Роторный двигатель: принцип работы. Плюсы и минусы роторного двигателя

Как известно, подавляющее большинство современных автомобилей оснащено двигателями внутреннего сгорания или ДВС. Суть их работы состоит в преобразовании энергии, образующейся при сжигании топливной смеси, во вращение вала, от которого при помощи механического привода движение передается на колеса транспортного средства. В подавляющем большинстве автомобилей сейчас используются ДВС, устроенные по поршневой схеме. Но, есть и другой тип двигателей внутреннего сгорания, а именно — роторные двигатели. О данном типе двигателя мы и расскажем в данной статье.

История роторных двигателей началась в 1957 году, когда немецкими инженерами Феликсом Ванкелем и Вальтером Фройде был продемонстрирован первый работоспособный образец такого силового агрегата. Поначалу новинкой очень серьезно заинтересовались многие ведущие мировые производители автомобилей (в частности, Mercedes-Benz, General Motors, Citroen), однако в итоге только японская Mazda решилась на то, чтобы освоить выпуск роторных двигателей крупными сериями и не отказываться от них в течение весьма длительного времени.

Кстати говоря, даже отечественный ВАЗ в течение целого ряда лет выпускал ограниченными сериями «Жигули» с роторными силовыми агрегатами. «Обычным» покупателям они не поставлялись, а отправлялись эти машины в автопарки КГБ и, в совсем небольших количествах, МВД СССР.

Принцип работы роторного двигателя, также как и обычного поршневого двигателя, базируется на преобразовании энергии сгорания в энергию вращения, однако это преобразование осуществляется немного другим способом. В роторном двигателе вращательное движение совершает непосредственно главный рабочий его элемент - ротор. Именно в этом состоит важнейшее отличие роторного двигателя внутреннего сгорания от поршневого ДВС, в котором главными подвижными рабочими элементами являются поршни, совершающие не вращательное, а возвратно-поступательное движение.

Таким образом, в роторных двигателях в силу их конструкции полностью исключаются достаточно сложные по своей конструкции и требующие периодического обслуживания кривошипно-шатунные механизмы, преобразующие возвратно-поступательное движение во вращательное движение коленчатого вала.

Так же, как и в поршневом, в роторном двигателе используется давление газов, образующихся в результате сгорания топливно-воздушной смеси. Однако оно возникает не в цилиндрах, а в камере, которая образуется той частью корпуса, которая закрыта стороной находящегося внутри нее треугольного ротора. Именно он и используется вместо поршней.

Вращение ротора под воздействием этого давления происходит по траектории, очень напоминающей линию, нарисованную спирографом. Благодаря этому все три вершины треугольного ротора при соприкосновении со внутренними стенками корпуса двигателя образуют герметичные камеры сгорания. По мере вращения ротора каждый из трех этих объемов попеременно то расширяется, то сжимается. Такой режим функционирования роторного ДВС обеспечивает осуществление таких процессов, как:

  • Поступление топливно-воздушной смеси;
  • Сжатие;
  • Полезную работу;
  • Выпуск выхлопа.

Таким образом, роторный двигатель точно так же, как и стандартный поршневой двигатель современного автомобиля, является четырехтактным.

Система зажигания и система впрыска топлива в роторных двигателях схожа с аналогичными, используемыми в двигателях поршневых, однако строение этих ДВС совершенно различно. Основными конструктивными элементами роторного двигателя являются:

  • Ротор;
  • Статор (корпус);
  • Выходной вал.

Как уже были сказано выше, ротор располагается внутри статора (корпуса) и имеет три выпуклых стороны. Каждая из них, по сути дела, играет роль поршня и имеет углубление, необходимое для того, чтобы повысить скорость вращения. На каждой из сторон ротора имеется по два металлических кольца, которые формируют необходимые для функционирования этого ДВС камеры сгорания.

Важной составляющей ротора является зубчатое колесо, расположенное в его центре и сопрягаемое с закрепленной на корпусе шестерней. Именно благодаря такому сопряжению задается необходимая траектория и направление, по которым ротор вращается в корпусе.

