Принцип работы роторного двигателя, плюсы и минусы системы

Современное состояние роторно-поршневого двигателя

На пути массового применения двигателя встали значительные технические трудности:— отработка качественного рабочего процесса в камере неблагоприятной формы;— обеспечение герметичности уплотнения рабочих объемов;— проектировка и создания конструкции корпусных деталей, которые надежно прослужат весь жизненный цикл работы двигателя без коробления при неравномерном нагрева этих деталей.В результате огромной проделанной научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы этим фирмам удалось решить почти все наиболее сложные технические задачи на пути создания РПД и выйти на этап их промышленного производства.

Первый массовый автомобиль NSU Spider с РПД начала выпускать фирма NSU Motorenwerke. Вследствие частых переборок двигателей из-за выше сказанных технических проблем на раннем этапе развития конструкции двигателя Ванкеля, взятые NSU гарантийные обязательства привели ее к финансовому краху и банкротству и последовавшему слиянию с Audi в 1969 году.Между 1964 и 1967 годом произведено 2375 автомобилей. В 1967 году Spider был снят с производства и заменён на NSU Ro80 с роторным двигателем второго поколения; за десять лет производства Ro80 выпущено 37398 машин.

Наиболее успешно с данными проблемами справились инженеры фирмы Mazda. Она и остается единственным массовым производителем машин с роторно-поршневыми двигателями. Доработанный мотор серийно начался ставить на автомобиль Mazda RX-7 с 1978 года. С 2003 преемственность приняла модель Mazda RX-8, она и является на данный момент массовой и единственной версией автомобиля с двигателем Ванкеля.

Роторно-лопастной двигатель

Идея такой тепловой машины была предложена еще в 1910 году в Германии. Но только на бумаге. Дальше идеи, чертежей и схем дело не пошло. Слишком спорной и фантастической казалась тогда конструкция двигателя, хотя теоретически, ничего сложного в ней не было. Двигатель представлял собой цилиндр, в котором соосно размещались два независимых вала. На каждом из них был жестко зафиксирован блок из двух лопастей. Лопасти делят цилиндр на четыре независимых камеры, а каждая камера за один оборот выполняет четыре рабочих такта. Именно это привлекло конструкторов — по идее, такой мотор мог заменить поршневой двигатель с 8 цилиндрами. Преимущества налицо:

• компактные размеры;
• высокий КПД;
• не нужен сложный механизм газораспределения.

Эта конструкция не смогла быть воплощена в начале века, поэтому за нее взялись в 90-е. Технологии продвинулись, появились новые материалы, но… Ни одного рабочего экземпляра роторно-лопастного двигателя изготовлено не было, и существует он только, как утопический проект. Несмотря на то что в 2002 году появилась информация о возможных решениях технических проблем с реализацией этого проекта, до сих пор работы не проводятся и конструкция считается бесперспективной.

Известные авто, оснащенные роторным двигателем

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

Mazda RX 8

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

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

Mazda Cosmo Sport

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

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

Mazda Parkway Rotary 26

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

Mercedes C111

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

ВАЗ–2109–90

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

Более новые модели авто

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

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.

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.

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.

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.

Принцип работы

Теперь о самом принципе работы. Выполнение определенной работы поршня внутри цилиндров называется тактами. Классический поршневой двигатель имеет четыре такта:

• впуск — в цилиндр подается горючая смесь;
• сжатие — увеличение давления в цилиндре за счет уменьшения объема;
• рабочий ход — энергия, выделенная при сгорании смеси, преобразовывается во вращение вала;
• выпуск — из цилиндра выводятся отработанные газы;

Данные такты имеют все двигатели внутреннего сгорания, и сопровождаются они определенным движением поршня.

Однако они выполняются по-разному. Существуют двухтактные поршневые двигатели, в которых такты совмещены, но такие моторы чаще применяются на мотоциклах и другой бензиновой технике, хотя раньше создавались и дизельные двухтактные моторы. В них одно движение поршня включает два такта. При движении поршня вверх – впуск и сжатие, а при движении вниз – рабочий ход и выпуск. Все это обеспечивается наличием впускных и выпускных окон.

