Роторы vs поршни: гонка вооружения
На протяжении всей истории автомобиля не прекращались попытки заменить привычный нам теперь поршневой двигатель каким-либо другим. Когда-то конкуренцию ему пыталась составить паровая машина, время от времени вспыхивало увлечение электромобилями, в конце 60-х некоторые фирмы всерьез обратились к газовой турбине. В ряду этих именитых соперников есть и такой, который все же пробился на автомобильный конвейер — роторный двигатель. Как это былоНадо сказать, что основные принципы работы подобного аппарата появились задолго до воплощения. Еще в 1846 году были определены геометрическая форма рабочей камеры сгорания современных роторных двигателей и принцип работы, основанный на свойствах эпитрохоиды. Это геометрическая линия, создаваемая точкой одной окружности, которая катится без проскальзывания по внешней стороне другой окружности большего диаметра. Джеймс Уатт, изобретатель паровой машины с вращательным движением, также разрабатывал двигатель внутреннего сгорания роторного типа. Идея же воплощения подобного мотора появилась в 20-х годах прошлого столетия, когда конструкция автомобиля до конца не устоялась, и предлагались самые разнообразные решения. В то же время она выглядела вполне своевременной. Но из-за ряда технических сложностей так и не была адекватно воплощена. За последние 150 лет изобретатели предложили множество конструкций роторного двигателя. В 1924 году, когда 22-летний Феликс Ванкель начал создавать свой роторный двигатель, практические результаты еще не были получены. Ванкель исследовал и анализировал возможности различных типов роторного двигателя и нашел оптимальную форму трохоидообразного корпуса. Многолетние совместные исследования и разработки Ванкеля и компании NSU, увенчались в 1957 году созданием первого роторного двигателя — DKM, который доказал, что роторный двигатель — не просто мечта. Однако сложная конструкция — вращался сам трохоидообразный корпус — делала этот роторный двигатель непрактичным. Но спустя год появился двигатель KKM с неподвижным корпусом. Это был прототип современного роторного двигателя. В ноябре 1959 года компания NSU официально объявила о создании роторного двигателя Ванкеля. Президент компании Mazda г-н Цунеджи Мацуда тотчас оценил огромный потенциал этого агрегата и лично заключил договор о сотрудничестве с NSU. В 1963 году созданное подразделение Mazda по исследованию роторных двигателей, возглавляемое г-ном Кеничи Ямамото, приступило к разработке первого в мире роторного двигателя для серийного производства. 30 мая 1967 года Mazda начала продавать первый автомобиль с двухроторным двигателем, Cosmo Sport, оснащенный двигателем Type 10A мощностью 110 л.с. Дальнейшие разработки привели к снижению расхода топлива более чем на 40 процентов и существенному уменьшению количества токсичных выхлопов для соответствия требованиям экологических норм. К 1970 году общее число автомобилей с роторным двигателем достигло 100 тысяч. К 1975 году было собрано 500 тысяч таких автомобилей. К 1978 году — более миллиона. Роторный двигатель пришел в автомобильный мир всерьез и надолго. Эпитрохоиды, статоры, и прочие диковиныДавайте рассмотрим, как работает это чудо технической мысли. Функцию поршня в РПД выполняет трехвершинный ротор, преобразующий силу давления газов во вращательное движение эксцентрикового вала. Движение ротора относительно статора (наружного корпуса) обеспечивается парой шестерен, одна из которых жестко закреплена на роторе, а вторая на боковой крышке статора. Шестерня неподвижно закреплена на корпусе двигателя. С ней в зацеплении находится шестерня ротора. Ротор с зубчатым колесом как бы обкатывается вокруг шестерни. Вал вращается в подшипниках, размещенных на корпусе, и имеет цилиндрический эксцентрик, на котором вращается ротор. Взаимодействие этих шестерен обеспечивает целесообразное движение ротора относительно корпуса, в результате которого образуются три разобщенных камеры переменного объема. Передаточное отношение шестерен 2:3, поэтому за один оборот эксцентрикового вала ротор поворачивается на 120 градусов, а за полный оборот ротора в каждой из камер совершается полный четырехтактный цикл. Газообмен регулируется вершиной ротора при прохождении ее через впускное и выпускное окно. Такая конструкция позволяет осуществлять 4-тактный цикл без применения специального механизма газораспределения. Герметизация камер обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами. Крутящий момент получается в результате действия газовых сил через ротор на эксцентрик вала. Смесеобразование, зажигание, смазка, охлаждение, запуск — принципиально такие же, как и у обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания. Рассмотрим подробнее все фазы работы РПД.Впуск.В трех рабочих полостях отдельные фазы рабочего процесса сдвинуты друг относительно друга на 120 градусов угла поворота ротора. Фазы начала и конца каждого такта определяются положением вершин ротора относительно впускного и выпускного окон. В отличие от поршневого двухтактного двигателя окна в корпусе роторно-поршневого двигателя все время открыты и соединяют соответствующие каналы с какой-либо полостью. Вследствие этого отдельные фазы рабочих процессов в смежных полостях роторно-поршневого двигателя частично перекрываются. Центральный угол поворота вектора равен углу поворота ротора относительно корпуса. Учитывая, что эксцентриковый вал вращается в 3 раза быстрее ротора, все углы поворота ротора необходимо помножать на 3, чтобы определить углы поворота эксцентрикового вала. Во время начальной стадии процесса наполнения возможна продувка полости, в которой заканчивается расширение. Процесс наполнения начинается с момента открытия вершиной треугольного ротора впускного окна. При прохождении вершиной ротора зоны впускного окна выпускное окно все время полностью открыто. Продувка