Двигатели для автомобилей роторного типа

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.

Классификация роторных двигателей

Классификация роторных двигателей весьма важна, так как она сразу очерчивает весьма обширный круг потенциально возможных конструкций, и главное — позволяет с первого шага выбрать наиболее перспективные и эффективные конструкции среди прочих мало работоспособных и не технологичных типов роторных машин.

Классификация роторных двигателей будет излагаться на основе авторского понимания этой схемы, которое опирается на систематизацию роторных машин, изложенную в разных аспектах в двух весьма обстоятельных книгах, которые, к сожалению, выходили мизерными тиражами, очень давно и не имели переизданий. Это Акатов, Бологов «Судовые роторные двигатели», Ленинград, 1967г. и Н.Ханин, С.Чистозвонов «Автомобильные роторно – поршневые двигатели», Москва, 1964г.

1) Роторные двигатели с неравномерным разнонаправленным (возвратно-вращательным) движением главных рабочих элементов.

Данный тип двигателя характеризуется тем, что в нем нет вращения ротора, а происходит его возвратно — дуговые качания вокруг оси. Процессы сжатия и расширения происходят между неподвижными лопатками ротора и статора, которые и не позволяют совершать ротору непрерывное вращение. По своим очертаниям этиот двигатель выглядит роторным, но по организации кинематики движения он по сути дела ближе к поршневым машинам с кривошипным механизмом, так как требует применения для преобразования колебательных движений вала во вращетельные особых сложных механизмов. В этом заключен главный недостаток его конструкции, поэтому данная схема не получила распространения. Кроме того в этой схеме возможны ударные столкновения лопастей между собой.

2) Роторные двигатели с неравномерным однонаправленным (пульсирующе-вращательным) движением главного рабочего элемента.

Внутри корпуса вращаются два ротора с неравномерным вращением, которые пульсируя как бы «догоняют друг друга». Такты сжатия и расширения происходят меджу лопастями этих двух роторов во время их сближения и удаления. Главный недостаток этой роторной схемы — два вала двух роторов вращаются неравномерно — рывками, толчковыми импульсами. Поэтому требуется применение сложного, нагруженного знакопеременными нагрузками механизма для выравнивания скорости вращения валов мотора. Кроме того в этой схеме возможны ударные столкновения лопастей между собой.

3) Роторные двигатели с уплотнительными заслонками — лопастями, которые движутся роторе совершая возвратно-поступательные или качающиеся движения. Частный случай – с заслонками – лопастями, отклоняющимися на шарнирах на роторе;

Надо сказать, что подобная схема роторных машин давно и широко применяется в пневмомоторах, где сжатый воздух вращает лопатки таких устройств.Поэтому у многих инженеров и изобретателей при взгляде на такие роторные пневмомоторы появляется понятная мысль приспособить такую машину под двигатель внутреннего сгорания. Для этого нужно лишь встроить такт сжатия в кинематическую схему такой машины. И пытливые умы меняют форму внутренней камеры мотора — получается теоретическая схема, которая на бумаге вполне может качественно работать…. Но на практике все не так просто, реализация в жизнь этой схемы сталкивается с огромными сложностями. Первая трудность — в условиях высоких температур и давлений в ДВС очень сложно обеспечить подвижность лопаток ротора и практически невозможно обеспечить герметичность линий их контакта с корсусом…

При этом лопатки должны постоянно двигаться — под действием центробежной силы вращения и пружин или приводом от специального механизма — но оба варианта реализовать очень сложно. Поэтому в технике до сих пор нет работоспособных образцов этого типа роторных двигателей внутреннего сгорания.

Ниже приведены две различные теоретические схемы роторных ДВС этого типа, взятые из патентной литературы.

4) Роторные двигатели с уплотнительными заслонками, которые движутся в совершая возвратно — поступательные или качающиеся движения корпусе.

Данная схема по принципу работы похожа на предыдущую, только заслонки — лопасти, разделяющие камеры двигателя выдвигаются не из ротора, а из корпуса. При этом ротор должен иметь сложную форму с лопастями — лопатками, которые и будут воспринимать на себя давление газов, которые должны отсекать от других объемов рабочей камеры лопатки- заслонки в корпусе. Эта схема имеет примерно те же принципиальные недостатки, что и предыдущая схема.

5) Роторные двигатели с простым и равномерным вращательным движением главного рабочего и всех иных элементов.

По своей концепции такие схемы двигателей — наиболее перспективные и наиболее технически совершенные. В таких конструкциях нет ни одной детали совершающей возвратно — поступательные, качательные или планетарно- вращательные движения. Поэтому двигатели этого типпа могут без труда достигать скоростей вращения в десятки тысяч оборотов в минуту с соотвествующим набором мощности. В 19-м веке были созданы несколько типов роторных паровых двигателей этой схемы и они показывали значительно лучшие характеристики, чем поршневые паровые двигатели.

