Что такое ротарные двигателя

Роторный двигатель

Роторный двигатель — родовое наименование конструкции теплового двигателя, за которым стоит целое семейство близких по конструкции двигателей, объединенное ведущим признаком — типом движения главного рабочего элемента.

Роторный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — тепловой двигатель, в котором главный подвижный рабочий элемент двигателя — ротор, совершает вращательное движение. Двигатели должны давать на выходе вращательное движение главного вала. И именно этим роторные ДВС выгодно отличаются от наиболее распространенных сегодня поршневых ДВС, в которых главный подвижный рабочий элемент — поршень, совершает возвратно-поступательные движения. В роторных моторах, где главный рабочий элемент и так вращается, не требуется дополнительных механизмов для получения вращательного движения. А вот в поршневых моторах приходится применять громоздкие и сложные кривошипно-шатунные механизмы для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Именно в свойствах этих механизмов кроются многие недостатки современных поршневых ДВС.

Содержание

История

С древности известны колеса ветряных и водяных мельниц, которые можно отнести к примитивным роторным двигательным механизмам. Самый первый тепловой двигатель в истории — эолипил Герона Александрийского (I в. н. э) также относится к роторным двигателям. В XIX веке, вместе с массовым появлением поршневых паровых машин, начинают создаваться и активно использоваться и роторные паровые двигатели. К ним можно отнести как паровые роторные машины с непрерывно открытыми в атмосферу камерами расширения — это паровые турбины, так и паровые машины с герметично запираемыми камерами расширения: к ним, например, можно отнести «коловратную машину» Н. Н. Тверского, которая успешно эксплуатировалась во многих экземплярах в конце XIX века в России.

С началом массового применения ДВС в первые десятилетия XX века начались и работы по попыткам создать эффективный роторный ДВС. Однако эта задача оказалась большой инженерной трудностью, и лишь в 1930-х годах была создана работоспособная газовая турбина, которая по классификации относится к роторным ДВС с непрерывно открытой в атмосферу камерой сгорания.

Работоспособный роторный ДВС с герметично запираемой камерой сгорания удалось создать лишь в конце 1950-х годов группе исследователей из немецкой фирмы NSU, где Вальтер Фройде и Феликс Ванкель разработали схему роторно-поршневого двигателя.

В отличие от газовых турбин, которые широко и массово применяются уже более 50 лет, роторный двигатель Ванкеля и Фреде не показал очевидных преимуществ перед поршневыми ДВС, а также имел заметные недостатки, которые и сдерживают массовое применение этих моторов в промышленности. Но потенциально широкий набор возможных конструктивных решений создают широкое поле для инженерных поисков, которые уже привели к появлению таких конструкций, как роторно-лопастной двигатель Вигриянова, трёхтактный и пятитактный роторные двигатели Исаева.

Классификация роторных ДВС

Главное деление роторных двигателей происходит по типу работы камеры сгорания — запирается она на время герметично, или имеет постоянную связь с атмосферой. К последнему типу относятся газовые турбины, камеры сгорания которых отделены от выхлопного сопла (от атмосферы) лишь густым «частоколом» лопастей роторной крыльчатки.

В свою очередь, роторные ДВС с герметично запираемыми камерами сгорания делятся на 7 различных конструкционных компоновок:

1. роторные двигатели с неравномерным разнонаправленным (возвратно-вращательным) движением главного рабочего элемента;
2. роторные двигатели с неравномерным однонаправленным (пульсирующе-вращательным) движением главного рабочего элемента;
3. роторные двигатели с простым и равномерным вращательным движением главного рабочего элемента и с уплотнительными заслонками-лопастями, движущимися в роторе. Частный случай — с заслонками-лопастями, отклоняющимися на шарнирах на роторе;
4. роторные двигатели с простым и равномерным вращательным движением главного рабочего элемента и с уплотнительными заслонками, движущимися в корпусе;
5. роторные двигатели с простым и равномерным вращательным движением главного рабочего элемента и с использованием такого же простого вращательного движения уплотнительных элементов;
6. роторные двигатели с простым вращательным движением главного рабочего элемента, без применения отдельных уплотнительных элементов и спиральной организацией формы рабочих камер;
7. роторные двигатели с планетарным вращательным движением главного рабочего элемента и без применения отдельных уплотнительных элементов.