заканчивается в момент отсечки выпускного окна вершиной B ротора. Угол поворота ротора, соответствующий продувке, составляет около 40о и определяется положением внутренних кромок впускного и выпускного окон. После отсечки вершиной ротора выпускного окна начинается наполнение при увеличении объема полости. В конце этого периода, занимающего примерно 100о угла поворота ротора, скорость изменения объема полости уменьшается. Так как в этот момент впускные окна еще открыты, а скорость смеси во впускном трубопроводе достаточно велика, происходит дозарядка рабочего объема. Использование динамических явлений во впускном трубопроводе позволяется получать достаточно высокий коэффициент наполнения даже при высоком числе оборотов ротора. СжатиеСжатие рабочей смеси начинается после перекрытия вершиной ротора впускного окна и заканчивается при достижении минимального объема. Процесс сжатия характеризуется несколько большими утечками рабочего тепла через уплотнения ротора, чем в поршневом двигателе, и меньшей теплоотдачей в стенки. По экспериментальными данным показатель политропы сжатия в роторно-поршневых двигателях n1= 1.36−1.39, несколько больше, чем в поршневом двигателе с внешним смесообразованием. Сжатие смеси соответствует примерно 80о угла поворота ротора. В конце процесса сжатия в течение времени, соответствующего примерно 10о угла поворота ротора, одновременно с уменьшением объема полости происходит первая фаза сгорания смеси. В роторно-поршневых двигателях, изменяя форму ротора и параметр формы эпитрохоиды, можно получить степень сжатия до 11 — 12. Однако при таком увеличении степени сжатия значительно ухудшается форма камеры сгорания и соответственно снижается экономичность. Практически степень сжатия выбирают в пределах 8,5 — 10 СгораниеПроцесс сгорания в роторно-поршневых двигателях начинается за 10−15о угла поворота ротора до момента достижения минимального объема камеры сгорания. При достижении минимального объема камера сгорания представляет собой узкую щель с двумя клинообразными окончаниями, сжатую в средней части выступом эпитрохоидальногр профиля корпуса двигателя. При движении ротора отношение объемов двух частей камеры сгорания изменяется и рабочее тело перетекает из одной части в другую. Для уменьшения потерь при перетекании в теле ротора имеется выемка. Воспламенение смеси производится одной или двумя свечами зажигания. В случае одной свечи зажигания ее устанавливают в части камеры сгорания, расположенной ближе к выпускным окнам двигателя. Фронт пламени движется навстречу потоку смеси, вытесняемой из уменьшающейся части камеры сгорания. При использовании двух свечей зажигания одну из них устанавливают в одной части камеры сгорания, а другую — в другой. Как показывают эксперименты, роторно-поршневые двигатели могут работать на низкооктановых топливах (с октановым числом 66 или 72) без детонации при степени сжатия 9. Зона корпуса двигателя, в которой происходит сгорание смеси, не омывается холодными газами при наполнении, поэтому температура стенки корпуса в этом месте выше, чем у поршневого двигателя. Количество теплоты, отводимой от стенки за период сгорания, несмотря на увеличение времени сгорания, возрастает сравнительно мало из-за высоких температур стенки корпуса и ротора двигателя, а следовательно, уменьшается теплоотвод под ним. РасширениеКогда сгорание в основном закончилось, начинается расширение рабочего тела. Период расширения газов соответствует примерно 90о угла поворота ротора. Затем открывается выпускное окно и во время поворота ротора примерно 20о происходит свободный выпуск газов. ВыпускВыпуск газов можно разбить на четыре периода: первый — от момента открытия выпускного окна до достижения максимального объема полости; второй — принудительный выпуск, протекает при уменьшающемся объеме полости до момента открытия впускного окна (примерно 60о угла поворота ротора); третий — выпуск, совмещенный с предварением впуска, происходит при уменьшающемся объеме полости, но при наличии продувки; четвертый — окончание выпуска, совмещен со свободным выпуском из следующей полости (продолжительность этого периода соответствует примерно 10о угла поворота ротора). Общая продолжительность процесса выпуска около 120о угла поворота ротора. Затем все повторяется. Серийные РПДБолее 30 лет разные автопроизводители пытались совладать с многообещающим, но капризным творением Ванкеля. Опустили руки все, кроме Mazda и … ВАЗ, где роторные двигатели мелкими сериями еще делают. Создавалось впечатление, что сдастся и Mazda, преуспевшая больше остальных… Но в 2002 году в Токио Mazda представила новый автомобиль следующего поколения — концепт RX-Evolv с атмосферным роторным двигателем Renesis (комбинация слов renaissance — «возрождение» и genesis — «начало») объемом 2 л, который развивает 280 л.с. при 8000 об. в мин. Это рекордная литровая мощность для безнаддувных двигателей. Это был легендарный RX -8. ВАЗ тоже делает успехи в этом направлении. Во времена бывшего СССР существование отечественных машин с двигателями Ванкеля не афишировалось. Ими пользовались наши спецслужбы. В последнее время ВАЗ стал предлагать «восьмерки» и «десятки» с двухсекционными моторами ВАЗ-415. Каждая секция имеет объем 654 см³, что позволяет достичь мощности 140 л.с. (6500 об. в мин.) и крутящего момента 186 Нм (4500 об. в. мин.). А 200 км/ч для «десятки» — совсем неплохо… Но по конструкции ВАЗовский мотор уступает японским. При этом случаи полной выработки ресурса практически неизвестны. Мотора ВАЗ-415 хватает на 80−100 тыс. км, а в некоторых случаях и 150 тыс.км., после чего требуется его переборка. Гарантированный пробег японских двигателей — 300 тыс.