Корпус роторного двигателя внутреннего сгорания имеет овальную форму, которая рассчитана и реализована таким образом, чтобы с его внутренними стенками всегда соприкасались все три вершины ротора. Это необходимо для того, чтобы в любой момент времени внутри этого силового агрегата присутствовали три полностью изолированных друг от друга объема газа. Кроме того, в корпусе располагаются порты впуска и выпуска, причем в них нет клапанов: впускной порт соединяется непосредственно с дросселем, а выпускной - непосредственно с выхлопной системой.

Выходной вал роторного двигателя совсем не похож на коленчатый вал поршневого ДВС. На нем эксцентрично, то есть с некоторым смещением относительно центральной оси располагаются специальные выступы. С каждым из них сопряжен отдельный ротор (их, кстати говоря, в роторном двигателе располагается не один, а несколько). При вращении каждый из роторов толкает «свой» кулачок, в результате чего на валу появляется крутящий момент.

Следует заметить, что все роторные двигатели собираются слоями. У наиболее часто используемых двухроторных их пять, а удерживаются все он при помощи болтов, установленных по кругу. Охлаждение роторных двигателей осуществляется с помощью охлаждающей жидкости, которая походит через все части конструкции. Подшипники и уплотнения для выходного вала располагаются в двух крайних слоях. Они же разделяют между собой части корпуса, в которых располагаются сами роторы. Впускные порты располагаются в центральной части, а выпускные - в каждой из крайних частей.

Преимущества и недостатки роторных двигателей

Основными преимуществами роторных двигателей по сравнению с поршневыми являются:

  • Меньшее количество движущихся деталей;
  • Более плавная работа;
  • Более высокая надежность.

В двухроторном двигателе движется только выходной вал и оба ротора, в то время, как даже в самом простом по конструкции поршневом ДВС движущихся деталей насчитывается не менее сорока. Соответственно, надежность роторного силового агрегаты оказывается существенно более высокой.

В роторных двигателях все движущиеся части вращаются только в одном направлении, что значительно уменьшает вибрации. Для эффективного гашения тех, которые все же возникают, используются противовесы. Следует также отметить, что вращение ротора в роторном двигателе составляет лишь треть от скорости вращения вала. Это также положительно сказывается на надежности силового агрегата.

У роторных двигателей есть и несколько существенных недостатков. Пожалуй, главный из них состоит в том, что по сравнению с поршневыми ДВС они расходуют существенно больше топлива. При этом затраты на их производство значительно выше, поэтому на сегодняшний день большими сериями они не выпускаются.

Видео на тему

Концепция роторного двигателя весьма интересна. Такие крупнейшие концерны, как Mazda, Citroen, Mersedes-Benz и General Motors, выпускали автомобили с роторными двигателями, однако позднее от них отказались. В этой статье мы рассмотрим принцип работы роторного ДВС, а также преимущества и недостатки этой конструкции.

Что такое роторный двигатель

Роторно-поршневой двигатель (РПД) - это класс тепловых двигателей, объединённых типом движения рабочего элемента, или ротора. В частном случае такого устройства можно выделить роторные двигатели внутреннего сгорания (роторные ДВС).

Такой тип двигателя не нуждается в элементах, которые преобразуют поступательные движения во вращательные. Соответственно, при работе роторного ДВС значительно меньше потерь, нежели поршневого, весь отсутствует промежуточное звено, такое как коленчатый вал.

На первый взгляд, этот агрегат отлично решает поставленную перед ним задачу и имеет более высокий КПД. Однако такая конструкция не получила большого распространения, и даже автомобильному концерну Mazda, который долго выпускал автомобили с таким типом двигателя, в частности модель RX-8, пришлось в конце концов отказаться от роторных систем.

Это обусловлено некоторыми недостатками в работе системы, о которых пойдёт речь далее в статье.

Немного истории возникновения агрегата

Знаете ли вы? В первой версии конструкции Ванкеля имелась подвижная камера и зафиксированный ротор, однако в итоге схему поменяли местами.