Роторные двигатели Фройде и Ванкеля, которые не вполне корректно с технической точки зрения называют «роторно-поршневыми», относятся к 7-й классификационной группе.

KUNST! Mazda отмечает производства роторных двигателей

Сорок шесть лет назад Mazda, как и многие другие, начала эксперименты с РПД. Теперь же она — единственная компания, не забросившая их.

В современном автомобильном мире становится всё меньше марок, обладающих яркой индивидуальностью. Всё больше ценится серая надёжность, и мало кому нужен яркий дизайн или оригинальные технические решения. Но есть компании, которые продолжают гнуть свою линию. Например, Mazda, в этом году отмечающая сорокалетие своих серийных роторно-поршневых двигателей.

Спортивные модели Mazda и роторно-поршневые двигатели — сейчас это практически синонимы. Но сам мотор придумали вовсе не японцы. В 1951 году, работая на компанию NSU, Феликс Ванкель (Felix Wankel) начал разрабатывать мотор собственной конструкции. Первый рабочий прототип автомобиля с получившимся агрегатом появился лишь шесть лет спустя. Впоследствии много кто занимался «движками» подобной конструкции — их применяли на автомобилях, мотоциклах и даже автобусах. А компания Rolls-Royce в начале даже сделала дизельную версию роторно-поршневого двигателя Ванкеля.

Первой машиной Mazda с «ротором» была Cosmo Sport. Прототип этого красивейшего купе был сделан ещё в 1963 году. А в и компания построила 80 автомобилей, на которых проводились испытания, и лишь в мае с конвейера сошли серийные машины. Mazda Cosmo Sport, также известная как 110S, стала не только первой роторной Маздой, но и первым автомобилем с двухсекционным мотором — с двумя роторами и секциями рабочим объёмом по 491 см 3 . Cosmo Sport образца 1967 года имела двигатель всего в 982 «кубика», но его мощность была вполне приличной — 110 лошадиных сил. Это позволяло ей разгоняться до 185 километров в час — недурно для того времени.

Почему роторные двигатели развивают такую мощность при столь малом объёме? , в отличие от традиционных ДВС, в которых поршни движутся вверх-вниз, здесь крутится треугольник-ротор. А это значит, что и нагрузки на него меньше. Именно поэтому современные роторные «движки» влёгкую крутятся до 9 с лишним тысяч оборотов. Во-вторых, рабочий объём у «Ванкелей» используется более полно и постоянно. За впуск и выпуск отвечают разные «зоны» мотора, а не одна и та же. Ротор делит рабочую секцию на три части, каждая из которых постоянно работает, в то время как в обычном поршневом двигателе один и тот же объём сначала работает на сжатие, а потом на воспламенение. Поэтому так называемый приведённый рабочий объём (грубо говоря — эквивалент обычного в поршневых ДВС) в два раза больше номинального. Кроме того, роторные моторы чрезвычайно компактны и до неприличия легки — а это сулит одни лишь плюсы.

Идеальный мотор? Если бы! Проблем с двигателями Ванкеля просто огромное количество. , они обладают низким крутящим моментом, а максимальная мощность у них, соответственно, достигается при высоких оборотах. Поэтому мотор для получения большой мощности надо «крутить», а это значит, что совершается больше циклов, и на ресурсе это отражается, естественно, не самым лучшим образом. , камера сгорания у РПД некомпактная, а это приводит к низкому КПД. Отсюда и высокий расход топлива. , у такого двигателя большущие проблемы с обеспечением уплотнения подвижных сопряжений ротора и стенок секции. И масло РПД пожирает ну просто в промышленных масштабах — причём это не неисправность, а особенность конструкции.

Короче, все, поэкспериментировав немного с роторными двигателями и столкнувшись с вышеперечисленными проблемами, задвинули свои разработки куда подальше и отказались от затеи. Все, кроме Mazda. На сегодняшний день эта компания остаётся единственным производителем, не только делающим РПД, но и активно их совершенствующим.

Надёжность своих «роторов» Mazda доказала, выставив в 1968 году две машины на старт марафона de la Route на знаменитом Нюрбургринге. Серийные Cosmo Sport со РПД практически всю гонку держались на четвёртом и пятом местах (из 58 стартовавших экипажей) и… сошли! Но вовсе не проблем с моторами, а повреждения полуосей всего за два часа до финиша.