км. Обслуживание самое обычное — замена эксплуатационных жидкостей. Строго рекомендуется применять только высококачественное минеральное масло, так как «синтетика», сгорая в двигателе, закоксовывает уплотнения ротора. Расход 500 граммов масла на 1000 км пробега — норма для этого двигателя, ведь часть масла специальным насосом впрыскивается прямо во впускной коллектор для дополнительной смазки трущихся поверхностей. Но из-за постоянных доливов масло требуется менять не чаще, чем через 10−12 тыс. км, и обязательно после зимней эксплуатации. Этому мотору все равно на каком бензине работать, нужно только соответствующим образом настроить систему зажигания. Кроме того, этот двигатель с легкостью проходит все тесты на экологичность. Плюсы и минусыНастало время поговорить о плюсах и минусах РПД. Распространенное мнение о недолговечности, ненадежности и проблемах при эксплуатации роторных двигателей не соответствует действительности. Все зависит от правильного и своевременного обслуживания роторного автомобиля. Запас мощности в РПД — более, чем достаточный. Кроме того, ремонтируется он даже легче, чем обычный — деталей-то в несколько раз меньше. Меньшая массаИз-за отсутствия необходимости в поршнях, шатунах и коленвале основной блок роторного двигателя имеет меньшие размеры и массу при лучших динамических характеристиках и управляемости. Меньшие размерыРоторный двигатель существенно меньше традиционного двигателя такой же мощности. Новый двигатель RENESIS примерно равен по размерам небольшому обычному четырехцилиндровому рядному двигателю. Небольшие размеры роторного двигателя выгодны не только тем, что уменьшают массу — они также улучшают управляемость, облегчают оптимальное расположение трансмиссии и позволяют сделать автомобиль более просторным для водителя и пассажиров. Меньший уровень вибрацииВсе части роторного двигателя непрерывно вращаются в одном направлении, а не изменяют направление своего движения так, как поршни обычного двигателя. Роторные двигатели внутренне сбалансированы, что снижает уровень вибрации.
Роторный двигатель: отличия от поршневого ДВС, принцип работы
О чем речь? Роторный двигатель можно противопоставить классическому поршневому внутреннего сгорания, хотя основной принцип их работы основывается на сжигании топлива, и то, как реализована схема, имеет большое значение.
Какие особенности? В отличие от поршневого ДВС, роторный двигатель способен развивать большую мощность, обладает более высоким КПД. В то же время, он практически не подлежит ремонту и весьма прожорлив.
В этой статье:
- Когда и кем был создан роторный двигатель
- Практика использования роторных двигателей
- Принцип работы роторного двигателя
- Устройство роторного двигателя
- Плюсы и минусы роторного двигателя
7 обязательных шагов для организации СТО
Шаг 5 упускают 68% предпринимателей
Когда и кем был создан роторный двигатель
Роторный двигатель также нередко называют ванкелем. Как и в случае с дизелем, название связано с фамилией человека, которого принято считать изобретателем РПД. Согласно легенде, Феликс Ванкель трудился над разработкой мотора в те же годы, когда Адольф Гитлер шел к власти в послевоенной Германии, обложенной непосильными репарациями по условиям Версальского мирного договора.
В действительности все было не совсем так. Не умаляя заслуг талантливого изобретателя и инженера, каковым без всяких сомнений являлся Феликс Генрих Ванкель, следует уточнить, что его работа заключалась в разработке другого двигателя внутреннего сгорания, в котором использовался принцип простого вращения взаимодействующих роторов.
В послевоенные годы Ванкель, сотрудничая с Вальтером Фройде, в составе группы инженеров, которые трудились над созданием роторных двигателей в немецкой компании NSU Motorenwerke AG, успешно занимался разработкой механических уплотнений вращающихся клапанов.
Честь разработки базовой схемы и инженерной концепции РПД принадлежит именно Вальтеру Фройде, а Феликс Ванкель внес вклад в совместную работу, занимаясь уплотнениями вращающихся клапанов, и получил патент на двойное вращение.
Схема работы первого роторного двигателя была несовершенна – рабочая часть мотора состояла из вращающейся камеры сгорания и неподвижного ротора. Решение сделать неподвижной именно камеру напрашивалось само собой.
Рабочий образец роторно-поршневого двигателя, работавшего по схеме, которая впоследствии стала применяться во всех подобных моторах (неподвижная камера и вращающийся ротор), был создан в конце 50-х годов прошлого века. От современных модификаций этот РПД отличался расположением свечей зажигания на корпусе.
Спустя некоторое время компания NSU заявила об успешных испытаниях нового перспективного двигателя внутреннего сгорания, лицензию на выпуск роторно-поршневых двигателей поспешили приобрести около ста компаний, примерно треть из которых составляли крупные японские производители автомобилей.
Практика использования роторных двигателей
Роторно-поршневые двигатели в Советском Союзе
В нашей стране не стали озадачиваться приобретением лицензии, приступив к разработке собственных роторных моторов после того, как в страну был завезен для разборки и изучения закупленный в Германии автомобиль NSU Ro 80, выпускавшийся автомобилестроительной компанией NSU Motorenwerke AG с 1967 по 1977 год.
В 1973 году на Волжском автозаводе началась работа специального конструкторского бюро, которое в 1976 году закончило работы над первым опытным образцом односекционного РПД ВАЗ-301, на доработку которого ушло еще около шести лет.
Результатом работы КБ стало начало в 1982 году выпуска первого отечественного серийного автомобиля с РПД – ВАЗ-21018. Однако двигатели автомобилей, входящих в первую опытную партию, не выдержали испытаний. После годовой доработки начался выпуск так называемых «догонялок» ВАЗ-411 и 413. Эти модели производились для МВД и КГБ, которым были необходимы быстрые, мощные машины, не бросающиеся в глаза и позволяющие преследовать иностранные авто. Эти заказчики не слишком огорчались из-за прожорливости и низкого ресурса первых РПД.
