двигателей на японский рынок, а вскоре, и на мировой.

Японские инженеры не просто не отчаялись, а наоборот, стали работать с утроенной силой. Результатом их трудов стала серия, которую с благоговением вспоминают все уличные гонщика в любой стране мира — Rotor-eXperiment или сокращённо RX.

В рамках этой серии было выпущено несколько легендарных моделей, среди которых Mazda RX-7. Сказать, что эта машина с роторным двигателем была популярна, всё равно что промолчать. Миллионы фанатов уличных гонок начинали именно с неё. При относительно низкой цене, она имела просто невероятные технические характеристики:

• разгон до сотни — 5,3 секунды;
• максимальная скорость — 250 километров в час;
• мощность — 250—280 лошадиных сил в зависимости от модификации.

Машина является настоящим произведением искусства, она легка и манёвренна, а её двигатель вызывает восхищение. При описанных выше характеристиках он имеет объём всего в 1,3 литра. В нём две секции, а рабочее напряжение 13В.

Внимание! Mazda RX-7 выпускалась с 1978 по 2002. За это время было произведено около миллиона машин с роторными двигателями.

К сожалению, последняя модель этой серии была выпущена в 2008 году

Mazda RX8 завершила легендарную линейку. Собственно на этом историю роторного двигателя в массовом производстве можно считать завершённой

К сожалению, последняя модель этой серии была выпущена в 2008 году. Mazda RX8 завершила легендарную линейку. Собственно на этом историю роторного двигателя в массовом производстве можно считать завершённой.

Роторный двигатель ВАЗ

Все знают, что такие моторы в свои годы использовал японский производитель «Мазда». Однако мало кому известен тот факт, что РПД применялся и в Советском Союзе на ВАЗовской «Классике». Разрабатывался такой мотор по приказу министерства для спецслужб. ВАЗ-21079, оснащенный таким двигателем, являлся аналогом известной черной «Волги-догонялки» с восьмицилиндровым мотором.

Разработки роторно-поршневого двигателя для ВАЗ начались еще в середине 70-х. Задача была не из легких – создать роторный мотор, который будет превосходить по всем показателями традиционный поршневой ДВС. Разработкой нового силового агрегата занимались специалисты авиационных предприятий Самары. Начальником сборочно-конструкторского бюро был Борис Сидорович Поспелов.

Разработка силовых агрегатов шла одновременно с изучением роторных моторов зарубежных образцов. Первые экземпляры не отличались высокими эксплуатационными показателями, и в серию они не пошли. Несколько лет спустя были созданы несколько вариантов РПД для классического ВАЗа. Лучшим из них был признан мотор ВАЗ-311. Этот двигатель имел такие же геометрические параметры, как и японский мотор 1ЗВ. Максимальная мощность агрегата составляла 70 лошадиных сил. Несмотря на несовершенность конструкции, руководством было принято решение о выпуске первой промышленной партии РПД, которые устанавливались на служебные автомобили ВАЗ-2101. Однако вскоре обнаружилась масса недоработок: мотор породил волну рекламаций, разразился скандал и численность работников конструкторского бюро существенно сократилась. Из-за частых поломок, первый роторный двигатель ВАЗ-311 был снят с производства.

Но на этом история советского РПД не заканчивалась. В 80-х годах инженерам все же удалось создать роторный мотор, который существенно превосходил характеристики поршневого ДВС. Так, это был роторный двигатель ВАЗ-4132. Агрегат развивал мощность в 120 лошадиных сил. Это дало автомобилю ВАЗ-2105 превосходные динамические характеристики. С этим двигателем машина разгонялась до сотни за 9 секунд. А максимальная скорость «догонялки» составляла 180 километров в час. Среди основных преимуществ стоит отметить высокий крутящий момент двигателя, доступный на всем диапазоне оборотов и высокую литровую мощность, которая была достигнута без какой-либо форсировки.

В 90-х годах на АвтоВАЗе занялись разработкой нового роторного двигателя, который должен был устанавливаться на «девятку». Так, в 1994 м году на свет вышел новый силовой агрегат ВАЗ-415. Мотор имел рабочий объем в 1300 кубических сантиметров и две камеры сгорания. степень сжатия каждой составляла 9,4. Данная силовая установка способна раскручиваться до десяти тысяч оборотов. При этом мотор отличался небольшим расходом топлива. В среднем, агрегат потреблял 13-14 литров на сотню в смешанном цикле (это неплохой показатель для старого по сегодняшним меркам роторного ДВС). При этом двигатель отличался малой снаряженной массой. Без навесного оборудования он весил всего 113 килограмм.