Классические автомобильные поршневые двигатели обычно являются 4-тактными, где каждый такт отделен. Но для этого в двигатель включен механизм газораспределения, который значительно усложняет конструкцию.

Что касается роторного двигателя, то отсутствие поршня как такового позволило несколько совместить конструктивные особенности 2-тактных и 4-тактных моторов.

Принцип работы

Поскольку цилиндр роторного двигателя имеет впускные и выпускные окна, то надобность в газораспределительном механизме отпала, при этом сам процесс работы сохранил все четыре такта по отдельности.

Теперь рассмотрим, как все это происходит внутри статора. Углы ротора постоянно контактируют с цилиндром статора, обеспечивая герметичное пространство между сторонами ротора.

Овальная форма цилиндра статора обеспечивает изменение пространства между стенкой цилиндра и двумя близлежащими вершинами ротора.

Далее рассмотрим действие внутри цилиндра только с одной стороны ротора. Итак, при вращении ротора, одна из его вершин, проходя сужение овала цилиндра, открывает впускное окно и в полость между стороной треугольника ротора и стенкой цилиндра начинает поступать горючая смесь или воздух. При этом движение продолжается, эта вершина достигает и проходит высокую часть овала и дальше идет на сужение. Возможность постоянного контакта вершины ротора обеспечивается его эксцентриковым движением.

Впуск воздуха производится до тех пор, пока вторая вершина ротора не перекроет впускное окно. В это время первая вершина уже прошла высоту овала цилиндра и пошла на его сужение, при этом пространство между цилиндром и стороной ротора начинает значительно сокращаться в объеме – происходит такт сжатия.

В момент, когда сторона ротора проходит максимальное сужение, в пространство между стороной ротора и стенкой цилиндра подается искра, которая воспламеняет горючую смесь, сжатую между зауженной стенкой цилиндра и стороной ротора.

Особенностью роторного двигателя является то, что воспламенение производится не перед прохождением стороны так называемой «мертвой точки», как это делается в поршневом двигателе, а после ее прохождения. Делается это для того, чтобы энергия, выделенная при сгорании, воздействовала на ту часть стороны ротора, которая уже прошла ВМТ (верхняя мёртвая точка). Этим обеспечивается вращение ротора в нужную сторону.

После прохождения свечи, первая вершина ротора начинает открывать выпускное окно, и постепенно, пока вторая вершина не перекроет выпускное окно – производится отвод газов.

Такты двигателя

Следует отметить, что был описан весь процесс, сделанный только одной стороной ротора, все стороны проделывают процесс один за другим. То есть, за одно вращение ротора производится одновременно три цикла – пока в полость между одной стороной ротора и цилиндра запускается воздух или горючая смесь, в это время вторая сторона ротора проходит ВМТ, а третья – выпускает отработанные газы.

Теперь о вращении вала, на эксцентрик которого надет ротор. За счет этого эксцентрика полный оборот вала производится меньше чем за один оборот ротора. То есть, за один полный цикл вал сделает три оборота, при этом отдавая полезное действие дальше. В поршневом двигателе один цикл происходит за два оборота коленчатого вала и только один полуоборот при этом является полезным. Этим обеспечивается высокий выход КПД.

Если сравнить роторный двигатель с поршневым, то выход мощности с одной секции, которая состоит из одного ротора и статора, равна мощности 3-цилиндрового двигателя.

А если учитывать, что Mazda устанавливала на свои авто двухсекционные роторные моторы, то по мощности они не уступают 6-цилиндровым поршневым моторам.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Несмотря на разнообразие типов и конструкций ДВС, принцип его устройства остается практически неизменным на любой технике. Конечно, отдельные элементы конструкции могут сильно отличаться на разных двигателях, но основные узлы и компоненты очень похожи между собой.

Итак, двигатель внутреннего сгорания состоит из таких конструктивных узлов.