Роторно-поршневые двигатели в западных странах
В капиталистических странах роторные двигатели не получили широкого распространения, а с началом топливного кризиса начала 1970-х, когда ценники на заправках устремились вверх и массовый потребитель начал отдавать предпочтение экономичным двигателям, в Северной Америке и европейских странах работа над РПД и вовсе сошла на нет.
Роторно-поршневые двигатели, которым на каждые 100 км пути требовалось около 20 л топлива, в эти годы окончательно перестали пользоваться спросом.
Работы по разработке роторных ДВС продолжались в Японии, однако и в этой стране интерес производителей к моторам, которые никак не удавалось довести до ума, вскоре начал стремиться к нулю. Единственными разработчиками, с оптимизмом смотревшими на перспективы роторно-поршневых двигателей, оставались специалисты Mazda Motor Corporation. Японцы занимались этой темой дольше всех – до 2012 года. А в Советском Союзе, который не ощутил на себе влияния топливного кризиса 1970-х, выпуск машин с роторным двигателем продолжался. Он сошел на нет уже в РФ, когда на Волжском автозаводе в 2004 году были свернуты работы над новыми моделями.
Принцип работы роторного двигателя
Как и в традиционных поршневых, в роторных двигателях используется давление, которое создает сгорающая смесь топлива с-воздухом. В таких моторах также происходит подача топливно-воздушной смеси через дроссельные заслонки с последующим удалением выхлопных газов через выпускное отверстие. РПД отличаются от обычных ДВС тем, что в них нет передаточных звеньев (поршней, шатунов и коленвала), передающих усилие на вал. В роторных моторах роль поршня отводится треугольному ротору, который вращается, передавая крутящий момент трансмиссии.
Камера сгорания в РПД делится ротором на три отдельных пространства, в которых выполняется цикл, состоящий из впуска топливно-воздушной смеси, сжатия, рабочего хода и выпуска выхлопных газов, то есть оба типа двигателей обычно бывают четырехтактными.
Даже самые простые роторные моторы оснащаются двумя роторами, что позволяет сделать работу более стабильной и добиться заметного уменьшения детонации. Внимательно рассмотрев приведенную ниже схему работы РПД, можно увидеть, что одному полному обороту ротора соответствуют три оборота вала.
Роль главного элемента роторных двигателей принадлежит ротору, который устанавливается на эксцентриковый вал и выполняет ту же работу, что и поршни в традиционных моторах, отвечая за передачу крутящего момента.
Как работает роторный двигатель? Рабочий цикл состоит из четырех тактов, сменяющих друг друга по мере вращения ротора. Разберем подробнее каждый из них.
Впуск
При прохождении одной из трех вершин ротора через впускной клапан, которым оснащен корпус, происходит засасывание топливно-воздушной смеси в увеличивающееся пространство, образованное ротором и стенкой камеры. Начало следующего такта совпадает с прохождением следующей вершиной ротора впускного клапана.
Уменьшение объема пространства, образованного ротором и стенкой камеры, сопровождается повышением давления топливно-воздушной смеси. Максимальное значение достигается, когда в зону со сжатой смесью попадают свечи зажигания.
Рабочий ход
Как и в обычных ДВС, в роторно-поршневых двигателях топливно-воздушная смесь зажигается при помощи свечей, которые одномоментно воспламеняют ее на концах вытянутого рабочего объема. Такая схема зажигания необходима для повышения эффективности за счет более быстрого и равномерного взрывного сгорания смешанного с воздухом топлива. Если бы работала только одна свеча, постепенное выгорание смеси не смогло бы обеспечить достаточно высокое пиковое давление.
Образующаяся при сгорании смеси взрывная волна создает усилие, которое проворачивает ротор, в свою очередь передающий крутящий момент на эксцентриковый вал.
Выпуск
При прохождении вершиной ротора выпускного отверстия выхлопные газы начинают выбрасываться из камеры. В асинхронном роторном двигателе дальнейшее изменение угла и перемещение вершины к впускному клапану происходит за счет инерции в сочетании с вращением второго ротора.
Роторный двигатель: орел и решка
Роторный двигатель конструктивно проще поршневого, но и у этой медали есть обратная сторона. Изучаем его устройство и принцип работы на примере версии 13B-MSP, которую ставили на «Мазду RX‑8».
В 1957 году немецкие инженеры Феликс Ванкель и Вальтер Фройде продемонстрировали первый работоспособный роторный двигатель. Уже через семь лет его усовершенствованная версия заняла место под капотом немецкого спорткара «NSU-Спайдер» – первого серийного автомобиля с таким мотором. На новинку купились многие автомобильные компании – «Мерседес-Бенц», «Ситроен», «Дженерал моторс». Даже ВАЗ многие годы мелкими партиями выпускал машины с двигателями Ванкеля. Но единственной компанией, которая решилась на крупносерийное производство роторных двигателей и не отказывалась от них долгое время, несмотря ни на какие кризисы, стала «Мазда». Ее первая модель с роторным мотором – «Космо Спортс (110S)» – появилась еще в 1967 году.
ЧУЖОЙ СРЕДИ СВОИХ
В чем сходство и отличие роторного двигателя от привычного поршневого собрата? Попробуем разобраться на примере одной из его последних версий 13B-MSP, которую ставили на «Мазду RX‑8».
В поршневом моторе энергия сгорания топливовоздушной смеси сначала преобразуется в возвратно-поступательное движение поршневой группы, а уже затем во вращение коленчатого вала. В роторном же двигателе это происходит без промежуточной ступени, а значит, с меньшими потерями.