В этом тандеме Ванкель провёл исследования уплотнений вращающихся клапанов, а базовую схему и инженерную концепцию сформулировал Фройде. Сейчас роторный ДВС часто называют двигателем Ванкеля.

Впервые данная модель «сердца автомобиля» была испытана на NSU Spider, мощность мотора которого составила 57 лошадиных сил. При этом он легко разгонялся до скорости 150 км/ч.
Первым массовым авто с роторной системой стал NSU Ro-80 - второй по счёту автомобиль во всей линейке компании. В отечественном автопроме данная модель двигателя использовалась на ВАЗ 21079, которая была служебной машиной, часто милицейской.

А самой массовой серией машин с роторным ДВС по праву считается Mazda RX (Rotor-eXperiment), которая производилась вплоть до середины 2012 года, хотя и сейчас ещё не до конца распроданы выпущенные автомобили.

Конструкция роторного двигателя

Подвижный элемент этой конструкции устанавливается на валу и соединяется с шестерёнкой, которая соединена со статором и образует так называемую «неподвижную шестерню». Диаметр статора по размерам значительно меньше диаметра ротора, вращающегося вокруг шестерни вместе с зубчатым колесом.

Ротор имеет трёхгранную форму и движется по поверхности цилиндра. В процессе движения он поочерёдно закрывает объёмы камер при помощи уплотнений, находящихся в вершинах ротора. Во время работы конструкции не требуется специального газораспределения.
1 и 2 - части впускной системы двигателя; 3 - задняя часть корпуса двигателя; 4 и 6 - цилиндры (корпус ротора); 5 - средняя часть корпуса двигателя; 7 - передняя часть корпуса двигателя; 8 - корпус дроссельной заслонки; 9 и 11 - стационарные (неподвижные) шестерни на фланцах; 10 - ротор с внутренним зубчатым венцом в сборе; 12 - эксцентриковый вал роторов; 13 - приёмный выпускной коллектор. Благодаря действию давления газа и центробежных сил пластины, которые выполняют роль уплотнителя, прижимаются к внутренней поверхности устройства, и в результате происходит герметизация камеры.

Схема в итоге оказалась куда проще и компактнее, чем поршневые устройства, в том числе за счёт отсутствия картерного пространства, шатунов и коленвала. Чаще всего при изготовлении конструкции применяется соотношение радиуса шестерни к зубчатому колесу 2:3.

Принцип работы

Роторный двигатель не производит возвратно-поступательные движения, как обычный поршневой ДВС. Принцип работы основан на вращении поршня. В работе нет точек замирания, как у поршневого устройства, то есть он работает более плавно, без импульсов.

РПД использует избыточное давление, которое возникает в процессе сгорания смеси топлива и воздуха. С помощью шатуна и коленчатого вала приводится в движение поршень. Давление возникает в камерах, которые формируются самой конструкцией цилиндра и корпусом ротора, играющего роль поршня.
Траектория работы ротора похожа на линию спирографа. Когда происходит соприкосновение вершин движущего элемента и стенок самого ДВС, создаются непроницаемые камеры сгорания.

Вращающийся ротор позволяет осуществлять следующие процессы:

  • поступление воздушно-топливной смеси;
  • её сжатие;
  • воспламенение;
  • выпуск выхлопа.

При поступлении воздуха в камеру одновременно впрыскивается топливо. При вращении ротора в этой камере смесь сжимается. Вращаясь, ротор перемещает камеру со смесью к свечам зажигания, после чего происходит воспламенение топлива и расширение.

На следующем повороте смесь выходит в выхлопную трубу, и процесс повторяется. Такой процесс работы ничем не отличается от работы четырёхтактного поршневого ДВС.

Видео: как работает роторный двигатель

Плюсы и минусы

К преимуществам роторного двигателя можно отнести:

  • отсутствие пульсирующих импульсных нагрузок;
  • КПД такого двигателя составляет 40 %, в отличие от 20 % поршневого ДВС;
  • его мощность значительно выше, к тому же работает он намного тише, что позволяет использовать топливо с низким октановым числом;
  • он сделан из гораздо меньшего количества металла, а значит, более лёгкий;
  • конструкция содержит меньшее число агрегатов и узлов.

