Arskama.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

В чем преимущества роторного двигателя

Роторно-поршневой двигатель

Ро́торно-поршнево́й дви́гатель внутреннего сгорания (РПД, двигатель Ва́нкеля), конструкция которого разработана в 1957 году инженером компании NSU Вальтером Фройде, ему же принадлежала идея этой конструкции. Двигатель разрабатывался в соавторстве с Феликсом Ванкелем, работавшим над другой конструкцией роторно-поршневого двигателя. [1]

Особенность двигателя — применение трёхгранного ротора (поршня), имеющего вид треугольника Рёло, вращающегося внутри цилиндра специального профиля, поверхность которого выполнена по эпитрохоиде (возможны и другие формы ротора и цилиндра [2] ).

Содержание

Конструкция

Установленный на валу ротор жёстко соединён с зубчатым колесом, которое входит в зацепление с неподвижной шестернёй — статором. Диаметр ротора намного превышает диаметр статора, несмотря на это ротор с зубчатым колесом обкатывается вокруг шестерни. Каждая из вершин трёхгранного ротора совершает движение по эпитрохоидальной поверхности цилиндра и отсекают переменные объёмы камер в цилиндре с помощью трёх клапанов.

Такая конструкция позволяет осуществить любой 4-тактный цикл Дизеля, Стирлинга или Отто без применения специального механизма газораспределения. Герметизация камер обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами. Отсутствие механизма газораспределения делает двигатель значительно проще четырехтактного поршневого (экономия составляет около тысячи деталей), а отсутствие сопряжения (картерное пространство, коленвал и шатуны) между отдельными рабочими камерами обеспечивают необычайную компактность и высокую удельную мощность. За один оборот двигатель выполняет три полных рабочих цикла, что эквивалентно работе шестицилиндрового поршневого двигателя.

Смесеобразование, зажигание, смазка, охлаждение, запуск принципиально такие же, как и у обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Практическое применение получили двигатели с трёхгранными роторами, с отношением радиусов шестерни и зубчатого колеса: R:r = 2:3, которые устанавливают на автомобилях, лодках и т. п.

Автомобили с РПД потребляют от 7 до 20 литров топлива на 100 км, в зависимости от режима движения, масла — от 0,4 л до 1 л на 1000 км.

Преимущества и недостатки

Преимущества перед обычными бензиновыми двигателями

  • низкий уровень вибраций. Роторно-поршневой двигатель полностью механически уравновешен, что позволяет повысить комфортность лёгких транспортных средств типа микроавтомобилей, мотокаров и юникаров;
  • главным преимуществом роторно-поршневого двигателя являются отличные динамические характеристики: на низкой передаче возможно без излишней нагрузки на двигатель разогнать машину выше 100 км/ч на более высоких оборотах двигателя (8000 об/мин и более), чем в случае конструкции обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания.
  • Высокая удельная мощность(л.с./кг), причины:
  1. Масса движущихся частей в РПД гораздо меньше, чем в аналогичных по мощности «нормальных» поршневых двигателях, так как в его конструкции отсутствуют коленчатый вал и шатуны.
  2. К тому же однороторный двигатель выдаёт мощность в течение трёх четвертей каждого оборота выходного вала. В отличие от одноцилиндрового поршневого двигателя, который выдаёт мощность только в течение одной четверти каждого оборота выходного вала. (современный серийный РПД с объёмом рабочей камеры 1300 см³ имеет мощность 220 л.с., а с турбокомпрессором — 350 л.с.)
  • меньшие в 1,5-2 раза габаритные размеры.
  • меньшее на 35-40 % число деталей

За счёт отсутствия преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, двигатель Ванкеля способен выдерживать гораздо большие обороты, но с меньшими вибрациями, по сравнению с традиционными двигателями. Роторно-поршневые двигатели обладают более высокой мощностью при небольшом объёме камеры сгорания, сама же конструкция двигателя сравнительно мала и содержит меньше деталей. Небольшие размеры улучшают управляемость, облегчают оптимальное расположение трансмиссии (развесовка) и позволяют сделать автомобиль более просторным для водителя и пассажиров.