Есть две версии бензинового 1,3‑литрового атмосферника 13B-MSP с двумя роторами (секциями) – стандартной мощности (192 л.с.) и форсированная (231 л.с.). Конструктивно это бутерброд из пяти корпусов, которые образуют две герметичные камеры. В них под действием энергии сгорания газов вращаются роторы, закрепленные на эксцентриковом валу (подобие коленчатого). Движение это весьма хитрое. Каждый ротор не просто вращается, а обкатывается своей внутренней шестерней вокруг стационарной шестерни, закрепленной по центру одной из боковых стенок камеры. Эксцентриковый вал проходит сквозь весь бутерброд корпусов и стационарные шестерни. Ротор движется таким образом, что на каждый его оборот приходится три оборота эксцентрикового вала.
В роторном моторе осуществляются те же циклы, что и в четырехтактном поршневом агрегате: впуск, сжатие, рабочий такт и выпуск. При этом в нем нет сложного механизма газораспределения – привода ГРМ, распредвалов и клапанов. Все его функции выполняют впускные и выпускные окна в боковых стенках (корпусах) – и сам ротор, который, вращаясь, открывает и закрывает «окна».
Принцип работы роторного двигателя показан на схеме. Для простоты приведен пример мотора с одной секцией – вторая функционирует так же. Каждая боковая сторона ротора образует со стенками корпусов свою рабочую полость. В положении 1 объем полости минимален, и это соответствует началу такта впуска. По мере вращения ротор открывает впускные окна и в камеру всасывается топливовоздушная смесь (позиции 2–4). В положении 5 рабочая полость имеет максимальный объем. Далее ротор закрывает впускные окна и начинается такт сжатия (позиции 6–9). В положении 10, когда объем полости вновь минимален, происходит воспламенение смеси с помощью свечей и начинается рабочий такт. Энергия сгорания газов вращает ротор. Расширение газов идет до положения 13, а максимальный объем рабочей полости соответствует позиции 15. Далее, до положения 18, ротор открывает выпускные окна и выталкивает отработавшие газы. Затем цикл начинается снова.
Остальные рабочие полости работают так же. А поскольку полостей три, то за один оборот ротора происходит аж три рабочих такта! А учитывая, что эксцентриковый (коленчатый) вал вращается в три раза быстрее ротора, на выходе получаем по одному рабочему такту (полезная работа) на один оборот вала для односекционного мотора. У четырехтактного поршневого двигателя с одним цилиндром это соотношение в два раза ниже.
По соотношению числа рабочих тактов на оборот выходного вала двухсекционный 13B-MSP похож на привычный четырехцилиндровый поршневой мотор. Но при этом с рабочего объема 1,3 л он выдает примерно столько же мощности и крутящего момента, сколько поршневой с 2,6 л! Секрет в том, что движущихся масс у роторного мотора в несколько раз меньше – вращаются только роторы и эксцентриковый вал, да и то в одну сторону. У поршневого же часть полезной работы уходит на привод сложного механизма ГРМ и вертикальное движение поршней, которое постоянно меняет свое направление. Еще одна особенность роторного мотора – более высокая стойкость к детонации. Именно поэтому он перспективнее для работы на водороде. В роторном двигателе разрушительная энергия аномального сгорания рабочей смеси действует только в направлении вращения ротора – это следствие его конструкции. А у поршневого мотора она направлена в противоход движению поршня, что и вызывает плачевные последствия.
Двигатель Ванкеля: НЕ ВСЁ ТАК ПРОСТО
Хотя у роторного мотора и меньше элементов, чем у поршневого, в нем применены более хитрые конструктивные решения и технологии. Но между ними можно провести параллели.
1 – ребро жесткости; 2 – внутренняя шестерня;3 – пружинный штифт; 4 – подшипник ротора; 5 – боковое уплотнение; 6 – форма кромки бокового уплотнения; 7 – пружина бокового уплотнения; 8 – ротор; 9 – уплотнение вершины ротора (апекс); 10 – уголок апекса;11 – пружины апекса;12 – камера сгорания ротора;13 – пружина углового уплотнения;14 – вставка углового уплотнения;15 – угловое уплотнение
Боковые корпусы – из специального чугуна. В каждом есть впускные и выпускные окна. А на крайних (переднем и заднем) закреплены стационарные шестерни. У моторов предыдущих поколений эти окна были в статоре. То есть в новой конструкции увеличили их размер и количество. За счет этого улучшились характеристики впуска и выпуска рабочей смеси, а на выходе – КПД двигателя, его мощность и топливная экономичность. Боковые корпусы в паре с роторами по функционалу можно сравнить с механизмом ГРМ поршневого мотора.
Ротор – по сути, тот же самый поршень и одновременно шатун. Изготовлен из специального чугуна, пустотелый, максимально облегчен. На каждой его стороне есть кюветообразная камера сгорания и, конечно же, уплотнители. Во внутреннюю часть вставлен роторный подшипник – своего рода шатунный вкладыш коленчатого вала.
Если привычный поршень обходится всего тремя кольцами (два компрессионных и одно маслосъемное), то у ротора подобных элементов в несколько раз больше. Так, апексы (уплотнения вершин ротора) играют роль первых компрессионных колец. Они изготовлены из чугуна с электронно-лучевой обработкой – для повышения износостойкости при контакте со стенкой статора.
Апексы состоят из двух элементов – основного уплотнителя и уголка. К стенке статора их прижимает пружина и центробежная сила. Роль вторых компрессионных колец играют боковые и угловые уплотнения. Они обеспечивают газоплотность контакта ротора и боковых корпусов. Как и апексы, к стенкам корпусов они прижимаются своими пружинами. Боковые уплотнители металлокерамические (на них приходится основная нагрузка), а угловые сделаны из специального чугуна. А еще есть изолирующие уплотнения. Они препятствуют перетеканию части отработавших газов во впускные окна через зазор между ротором и боковым корпусом. На обеих сторонах ротора есть и подобие маслосъемных колец – масляные уплотнения. Они задерживают масло, подаваемое в его внутреннюю полость для охлаждения.