Недостатки:

  1. Герметизация камеры сгорания и впуска-выпуска.
  2. Для разработки нужны точные расчёты, ведь в при трении металл в результате нагрева расширяется. Точные расчёты позволяют сохранить компрессию и КПД.
  3. В процессе работы такой двигатель имеет склонность к перегревам, чем и уступает поршневым ДВС.
  4. Из-за конструкции самого устройства зоны нагрева распределены неравномерно, поскольку в камере сгорания температура выше, чем в камере впуска-выпуска. Следовательно, и цилиндр нагревается неравномерно. Для устранения такого дефекта конструкции необходимо в процессе производства цилиндра использовать различные материалы.
  5. Износостойкость у данного типа значительно ниже, чем у поршневых ДВС, так как роторный работает на больших оборотах.
  6. Из-за больших оборотов значительно увеличивается расход топлива и масла.
  7. Поскольку в процессе работы роторного ДВС топливо не успевает полностью сгореть, выхлопные газы являются более токсичными, нежели у поршневого.
  8. При использовании роторного двигателя нужно регулярно производить замену масла и чётко следить за выполнением этой процедуры.

 Роторный двигатель хоть и не получил такого же распространения, как поршневой ДВС, однако тоже нашёл свою нишу в автомобильной промышленности.

Важно! В автомобилях с таким двигателем необходимо масло заменять каждые 5000 км. Если своевременно не выполнять замену, то вероятность поломок значительно увеличивается, что влечёт за собой дорогостоящий ремонт.

Например, его часто устанавливают в машины, которые участвуют в гонках. Несмотря на существенные недостатки, этот двигатель обладает и несомненными достоинствами, поэтому по-прежнему считается серьёзной альтернативой поршневым ДВС.

Автомобильная индустрия постоянно развивается. Неудивительно, что появляются альтернативные технологии, которые тем мне менее редко появляются в массовом производстве. Именно к таким можно причислить роторные двигатели.

Важно! Бурный толчок в развитии автомобилестроения дало изобретение двигателя внутреннего сгорания. Как результат машины стали ездить на жидком топливе, и началась бензиновая эра.

Машины с роторным двигателем

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Принцип работы

Многие автомобильные эксперты считают, что конструкцию обычного поршневого аппарата нужно оставить в далёком прошлом. Тем не менее миллионам машин нужна достойная замена, может ли им стать роторный двигатель, давайте разберёмся.

Принцип работы роторного двигателя базируется на давлении, которое создаётся при сжигании топлива. Основной частью конструкции является ротор, который отвечает за создание движений нужной частоты. В результате энергия передаётся на сцепление. Ротор выталкивает её, передавая на колёса.

Ротор имеет форму треугольника. Материалом конструкции служит легированная сталь. Деталь находится в овальном корпусе, в котором, собственно, и происходит вращение, а также ряд важных для выработки энергии процессов:

  • сжатие смеси,
  • впрыск топлива,
  • создание искры,
  • подача кислорода,
  • слив отработанного сырья.

Главная особенность устройства роторного двигателя заключается в том, что ротор имеет крайне необычную схему передвижения. Результатом подобного конструкторского решения являются три полностью изолированные друг от друга ячейки.

Внимание! В каждой ячейки происходит определённый процесс.

В первую ячейку поступает воздушно-топливная смесь. В полости происходит перемешивание. Дальше ротор перемещает полученную субстанцию в следующий отсек. Именно здесь проходит сжатие и воспламенение.

В третьей ячейке удаляется использованное топливо. Слаженная работа трёх отсеков как раз и даёт ту удивительную производительность, которая была продемонстрирована на примере автомобилей из серии RX.

Но главный секрет устройства кроется совсем в другом. Дело в том, что эти процессы не возникают один за другим, они происходят моментально. Как результат всего за один оборот проходит три такта.

Выше была представлена схема работы базового роторного мотора. Многие производители стараются модернизировать технологию, чтобы добиться больше производительности. Некоторым это удаётся, другие же терпят поражение.