  • Соединение ротора с выходным валом через эксцентриковый механизм, являясь характерной особенностью РПД Ванкеля, вызывает давление между трущимися поверхностями, что в сочетании с высокой температурой приводит к дополнительному износу и нагреву двигателя.
    В связи с этим возникает повышенное требование к периодической замене масла. При правильной эксплуатации периодически производится капитальный ремонт, включающий в себя замену уплотнителей. Ресурс при правильной эксплуатации достаточно велик, но не заменённое вовремя масло неизбежно приводит к необратимым последствиям, и двигатель выходит из строя.
  • Наиболее важной проблемой считается состояние уплотнителей. Площадь пятна контакта очень невелика, а перепад давления очень высокий. Следствием этого, неразрешимого для двигателей Ванкеля, противоречия являются высокие утечки между отдельными камерами и, как следствие, падение коэффициента полезного действия и токсичность выхлопа.
    Проблема быстрого износа уплотнителей на высокой скорости вращения вала была решена применением высоколегированной стали.
  • Другой особенностью двигателей Ванкеля является его склонность к перегреву. Камера сгорания имеет линзовидную форму, то есть при маленьком объёме у неё относительно большая площадь. При температуре горения рабочей смеси основные потери энергии идут через излучение. Интенсивность излучения пропорциональна четвёртой степени температуры, таким образом идеальная форма камеры сгорания — сферическая. Лучистая энергия не только бесполезно покидает камеру сгорания, но и приводит к перегреву рабочего цилиндра. Эти потери не только снижают эффективность преобразования химической энергии в механическую, но и вызывают проблемы с воспламенением рабочей смеси, поэтому в конструкции двигателя часто предусматривают 2 свечи.
  • Высокие требования к геометрической точности изготовления деталей двигателя делают его сложным в производстве — требуется применение высокотехнологичного и высокоточного оборудования: станков, способных перемещать инструмент по сложной траектории эпитрохоидальной поверхности камеры объёмного вытеснения.
  • При всех преимуществах (высокая удельная мощность, простота устройства, несложный ремонт при правильной эксплуатации), важной проблемой является меньшая экономичность на низких оборотах по сравнению с обычными ДВС.

Применение

Двигатель разрабатывался изначально именно для применения на автотранспорте. Первый серийный автомобиль с роторным двигателем — немецкий спорткар NSU Spider.

Первый массовый (37 204 экземпляра) — немецкий седан бизнес-класса NSU Ro 80. Автомобиль имел достаточно инноваций и помимо двигателя, в частности, кузов с рекордно низким аэродинамическим сопротивлением, полуавтоматическую коробку передач с гидротрансформатором, блок-фары, и так далее. Ro80 отличалась не только уникальной конструкцией, но и передовым дизайном, который оказался непонятен публике середины шестидесятых [источник не указан 1238 дней] ; через десять лет именно он был положен в основу стиля моделей «Ауди» 100 и 200 поколения C2.

К сожалению, ресурс двигателя оказался весьма мал (ремонт требовался уже после пробега порядка 50 тыс. км), поэтому автомобиль заслужил плохую репутацию и относительно малоизвестен. На многих сохранившихся автомобилях оригинальный двигатель заменён на поршневой V4 «Essex» фирмы Ford.

Citroën также экспериментировал с РПД — проект Citroën M35.

После этого серийное и мелкосерийное производство роторно-поршневых двигателей Ванкеля производились только фирмами Mazda (Япония) и ВАЗ (Россия) [3] .

Современное состояние

Инженерам фирмы Mazda, создавшим роторно-поршневой двигатель «Renesis» (производное от слов (англ. Rotary Engine:роторный двигатель и Genesis:процесс становления , название говорящее о появлении нового класса двигателей), удалось решить основные проблемы таких двигателей — токсичность выхлопа и неэкономичность. По сравнению с двигателями-предшественниками, удалось сократить потребление масла на 50 %, бензина на 40 % и довести выброс вредных окисей до норм, соответствующих Euro IV. Двухкамерный двигатель «Renesis» объёмом всего 1,3 л выдаёт мощность в 250 л. с. и занимает гораздо меньше места в моторном отсеке. Следующая модель двигателя Renesis 2 16X имеет объём 1,6 литра, и при большей мощности, нагревается меньше.

Автомобили марки Mazda с буквами RE в наименовании (первые буквы от названия «Renesis») могут использовать в качестве топлива как бензин, так и водород (так как менее чувствителен к детонации, чем обычный двигатель, использующий возвратно-поступательное движение поршня). Это явилось вторым витком роста внимания к РПД со стороны разработчиков.

Авиационные двигатели

В начале 50-х годов была создана серия авиадвигателей ВП-760, ВП-1300, ВП-2650 — пятилучевых двухтактных звёзд мощностью от 40 до 130 л. с. и весом от 25 до 100 кг авиационного инженера В. Полякова, созданных для лёгкой авиационной техники и прошедших успешные испытания в небольшой серии в ДОСААФ. [4] Позднее, в 90-х годах, в Научно-техническом центре ВАЗ были созданы ВАЗ-416, ВАЗ-426, ВАЗ-526.

Несмотря на ряд попыток установки двигателя Ванкеля на самолетах (опытные образцы испытывались в разных странах с 1950-х годов), он не нашел широкого применения в авиации. В настоящее время (2011) двигатель Ванкеля устанавливается на некоторые модели мотопланеров Schleicher.

Плюсы и минусы роторного двигателя Mazda Renesis для RX8

Автомобильный бренд Mazda был практически единственным заводом-изготовителем роторных двигателей, который выпускал их серийно. Начало было положено в 1967 году при сотрудничестве с французским Citroën и немецким NSU. Через 45 лет серийное производство роторных двигателей было прекращено.

С технической точки зрения устройство роторного двигателя проще, чем бензинового. В то же время, первый требует щепетильного и качественного технического обслуживания. Привычный кривошипно-шатунный механизм здесь отсутствует, так как вместо него вращение поршней осуществляет сам двигатель. Также в роторном двигателе не найдешь и газораспределительного механизма с впускными и выпускными клапанами, а также распределительном валом.