К слову об автоспорте. Своего высшего успеха роторные двигатели добились именно с компанией Mazda, когда болид 787B в 1991 году выиграл марафон в . После этого РПД были поставлены под запрет в этой гонке. А в Америке даже существует серия Formula Mazda, где гоняются болиды с роторными моторами.

Последняя разработка Mazda — мотор Renesis, устанавливающийся на купе . В ходе его разработки инженерам Mazda удалось победить многие врождённые пороки конструкции, такие, как небольшой ресурс и высокое потребление топлива. При мощности под 250 лошадиных сил, он «кушает» немногим более 11 литров бензина в смешанном режиме.

Как работает роторный двигатель

Что такое роторный двигатель? Как при малом объеме он развивает высокую мощность? Почему роторные двигатели так редко встречаются? Сейчас во всем разберемся!

Двигатель роторного типа или ванкель, был разработан еще в 1957 году Феликсом Ванкелем и Вальтером Фройде. Первое время двигатель активно использовался на различных автомобилях, а затем даже на мотоциклах, но со временем стал появляться все реже.

Что такое роторный двигатель?

Роторный двигатель — это 4-х тактный двигатель внутреннего сгорания. Однако, его строение очень сильно отличается от привычного нам поршневого движка. В виду отсутствия множества элементов, роторный двигатель конструктивно проще поршневого.

В момент, когда вершина ротора находится на уровне впускного отверстия, открывается впускной клапан, и благодаря вращению ротора происходит заполнение камеры «впуска». Такт работы двигателя проходит в отдельном «цилиндре». Чтобы разобраться как устроен двигатель, нужно рассмотреть его принцип работы.

Принцип работы.

1 такт — подача топлива.

В момент, когда вершина ротора находится на уровне впускного отверстия, открывается впускной клапан, и, благодаря вращению ротора, происходит заполнение камеры «впуска».

2 такт — сжатие.

Благодаря форме ротора и «цилиндра», рабочая смесь попадает в камеру «сжатия», где она прижимается ротором к стенке «цилиндра».

3 такт — рабочий (воспламенение).

Когда рабочая смесь находится в максимально сжатом состоянии происходит воспламенение (обычно посредствам 2-х свечей). Высвобождающаяся энергия от воспламенения вращает ротор на 1-й такт.

4 такт — выпуск.

После воспламенения отработанная смесь высвобождается через выпускное отверстие.

Как при малом объеме достигается высокая мощность?

Высокая мощность двигателей роторного типа обусловлена тем, что на выходе каждый такт идет как рабочий. Так как ротор заменяет собой минимум 4 поршня, используя малый объем и возможность развивать высокие обороты, двигатели роторного типа имеют преимущество примерно в 2-3 раза над поршневыми ДВС.

К тому же у роторного двигателя есть еще несколько плюсов:

• двигатель отлично сбалансирован, как следствие практически нет вибрации;
• компактность и малый вес, как следствие возможность добиться оптимального расположения и разрисовки по осям;
• простота конструкции.

Почему роторные двигатели настолько редкие?

Причин здесь несколько:

Сложность конструкции. Производство двигателя роторного типа требует больших затрат. Это обусловлено необходимостью использовать специальное высокоточное оборудование и качественные износостойкие материалы.

Маленький ресурс и неремонтопригодность. Для качественной работы двигателя необходима точная подгонка всех элементов, а так как в процессе использования двигателя происходит износ комплектующих (особенно ротора и корпуса-цилиндра), то не только снижается КПД, но и в разы повышается расход масла.

Локальный перегрев. Роторный двигатель очень боится перегрева. Причиной этому служит малое пятно контакта цилиндра и ротора, которое и является причиной частого перегрева этих моторов.

«Запорожец» обгоняет «Мерседес»

Можно ли обогнать на «Запорожце» или «Жигулях» — «Мерседес»? Оказывается, можно, только для этого в малолитражном автомобиле должен стоять не обычный поршневой, а инновационный роторный двигатель, предложенный Феликсом Ванкелем (Felix Wankel). Такие двигатели одно время устанавливались на советские и российские модели. И некоторые «Жигули» с двигателем Ванкеля обгоняли и сейчас обгоняют «Мерседесы».