Японским инженерам удалось добиться успеха. Уже упомянутые выше двигатели «Мазда» имеют до трёх роторов. Во сколько в таком случае возрастёт производительность, вы можете себе представить.

Приведём наглядный пример. Возьмём обычный мотор РПД с двумя роторами и найдём ближайший аналог — шестицилиндровый двигатель внутреннего сгорания. Если же добавить в конструкцию ещё одни ротор, то разрыв будет и вовсе колоссальным — 12 цилиндров.

Виды роторных двигателей

Множество автокомпаний бралось за производство роторных двигателей. Неудивительно, что было создано много модификаций, каждая из которых имеет свои особенности:

  1. Роторный двигатель с разнонаправленным движением. Ротор здесь не вращается, а как бы качается вокруг своей оси. Процесс сжатия происходит между лопатками мотора.
  2. Пульсирующе-вращательный роторный двигатель. Внутри корпуса два ротора. Сжатие проходит между лопастями этих двух элементов, когда они сближаются и удаляются.
  3. Роторный двигатель с уплотнительной заслонкой — данная конструкция до сих пор широко задействуется в пневматических моторах. Для роторных двигателей внутреннего сгорания существенно переделывается камера, в которой проходит воспламенение.
  4. Роторный двигатель, работающий за счёт вращательных движений. Считается, что именно эта конструкция является наиболее технически совершенной. Здесь нет деталей, которые совершают возвратно-поступательные движения. Поэтому роторные двигатели такого типа легко достигают 10 000 оборотов в минуту.
  5. Планетарно-вращательный роторный двигатель — самая первая модификация, изобретённая двумя инженерами.

Как видите, наука не стоит на месте, немалое количество видов роторных моторов позволят надеяться на дальнейшее развитие технологии в отдалённом будущем.

Достоинства и недостатки роторного двигателя

Как видите, роторные моторы пользовались определённой популярностью в своё время. Мало того, действительно, легендарные машины были оснащены моторами такого класса. Чтобы понять, почему данный аппарат устанавливался на передовые модели японских машин, нужно узнать все его достоинства и недостатки.

Достоинства

С предыстории, представленной ранее, вы уже знаете, что роторный двигатель в своё время привлёк большое внимание производителей моторов, на то было несколько причин:

  1. Повышенная компактность конструкции.
  2. Малый вес.
  3. РПД хорошо сбалансирован и создаёт при работе минимум вибраций.
  4. Количество запчастей в моторе на порядок меньше, чем в поршневом аналоге.
  5. РПД обладает высокими динамическими качествами

Самое же главное достоинство РПД — высокая удельная мощность. Авто с роторным двигателем может разогнаться до 100 километров без переключения на высокие передачи при сохранении большого количества оборотов.

Важно! Использование роторного двигателя позволяет добиться повышенной устойчивости автомобиля на дороге благодаря идеальной развесовке.

Недостатки

Вот и пришло время больше узнать, почему, несмотря на все преимущества, большинство производителей перестали устанавливать роторные двигатели на свои автомобили. К недостаткам РПД причисляют:

  1. Повышенный расход топлива при работе на низких оборотах. В самых требовательных к ресурсам машинам он может достигать 20—25 литров на 100 километров пробега.
  2. Сложность в изготовлении. На первый взгляд конструкция роторного двигателя намного проще, чем у поршневого. Но дьявол кроется именно в деталях. Их изготовить крайне непросто. Геометрическая точность каждой запчасти должна быть на идеальном уровне, иначе ротор не сможет пройти эпитрохоидальную кривую с должным результатом. РПД требует при своём изготовлении высокоточное оборудование, которое стоит немалых денег.
  3. Роторный двигатель часто перегревается. Это связано с необычным строением камеры сгорания. К сожалению, даже спустя много лет инженерам не удалось исправить данный дефект. Избыток энергии, вырабатываемой при сгорании топлива нагревает цилиндр. Это сильно изнашивает мотор и сокращает срок его эксплуатации.
  4. Также роторный двигатель страдает перепадами давления. Результат подобного эффекта быстрый износ уплотнителей. Ресурс работы одного качественно собранного РПД лежит в диапазоне от 100 до 150 тысяч километров пробега. После прохождения данного рубежа без капитального ремонта уже не обойтись.
  5. Сложная процедура смены масла. Потребление роторным двигателем масла на 1000 километров составляет 600 миллилитров. Чтобы детали получали надлежащую смазку масло необходимо менять один раз на 5000 км. Если же этого не сделать, то становится крайне вероятным серьёзное повреждение ключевых узлов агрегата.