На нашем YouTube-канале вышел отдельный видеоролик, посвященный роторному двигателю Mazda – 13B-MSP Renesis. Это крайняя версия серийного двигателя, выпущенного и установленного на Mazda RX-8 2007 г.в. Он, кстати, не так долговечен, как его предыдущая версия, устанавливаемая на RX-7.

Купить роторный двигатель Mazda можно в нашем интернет-магазине в разделе контрактных моторов.

Уязвимые части роторного двигателя
Одни из самых уязвимых деталей – это уплотнения роторов. Их износ может привести к более серьезным поломкам, поэтому следует следить за состоянием уплотнений. В то же время роторный двигатель не терпит пренебрежение графиком технического обслуживания. Он требует своевременного осмотра, обслуживания, замены масла, катушек и свечей зажигания. Полезно периодически замерять компрессию и проверять состояние масляных форсунок. Если этого не делать, можно упустить момент, когда при недостаточной смазке в секторах начали появляться царапины.

Читать еще:  Чери тиго датчика температуры двигателя

Компанией Mazda было зарегистрировано очень много случаев капитального ремонта при пробеге до 50 тыс. км. В связи с этим была принята программа восстановления роторных моторов. Если владельцу автомобиля удавалось вовремя обнаружить проблему, то чаще всего удавалось отделаться заменой ремкомплекта.

При правильном и своевременном обслуживании роторного мотора, можно проехать на нем 150-200 тыс. км., не попав на капитальный ремонт.

Катушки зажигания
На каждой секции роторного двигателя установлено по две катушки зажигания, каждая из которых обслуживает одну свечу зажигания. При самостоятельной замене катушек можно перепутать подключение высоковольтных проводов к свече – важно этого не допустить.

Обсуждая список слабых мест роторного двигателя Mazda, нельзя не упомянуть о катушках зажигания. Обычно их хватало на 30 тыс. км., поэтому японский бренд дважды проводил модернизацию катушек. К последней версии (N3H1-18-100C) претензий уже не возникало. При износе катушек зажигания, их замена проводится одновременно с заменой высоковольтных проводов. В продаже доступны оригинальные катушки зажигания Mazda, однако в разделе можно найти и качественный бюджетные аналоги.

О неисправности катушки зажигания можно судить по характерным «выстрелам» двигателя в выхлопную систему.

Купить катушку зажигания для роторного двигателя Mazda можно в нашем интернет-магазине в разделе контрактных запчастей.

Свечи зажигания
Устройство роторного двигателя требует наличия двух иридиевых свечей зажигания ввиду продолговатости камеры сгорания. При этом свечи отличаются друг от друга – снизу устанавливается запальная, а сверху дожигательная. Поэтому важно не перепутать их во время замены. Срок службы одного комплекта свечей – 30 тыс. км. Новый комплект от бренда NGK будет стоить около $140, а при покупке оригинального (N3Y318S309U) придется отдать от $200 до $260.

Интересной особенностью двигателя 13B-MSP была большая вероятность залить свечи, если глушишь мотор на холодную. Если такое случалось, то для восстановления его работы требовалось выкрутить свечи зажигания, вытащить предохранитель бензонасоса и просушивать секции путем прокрутки стартера.

Точно также складываются обстоятельства и сейчас, поэтому нельзя допускать холодного выключения двигателя. Владельцы, которым уже не один раз приходилось сталкиваться с такой ситуацией, вообще советуют глушить двигатель предварительно разогнав его до 5 тыс. об/мин.

Купить бензиновые форсунки и топливную рампу для роторного мотора Mazda можно в нашем интернет-магазине в разделе контрактных запчастей.

Масляные форсунки
Масляные форсунки тоже не могут похвастаться большим сроком службы – обычно их хватает не более чем на 50 тыс. км. Определить изношенность детали позволяет сокращение темпа расхода масла. Владельцы советует проверять исправность форсунок каждый раз, когда проводится замена масла.

Если рассматривать двигатель 13B-MSP в дорестайлинге, то в нем установлены масляные форсунки с обратным клапаном и трубкой, входящей во впускной тракт и соединяющей форсунку с атмосферой. Таким образом производитель добился свободного впрыскивания масла в момент разряжения секции и исключения эффекта выдавливания при повышении давления в секции. Судить о неисправности детали можно при наличии утечек и подтеков на форсунках.

Легкий и быстрый способ проверить техническое состояние форсунки – стянуть воздушный шланг со впускного тракта и организовать в системе вакуум. Если форсунка выдержала, значит она в хорошем состоянии.

Если же речь идет о рестайлинговом двигателе, то здесь соединение форсунок с атмосферой отсутствует. Для проверки работоспособности форсунок нужно подать на них давление в размере 3,5 бара – если деталь продувается, значит она не изношена.

Износ апексов
В верхней части роторов расположены апексы. Так называют уплотнительные пластины, которые разработаны производителем с учетом будущего износа. Предельно допустимый износ составляет 0,8 мм. Как только высота пластины снизились до 4,5 мм и ниже, следует срочно их заменить. Последствия игнорирования изношенного апекса могут быть плачевными. Стертый апекс может вылететь из своего посадочного места и попасть в мотор, где повредит все его внутренние механизмы. Такой двигатель уже не поддается ремонту, так как дешевле приобрести бывший в употреблении мотор.

