Роторный двигатель: принцип работы, схема роторного двигателя

Потребность в двигателе малых габаритов и большой мощности заставляет изобретателей и конструкторов продолжать поиски новых решений. Несколько лет назад в ФРГ появился роторный двигатель Ванкеля. Приводимые в печати его показатели гораздо выше, чем у поршневых двигателей. Но, в то же время, двигатель Ванкеля и по сей день не смог вытеснить обычные бензиновые моторы, в первую очередь, потому, что до сих пор не найдены надежные конструкции скользящих ребер ротора и системы охлаждения ротора, а также планетарной передачи на выходной вал двигателя.

В 1960 г. автор этой статьи совместно с инженером А. А. Светикас сконструировал маленький вертолет ранцевого типа, для которого необходимо было создать двигатель малого веса, но большой мощности. За основу была взята упомянутая система Ванкеля, но цилиндр сложной формы (по кривой, называемой эпициклоидой) был заменен двумя спаренными простыми цилиндрами, а планетарная передача была заменена эксцентриком на валу двигателя; уплотнение было принято пластинчатое.

Первая модель двигателя нашей конструкции представляла собой роторный (беспоршневой) двигатель, имеющий очень небольшие габариты и высокую удельную мощность. Приведем сравнение объема цилиндра и веса, приходящихся на 1 л. с. мощности, нашего двигателя и обычного поршневого четырехтактного двигателя:

Поршневой	Роторный
Объем цилиндра, см³	40	4
Вес, кг	2,8	0,38

Такие высокие показатели роторного двигателя достигаются главным образом благодаря отсутствию кривошипно-шатунного механизма и большому числу оборотов двигателя; используются высокие степени сжатия, а это важный фактор обеспечения экономичности двигателя. Кроме того, полное отсутствие клапанного устройства делает роторный двигатель значительно менее сложным и более дешевым в производстве, чем поршневой. В роторном двигателе нет движущихся возвратно-поступательно инерционных масс, что также представляет большое преимущество перед обычными поршневыми двигателями.

Роторный двигатель при габаритах 150х150х230 мм развил мощность 30 л. с. при 1300 об/мин, степени сжатия ξ = 6 и удельном расходе топлива 240 г/л., с.-час. Двигатель имеет только десять основных деталей (без карбюратора и свечи зажигания). Роторный двигатель работает по четырехтактному циклу; за один оборот ротора и вала производится три рабочих хода.

Рис. 1. Принцип работы (I—IV) и кинематическая схема роторного двигателя

Обозначения позиций на схеме — см. рис. 2.

В положении I (рис. 1) объем всасывания минимален и заключен между уплотняющими ребрами А и С. Между ребрами А и В происходит сжатие, а между В и С — рабочий ход, т. е. горение рабочей смеси.

В положении II уплотнительное ребро С откроет выхлопное отверстие, и начнется фаза выхлопа; объем всасывания, заключенный между ребрами А и С, увеличился по сравнению с положением I; сжатие происходит между ребрами А и В, а между ребрами В и С завершается рабочий ход.

В положении III выхлопное и впускное отверстия разделены между собой ребром С; происходят одновременно выхлоп и всасывание. Объем между ребрами А и В минимален — производится зажигание смеси.

В положении IV объем между ребрами А и В увеличивается, причем расстояние от центра вала до ребра В больше, чем до ребра А, и ротор поворачивается по часовой стрелке. Зазор между ротором и корпусом в точке D должен быть не более 0,2—0,5 мм, чтобы выхлопные газы не могли зажечь смесь, поступающую в двигатель из карбюратора. Кинематическая схема роторного двигателя приведена на рис. 1 (справа внизу на рисунке), а конструктивная схема — на рис. 2.

Рис. 2. Конструктивная схема роторного двигателя: поперечный разрез (показан вариант с водяным охлаждением) и продольный разрез (вариант с воздушным охлаждением).

1 — корпус двигателя; 2 — ротор; 3 — продольные уплотнения — лопасти ротора;
4 — боковые (торцевые) уплотнения; 5 — медно-графитовый подшипник скольжения;
6 — неподвижная центральная шестерня, связанная с ротором внутренним зацеплением 7; 8 — правый эксцентрик; 9 — левый эксцентрик с валом;
10 — балансиры; 11 — стакан прерывателя; 12 — правый фланец; 13 — крышка-фланец, в которой закреплен вал неподвижной шестерни; 14 — втулка;
15 — стяжная шпилька между эксцентриками; 16 — левый фланец; 17 — маховик-вентилятор; 18 — кожух маховика-вентилятора.
А — место свечи; Б — выхлоп; В — место карбюратора; Г — окно всасывания;
Д — распределительный кулачок зажигания; Е — место магнето; Ж — подача масла от маслонасоса; И — место маслонасоса и бензонасоса; К — поток воздуха.

В корпусе 1 двигателя на медно-графитовых подшипниках 5 вращается трехгранный ротор 2 с тремя лопастями (продольными уплотнениями) 3 и боковым (торцевым) уплотнением 4. Ротор 2 описывает круговую орбиту вокруг неподвижной шестерни 6, связанной с ротором внутренним зацеплением 7, и вращает эксцентрик 9, выполненный заодно с валом. Вращающийся ротор с эксцентриками сбалансирован балансирами 10 для устранения вибрации. При батарейном зажигании для опережения зажигания должен быть установлен стакан 11, на котором крепится прерыватель.

Роторный двигатель можно применять на мотоциклах и автомашинах при воздушном охлаждении и на мотолодках при водяном охлаждении.

Н. Н. Мельник, «Катера и яхты», 1965 г.

О конструкции роторного двигателя для самостоятельного изготовления см. на следующей странице.

Поделитесь этой страницей в соц. сетях или добавьте в закладки:

Роторно-поршневой двигатель

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.

Содержание

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.

Любопытные факты

1. Роторно-поршневые двигатели получили распространение среди авиамоделистов. Поскольку в модельном двигателе требования к надежности и экономичности снижены до предела, производство этих моторов оказывается недорогим. В этих двигателях уплотнений ротора либо нет вообще, либо эти уплотнения имеют простейшую конструкцию. Главное достоинство авиамодельного РПД в том, что его можно легко встроить в летающую масштабную модель. В частности, модельные РПД применяются при создании копий реактивных самолетов.
2. Получив патент на РПД в 1936 году Феликс Ванкель стал изобретателем не только двигателя внутреннего сгорания, но еще и роторно-поршневых насоса и компрессора. И эти устройства можно встретить гораздо чаще, чем РПД — на производстве, в ремонтных мастерских, в быту. Например, портативные электрические компрессоры для автомобилистов очень часто устроены по принципу роторно-поршневого насоса.

Статья в журнале об РПД польского инженера Рожицкого, «За рулем» №12, 1961