Как видите, несмотря на выдающиеся преимущества РПД имеет ряд весомых недостатков. Тем не менее конструкторские подразделения в ведущих автомобильных фирмах до сих пор пытаются модернизировать эту технологию, и кто знает, возможно, однажды, у них это получится.

Итоги

Роторные двигатели имеют множество весомых преимуществ, они хорошо сбалансированы, позволяют быстро наращивать обороты и обеспечивают набор скорости до 100 км за 4—7 секунд. Но есть у роторных моторов и недостатки, главный из которых маленький срок эксплуатации.

Роторно-поршневой двигатель(РПД), или двигатель Ванкеля. Двигатель внутреннего сгорания, разработанный Феликсом Ванкелем в 1957 году в соавторстве с Вальтером Фройде. В РПД функцию поршня выполняет трехвершинный (трехгранный) ротор, совершающий вращательные движения внутри полости сложной формы. После волны экспериментальных моделей автомобилей и мотоциклов, пришедшейся на 60-е и 70-е годы ХХ века, интерес к РПД снизился, хотя ряд компаний по-прежнему работает над совершенствованием конструкции двигателя Ванкеля. В настоящее время РПД оснащаются легковые автомобили компании Mazda. Роторно-поршневой двигатель находит применение в моделизме.

Принцип работы

Сила давления газов от сгоревшей топливо-воздушной смеси приводит в движение ротор, насаженный через подшипники на эксцентриковый вал. Движение ротора относительно корпуса двигателя (статора) производится через пару шестерен, одна из которых, большего размера, закреплена на внутренней поверхности ротора, вторая, опорная, меньшего размера, жестко прикреплена к внутренней поверхности боковой крышки двигателя. Взаимодействие шестерен приводит к тому, что ротор совершает круговые эксцентричные движения, соприкасаясь гранями с внутренней поверхностью камеры сгорания. В результате между ротором и корпусом двигателя образуются три изолированные камеры переменного объема, в которых происходят процессы сжатия топливо-воздушной смеси, ее сгорания, расширения газов, оказывающих давление на рабочую поверхность ротора и очищения камеры сгорания от отработанных газов. Вращательное движение ротора передается на эксцентриковый вал, установленный на подшипниках и передающий вращающий момент на механизмы трансмиссии. Таким образом в РПД одновременно работают две механические пары: первая - регулирующая движение ротора и состоящая из пары шестерен; и вторая - преобразующая круговое движение ротора во вращение эксцентрикового вала. Передаточное соотношение шестерен ротора и статора 2:3, поэтому за один полный оборот эксцентрикового вала ротор успевает провернуться на 120 градусов. В свою очередь за один полный оборот ротора в каждой из трех образуемых его гранями камер производится полный четырехтактный цикл двигателя внутреннего сгорания.
схема РПД
1 - впускное окно; 2 выпускное окно; 3 - корпус; 4 - камера сгорания; 5 – неподвижная шестерня; 6 - ротор; 7 – зубчатое колесо; 8 - вал; 9 – свеча зажигания