Но вот работоспособных двигателей внутреннго сгорания этой схемы построено не было, даже на уровней идей, отраженных в патентных заявках обнаружено буквально несколько единиц, да и те — малореализуемых конструкций.

6) Роторные двигатели с планетарным вращательным движением главного рабочего элемента.

Наиболее известные широкой общественности роторные двигатели Ванкеля относятся именно к последней классификационной группе. О нем речь пойдет на отдельной страничке этого сайта.

Источник статьи: http://www.rotor-motor.ru/page01.htm

Принцип работы роторного двигателя, плюсы и минусы системы

Как известно, принцип работы роторного двигателя основан на высоких оборотах и отсутствии движений, которыми отличается ДВС. Это и отличает агрегат от обычного поршневого двигателя. РПД называют ещё двигателем Ванкеля, и сегодня мы рассмотрим его работу и явные достоинства.

Ротор такого двигателя находится в цилиндре. Сам корпус не круглого типа, а овального, чтобы ротор треугольной геометрии нормально в нём помещался. У РПД не бывает коленчатого вала и шатунов, а также отсутствуют в нём другие детали, что делает его конструкцию намного проще. Если говорить другими словами, то примерно около тысячи деталей обычного двигателя внутреннего сгорания в РПД нет.

Работа классического РПД основана на простом движении ротора внутри овального корпуса. В процессе движения ротора по окружности статора создаются свободные полости, в которых и происходят процессы запуска агрегата.

Удивительно, но роторный агрегат представляет собой некий парадокс. В чём он заключается? А в том, что он имеет гениально простую конструкцию, которая почему-то не прижилась. А вот более сложный поршневой вариант стал популярным и повсюду используется.

Строение и принцип работы роторного двигателя

Схема работы роторного двигателя представляет собой нечто совершенно иное, чем обычный ДВС. Во-первых, следует оставить в прошлом конструкцию двигателя внутреннего сгорания, известную нам. А во-вторых, попытаться впитать в себя новые знания и понятия.

Как и поршневой, роторный двигатель использует давление которое создается при сжигании смеси воздуха и топлива. В поршневых двигателях, это давление создается в цилиндрах, и двигает поршни вперед и назад. Шатуны и коленчатый вал преобразуют возвратно-поступательные движения поршня во вращательное движение, которое может быть использовано для вращения колес автомобиля.

РПД назван так из-за ротора, то есть такой части мотора, которая движется. Благодаря этому движению мощность передаётся на сцепление и КПП. По сути, ротор выталкивает энергию топлива, которая затем передаётся колёсам через трансмиссию. Сам ротор выполнен обязательно из легированной стали и имеет, как и говорилось выше, форму треугольника.

Капсула, где находится ротор, — это своеобразная матрица, центр вселенной, где все процессы и происходят. Другими словами, именно в этом овальном корпусе происходит:

• сжатие смеси;
• топливный впрыск;
• поступление кислорода;
• зажигание смеси;
• отдача сгоревших элементов в выпуск.

Одним словом, шесть в одном, если хотите.

Сам ротор крепится на специальном механизме и не вращается вокруг одной оси, а как бы бегает. Таким образом, создаются изолированные друг от друга полости внутри овального корпуса, в каждой из которых и происходит какой-либо из процессов. Так как ротор треугольный, то полостей получается всего три.

Всё начинается следующим образом: в первой образующейся полости происходит всасывание, то есть камера наполняется воздушно-топливной смесью, которая здесь же перемешивается. После этого ротор вращается и толкает эту перемешанную смесь в другую камеру. Здесь смесь сжимается и воспламеняется при помощи двух свечей.

Смесь после этого идёт в третью полость, где и происходит вытеснение частей использованного топлива в систему выхлопа.

Это и есть полный цикл работы РПД. Но не всё так просто. Это мы рассмотрели схему РПД только с одной стороны. А действия эти проходят постоянно. Если говорить иначе, процессы возникают сразу с трёх сторон ротора. В итоге всего за единственный оборот агрегата повторяется три такта.

Опять же, производительность — это не одно достоинство РПД. Их у него много. Как и было сказано выше, роторный двигатель очень компактный и в нём используется на целых тысячу деталей меньше, чем в том же ДВС. В РПД всего две основные детали — ротор и статор, а проще этого ничего не придумаешь.

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!

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:

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.

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.

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%.

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.

Разные конструкции и разработки роторных двигателей

Двигатель Ванкеля

Двигатель Желтышева

Двигатель Зуева

Источник статьи: http://krossovery.info/princip-raboty-rotornogo-dvigatelya-plyusy-i-minusy-sistemy/