Роторный двигатель RX-8 требует время от времени отслеживать компрессию, которая не должна быть ниже 6,5 бар, а в идеале – 8 бар. Если вы обнаружили повышение расхода масла или холостые обороты двигателя начали плавать, обратитесь в СЦ. Возможно потребуется капитальный ремонт роторного мотора 13B-MSP, который может стоит от $2000 до $2500.

Износ коренных вкладышей
Масляное голодание может привести к быстрому износу вкладышей эксцентрикового вала, скорость вращения которого значительно превышает скорость вращения роторов. Это может стать причиной изменения положения роторов, а в последствии и выпадению апексов. Ну а дальше уже все известно – апексы повреждают мотор изнутри и приводят его в негодность. При этом владелец может долго ездить с «отвалившимся» апексом – посторонние звуки в двигателе просто не услышишь.

Купить блок цилиндров для роторного двигателя Mazda можно в нашем интернет-магазине в разделе контрактных запчастей.

Специфика устройства роторного мотора Mazda
Здесь нет коленвала – его роль в роторном моторе выполняет эксцентрик с ротором. Ротор треугольного типа соединен с направляющей шестерней, которая установлена на корпус мотора. При вращении ротора попеременно открываются и закрываются впускные и выпускные камеры, сжимается горючая смесь, а в выпускную систему выводятся газы. Таким образом для каждого такта двигателя существует индивидуальная секция. Одно вращение ротора предполагает три рабочих такта.

Как уже было сказано выше, скорость вращения эксцентрика выше скорости вращения ротора в 3 раза. Таким образом, на каждый такт приходится один оборот вала или 1/3 оборота ротора.

Конструкция роторного мотора предполагает наличие двух секций. Сравнивая роторный мотор с поршневым, можно сказать, что первый идентичен по сумме тактов на 1 оборот выходного вала идентичен 4-тактному ДВС с 4-мя цилиндрами. Что же касается технических характеристик, это совершенно разные двигатели. Их рабочий объем отличается по своей эффективности – наиболее популярный мотор 13B объемом 1,3 л. можно сравнить с поршневым ДВС объемом 2,6 л.

В качестве материала для производства ротора выбран чугун, что вполне логично. Сам же ротор пустотелый, а по его краям специально сделаны насечки для камер сгорания.

За герметичность механизма отвечают уплотнительные пластины, расположенные как по бокам ротора, так и на его вершинах. Маслосъемные пластины в роторном двигателе отсутствуют.

Зато маслосъемные и компрессионные кольца можно найти на оси эксцентрика. Здесь кольцевые уплотнения не позволяют отработавшим газам попасть в камеры впуска. А маслосъемные кольца служат в качестве уплотнителя для внутренней камеры ротора, где циркулирует масляная жидкость, смазывающая подшипник, зубья и роторную шейку.

Блок мотора изготовлен из алюминия, а изнутри расположилась стальная гильза. Конструкция блока предполагает наличие 5 элементов – 2 секции и 3 крышки-перегородки. Для охлаждения элементов, между ними постоянно движется антифриз. Чтобы он не вытекал, все детали скреплены единым болтом с дополнительным уплотнением.

По торцам блока расположились окна, через которые проходит впуск и выпуск. Если говорить о более ранних версиях мотора, то там такое отверстие располагалось на гильзе. За попеременное открытие/закрытие окон отвечает торцевая сторона ротора.

В качестве материала для работы мотора роторного типа от производителя Mazda используется бензин, воздух и моторное масло. Для подачи необходимого количества масла отвечает двухсекционный масляный насос, получающий команды от электронного блока управления двигателем. Команды формируются в зависимости от скорости движения и температуры антифриза.

Достоинства и недостатки роторного мотора Mazda
К явным плюсам роторного двигателя можно отнести следующие факты:

– Более высокая удельная мощность в сравнении с поршневым ДВС;
– Высокая мощность при компактности механизма;
– Небольшой вес, улучшающий скоростные характеристики.

Роторный двигатель производит мощность равномерно на всем диапазоне скоростей, чем не может похвастаться поршневой ДВС. Самые привлекательные для приобретения версии – 1,3 л. мощностью 258 л.с. и 1,3 л. турбо на 350 л.с.

Что же касается недостатков, то здесь можно расписать более существенный список:
– Больший расход топлива по сравнению с ДВС;
– КПД роторного мотора меньше, чем у ДВС;
– Мотор очень требователен к качеству масла;
– Двигатель требует постоянного и хорошего обслуживания;
– Очень много слабых мест, которые могут привести к серьезным поломкам;
– Требуется постоянно следить за исправностью элементов, чтобы вовремя обнаружить неисправность.

Двигатель Mazda сломался? Подберите и купите роторный мотор в нашем интернет-магазине в разделе контрактных моторов.

Роторно-поршневой двигатель

Ро́торный дви́гатель (РД, РДВС, двигатель Ва́нкеля) — роторный двигатель внутреннего сгорания, конструкция которого разработана в 1957 году инженером компании NSU Вальтером Фройде. Ему же принадлежала идея этой конструкции. Двигатель разрабатывался в соавторстве с Феликсом Ванкелем, работавшим над другой конструкцией роторно-поршневого двигателя [1] .