Система смазки тоже изощренная. Она имеет минимум один радиатор для охлаждения масла при работе мотора на больших нагрузках и несколько видов масляных форсунок. Одни встроены в эксцентриковый вал и охлаждают роторы (по сути, похожи на форсунки охлаждения поршней). Другие встроены в статоры – по паре на каждый. Форсунки расположены под углом и направлены на стенки боковых корпусов – для лучшей смазки корпусов и боковых уплотнений ротора. Масло попадает в рабочую полость и смешивается с топливовоздушной смесью, обеспечивая смазку остальных элементов, и сгорает вместе с ней. Поэтому важно использовать только минеральные масла или одобренную производителем специальную полусинтетику. Неподходящие виды смазки при сгорании дают большое количество углеродных отложений, а это приводит к детонации, пропускам зажигания и снижению компрессии.
Топливная система довольно проста – за исключением количества и расположения форсунок. Две – перед впускными окнами (по одной на ротор), еще столько же – во впускном коллекторе. В коллекторе форсированного мотора на две форсунки больше.
Камеры сгорания очень длинные, и, чтобы сгорание рабочей смеси было эффективным, пришлось применить по две свечи на каждый ротор. Они отличаются друг от друга длиной и электродами. Во избежание неправильной установки на провода и свечи нанесены цветные метки.
НА ДЕЛЕ
Ресурс мотора 13B-MSP составляет примерно 100 000 км. Как ни странно, он страдает теми же проблемами, что и поршневой.
Первым слабым звеном кажутся уплотнения ротора, которые испытывают сильный нагрев и высокие нагрузки. Это действительно так, но прежде естественного износа их прикончат детонация и выработка подшипников эксцентрикового вала и роторов. Причем страдают только торцевые уплотнения (апексы), а боковые изнашиваются крайне редко.
Детонация деформирует апексы и их посадочные места на роторе. В результате вдобавок к снижению компрессии уголки уплотнений могут вывалиться и повредить поверхность статора, который не подлежит обработке. Расточка бесполезна: во‑первых, сложно найти нужное оборудование, а во‑вторых, запчастей под увеличенный размер просто нет. Не подлежат ремонту и роторы при повреждении пазов под апексы. Как водится, корень беды – в качестве топлива. Честный 98‑й бензин найти не так уж просто.
Быстрее всего изнашиваются коренные вкладыши эксцентрикового вала. Видимо, из-за того, что он вращается в три раза быстрее роторов. В результате роторы получают смещение относительно стенок статора. А вершины роторов должны быть равноудалены от них. Рано или поздно уголки апексов выпадают и задирают поверхность статора. Эту беду никак не предугадать – в отличие от поршневого мотора, роторный практически не стучит даже при износе вкладышей.
У форсированных наддувных моторов бывают случаи, когда из-за очень бедной смеси апекс перегревается. Пружина под ним выгибает его – в результате компрессия значительно падает.
Вторая слабинка – неравномерный нагрев корпуса. Верхняя часть (здесь протекают такты впуска и сжатия) холоднее, чем нижняя (такты сгорания и выпуска). Однако корпус деформируется только у форсированных наддувных моторов мощностью более 500 л.с.
Как и следовало ожидать, мотор очень чувствителен к типу масла. Практика показала, что синтетические масла, пусть и специальные, образуют при сгорании очень много нагара. Он накапливается на апексах и снижает компрессию. Нужно использовать минеральное масло – оно сгорает почти бесследно. Сервисмены рекомендуют менять его через каждые 5000 км.
Масляные форсунки в статоре выходят из строя в основном из-за попадания грязи во внутренние клапаны. Атмосферный воздух проникает в них через воздушный фильтр, и несвоевременная замена фильтра ведет к проблемам. Клапаны форсунок промывке не поддаются.
Проблемы с холодным пуском мотора, особенно в зимнее время, обусловлены потерей компрессии вследствие износа апексов и появления отложений на электродах свечей из-за некачественного бензина.
Свечей хватает в среднем на 15 000–20 000 км.
Вопреки расхожему мнению, производитель рекомендует глушить мотор как обычно, а не на средних оборотах. «Знатоки» уверены, что при выключении зажигания в рабочем режиме сгорают все остатки топлива и это облегчает последующий холодный пуск. По мнению сервисменов, толку от подобных ухищрений ноль. А вот действительно полезным для мотора будет хотя бы небольшой прогрев перед началом движения. С теплым маслом (не ниже 50º) его износ будет меньше.
При качественной дефектовке роторного двигателя и последующем ремонте он отходит еще 100 000 км. Чаще всего требуется замена статоров и всех уплотнений роторов – за это придется выложить не менее 175 000 рублей.
Несмотря на вышеперечисленные проблемы, в России хватает поклонников роторных машин – что уж говорить о других странах! Хотя сама «Мазда» сняла роторную «восьмерку» с производства и с ее наследницей пока не спешит.
Mazda RX-8: ТЕСТ НА ВЫНОСЛИВОСТЬ
01-2
В 1991 году «Мазда‑787В» с роторным мотором победила в гонке «24 часа Ле-Мана». Это была первая и единственная победа автомобиля с таким двигателем. Кстати, сейчас далеко не все поршневые моторы доживают до финиша в «длинных» гонках на выносливость.
Подпишитесь на «За рулем» в
ПЯТИТАКТНЫЙ РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
Почти 140 лет прошло с тех пор, как немецкий инженер Н.Отто создал 4-х тактный поршневой двигатель. В принципе он ничего революционного не создал: просто усовершенствовал 2-х тактный поршневой двигатель внутреннего сгорания Э. Ленуара, который к тому времени уже активно использовался почти 20 лет.