Все изучали в школе, что автомобиль едет благодаря двигателю внутреннего сгорания. В двигателе есть цилиндры, внутрь цилиндров подается топливо, оно сгорает и толкает поршень. Поршень движется вверх и вниз. Движение каждого из поршней неравномерно и, чтобы автомобиль двигался плавно, цилиндров должно быть не менее четырех. Цилиндры соединяются с коленчатым валом, топливо в них подается попеременно. Поршневой двигатель внутреннего сгорания прекрасно зарекомендовал себя, он наиболее разработанный и надежный. Но у него есть существенные недостатки: он громоздкий, часть энергии тратится зря, так как поршни, двигаясь вверх-вниз, останавливаются, теряя энергию. Кроме того, чтобы динамично набирать скорость, поршневой двигатель должен иметь большой объем, поэтому быстрые машины дороги.

Есть ли альтернатива? Да, есть. Уже несколько десятилетий разрабатывается принципиально другой двигатель внутреннего сгорания. Его придумал немецкий инженер Феликс Ванкель (Felix Wankel). Двигатель Ванкеля называют также роторным двигателем. Вместо поршней и цилиндров двигатель Ванкеля имеет два ротора в форме треугольников с выпуклыми сторонами. Роторы непрерывно вращаются, сохраняя энергию вращения. При этом они засасывают топливную смесь, сжимают ее, смесь воспламеняется и выбрасывается наружу.

Более простая конструкция

Конструкция роторного двигателя проще поршневого, она очень изящна. Ему не нужна сложная система клапанов поршневого двигателя для впуска топливной смеси и выпуска выхлопных газов. Двигатель Ванкеля гораздо компактнее и легче, обычно у него два ротора, которые в серийных двигателях разгоняются даже до десяти тысяч оборотов в минуту. Для поршневых двигателей обычно предельная скорость вращения — шесть тысяч оборотов в минуту. Ход роторного двигателя очень плавный. И самое главное: динамичность двигателя Ванкеля. Установленный, например, на 8 или 9 модели «Жигулей», он позволяет обгонять со светофора иномарки бизнес-класса, которые дороже «Жигулей» в десять раз, а форсированный роторный двигатель оставляет позади и ведущие спортивные модели.

Устраняемые недостатки

Почему же двигатель Ванкеля не распространился повсеместно? Дело в том, что первые роторные двигатели были неэкономичными, неэкологичными и не очень надежными. И дело тут не в каких-то принципиальных изъянах конструкции, просто над совершенствованием двигателя Ванкеля ученые и инженеры работали гораздо меньше: такими же ненадежными и неэкономичными были в свое время первые поршневые двигатели. Забегая вперед, скажем, что японские инженеры из компании «Мазда» уже сейчас создали надежный серийный двигатель Ванкеля «Ренезис» для спортивных автомобилей «Мазда RX8», который удовлетворяет самым высоким экологическим требованиям стандарта «Евро-4», при этом расход топлива у них не больше, чем у спортивных моделей.

Судьба роторных двигателей в России

Интересна и поучительна судьба роторных двигателей у нас. Об этом рассказывает один из конструкторов двигателя Сергей Мясищев: «В 1974 году приказом генерального директора автомобильного завода «ВАЗ» Полякова Виктора Николаевича, светлая ему память, было создано специальное конструкторское бюро роторно-поршневых двигателей. Задача, весьма амбициозная, состояла в создании двигателя для автомобилей «ВАЗ», с последующей заменой на конвейере поршневого двигателя на роторный. Проходили командировки в Германию для изучения производства роторного двигателя, были изготовлены опытные, работоспособные образцы. Но для производства, конечно, этот двигатель был не готов. Была выпущена небольшая партия для эксплуатационных испытаний. Вы помните, что в то время автомобили были в большом дефиците. Хотя машины с роторным двигателем и раскупили, но было много рекламаций. Затем ситуация была проанализирована, найдено применение этому двигателю — место, где он мог лучше всего использоваться. Тогда эксплуатация позволила без проблем провести доводочные работы. В то время был спроектирован двигатель более мощный, чем наш — мощностью 120 лошадиных сил, использовавшийся для спецавтомобилей силовых структур, с высокими динамическими качествами».