Расход масла у двигателя ВАЗ-415 составляет 0,6 процента от удельного расхода топлива. Ресурс ДВС до капитального ремонта – 125 тысяч километров. Мотор, установленный на «девятку», показывал неплохие динамические характеристики. Так, разгон до сотни занимал всего девять секунд. А максимальная скорость – 190 километров в час. Также были экспериментальные образцы ВАЗ-2108 с роторным мотором. Благодаря меньшему весу, роторная «восьмерка» разгонялась до сотни всего за восемь секунд. А максимальная скорость в ходе испытаний составила 200 километров в час. Однако в серию эти моторы так и не поступили. На вторичном рынке и на разборках найти их тоже нельзя.

Особенности

Ключевой элемент конструкции — треугольник Рёло, это ротор треугольной конфигурации с выпуклостью на гранях. Он вращается вокруг оси, представленной статором. Верхняя часть рисует эпитрохоиду, кривую определенной формы. По данной кривой создается оболочка для ротора.

Главный конкурент роторного мотора — это поршневой. И у того, и у другого рабочий цикл делится на четыре такта. У РПД между капсулой и гранями треугольника образуются капсулы переменной серповидной формы. Эта особенность породила некоторые недостатки. Чтобы изолировать камеры, используют разные типы уплотнителя.

Основная разница с поршневым — трехкратное происхождение хода за каждый оборот, и вращение выходного вала в три раза быстрее ротора.

Система газораспределения сделала конструкцию проще. Также стоит выделить высокую для таких небольших габаритов мощность. Отказ от коленвала сделал конструкцию легкой, также отсутствуют межкамерные сопряжения, они бы тоже добавили веса.

Свой путь

Взвесив все «за» и «против», в Псковском государственном политехническом университете (ППИ) подумали, почему бы не создать новый тип двигателя, соединяющего в себе преимущества роторно-лопастной расширительной машины и принципа внешнего подвода теплоты.

Кстати, работы по созданию роторно-лопастного двигателя ведутся в ППИ уже более 30 лет. За это время создан коллектив из высококвалифицированных научных сотрудников, накоплены значительный опыт и научно-технический материал. Результатом исследований стало создание натурного образца роторно-лопастной расширительной машины на основе рычажно-кулачкового преобразователя движения.

В практическое русло работы вошли в 1998 году, когда в рамках федеральной целевой программы ППИ заключил договор с Миннауки на опытно-конструкторские работы на тему: «Разработка технологии и изготовление опытного образца роторно-лопастного двигателя внутреннего сгорания». Итогом работы стало создание технологии изготовления и макета РЛД внутреннего сгорания.

Исследование данных макетов позволило доказать принцип работы роторно-лопастной машины, отработать конструкцию рычажно-кулачкового механизма, утвердиться в надежности и долговечности работы РЛД и подтвердить достоинства роторно-лопастных машин.

Принцип работы роторно-лопастного двигателя известен уже давно. Этот механизм содержит два ротора с лопастями и цилиндр с впускными и выпускными окнами. В двигателе предусмотрен механизм связи, позволяющий роторам совершать движение друг относительно друга и вращательно-колебательное движение относительно цилиндра, а также устройство, позволяющее суммировать движение роторов и передать равномерное вращение выходному валу.

При этом выяснилось, что коэффициент компактности основного объема роторно-лопастного двигателя (отношение эквивалентного рабочего объема к объему двигателя) достигает 15–20%, в то время как максимальное значение этого показателя для поршневых (V-образных с кривошипно-шатунным механизмом) составляет 1–2%. Столь большое (в несколько раз) преимущество по удельно-массовым показателям открывает перспективы практического применения двигателей данной схемы.

Предложенная конструктивная схема роторно-лопастного двигателя имеет ряд преимуществ по сравнению с шатунно-поршневым двигателем. На основании проведенных ранее исследований, выявления проблем в области создания двигателей с внешним подводом теплоты, требованиям к современным моторам возникла идея объединить роторно-лопастную конструкцию двигателя с принципом внешнего подвода теплоты. Данный синтез явился следствием тщательного анализа современных конструктивных вариантов двигателей с выявлением достоинств и недостатков каждого.