Особенность двигателя — применение трёхгранного ротора (поршня), имеющего вид треугольника Рёло, вращающегося внутри цилиндра специального профиля, поверхность которого выполнена по эпитрохоиде (возможны и другие формы ротора и цилиндра [2] ).

Содержание

  • 1 Конструкция
    • 1.1 Рабочий цикл
  • 2 Преимущества и недостатки
  • 3 Применение
    • 3.1 Современное состояние
  • 4 Авиационные двигатели
  • 5 См. также
  • 6 Примечания
  • 7 Литература
  • 8 Ссылки

Конструкция [ править | править код ]

Установленный на валу ротор жёстко соединён с зубчатым колесом, которое входит в зацепление с неподвижной шестернёй — статором. Диаметр ротора намного превышает диаметр статора, несмотря на это ротор с зубчатым колесом обкатывается вокруг шестерни. Каждая из вершин трёхгранного ротора совершает движение по эпитрохоидальной поверхности цилиндра и отсекают переменные объёмы камер в цилиндре с помощью трёх радиальных уплотнений.

Такая конструкция позволяет осуществить любой 4-тактный цикл Дизеля, Стирлинга или Отто без применения специального механизма газораспределения. Герметизация камер обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами. Отсутствие механизма газораспределения делает двигатель значительно проще четырёхтактного поршневого, а отсутствие сопряжения (картерное пространство, коленвал и шатуны) между отдельными рабочими камерами обеспечивают необычайную компактность и высокую удельную мощность. За один оборот эксцентрикового вала двигатель выполняет один рабочий цикл, что эквивалентно работе двухтактного поршневого двигателя. За один оборот ротора эксцентриковый вал выполняет 3 оборота и 3 рабочих хода, что приводит к ошибочным сравнениям роторного двигателя с шестицилиндровым поршневым двигателем.

Читать еще:  Электронная система управления температурой двигателя

Смесеобразование, зажигание, смазка, охлаждение, запуск принципиально такие же, как и у обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Практическое применение получили двигатели с трёхгранными роторами, с отношением радиусов шестерни и зубчатого колеса: R:r = 2:3, которые устанавливают на автомобилях, лодках и т. п.

Автомобили с РПД потребляют от 7 до 20 литров топлива на 100 км, в зависимости от режима движения, масла — от 0,4 л до 1 л на 1000 км.

Рабочий цикл [ править | править код ]

Двигатель Ванкеля использует четырёхтактный цикл:

  • такт A: Топливно-воздушная смесь через впускное окно поступает в камеру двигателя
  • такт B: Ротор вращается и сжимает смесь, смесь воспламеняется электрической искрой
  • такт C: Продукты горения давят на поверхность ротора, передавая усилия на цилиндрический эксцентрик
  • такт D: Вращающийся ротор вытесняет отработанные газы в выпускное окно.

Несмотря на схожесть цикла, динамика сгорания топливно-воздушной смеси в роторно-поршневом двигателе (РПД) сильно отличается от традиционного поршневого двигателя.

В поршневом двигателе (ПД) топливно-воздушный заряд, проходя в цилиндр через клапан на стадии впуска, приобретает высокую турбулентность, которая возрастает с ростом числа оборотов коленчатого вала, что благоприятно сказывается на полноте сгорания смеси. В РПД турбулентность ниже и в момент воспламенения, основной заряд смеси впереди по вращению ротора быстро сгорает, в то время как задняя часть рабочей полости остается не сгоревшей и выбрасывается в атмосферу. Этим объясняется в 6 — 8 раз более высокий процент выбросов в атмосферу несгоревших углеводородов, по сравнению с поршневыми двигателями.

Ещё одним отличием рабочего цикла РПД от рабочего цикла ПД является сдвиг момента максимального выделения тепла в камере сгорания на линию расширения после прохождения верхней мертвой точки. Поэтому максимальные температуры цикла, при одинаковой степени сжатия, у РПД ниже, а в фазе выпуска температура отработавших газов на 200—250 °С выше чем у поршневых двигателей. Это термодинамически невыгодно и приводит к дополнительному снижению КПД, но в то же время по этой причине выброс окиси азота у РПД на 20 % ниже, а при одинаковых степенях сжатия, РПД способен работать без детонации на топливе с октановым числом на 15 единиц меньше чем поршневой двигатель.

Устранение недостатков РПД добиваются усложнением систем впрыска, созданием расслоения топливно-воздушной смеси в камере сгорания и т. п. [3]

Преимущества и недостатки [ править | править код ]

Преимущества перед поршневыми двигателями:

  • низкий уровень вибраций: двигатель полностью механически уравновешен, что позволяет повысить комфортность лёгких транспортных средств типа микроавтомобилей, мотокаров и юникаров;
  • высокие динамические характеристики: на низкой передаче возможно без излишней нагрузки на двигатель разогнать машину выше 100 км/ч на более высоких оборотах двигателя (8000 об/мин и более);
  • высокая удельная мощность (л. с./кг) в силу того, что:
  • масса движущихся частей в РПД гораздо меньше, чем в аналогичных по мощности поршневых двигателях, так как в его конструкции отсутствуют коленчатый вал и шатуны;
  • однороторный двигатель выдаёт мощность в течение трёх четвертей каждого оборота выходного вала. В отличие от четырёхтактного поршневого двигателя, который выдаёт мощность только в течение одной четверти каждого оборота выходного вала (современный серийный РПД с объёмом рабочей камеры 1300 см³ имеет мощность 220 л. с., а с турбокомпрессором — 350 л. с.);
  • меньшие в 1,5—2 раза габаритные размеры;
  • меньшее число деталей (два-три десятка вместо нескольких сотен).