Мощный и компактный

Главное преимущество роторного двигателя в том, что он быстро разгоняется и занимает меньший объем моторного отсека при той же мощности. «Без изменений конструкции моторного отсека в стандартную 5, 7, или 11 модель устанавливался двигатель мощностью до 140 л.с. В то же время изучался спектр применения этого двигателя, потому что первые неудачи заставили задуматься, а правильно ли мы применяем двигатель. И вот тогда была проделана большая работа, чтобы определить области применения. Были сделаны двигатели для авиации, подвесные лодочные двигатели, двигатели для амфибийных судов на динамической подушке, для экранопланов, для мотоцикла. В Ижевске был изготовлен мотоцикл, он прошел определенные испытания. Первоначально этот мотоцикл был заказан как эскортный мотоцикл для Кремля», — говорит Сергей Мясищев.

Так родилась и умерла еще одна утопия — перевести все модели «Жигулей» на двигатель Ванкеля. Однако разработчиками были достигнуты оригинальные результаты в создании роторных двигателей, а советские спецслужбы получили несколько сотен крайне быстрых специальных «Жигулей». С распадом Советского Союза разработка двигателей Ванкеля в России затормозилась. Хотя в конце 90 годов «АвтоВАЗ» выпустил небольшую партию обычных «Жигулей» с роторным двигателем.

Приятные особенности эксплуатации

Обладателем подобного редкого образца стал директор торгового дома «Три на три» Дмитрий Мнушкин: «Нужно сказать, что мы явились счастливыми обладателями автомобиля из той партии переднеприводных машин, о которых говорил Сергей Филиппович. Эксплуатация его идет с 99 года. Что можно отметить? Этот автомобиль дает уникальные ощущения при его эксплуатации. Возможности роторного двигателя позволяют иметь преимущество перед многими иностранными автомобилями, что приводит на дорогах довольно часто к курьезам. Динамика автомобиля, оснащенного таким мотором, в корне отличается от динамики серийной машины и такой прыти от нее никто не ожидает, в этом и конек. Мощность двигателя моей машины 170 л.с., при этом она разгоняется до ста километров в час порядка шести с небольшим секунд. При том что спортивная версия разгоняется до ста за 4,1 секунды. Надо отметить, что этот двигатель благодарно относится к тюнингу, дает широкие возможности в области настроек: можно получать хорошие результаты доступными средствами».

О спортивных возможностях двигателя Ванкеля рассказывает Владимир Каблуков, учредитель фирмы «Три на три»: «Существует такой вид спорта — под названием «дрэг-рейсинг»: это парные заезды на 402 метра. В разных странах, где проводятся подобные гонки, имеются разные регламенты: где-то применяется олимпийская система «на вылет», где-то — квалификация по времени. Кубок России 2005 года имел гибридную форму. До четвертьфинала была система отбора по времени, а после — олимпийская система. Наша машина легко дошла до финала. Мы взяли в трех этапах первые места, кубки, медали».

Достижения «Мазды»

На гонках в Лимане компания «Мазда», которая продвигает двигатель Ванкеля, добилась большого преимущества. Это были круглосуточные кольцевые гонки. «После этого спортивные комиссары приняли регламент, который запрещает применять автомобили с невозвратно-поступательно двигающимися поршнями. «Мазда», можно сказать, спасла роторный двигатель от забвения, она его довела до того состояния, когда сегодня нужно переписывать часть учебников по автомобильным двигателям, где написано, что этот двигатель — бесперспективный по выполнению норм токсичности, в частности. RX8 выполняет нормы «Евро-4». Это самые высшие нормы, которые сегодня существуют. Сегодня это реальный двигатель массового производства. Инженеры «Мазды» проявили настойчивость, невзирая на общую тенденцию в мировой экономике. Эта фирма нашла в себе силы, чтобы сохранить и усовершенствовать эту тему. Они прошли большой путь и сегодня могут гордиться тем продуктом, который они выставили на рынок. Сегодня, когда рынок насыщен всевозможными автомобилями, эта фирма предлагает совершенно оригинальный двигатель, который, кроме нее, никто предложить не может. Я надеюсь, что мы тоже в ближайшее время сможем предложить нашим потребителям роторный двигатель, но в нашем исполнении, естественно, с учетом наших возможностей и технологических нюансов», — утверждает Сергей Мясищев.

История российских роторных двигателей продолжается. В настоящее время работы по созданию серийной модели двигателя Ванкеля совместно с «АвтоВАЗом» ведет компания «Интер-Волга». Роторные двигатели нового поколения российской разработки, возможно, скоро появятся на некоторых моделях ВАЗ-2110. Модернизированные двигатели планируется применять в легкомоторной авиации, а также ставить на катера и моторные лодки.