С тех пор, за столь долгий срок – более 130 лет, особых революций в конструкции и принципах действия небольших тепловых двигателей не было, и все мы привыкли, что все двигатели вокруг нас – это поршневые ДВС преимущественно 4-х тактного цикла. Есть, конечно, еще 2-х тактные двигатели, но они, обладая чуть большей мощностью, отличаются резко меньшим моторесурсом и повышенным расходом топлива с грязным выхлопом.
Но вот, автор этой статьи решил изменить более чем столетнюю традицию, и создать двигатель с новым типом технологического цикла – 5-ти такный.
Но, прежде чем, описывать эту диковину – 5-ти тактный двигатель, стоит немного критически рассмотреть достоинства и недостатки традиционных 4-х тактных двигателей. 2-х тактные двигатели не берем во внимание, т.к. они еще более не совершенные, чем 4-х тактные.
По 4-х тактному циклу работают и карбюраторные двигатели и дизеля, и даже экзотический циклоидный роторный двигатель Ванкеля, тоже работает по 4-х тактному циклу.
Рассмотрим такты традиционного 4-х тактного поршневого мотора.
Первый такт — впуск (всасывание);
Второй такт – сжатие;
Третий такт – горение – расширение;
Четвертый такт – выпуск (выталкивание);
Работая по такому циклу карбюраторные двигатели (с принудительным искровым воспламенением) заметно отличаются по эффективности и образу организации внутренних процессов от дизелей (с воспламенением от сжатия).
Двигатель с принудительным воспламенением (искровым зажиганием) имеет количественное регулирование заряда рабочей смеси и достаточное время на смесеобразование топлива с воздухом. Так как он в первом такте «впуск» всасывает из карбюратора уже готовую рабочую смесь – пары бензина с воздухом.
Двигатели с воспламенением от сжатия (типа «дизель») имеют качественное регулирование заряда и почти вовсе не имеют времени на смесеобразование. Дизель в первом такте «впуск» всасывает только воздух, и в нем порция топлива впрыскивается в рабочее пространство в тот момент, когда поршень подошел почти к ВМТ, свободное пространство в цилиндре минимально. От этого давление в нем достигло величины, при которой воздух разогрелся до значительно большей, чем необходимо для воспламенения топлива, температуры, ведь это — гарантия надежности работы двигателя.
А теперь подробно рассматриваем процесс, происходящий во время самого «интересного» такта – третьего. В двигателе с искровым зажиганием в этом третьем такте совмещены два процесса – процесс «горение – получение рабочего тела» и процесс «расширение рабочего тела».
А в дизеле – во время третьего такта совмещены даже 4 процесса – завершение процесса впрыска топлива, процесс смесеобразования (испарения топлива в сжатом горячем воздухе), горения получившейся рабочей смеси и процесс расширения получившихся газов горения – «рабочего тела». Из-за сложности одновременного осуществления таких множественных процессов в слишком малое время и в одном объеме, проистекают все основные недостатки дизелей.
Именно из-за этих трудностей дизельному двигателю сложнее развивать высокие обороты — смесь просто не успевает догореть в цилиндрах. Это приводит к снижению удельной мощности двигателя на 1 л объёма, а значит, и к снижению удельной мощности на 1 кг массы двигателя. Этот факт послужил причиной малого распространения дизелей в авиации первой половины 20-го века, когда вся авиация летала на поршневых моторах с винтами.
Но и в поршневом двигателе с искровым зажиганием так же не всё обстоит хорошо. С овмещение в нем двух процессов в одном объеме и в одном пространстве так же имеет большие отрицательные последствия. Действительно – в 3-м такте сжатая и подожженная рабочая смесь горит и вырабатывает «рабочее тело» — газы горения высокого давления, и одновременно это же «рабочее тело» расширяется, совершая работу – толкая поршень в сторону НМТ.
Как и в дизеле – часть рабочей смеси, до которой фронт горения добирается в последнюю очередь, не успевает сгореть, так как к этому моменту поршень уже отошел от ВМТ на значительное расстояние и давление в цилиндре резко упало. Горение не успевшей сгореть к этому моменту части рабочей смеси прекращается и она в последствие идет на выхлоп, отравляя собой выхлопные газы и значительно уменьшая топливную эффективность двигателя. Особенно этот процесс заметен – когда двигатель пытается работать на обедненной смеси при большом избытке воздуха.
В принципе – работа двигателя на обедненной смеси при большом коэффициенте избытка воздуха – это самый экономичный тип работы мотора. Но при этом режиме смесь в цилиндрах горит значительно медленнее, отсюда- она не успевает сгореть на линии скоростного расширения объема цилиндра, и идет не сгоревшей на выхлоп. Экономичной работы на бедной смеси не получается и не сгоревшие и токсичные продукты неполного сгорания идут на выхлоп.
Чтобы избавиться от этого недостатка и в дизелях и в двигателях с искровым зажиганием применяют «ранее зажигание». Т.е. это поджиг раб смеси в искровых моторах или впрыск топлива в дизелях еще до того момента, когда процесс «сжатия» завершен полностью, и поршень еще не достиг ВМТ. Этим удлиняется процесс горения паров топлива в малом объеме, и меньшая часть времени горения остается на линию активного расширения пространства поршня, тем самым обеспечивается большая экономичность работы мотора. Но в этой технологической уловке есть несколько больших «НО».