1. Блок цилиндров (БЦ) – «оболочка» ЦПГ и всего двигателя в целом, в том числе с рубашкой системы охлаждения.
   Блок цилиндров
2. Кривошипно-шатунный механизм, он же КШМ – узел, в котором происходит преобразование прямолинейного движения поршня во вращательное. Состоит из коленвала, поршней, шатунов, маховика, а также подшипников скольжения (вкладышей), на которые опирается коленвал и крепления шатунов.
   Кривошипно-шатунный механизм: 1 — цилиндр; 2 — маховик; 3 — шатунный подшипник; 4 — коленчатый вал; 5 — колено; 6 — коренной подшипник; 7 — шатун.
3. Газораспределительный механизм (ГРМ) – это система подачи в цилиндры топливно-воздушной смеси и отвода выхлопных газов. Состоит из распредвалов, клапанов с коромыслами или штангами, ремня ГРМ, благодаря которому вся система работает синхронно с оборотами коленвала.
   Газораспределительный механизм
4. Система питания – это узел, в котором происходит подготовка топливно-воздушной смеси, которая затем подается в камеры сгорания. В зависимости от конструкции система подачи топлива может быть карбюраторной (одна форсунка на двигатель), инжекторной (форсунки установлены перед впускным клапаном каждого цилиндра), с непосредственным впрыском (форсунка установлена внутри камеры сгорания). Включает в себя топливный бак с фильтром и насосом, карбюратор (опционально), впускной коллектор, форсунки, ТНВД (в дизельных двигателях), воздухозаборника с воздушным фильтром.
   Система питания
5. Система смазки двигателя – обеспечивает подачу смазки в каждый из узлов трения, а также на участки, требующие дополнительного охлаждения (например, на нижнюю часть поршней). Состоит из масляного насоса, подключенного к коленвалу, системы трубок и каналов, выходящих на пары трения, масляного фильтра, масляного поддона. В зависимости от конструкции различаются двигатели с «сухим» и «мокрым» картером. У первых емкость для сбора моторного масла расположена отдельно, во вторых – непосредственно под двигателем.
   Система смазки двигателя: 1 – масляный насос; 2 – пробка сливного отверстия картера; 3 – маслоприемник; 4 – редукционный клапан; 5 – отверстие для смазывания распределительных шестерен; 6 – датчик сигнальной лампы аварийного давления масла; 7 – датчик указателя давления масла; 8 – кран масляного радиатора; 9 – масляный радиатор; 10 – масляный фильтр.
6. Система зажигания – нужна для поджига топливной смеси в камере сгорания. Применяется только на бензиновых двигателях, поскольку дизтопливо воспламеняется само от сжатия. Включает в себя свечи зажигания, высоковольтные провода, катушки зажигания, а также распределитель (трамблер) на двигателях старого типа. В современных моторах система зажигания обходится без трамблера и даже без проводов: используется конструкция «катушка на свече».
   Система зажигания двигателя: 1 – генератор; 2 – выключатель зажигания; 3 – распределитель зажигания; 4 – кулачок прерывателя; 5 – свечи зажигания; 6 – катушка зажигания; 7 – аккумуляторная батарея.
7. Система охлаждения – заботится о поддержании заданной рабочей температуры двигателя. Жидкостная система охлаждения состоит из теплоносителя (охлаждающей жидкости, антифриза), рубашки охлаждения (сеть камер и каналов внутри блока цилиндров), теплообменника (радиатор охлаждения), водяного насоса и термостата.
   Система охлаждения
8. Электросистема – это источники энергии, необходимой для старта двигателя и поддержания его работы. К электросистеме относится аккумуляторная батарея, генератор, стартер, проводка и датчики работы двигателя.
9. Выхлопная система – отводит продукты сгорания из двигателя, выполняет функцию доочистки выхлопных газов, регулирует звук работы мотора. Состоит из выпускного коллектора, катализатора и сажевого фильтра (опционально), резонатора, глушителя.

Выхлопная система

Каждая их этих частей постепенно развивается и совершенствуется в зависимости от запросов времени. Стремление к росту мощности сменилось поиском самых надежных и долговечных решений, затем на первое место вышла экономия топлива, а сегодня – забота о природе.