Достоинства РПД

Главным достоинством роторно-поршневого двигателя является простота конструкции. В РПД на 35-40 процентов меньше деталей, чем в поршневом четырехтактном двигателе. В РПД отсутствуют поршни, шатуны, коленчатый вал. В «классическом» варианте РПД нет и газораспределительного механизма. Топливо-воздушная смесь поступает в рабочую полость двигателя через впускное окно, которое открывает грань ротора. Отработанные газы выбрасываются через выпускное окно, которое пересекает, опять же, грань ротора (это напоминает устройство газораспределения двухтактного поршневого двигателя).
Отдельного упоминания заслуживает система смазки, которая в простейшем варианте РПД практически отсутствует. Масло добавляется в топливо - как при эксплуатации двухтактных мотоциклетных моторов. Смазка пар трения (прежде всего ротора и рабочей поверхности камеры сгорания) производится самой топливо-воздушной смесью.
Поскольку масса ротора невелика и легко уравновешивается массой противовесов эксцентрикового вала, РПД отличается небольшим уровнем вибраций и хорошей равномерностью работы. В автомобилях с РПД легче уравновесить двигатель, добившись минимального уровня вибраций, что хорошо сказывается на комфортабельности машины в целом. Особой плавностью хода отличаются двухроторные двигатели, в которых роторы сами являются снижающими уровень вибраций балансирами.
Еще одно привлекательное качество РПД - высокая удельная мощность при высоких оборотах эксцентрикового вала. Это позволяет добиться от автомобиля с РПД отличных скоростных характеристик при относительно небольшом расходе топлива. Малая инерционность ротора и повышенная по сравнению с поршневыми двигателями внутреннего сгорания удельная мощность позволяют улучшить динамику автомобиля.
Наконец, немаловажным достоинством РПД являются небольшие размеры. Роторный двигатель меньше поршневого четырехтактного мотора той же мощности примерно вдвое. И это позволяет рациональней использовать пространство моторного отсека, более точно рассчитывать расположение узлов трансмиссии и нагрузку на переднюю и заднюю ось.

Недостатки РПД

Главный недостаток роторно-поршневого двигателя - невысокая эффективность уплотнений зазора между ротором и камерой сгорания. Имеющий сложную форму ротор РПД требует надежных уплотнений не только по граням (а их четыре у каждой поверхности - две по вершинным, две по боковым граням), но и по боковой поверхности, соприкасающейся с крышками двигателя. При этом уплотнения выполнены в виде подпружиненных полосок из высоколегированной стали с особо точной обработкой как рабочих поверхностей, так и торцов. Заложенные в конструкцию уплотнений допуски на расширение металла от нагрева ухудшают их характеристики - избежать прорыва газов у торцевых участков уплотнительных пластин практически невозможно (в поршневых двигателях используют лабиринтовый эффект, устанавливая уплотнительные кольца зазорами в разные стороны).
В последние годы надежность уплотнений резко возросла. Конструкторы нашли новые материалы для уплотнений. Однако, говорить о каком-то прорыве пока не приходится. Уплотнения до сих пор остаются самым узким местом РПД.
Сложная система уплотнений ротора требует эффективной смазки трущихся поверхностей. РПД потребляет больше масла, чем четырехтактный поршневой двигатель (от 400 граммов до 1 килограмма на 1000 километров). При этом масло сгорает вместе с топливом, что плохо сказывается на экологичности моторов. В выхлопных газах РПД опасных для здоровья людей веществ больше, чем в выхлопных газах поршневых двигателей.
Особые требования предъявляются и к качеству масел, используемых в РПД. Это связано, во-первых, со склонностью к повышенному износу (из-за большой площади соприкасающихся деталей - ротора и внутренней камеры двигателя), во-вторых, к перегреву (опять же из-за повышенного трения и из-за небольших размеров самого двигателя). Для РПД смертельно опасны нерегулярная смена масла - поскольку абразивные частицы в старом масле резко увеличивают износ двигателя, и переохлаждение мотора. Запуск холодного двигателя и недостаточный его прогрев приводят к тому, что в зоне контакта уплотнений ротора с поверхностью камеры сгорания и боковыми крышками оказывается мало смазки. Если поршневой двигатель заклинивает при перегреве, то РПД чаще всего - во время запуска холодного двигателя (или при движении в холодную погоду, когда охлаждение оказывается избыточным).
В целом рабочая температура РПД выше, чем у поршневых двигателей. Самая термонапряженная область - камера сгорания, которая имеет небольшой объем и, соответственно, повышенную температуру, что затрудняет процесс поджига топливо-воздушной смеси (РПД из-за протяженной формы камеры сгорания склонны к детонации, что тоже можно отнести к недостаткам этого типа двигателей). Отсюда требовательность РПД к качеству свечей. Обычно их устанавливают в эти двигатели попарно.
Роторно-поршневые двигатели при великолепных мощностных и скоростных характеристиках оказываются менее гибкими (или менее эластичными), чем поршневые. Они выдают оптимальную мощность только на достаточно высоких оборотах, что вынуждает конструкторов использовать РПД в паре с многоступенчатыми КП и усложняет конструкцию автоматических коробок передач. В конечном итоге РПД оказываются не такими экономичными, какими должны быть в теории.