За счёт отсутствия преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное двигатель Ванкеля способен выдерживать гораздо большие обороты по сравнению с традиционными двигателями. Роторно-поршневые двигатели обладают более высокой мощностью при небольшом объёме камеры сгорания, сама же конструкция двигателя сравнительно мала и содержит меньше деталей. Небольшие размеры улучшают управляемость, облегчают оптимальное расположение трансмиссии (развесовка) и позволяют сделать автомобиль более просторным для водителя и пассажиров.

  • Соединение ротора с выходным валом через эксцентриковый механизм, являясь характерной особенностью РПД, вызывает давление между трущимися поверхностями, что в сочетании с высокой температурой приводит к дополнительному износу и нагреву двигателя. В связи с этим возникает повышенное требование к периодической замене масла. При правильной эксплуатации периодически производится капитальный ремонт, включающий в себя замену уплотнителей. Ресурс при правильной эксплуатации достаточно велик, но не заменённое вовремя масло неизбежно приводит к необратимым последствиям, и двигатель выходит из строя.
  • Состояние уплотнителей. Площадь пятна контакта очень невелика, а перепад давления очень высокий. Следствием износа уплотнителей являются высокие утечки между камерами и, как следствие, падение КПД и токсичность выхлопа. Проблема быстрого износа уплотнителей на высокой скорости вращения вала была решена применением высоколегированной стали.
  • Склонность к перегреву. Камера сгорания имеет линзовидную форму, то есть при маленьком объёме у неё относительно большая площадь. При температуре горения рабочей смеси основные потери энергии идут через излучение, интенсивность которого пропорциональна четвёртой степени температуры; с точки зрения снижения удельной поверхности и за счёт этого потерь теплоты идеальная форма камеры сгорания — сферическая. Лучистая энергия не только бесполезно покидает камеру сгорания, но и приводит к перегреву рабочего цилиндра.
  • Меньшая экономичность на низких оборотах по сравнению с поршневыми ДВС. Устраняется отключением работы каждого n-го поршня, что также влечёт снижение температурной нагрузки.
  • Высокие требования к геометрической точности изготовления деталей двигателя делают его сложным в производстве — требуется применение высокотехнологичного и высокоточного оборудования: станков, способных перемещать инструмент по сложной траектории эпитрохоидальной поверхности камеры объёмного вытеснения.

Применение [ править | править код ]

Двигатель разрабатывался изначально именно для применения на автотранспорте. Первый серийный автомобиль с роторным двигателем — немецкий спорткар NSU Spider.

Первый массовый (37204 экземпляра) — немецкий седан бизнес-класса NSU Ro 80. Автомобиль имел достаточно инноваций и помимо двигателя, в частности, кузов с рекордно низким аэродинамическим сопротивлением, полуавтоматическую коробку передач с гидротрансформатором, блок-фары, и так далее. Ro 80 отличалась не только уникальной конструкцией, но и передовым дизайном, который оказался непонятен публике середины шестидесятых (см. NSU Ro 80); через десять лет именно он был положен в основу стиля моделей «Ауди» 100 и 200 поколения C2.

К сожалению, ресурс двигателя оказался весьма мал (ремонт требовался уже после пробега порядка 50 тыс. км), поэтому автомобиль заслужил плохую репутацию и стал скандально известен. На многих сохранившихся автомобилях оригинальный двигатель заменён на поршневой L4 «Essex» фирмы Ford.

Citroën также экспериментировал с РПД — проект Citroën M35.

После этого серийное и мелкосерийное производство роторно-поршневых двигателей Ванкеля производились только фирмами Mazda (Япония) и ВАЗ (СССР) [4] .

Современное состояние [ править | править код ]

Инженерам фирмы Mazda, создавшим роторно-поршневой двигатель «Renesis» (производное от слов (англ. Rotary Engine:роторный двигатель и Genesis:процесс становления , название говорящее о появлении нового класса двигателей), удалось решить основные проблемы таких двигателей — токсичность выхлопа и неэкономичность. По сравнению с двигателями-предшественниками, удалось сократить потребление масла на 50 %, бензина на 40 % и довести выброс вредных окисей до норм, соответствующих Euro IV. Двухкамерный двигатель «Renesis» объёмом всего 1,3 л выдаёт мощность в 250 л. с. и занимает немного места в моторном отсеке. Следующая модель двигателя Renesis 2 16X имеет объём 1,6 литра, и при большей мощности, нагревается меньше.