История создания

Выдающийся инженер и разработчик Феликс Ванкель действительно в тот период работал над созданием нового двигателя. Он хотел сделать простую систему, работающую по принципу внутреннего сгорания. Но создал он не совсем РПД, а мотор, который работает за счет синхронного кругового движения роторов. Когда завершилась вторая мировая, Ванкеля привлекли к разработкам германского объединения NSU, они специализировались на мотоциклах. Ванкель вошел в группу, которая трудилась над роторным мотором.

Вклад Ванкеля значительный, он провел обширные исследования уплотнений клапанов, у него даже был патент на роторное вращение. Но сама концепция принадлежит руководителю этой рабочей группы — инженеру Фройде.

Первый созданный прототип представлял собой статичный элемент, ротора, и подвижные камеры. Быстро стали очевидными неудобства. В 1958 их поменяли местами, так родилась первая в мире конструкция с вращающимся ротором. Она не сильно отличается от современных потомков, разве что расположением свечей, теперь они находятся на корпусе. Совсем скоро компания заявила, что изобрела самый современный двигатель новейшего типа. Лицензии на эту установку закупили сотни компаний, примерно треть из них приходится на японских автопроизводителей.

Что сделали в Советском Союзе

Союз не стал приобретать лицензию, вместо этого было решено разработать свой уникальный мотор роторного типа. Сначала советским ученым привези авто, произведенное немецким NSU. Машину разобрали и начали изучать, работы начались в 1967. Прошло 7 лет, и при концерне ВАЗ открылось конструкторское бюро, оно проектировало и производило РПД. Так был создан ВАЗ-311, похвастаться им не получилось, машину доделывали еще 6 лет.

Модель с таким типом мотора для серийного производства — ВАЗ 21018, его представили в 1982. И это тоже привело к неудаче, у всех пробных авто отказали двигатели, последовал год доработок. Затем вышли ВАЗ 411 и 413, они использовались силовыми ведомствами страны. То, что получилось, пришлось кстати для сотрудников охраны правопорядка. Им были нужны неприметные авто, которые обладают достаточной мощностью, чтобы догнать иномарку. К тому же в ведомствах особенно не беспокоились о высоком расходе топлива и небольшом ресурсе двигателя. Рядового автомобилиста такое конечно же не устроило бы.

Что сделали на Западе и Востоке?

Там тоже шли работы, но перспектива сделать РПД не стала фурором. Работы завершились с началом топливного кризиса, в 1973 бензин очень сильно подорожал. Тогда автолюбители начали проявлять интерес к экономичным двигателям, к ним РПД конечно же не относился. Он потреблял до двадцати л на сто километров, поэтому абсолютно не пользовался спросом.

Но на востоке осталась страна, которая не разочаровалась, это Япония. С течением времени многие японские производители отказались от столь непопулярного двигателя. В итоге его сторонником осталась лишь Мазда.

Для Советского Союза топливный кризис прошел незаметно. Поэтому машины с роторным двигателем производили, это продолжилось и после распада СССР. В результате ВАЗ использовал такую концепцию до 2004 года, Мазда продержалась за нее дольше — до 2012.

Система смазки и питания роторного двигателя

Подача масла осуществляется под давлением к основным движущимся деталям. Система смазки работает следующим образом:

• Масляный насос всасывает масло из масляного бака.
• Через маслопровод и форсунки масло подается в замкнутый контур воздушного охлаждения.
• Масло попадает в рабочую полость, совмещается с тепловоздушной смесью, чем обеспечивает смазку узлов и механизмов, и сгорает вместе с ней.

Система питания включается после того, как стартер обеспечит устойчивость жидкостного кольца в барабане. Это происходит так:

• При вращении ротора его торцевые радиальные выступы отсекают порции топливной смеси или воздуха.
• Сжатые порции топливной смеси или воздуха поступают в камеры сгорания.

Зажигание топливной смеси происходит по-разному, это зависит от используемого принципа смесеобразования.