Практическое применение в автопромышленности

Наибольшее распространение РПД получили в конце 60-х и начале 70-х годов прошлого столетия, когда патент на двигатель Ванкеля был куплен 11 ведущими автопроизводителями мира.
В 1967 году немецкая компания NSU выпустила серийный легковой автомобиль бизнес-класса NSU Ro 80 . Эта модель выпускалась в течение 10 лет и разошлась по миру в количестве 37204 экземпляров. Автомобиль пользовался популярностью, но недостатки установленного в нем РПД, в конце концов, испортили репутацию этой замечательной машины. На фоне долговечных конкурентов модель NSU Ro 80 выглядела «бледно» - пробег до капитального ремонта двигателя при заявленных 100 тысячах километров не превышал 50 тысяч.
С РПД экспериментировали концерн Citroen , Mazda , ВАЗ . Наибольших успехов добилась Mazda, которая выпустила свой легковой автомобиль с РПД еще в 1963 году, на четыре года раньше появления NSU Ro 80. Сегодня концерн Mazda оснащает РПД спорткары серии RX. Современные автомобили Mazda RX-8 избавлены от многих недостатков РПД Феликса Ванкеля. Они вполне экологичны и надежны, хотя среди автовладельцев и специалистов по ремонту считаются «капризными».

Практическое применение в мотопромышленности

В 70-е и 80-е годы с РПД экспериментировали некоторые производители мотоциклов - Hercules, Suzuki и другие. В настоящее время мелкосерийное производство «роторных» мотоциклов налажено только в компании Norton, выпускающей модель NRV588 и готовящей к серийному выпуску мотоцикл NRV700.
Norton NRV588 - спортбайк, оснащенный двухроторным двигателем общим объемом в 588 кубических сантиметров и развивающим мощность в 170 лошадиных сил. При сухом весе мотоцикла в 130 кг энерговооруженность спортбайка выглядит в буквальном смысле запредельной. Двигатель этой машины оснащен системами впускного тракта переменной величины и электронного впрыска топлива. О модели NRV700 известно лишь то, что мощность РПД у этого спортбайка будет достигать 210 л.с.

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.

Кроме того, японским инженерам удалось усовершенствовать роторный двигатель. Сегодня роторные двигатели Мазда имеют не один, а два и даже три ротора, что в значительной мере повышает производительность, тем более если сравнить его с обычным двигателем внутреннего сгорания. Для сравнения: двухроторный РПД сравним с шестицилиндровым ДВС, а 3-роторный с двенадцатицилиндровым. Вот и получается, что японцы оказались такими дальновидными и преимущества роторного мотора сразу распознали.

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:

  • Впуск
  • Сжатие
  • Сгорание
  • Выпуск

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


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

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

Строение роторного двигателя

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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.

Пришлось идти на крайние меры. Очередная модель Мазда RX-8 с роторным двигателем уже выходит с 200 лошадками, что позволяет сократить расход топлива. Но не это главное. Заслуживает уважения другое. Оказалось, что до этого никто, кроме японцев, не догадался использовать невероятную компактность роторного двигателя. Ведь мощность в 200 л.с. Мазда RX-8 открывала с двигателем объёмом 1,3 литра. Одним словом, новая Мазда выходит уже на другой уровень, где способна конкурировать с западными моделями, беря не только мощностью мотора, но и другими параметрами, в том числе и низким 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