Автомобили марки Mazda с буквами RE в наименовании (первые буквы от названия «Renesis») могут использовать в качестве топлива как бензин, так и водород (так как менее чувствителен к детонации, чем обычный двигатель, использующий возвратно-поступательное движение поршня). Это явилось вторым витком роста внимания к РПД со стороны разработчиков.

Авиационные двигатели [ править | править код ]

В начале 1950-х годов была создана серия авиадвигателей ВП-760, ВП-1300, ВП-2650 — пятилучевых двухтактных звёзд мощностью от 40 до 130 л. с. и весом от 25 до 100 кг, сотрудника Пермского моторостроительного завода 19, авиационного инженера Валентина Валентиновича Полякова (поршневики; вращающийся золотниковый ГРМ и двухступенчатые поршни, совмещённые с нагнетательными, никакого отношения к Ванкелю не имеют) созданных для лёгкой авиационной техники и прошедших успешные испытания в небольшой серии в ДОСААФ. [5] Позднее, в 1990-х годах, в Научно-техническом центре ВАЗ были созданы ВАЗ-416, ВАЗ-426, ВАЗ-526.

Несмотря на ряд попыток установки двигателя Ванкеля на самолётах (опытные образцы испытывались в разных странах с 1950-х годов), он не нашёл широкого применения в авиации. В настоящее время (2011) двигатель Ванкеля устанавливается на некоторые модели мотопланеров Schleicher.

В 2019 году российские учёные из Центрального института авиационного моторостроения им. П. И. Баранова и Фонда перспективных исследований решили эту проблему, создав РПД на основе материалов нового поколения — интеркерамоматричных и металлокерамоматричных композитов. Согласно результатам испытаний, износ этих элементов пренебрежительно мал. Все они сохранили свою работоспособность, подтвердив возможность и перспективность применения композиционных материалов для изготовления наиболее нагруженных и проблемных элементов РПД. В новом отечественном двигателе применена также специально разработанная для РПД система турбонаддува с охлаждением воздуха и новая система управления. [6]

Роторные двигатели: принцип работы, ресурс и особенности

Роторный двигатель (РПД или роторно-поршневой двигатель), в отличие от традиционного поршневого ДВС, проще в плане конструкции. Также данный тип силовой установки имеет более высокий КПД. Соответственно, даже при небольшом рабочем объеме «отдача» от такого мотора достаточно высокая.

Читать еще:  Эфир при запуске дизельного двигателя

При этом РПД не получил широкого распространения в автомобильной индустрии. К сожалению, даже с учетом всех преимуществ, агрегат также имеет целый ряд недостатков. Далее мы рассмотрим, как устроен и работает роторный мотор, а также его сильные и слабые стороны.

Роторный двигатель: устройство и принцип работы РПД

Итак, роторный двигатель, который также называют двигатель Ванкеля в честь его создателя, представляет собой достаточно обособленный тип ДВС. При этом данный вид двигателей устанавливался на разные авто (например, роторный двигатель ВАЗ, роторный двигатель Мазда и т.д.), однако в большей степени популяризировали агрегат именно Mazda благодаря спорткару Мазда RX‑8 с роторным двигателем 13B-MSP.

Если коротко, в обычном поршневом моторе энергию от сгорания топлива в цилиндрах преобразует в возвратно-поступательное движение громоздкая поршневая группа, после чего происходит дальнейшее преобразование во вращательное движение (вращение коленвала).

Примечательно то, что бензиновый атмосферный роторный мотор с рабочим объемом всего лишь 1.3 литра (13B-MSP) с 2 роторами в виде секций выдавал 192 лошадиных силы. В то же время его форсированная версия позволяла снять уже 231 «лошадку».

  • Если рассматривать конструкцию, двигатель получил 5 корпусов, в результате чего были образованы 2 камеры. Указанные камеры, подобно цилиндрам, предназначены для сгорания топливно-воздушной смеси. Энергия сгорания топлива вращает роторы, которые закреплены на эксцентриковом валу, который напоминает коленвал обычного ДВС.

При этом движение ротора сложное, так как ротор не вращается, а фактически «обкатывается» своей внутренней шестерней вокруг стационарной шестерни, которая прикреплена в центре одной из боковых стенок камеры. Сам эксцентриковый вал проходит через все корпуса и стационарные шестерни. Вращение ротора, точнее, его вращательное движение происходит так, что на 1 его оборот приходится 3 оборота эксцентрикового вала.

Еще примечательно то, что хотя в роторном моторе также есть циклы впуска, сжатия, рабочего такта и выпуска, механизм ГРМ максимально упрощен. Отсутствует привод газораспределительного механизма, нет распределительных валов, а также и самих клапанов.

  • Итак, боковые стороны ротора вместе со стенками корпусов формируют рабочую полость. Кода ротор двигателя находится в начальном положении, по объему полость небольшая (это начало такта впуска). Далее, вращаясь, ротор, открывает впускные окна, в результате в камеру попадает рабочая топливная смесь. Когда полость достигает максимального объема, ротор перекроет впускные окна, после чего начнется такт сжатия (полость начнет уменьшаться).

В момент, когда объем полости снова минимален, за счет искры от свечи произойдет воспламенение смеси и начнется рабочий такт. Далее энергия сгорания топлива вращает ротор, после чего ротор перейдет в положение, при котором открываются выпускные окна (осуществляется выпуск отработавших газов). После выпуска весь цикл повторяется.