В настоящее время существует три основные проблемы в области создания роторно-лопастных машин. В основе конструкции предложенной расширительной машины и двигателя внутреннего сгорания лежит четырехзвенный механизм преобразования движения, особенность конструкции которого заключается в следущем: механизм состоит из четырехзвенника и кулачка. Четырехзвенник состоит из шарнирно связанных плеч одинаковой длины. К серединам плеч шарнирно прикреплены рычаги лопастей. Механизм обеспечивает основные функциональные требования к преобразователю движения. Закон изменения угла между лопастями синусоидальный. Графики скоростей и ускорений лишены резких скачков, поэтому достигается плавность и безударность работы механизма. В конструкции нет недостатков, связанных с использованием зубчатых колес. В свою очередь простота изготовления определяется отсутствием сложных прецизионных деталей, сферических шарниров и т. п., применением однотипных элементов. К тому же механизм реверсивен, обратим, уравновешен, что расширяет функциональные возможности двигателя, спроектированного на его основе.

Число рабочих тактов при одном обороте выходного вала равно четырем, в то время как для шатунно-поршневого ДВС оно равно двум. Равенство продолжительности рабочих тактов на одном обороте выходного вала обеспечивается симметричной конструкцией механизма преобразования. Степень сжатия рабочего тела зависит от диапазона изменения угла между лопастями. Для данного механизма она ограничивается лишь конструктивными и прочностными параметрами реального механизма.

Строение

Ротор выполнен из стали с содержанием особых элементов, по форме схож с треугольником и собирают его слоями. Двухроторные моторы имеют пять слоев, они закреплены болтами, которые расположены по окружности. Охлаждается мотор с помощью специальной жидкости, которая омывает все элементы механизма. Последние два слоя закрыты, подшипники расположены в противоположных секторах. Внутренняя поверхность элементов гладкая, чем помогает роторам работать. После идет слой, где находится ротор и выхлопная система. В центральном сегменте находятся впускные порты.

Для изоляции камер используется множество уплотнительных элементов, расположенных на роторе. Основными более нагруженными являются апексы, которые устанавливаются на вершинах ротора. Впускные, выпускные окна могут находиться не только в стенках статора, но и на боковых стенках корпусов. А в статорах, наоборот, могут отсутствовать впускные, выпускные окна.

Работа роторного двигателя

Создатель – Феликс Ванкель

Роторный двигатель

Имеет хождение старая байка, что Ванкель придумал чудо-двигатель в 1919 году. В неё всегда верилось с трудом: как мог 17-летний парень, пусть и талантливый, такое сотворить? Для этого надо пройти обучение где-нибудь в университете, научиться конструировать и рисовать… Гораздо вероятнее сведения о первых эскизах двигателя от 1924 года, которые сделал Ванкель, окончив высшую школу и поступив на работу в издательство технической литературы. Перелопачивая горы макулатуры, можно либо навсегда потерять к технике интерес, либо начать конструировать самому. Видимо, у Феликса душа лежала именно к конструированию.

Он открыл в городе Гейдельберге собственную мастерскую, а в 1927 году появились на свет чертежи «машины с вращающимися поршнями» (на немецком языке сокращенно DKM). Первый патент DRP 507584 Феликс Ванкель получил в 1929 году, а в 1934 году подал заявку на двигатель DKM. Правда, патент он получил через два года. Тогда же, в 1936 году, Ванкель обосновывается в Линдау, где размещает свою лабораторию.

Феликс Ванкель

Потом перспективного конструктора заметила власть, и работы над DKM пришлось оставить. Ванкель работал на BMW, Daimler и DVL, основные авиамоторостроительные предприятия фашистской Германии. Так что не удивительно, что до наступления 1946 года Ванкелю пришлось сидеть в тюрьме, как пособнику режима. Лабораторию в Линдау вывезли французы, и Феликс попросту остался ни с чем.

Лишь в 1951 году Ванкель устраивается на работу в мотоциклетную фирму – уже широко известный тогда NSU. Восстанавливая лабораторию, он заинтересовал Вальтера Фройде, конструктора гоночных мотоциклов своими конструкциями. Вместе Ванкель и Фройде продавили проект в руководстве, и разработка двигателя резко ускорилась. 1 февраля 1957 года заработал первый роторный двигатель DKM-54. Он работал на метаноле, но к июню проработавший 100 часов на стенде двигатель перевели на бензин.