Дело в том, что когда горение паров топлива начинается до приближения поршня к ВМТ, то в этот момент начинается активное нарастание давления газов горения. Давление нарастает, но поршень еще движется вверх, а горящие газы давят вниз… Т.е. при раннем зажигании в моторе начинается противоборство двух сил – силы инерции КШМ движут поршень вверх и продолжают сжимать рабочую смесь, а какая-то часть сгоревшей рабочей смеси своими газами высокого давления уже давит в противоположную сторону…
Именно этим страшна детонация в поршневых моторах, когда удары – взрывы от детонационного режима горения бьют по поршню- шатуну- коленвалу – когда они еще движется вверх. От таких нагрузок эти детали быстро рассыпаются. Особенно это характерно для форсированных, пережатых моторов с насильно увеличенной степенью сжатия. При этом надо понять, что мотор затрачивает значительную часть своей мощности на то, чтобы за счет сил инерции КШМ и работы других поршней, совершающих рабочий ход, все — таки преодолеть силы обратного давления уже горящей рабочей смеси при раннем зажигании.
В принципе 3-й такт в современных 4-х тактных двигателях есть попытка соединить в одно время и в одном месте два очень трудно совместимых процесса. Действительно — процесс горения лучше всего должен происходить достаточно длительное время, в идеале в замкнутом объеме, где будет нарастать температура и давление, которые бы содействовали быстрому и полному сгоранию паров топлива.
А процесс расширения лучше всего происходил бы при умеренных температурах в условиях хорошей смазки активно трущихся поверхностей.
Но соединение этих двух процессов в одно время и в одном технологическом объеме приводит к тому, что горение происходит на линии скоростного увеличения объема и активного падения давления, а расширение происходит в условиях высоких температур, что грозит сильным разрушающим термическим воздействием на конструкционные материалы двигателя и выгоранием смазывающего масла. В итоге — горение паров топлива совершается не полностью, а расширение осуществляется в тяжелых услловиях.
Итак, можно четко сделать однозначный вывод: совмещение в одном рабочем такте (в 3-м такте) одновременно двух технологических процессов – процесса «горение рабочей смеси – создание рабочего тела» и процесса «расширение рабочего тела высокого давления» (а в дизеле – еще большего количества) ведет к большим потерям КПД, и малой топливной эффективности поршневых 4-х тактных двигателей.
ВЫВОДЫ: Я достаточно много времени уделил изучению этого положения дел в современной технике, и вижу возможность резкого исправления ситуации в возможности и необходимости разделить соединенный в поршневых 4-х тактниках процесс «горение – расширение» на два отдельных процесса.
Т.е. вместо одного совмещенного 3-го такта появятся два обособленных технологических процесса:
— «горение рабочее смеси – создание рабочего тела (газов горения)»;
— «расширение рабочего тела»;
Т.е. вместо 4-х тактного двигателя мы получим 5-ти тактный двигатель. При этом новые 3-й и 4- й такты должны проходить в различных технологических объемах двигателя и желательно быть совмещенными по времени.
Такая постановка вопроса кажется крайне необычной. Но в действительности тут ничего невероятного нет. Ибо всем известные нам паровые машины работали по близкому в своей идеологии принципу. В паровых двигателя два такта – «расширение рабочего тела» и «выпуск отработавшего рабочего тела» совершался в расширительной поршневой машине, а вот технологические процессы горения топлива и подготовки «рабочего тела высокого давления» совершались в это же время в обособленной части двигателя – в топке и в паровом котле.
Автор пришел к пониманию необходимости применить примерно такую же идеологию и к двигателю внутреннего сгорания. Тем более что в паровых машинах она работала очень хорошо. Вспомните, какой поршневая машина паровоза имела огромный крутящий момент. Так паровоз без всякой коробки передач трогал с места состав из десятков груженых вагонов. Такой мощный крутящий момент с самых низких оборотов парового двигателя позволяла иметь именно система организации раздельных технологических процессов (тактов) – «горение топлива», «создание рабочего тела высокого давления» и «расширение рабочего тела». Если удастся «встроить» похожую идеологию в конструкцию ДВС, то возможно будет получить маленький двигатель небывалых возможностей – с очень высоким КПД, мощным крутящим моментом и малых размеров.
Но вот беда – в поршневой двигатель, эту идеологию почти невозможно встроить. Тем более, что сам по себе кривошипно – шатунный механизм, превращающий возвратно-поступательное движение поршня во вращение главного вала, имеет очень большие и многочисленные недостатки.
В современных поршневых ДВС имеет место соединение двух «родовых проклятий»:
— совмещение в одном 3-м такте двух разных по задачам процессов: «горения» и «расширения»;
— недостатки возвратно поступательного движения поршня и работы связанного с ним КШМ;
Это сращивание отрицательных черт приводит к тому, что прогресс современного двигателестроения в области моторов малой и средней мощности топчется практически на месте уже без малого 60 лет.
Автор настоящей статьи, в результате определенной проделанной теоретической и практической работы, сейчас создает 5-ти тактный роторный двигатель новой компоновки, который будет лишен всех указанных недостатков 4-х тактных поршневых двигателей.
Главными отличительными чертами этого двигателя будет следующие:
— в области кинематической схемы, все движущиеся части двигателя будут совершать простые и равномерные вращательные движения. В двигателе не будет ни одной части совершающей возвратно-поступательные, колебательные или качательно -пульсирующие движения;
— в области организации технологических процессов – все технологические процессы будут осуществляться в раздельных (обособленных) технических камерах, при этом одномоментно во времени;
Такой способ организации процессов позволит сделать уникальный двигатель со сферическими, запираемыми на заметное время керамическими камерами сгорания практически оптимальной сферической формы, которые не будут иметь движущихся частей. Предварительно сжатая в другой технологической камере рабочая смесь будет сгорать здесь полностью в условиях неизменного объема, нарастающего давления и увеличивающейся температуры (изохорный процесс). В итоге я рассчитываю получить адиабатный (без охлаждения), детонационный (режим сгорания паров топлива –взрывной), роторный двигатель с простым и непрерывным вращением главного рабочего элемента. В настоящее время такой двигатель уже изготавливается.