Получается, если сопоставить число рабочих тактов на оборот вала, тогда двухсекционный 13B-MSP напоминает обычный поршневой мотор на 4 цилиндра, однако при объеме 1.3 л двигатель такой же мощный, как и поршневой агрегат с объемом чуть более 2.5 литров. Еще добавим, что роторный мотор имеет намного более высокую детонационную стойкость, что позволяет превратить этот мотор в двигатель на водороде.

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.

Недостатки роторного двигателя

На старте продаж роторная Мазда пользовалась активным спросом, так как автомобиль привлекал автолюбителей своим необычным и мощным двигателем (особенно форсированные версии с мощностью около 500 л.с.). Однако немного позже владельцы уже на относительно небольших пробегах столкнулись с первыми проблемами и минусами данного типа ДВС.

Обычно первыми выходят из строя уплотнения ротора. Причина вполне очевидна, так как уплотнения находятся под высокими нагрузками и сильно нагреваются. Также дает о себе знать и детонация, износ подшипников эксцентрикового вала, роторов и т.д.

  • Примечательно то, что первыми сдаются апексы (уплотнения на торцах), тогда как боковые уплотнители ходят намного дольше. В результате износа апексов, а также их установочных мест на роторе, в двигателе падает компрессия, углы уплотнителей могут отваливаться, повреждая поверхности статора.

Также следует отметить быстрый выход из строя коренных вкладышей эксцентрикового вала. С учетом того, что вал осуществляет вращение в 3 раза быстрее роторов, роторы несколько смещаются по отношению к стенкам статора, причем вершины роторов должны всегда быть удалены на одно расстояние от стенок.

В результате, когда углы апексов выпадают, на поверхности статора неизбежно появляются задиры. При этом диагностика роторного двигателя сильно затруднена, так как, в отличие от обычного мотора, роторный двигатель не стучит в случае износа вкладышей.

В верхней части ДВС, где происходят такты впуска и сжатия, более холодные. В то же время нижняя часть, где протекает процесс сгорания смеси и выпуска раскаленных газов, нагревается намного сильнее. Результат – деформация корпуса форсированных версий.

  • Также отметим, что отдельно проявились и проблемы системы смазки. На практике, масляные форсунки в статоре часто загрязняются и перестают работать. При этом промыть клапаны форсунок не получается, то есть нужна замена. Если же вовремя проблема не была установлена, масляное голодание становится причиной сильного износа целого ряда элементов роторного двигателя.

Все это означает, что мотор фактически «одноразовый» и качественно его отремонтировать нет возможности. Единственный выход – покупка и установка нового двигателя, так как контрактные варианты в большинстве случаев тоже будут изношены и долго не прослужат. Само собой, купить роторный двигатель без пробега можно, но цена роторного двигателя будет высокой.

Советы и рекомендации

Прежде всего, роторный двигатель необходимо «кормить» только качественным высокооктановым бензином (не ниже АИ-98). Только качественное топливо позволяет избежать детонации, а также замедляет процесс накопления нагара на электродах свечей зажигания.

Еще следует помнить, что этот мотор предельно чувствителен не только к качеству, но и типу масла. Например, не рекомендуется лить синтетику, так как быстро скапливается нагар на апексах, компрессия падает. Заливать в такой мотор следует исключительно рекомендуемое самим производителем масло или подходящую по всем допускам «минералку».

  • Как правило, основным признаком проблем роторного мотора является потеря компрессии, которая проявляется в затрудненном холодном пуске. Далее неполадки прогрессируют, мотор начинает плохо заводиться как на «холодную», так и на «горячую». Обычно в таком случае очевиден износ апексов, скопление отложений на электродах свечей зажигания и т.д.

В подобной ситуации необходимо срочно отправляться на диагностику к специалистам по ремонту ДВС данного типа. На практике, хотя ремонт сложный и дорогой, в последнее время в СНГ появилось несколько центров, специализирующихся на дефектовке и ремонте роторного двигателя с гарантией.

Напоследок отметим, как и поршневой двигатель, роторный мотор нуждается в прогреве перед поездкой. При этом пока мотор не выйдет на рабочие температуры, нагружать агрегат не следует. При таком подходе, а также в сочетании с качественным бензином и маслом, а также своевременном обслуживании, есть все шансы, что роторный двигатель Mazda RX-8 пройдет без ремонта около 80 или даже 100 тыс. км.

Подведем итоги

С учетом приведенной выше информации становится понятно, почему роторный двигатель не получил широкого распространения даже с учетом целого ряда преимуществ. Прежде всего, небольшой ресурс, необходимость частого и затратного облуживания, а также сложность ремонта РПД являются серьезными недостатками силовых установок данного типа.

Однако на практике такой автомобиль может требовать замены или серьезного и дорогостоящего ремонта силового агрегата. Более того, даже если с двигателем все в порядке, не стоит рассчитывать на большой ресурс, а также потенциальным владельцам следует готовиться к более высоким расходам на плановое обслуживание роторного двигателя по сравнению с форсированными поршневыми ДВС (как атмосферными, так и с наддувом).

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector