Avtoargon.ru

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

Конструктивные особенности роторного двигателя

Конструктивные особенности роторного двигателя

Роторный двигатель является одной из разновидностей тепловых ДВС. Первый роторный двигатель, принцип работы которого кардинально отличается от традиционного двигателя внутреннего сгорания, появился в 19 веке.

Его особенностью было использование не возвратно поступательных движений, как в классическом ДВС, а вращение в специальном овальном корпусе трехгранного ротора. Такая схема применялась в первых поршневых паровых машинах и дала толчок к активному проектированию и созданию роторных паровых двигателей. С роторного парового двигателя и начиналась история двигателя внутреннего сгорания роторного типа. Впервые схему классического роторно-поршневого (двигателя Ванкеля) разработали в конце 1950-х годов в немецкой фирме NSU, авторами стали Феликс Ванкель и Вальтер Фройде.

Конструкция

Давайте рассмотрим основные части РПД:

  • корпус двигателя;
  • ротор;
  • выходной вал.

Как и любой другой двигатель внутреннего сгорания, двигатель Ванкеля имеет корпус, который включает основную рабочую камеру, в нашем случае – овальной формы.

Форма камеры сгорания (овал) обусловлена применением трехгранного ротора, грани которого при соприкосновении со стенками камеры сгорания овальной формы образуют изолированные закрытые контуры. В этих изолированных контурах и происходят все такты работы РПД:

  • впуск;
  • сжатие;
  • воспламенение;
  • выпуск.

Такая компоновка позволяет обойтись без впускных и выпускных клапанов. Впускные и выпускные отверстия находятся по бокам камеры сгорания, а соединены напрямую к системе питания и системе выпуска отработанных газов.

Следующей составной частью роторного мотора является непосредственно ротор. В РПД ротор выполняет функцию поршней в обычном двигателе. Своей формой ротор похож на треугольник с закругленными наружу краями и вдающимися внутрь гранями. Закругление краев ротора необходимо для лучшего уплотнения камеры сгорания. Выборка внутри грани нужна для увеличения объема камеры сгорания, правильного горения топливно-воздушной смеси и увеличения скорости вращения ротора. Вверху каждой грани и по ее бокам находятся металлические пластины, задача которых состоит в уплотнении камеры сгорания, аналогично поршневым кольцам классического ДВС. Внутри ротора расположены зубцы, вращающие привод, который, в свою очередь, вращает выходной вал.

Классический мотор имеет коленчатый вал, в РПД его функцию выполняет выходной вал. Относительно центра выходного вала расположены выступы-кулачки в форме полукругов. Выступы-кулачки несимметричны по отношению к центру и явно смещены относительно центра оси. На каждый выступ-кулачок выходного вала приходится по своему ротору. Вращательное движение каждого ротора, передаваемое на выступ-кулачок, заставляет выходной вал вращаться вокруг своей оси, что, в свою очередь, создает крутящий момент на выходном валу.

Рабочие такты РПД

Давайте теперь более подробно рассмотрим принцип работы роторного двигателя и рабочие процессы, происходящие внутри него. Как и классический мотор, двигатель Ванкеля имеет те же такты впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска.

Начало такта впуска происходит в момент прохода одной из вершин ротора впускного канала корпуса мотора. В этот момент в постепенно расширяющуюся камеру сгорания всасывается топливно-воздушная смесь либо просто воздух, в зависимости от компоновки системы подачи топлива. При дальнейшем вращении ротора к точке, когда вторая вершина проходит впускной канал, начинается такт сжатия топливно-воздушной смеси. Давление смеси вместе с движением ротора постепенно нарастает и достигает своего пика в момент прохождения зоны свечей зажигания. В момент воспламенения начинается такт рабочего хода ротора.

В связи с особой формой камеры сгорания, вытянутой вдоль стенки корпуса, целесообразно использовать две свечи зажигания. Использование двух свечей позволяет быстро и равномерно произвести поджиг топливно-воздушной смеси, что гарантирует быстрое, плавное и равномерное распространение фронта пламени.

Две свечи может иметь и обычный поршневой мотор, например некоторые спортивные двигатели, но в РПД использование двух свечей зажигания просто необходимо.

Образовавшееся давление газов поворачивает ротор на эксцентрике вала, что в свою очередь приводит к возникновению крутящего момента на выходном валу. При приближении к выпускному каналу вершины ротора давление в камере сгорания плавно снижается. Вращаясь по инерции, вершина ротора достигает выпускного канала, начинается такт выпуска. Выхлопные газы устремляются в выпускной канал, и как только вершина ротора достигает впускного канала, снова начинается такт впуска.

Система питания и смазка

Роторный мотор не имеет принципиальных отличий от классического ДВС в системах зажигания, топливоподачи и охлаждения. Однако система смазки имеет свои особенности. Для смазывания движущихся частей масло подается прямо в камеру сгорания через специальное отверстие, поэтому сгорает вместе с топливно-воздушной смесью как в двухтактном двигателе.

Как и любая техническая конструкция, роторный мотор обладает своими преимуществами и недостатками.

Достоинствами роторно-поршневого двигателя

  1. Обладая малым весом и габаритами, роторный мотор имеет больше возможностей для достижения правильной развески и улучшения управляемости, а так же делает автомобиль более просторным в салоне;
  2. более высокая удельная мощность по сравнению с классическими моторами;
  3. более ровная и широкая полка крутящего момента;
  4. отсутствие кривошипно-шатунного механизма, клапанов, пружин, газораспределительного механизма, а вместе с ним и распредвалов, ремня грм или цепи;
  5. хорошая сбалансированность и плавность работы РПД, которую можно сравнить с работой рядной «шестерки»;
  6. меньшая склонность к детонации;
  7. отсутствие кривошипно-шатунного механизма, а вследствие этого отсутствие необходимости преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращение коленчатого вала, делает РПД более оборотистым нежели обычный мотор;

Недостатки

  1. Необходимость применения эксцентрикового механизма для соединения ротора и вала увеличивает давление между трущимися деталями, что вместе с высокой температурой повышает износ двигателя. Именно поэтому выдвигаются повышенные требованию к качеству масла и периодичности его смены;
  2. быстрый износ уплотнителей ротора вследствие малой площади пятна контакта и высокому перепаду давлений. Таким образом, роторный мотор быстро теряет свой КПД, экологические показатели ухудшаются;
  3. линзовидная форма камеры сгорания гораздо хуже отдает тепло, нежели сферическая камера сгорания, что обуславливает склонность к перегреву;
  4. низкие показатели экономичности на малых и средних оборотах, по сравнению с обычным двигателем внутреннего сгорания;
  5. роторный мотор имеет очень высокие требования к обработке деталей и квалификации персонала при производстве данного типа двигателя;
  6. необходимость добавления масла во время рабочих тактов РПД обуславливает плохие экологические характеристики;

Современные реалии

В настоящее время наибольших успехов в производстве роторных двигателей добились инженеры корпорации Mazda. Последняя генерация их двигателя Ванкеля, под названием «Renesis», совершила настоящий прорыв. Им удалось не только решить главные проблемы данного типа ДВС, такие как повышенный расход топлива и токсичность, но и снизить потребление масла на 50%, тем самым доведя экологические показатели до норм Euro 4. Новое поколение РПД Mazda могут использовать в качестве топлива как бензин, так и водород, что делает этот мотор интересными и перспективными для использования в будущем.

Устройство и принцип работы роторного двигателя

Не все знатоки автомобилестроения знают, что в разное время в разных странах мира, включая СССР, на авто ставились необычные роторные двигатели внутреннего сгорания. Этот уникальный агрегат имеет свою большую историю и, возможно, хорошие перспективы на применение в будущем.

  1. Что представляет собой роторный двигатель Ванкеля
  2. История создания роторного двигателя
  3. Применение двигателя Ванкеля на Западе и в СССР
  4. Устройство и принцип работы роторного двигателя
  5. Преимущества и недостатки

Что представляет собой роторный двигатель Ванкеля

Это простой по техническому решению силовой агрегат. Вместо нескольких поршней с кольцами и шатунами, он имеет один треугольный ротор, посаженный на вал. При этом вал не коленчатый, а эксцентриковый. Камеры сгорания расположены равномерно поочередно по всему кругу вращения ротора.

Роторный двигатель

В роторном ДВС в 2 с лишним раза меньше деталей в сравнении с поршневым вариантом. Нет головки блока цилиндров с системой клапанов в её привычном виде и самой поршневой группы. Значительно меньше вес и габариты.

В настоящее время известно 5 разных типов роторных ДВС. Между собой они имеют существенные конструктивные отличия. Но главный принцип един для всех типов – ротор на эксцентриковом вале вместо поршней на кривошипно-шатунном механизме.

История создания роторного двигателя

Силовые агрегаты с ротором вместо поршневой группы получили устойчивое название «двигатель Ванкеля», по фамилии изобретателя. На самом деле в мире было разработано несколько типов роторных моторов, отличных от изобретения Ванкеля. Но первым в этой области еще в 1920-ых годах начал работать именно немецкий инженер Фридрих Ванкель.

Для двигателя требовались узлы и детали, производство которых возможно только с применением высоких технологий металлообработки, точнейшей подгонки, с чем в то время были определенные трудности. Поэтому быстро запустить изделие в серию сразу не получилось. К тому же началась Вторая мировая война, когда требовались не экспериментальные, а серийные проверенные изделия.

Работы над двигателем были завершены уже во Франции, куда попало оборудования из побежденной Германии, в 1957 году, в компании NSU под руководством инженера Вальтера Фройде.

Применение двигателя Ванкеля на Западе и в СССР

Первый роторный двигатель мощностью 57 л.с. был установлен в 1957 году на спорткар фирмы NSU «Спайдер». Спорткар развивал невероятные для того времени и такой мощности ДВС скорость – 150км/час.

Автомобиль NSU Spider

С 1963 года роторные двигатели стали использовать на серийных автомобилях для населения. Несколько лет их ставили на «Мерседесы», «Шевроле» и «Ситроены». Но двигатель показал ряд существенных недостатков. В результате производители вернулись к использованию классических, проверенных поршневых ДВС.

Настойчивее остальных оказались японские автопроизводители. Они использовали роторные ДВС на некоторых моделях «Мазда». Устранялись слабые места, увеличивался моторесурс до капремонта, снижалось потребление топлива. Однако по ряду причин и японцы вернулись к классическим ДВС . Последняя Мазда RX Spirit R с роторным двигателем сошла с конвейера в 2012 году.

В СССР первый роторный двигатель отечественного производства ставился в 1974 году на легендарную «копейку» – ВАЗ 2101.

Читать еще:  Электрическая схема для двигателя умз 4216

Для его создания было организовано специальное конструкторское бюро. Прообразом служил двигатель Ванкеля. Было изготовлено около 50 опытных образцов с маркировкой ВАЗ 311. ВАЗы с ними не продавались населению, а поступили в распоряжение сотрудников ГАИ и КГБ в качестве служебных машин.

Поначалу «копейки» с этим силовым агрегатом вызывали восхищение своей мощью, динамикой разгона, низким шумом и плавностью хода. Но уже через год на ходу осталась только одна машина. Двигатели остальных вышли из строя. Основной причиной поломок стала ненадежность уплотнений, обеспечивающих герметизацию камер сгорания во время вспышки топлива.

Работы над отечественным роторным ДВС продолжались, и были созданы мощные двухсекционные ВАЗ 411 и 413 мощностью 120 и 140 л.с. “Жигули” с этими двигателями снова попали на службу в силовые структуры.

Данное достижение советского автопрома не афишировалось. В народе лишь ходили слухи о том, что сотрудники КГБ ездят на скоростных авто с невероятными секретными двигателями.

Затем были разработаны роторные двигатели ВАЗ 414 и 415. Это были более совершенные универсальные агрегаты. Их можно было ставить как на вазовские «восьмерки» и «девятки», так и на не менее популярные в то время «Москвичи» и «Волги».

Последняя разработка ВАЗ 415 так и не была использована. Ее предшественник, ВАЗ 414 с 1992 года ставился на популярной модели авто ВАЗ 2109 («Спутник», «Самара»).

«Девятки» с этими двигателями обладали необычными характеристиками. Разгон до 100 км/ч за 8 секунд, возможность длительной работы на предельно высоких оборотах. ВАЗ 414 потреблял меньше топлива (14-15 л на 100 км), чем предыдущие роторные ДВС (18-20 л на 100 км). Но все равно больше, чем поршневой мотор.

Однако и на ВАЗе роторные ДВС не смогли конкурировать с традиционными, и вскоре их использование было прекращено.

Работы над усовершенствованием роторных ДВС ведутся в мотоциклетной отрасли. В начале 1980-ых был создан мотоцикл Norton с двигателем Ванкеля, который показал невероятные результаты. Сегодня компания выпускает байки с таким двигателем объемом 588 куб.см. Ведутся работы над новым мотором с объемом 700 куб.см.

Автомобилей в такими двигателями сегодня не выпускают. Не исключено, что автопроизводители могут вести конструкторские работы в этом направлении без афиширования, втайне от конкурентов.

Устройство и принцип работы роторного двигателя

Принцип работы и устройство роторного ДВС одновременно схож с работой обычного поршневого двигателя и электродвигателя. Так же, как поршневой ДВС роторный вариант имеет камеры сгорания, системы впрыска топлива, выхлопа и зажигания. Сходство конструкции с электродвигателем в том, что ротор получает энергию при вращении внутри корпуса. (Кроме роторного ДВС с возвратно-поступательным движением вала).

Электродвигатель получает кинетическую энергию за счет перемещения электромагнитного поля. Роторный ДВС – за счет воспламенения топливно-воздушной смеси и резкого роста давления в камерах сгорания, так же, как и поршневые ДВС.

На сегодня известны 5 типов роторных моторов:

  1. С возвратно-поступательным движением вала. В таких типах ДВС ротор и вал не делают полных оборотов вокруг оси.
  2. Классический двигатель Ванкеля с планетарным вращением вала.
  3. Двигатели, в которых камеры сгорания расположены по спирали.
  4. Двигатели с равномерным вращением вала с камерами сгорания, расположенными по спирали без уплотнительных элементов.
  5. Двигатели с пульсирующим вращением.

Как и поршневые ДВС, роторные варианты имеют 4 рабочих такта:

  1. Впрыск топливно-воздушной смеси.
  2. Сжатие смеси.
  3. Воспламенение.
  4. Выпуск.

Рабочие циклы роторного двигателя

В обычных поршневых двигателях впрыск топлива и герметичность камеры сгорания обеспечиваются работой системы клапанов и поршневыми кольцами. В разных типах роторных ДВС последовательность тактов обеспечивается по-разному. В одних уменьшается объем камеры сгорания и обеспечивается сжатие смеси за счет перекрытия камеры вершиной ротора. В других – за счет уплотнений с механическим приводом. Но принцип работы един для всех типов.

  1. Воспламенение топливной смеси многократно повышает давление в камере сгорания.
  2. Давление дает кинетический импульс плоскости ротора и поворачивает его.
  3. Ротор передает крутящий момент через вал и зубчатую шестерню далее к механизмам авто. Плоскость ротора доходит до окна выхлопа, окно открывается и в него сбрасываются отработанные газы.
  4. Цикл повторяется.

Преимущества и недостатки

Роторный двигатель имеет набор больших преимуществ перед традиционным поршневым.

Главное преимущество – простота конструкции. Из-за отсутствия поршневой и кривошипно-шатунной группы узлов роторный двигатель почти в два раза легче и компактнее обычного. Легкий вес позволяет равномерно распределить нагрузку по всей базе автомобиля. Это улучшает управляемость, повышает динамические показатели автомобиля.

  • Компактность позволяет увеличить размер салона.
  • Ротор вращается плавно, без вибраций от взрыва топливной смеси в каждом цилиндре, равномерно выдает мощность.
  • При том же объеме камер сгорания роторный двигатель значительно мощнее.
  • Простота конструкции и минимум деталей облегчают ремонт.

Поэтому кажется, что весь мировой автопром давно и полностью должен был отказаться от поршневых двигателей в пользу роторных. Но этого не произошло. Следовательно, роторный вариант имеет ряд существенных недостатков, которые на сегодняшний день перевешивает все его плюсы. Недостатки в следующем:

  • Роторный двигатель потребляет намного больше топлива. Это крупный минус в наше время, когда каждый автопроизводитель стремится сделать свое авто как можно более экономичным.
  • Повышен расход масла – 0,5 литра на 1 тыс. км пробега. Долив масла требуется каждые 4-5 тыс. км. Отсутствие масла приводит к мгновенному выходу ДВС из строя.
  • Производство ротора и криволинейных камер сгорания требуют высочайшей технологической точности на дорогом сверхточном оборудовании. Это повышает стоимость двигателя.
  • Особенность линзовидных камер сгорания в том, что они поглощают больше тепла при работе. В итоге двигатель склонен к перегреву, закипанию охлаждающей жидкости в системе охлаждения, что мешает в эксплуатации авто и приводит к ускоренному выходу из строя деталей двигателя.
  • Роторный двигатель имеет своё слабое место. Уплотнители, обеспечивающие герметичность камеры сгорания в момент воспламенения топливной смеси, не могут долго выдерживать нагрузки и выходят из строя. В итоге моторесурс самого совершенного роторного двигателя без ремонта не превышает 100 – 150 тыс. км пробега авто.

Кроме экономических и технических недостатков, роторный ДВС просто непривычен для водителей и механиков. Автомобиль с ним едет по-другому. Ввиду малой массы двигателя, у него нет запаса инерционной энергии. При малейшем сбросе педали газа машина быстро теряет скорость, что хорошо при торможении, но неудобно при движении. Приходится чаще переключать передачи. Таким двигателем нельзя тормозить, заглушенный двигатель даже на первой передаче легко проворачивается. Некоторым просто не нравится звук работающего роторного двигателя.

Возможно, у этого двигателя есть большое будущее. Поршневой мотор прошел долгий путь эволюции. Коленчатые валы и поршневые системы начали создаваться ещё на паровых двигателях.

У роторного варианта не было такой длительной эволюции и массовости производства, поэтому он имеет недоработки и слабые места. Важно то, что роторный двигатель может эффективно работать на газовом топливе, в том числе на водороде. Это может открыть ему большие перспективы в будущем.

Роторные моторы: принцип действия и особенности

Несмотря на то, что ДВС получили широкое распространение, они далеко не являются совершенством в плане технического устройства. Кроме того, такие моторы обладают целым рядом минусов, которые, к огромному сожалению, как бы этого не хотелось, нельзя преодолеть. В связи с этим инженеры и конструкторы на протяжении долгих лет усиленно разрабатывали достойную альтернативу таким моторам. Сегодня вне конкуренции находятся электрические установки, которыми то и дело, производители оснащают свои автомобили. Не меньшую популярность приобрели и роторные силовые установки. Роторный мотор внутреннего сгорания является разновидностью теплового мотора. Главным отличием такого типа агрегатов является то, что они совершенно не нуждаются в конструктивных элементах, которые осуществляют преобразование возвратно-поступательного движения во вращение основного вала. С теоретической точки зрения такой мотор должен обладать большим значением КПД, но на практике такая схема очень сложная. Поэтому роторные моторы так и не нашли широкого применения в автомобилестроении.

Конструкция и принцип работы роторного мотора

И хотя система впрыска топлива у роторных и двигателей внутреннего сгорания аналогичная, строение самих силовых установок принципиально разное. В роторных моторах присутствует ротор, статор и приводной вал. В этих агрегатах используется классическая компоновка, когда вращающийся ротор располагается внутри статора. в роторе есть три выпуклых участка подобные поршням. Углубления в этих выпуклостях увеличивают скорость вращения. В каждой выпуклости есть два кольца с полостями схожими на камеры сгорания. Принцип работа агрегата основан на вращении ротора и последующей передаче крутящего момента на трансмиссию и колеса. Сгорание топливной смеси здесь происходит в полостях, что образованы сторонами ротора. В роторных моторах один полный оборот вала соответствует трем тактам работы двигателя.

Плюсы и минусы роторных моторов

У роторных механизмов есть и плюсы и минусы. Среди положительных качеств можно выделить простоту конструкции. За счет этого достигается практически идеальная сбалансированность силового агрегата. Из-за минимального числа деталей роторные моторы отличаются минимальной вибрацией. Также благодаря минимизации узлов в роторных агрегатах значительно упрощается процесс обслуживания. Он показывает себя как достаточно надежная и практически безотказная конструкция. Что касается минусов, то их у роторных моторов гораздо больше. Во-первых, расход топлива у них достаточно высокий, а во-вторых — отсутствует симметрия. Также из-за линзовидного сечения у роторных моторов негативно отражается на тепловых показателях. Поэтому в них при сгорании топлива значительная часть энергии расходуется не на проталкивание ротора, а на его нагрев. Соответственно частые перегревы — самое слабое место РДВС.

Подробнее о роторных моторах пойдет речь в этом видеоматериале:

Читать еще:  В сырую погоду двигатель работает ровно

Роторный дизель — конструкция двигателя

Кто изобрел роторный двигатель?

Второе имя роторного двигателя (РПД) — ванкель (этакий аналог дизеля). Именно Феликсу Ванкелю сегодня приписываются лавры изобретателя роторно-поршневого двигателя и даже рассказывается трогательная история о том, как Ванкель шел к поставленной цели тогда же, когда Гитлер шел к своей.

На самом деле все было чуточку иначе: талантливый инженер, Феликс Ванкель действительно трудился над разработкой нового, простого двигателя внутреннего сгорания, но это был другой двигатель, основанный на совместном вращении роторов.

После войны Ванкель был привлечен немецкой фирмой NSU, занимавшейся в основном выпуском мотоциклов, в одну из рабочих групп, трудившихся над созданием роторного двигателя под руководством Вальтера Фройде.

Вклад Ванкеля — это обширные исследования уплотнений вращающихся клапанов. Базовая схема и инженерная концепция принадлежат Фройде. Хотя у Ванкеля был патент на двойственное вращение.

Первый двигатель имел вращающуюся камеру и неподвижный ротор. Неудобство конструкции навело на мысль поменять схему местами.

Первый двигатель с вращающимся ротором начал работу в середине 1958 года. Он мало отличался от своего потомка наших дней — разве что свечи пришлось перенести на корпус.


Феликс Ванкель и его первый роторный двигатель
Вскоре фирма объявила о том, что ей удалось создать новый и очень перспективный двигатель. Почти сотня компаний, занимающихся производством автомобилей, закупила лицензии на выпуск этого мотора. Треть лицензий оказалась в Японии.

Есть ли будущее у двигателя внутреннего сгорания без коленчатого вала со свободным поршнем?

Нетрадиционным направлением развития конструкций двигателей внутреннего сгорания, является разработка свободнопоршневых энергетических установок. Их особенности работы связаны с отсутствием кривошипно-шатунного механизма, преобразующего в традиционном двигателе возвратно-поступательное движение поршня в однонаправленное вращение выходного вала. Отсутствие ограничителя движения поршня (кривошипно-шатунного механизма) приводит к иному закону движения, что позволяет получить качественно новые его характеристики.


Устроен двигатель просто. По сути, это цилиндр с глухими концами, внутри которого скользит поршень. На каждом конце цилиндра – инжектор для впрыска топлива, впускное и выпускное окно или клапана. В зависимости от типа топлива к ним могут быть добавлены свечи зажигания. И все: меньше десятка простейших деталей и лишь одна — движущаяся. Поршень в таком двигателе движется линейно, возвратно-поступательно, между двумя камерами сгорания.

В традиционной силовой установке среди нагромождения этих систем практически не виден сам двигатель, структурная схема основного механизма которого осталась неизменной со времѐн Ленуара, Отто, Бенца и Даймлера.

Существует своеобразное «табу» на основной механизм ДВС при котором значительно изменяется конструкция различных систем: газообмена, впрыска топлива и т.д., но существенным образом не изменяется схема кривошипно-шатунного механизма. И это при том, что кривошипно-шатунный механизм имеет много принципиальных недостатков: он обеспечивает возможность реализации далеко не идеального термодинамического процесса при постоянно изменяющемся рабочем объѐме и не позволяет преобразовывать максимальную нагрузку на поршень в крутящий момент на валу при нулевом эффективном плече; быстротекущие процессы расширения-сжатия определяют политропный процесс преобразования тепловой энергии, существенно отличающийся от идеального; прижатие поршня к цилиндру существенно ограничивает работоспособность и ресурс двигателя, а механизм одноцилиндрового двигателя вовсе кинематически неработоспособен и необходимо применение лишней массивной детали — маховика.

Кроме того повышение частоты вращения и степени сжатия, как способ увеличения литровой мощности двигателя, приводит к снижению его термодинамического совершенства. Как следствие имеется объективная причина поиска принципиально новых механизмов двигателей силовых установок.

Оригинальная концепция двигателя внутреннего сгорания — простота.

Одна из самых радикальных концепций ДВС в истории — двигатель со свободным поршнем. Первые упоминания о нем в специальной литературе относятся к 20-м годам прошедшего столетия. С 1930-х по 1960-е годы такие двигатели использовались в качестве воздушных компрессоров и газогенераторов, поскольку они обладали заметными преимуществами перед обычными двигателями внутреннего сгорания и газовыми турбинами.

Свободнопоршневой двигатель аналогичен обычному поршневому двигателю внутреннего сгорания, но с заменой системы коленчатого вала линейным поршневым узлом, который может работать свободно и только в линейном перемещении.

КПД такого двигателя теоретически больше 70%. Он легок и прост в производстве, а, значит, дешев. Но, не смотря на то, что этот двигатель известен около ста лет, широкого распространения он не получил. Причин тому несколько, и самая главная из них состоит в том, что до последнего времени инженеры не знали, каким способом можно было бы снять мощность с поршня, движущегося взад-вперед внутри цилиндра с частотой 20 000 раз в минуту.


Основная особенность свободнопоршневого двигателя в том, что движение поршня определяется не механической связью кривошипно-шатунного механизма, а соотношением нагрузки к силе расширяющихся газов. Степень сжатия, таким образом, у него получается переменной. Как следствие, этот двигатель можно просто настроить на бензин, дизельное топливо, этанол, природный газ, водород и т. д.

Первостепенная проблема — как снять мощность с такого двигателя, который механически представляет собой замкнутую систему? Как подключиться к поршню, который перемещается с высокой частотой?

Эта задача долго оставалась нерешенной, хотя попытки производились регулярно. В частности об нее обломали зубы инженеры General Motors в 1960-х годах в процессе разработки компрессора экспериментального газотурбинного автомобиля. Действующие образцы судовых насосов на основе свободнопоршневых двигателей в начале 1980-х были изготовлены французской компанией Sigma и британской Alan Muntz, но в серию они не пошли.

Растущий интерес к исследованиям и разработкам, а также инвестиции в эту технологию привели к появлению большего числа конфигураций прототипов двигателя со свободным поршнем. В целом они могут быть различного типа: двухтактные с оппозитными поршнями, четырехтактные с оппозитными поршнями, двухтактные с одним поршнем и двухтактные с двумя поршнями, используя свечи зажигания или принцип дизельного двигателя и пр. Известны даже двигатели со свободным поршнем, работающим по принципу Стирлинга.


Устроен двигатель просто. По сути, это цилиндр с глухими концами, внутри которого скользит поршень. На каждом конце цилиндра – инжектор для впрыска топлива, впускное и выпускное окно или клапана. В зависимости от типа топлива к ним могут быть добавлены свечи зажигания. И все: меньше десятка простейших деталей и лишь одна — движущаяся. Поршень в таком двигателе движется линейно, возвратно-поступательно, между двумя камерами сгорания.

Свободнопоршневой двигатель можно считать наиболее простой конструкцией хорошо приспособленной к требованиям массового производства, исходя из основных требований — простота, минимум подвижных звеньев, высокий КПД.

Преимущества свободнопоршневого двигателя заманчивы:

  • организация и условия протекания рабочего процесса, которые обеспечивают высокие КПД и динамические показатели при отсутствии дымления (сажи) (преимущества свободного поршня в дизеле заключаются в оптимальном подводе тепла, отсутствии ограничений на жесткость и максимальное давление цикла, высокий механический КПД, незначительный (до 10%) провал коэффициента избытка воздуха при наборе нагрузки;
  • многотопливность, возможность применения низкосортных альтернативных топлив и газов произвольного состава, включая сбросные и тощие (содержание метана более 10 – 20 % без потери мощности) с воспламенением от сжатия;
  • динамическая уравновешенность, отсутствие вибраций;
  • низкие затраты при эксплуатации и ремонте;
  • высокие пусковые качества при низких температурах;
  • возможность отключения одного или нескольких секций без остановки остальных;
  • возможность повышения давления наддува и максимального давления сгорания;
  • простота, надежность и технологичность конструкции;
  • удобство компоновки в пространстве (возможен модульный принцип построения):
  • удельная массовая и габаритная мощность значительно выше дизелей.

Свободнопоршневой двигатель можно считать наиболее простым по конструкции и хорошо приспособленным к требованиям массового производства среди всех используемых ДВС.


Устроен двигатель просто. По сути, это цилиндр с глухими концами, внутри которого скользит поршень. На каждом конце цилиндра – инжектор для впрыска топлива, впускное и выпускное окно или клапана. В зависимости от типа топлива к ним могут быть добавлены свечи зажигания. И все: меньше десятка простейших деталей и лишь одна — движущаяся. Поршень в таком двигателе движется линейно, возвратно-поступательно, между двумя камерами сгорания.

Свободнопоршневой двигатель. Источник: DLR

Однако не все так просто. Перед учеными стоят две важнейшие проблемы свободнопоршневого двигателя: отбор полученной мощности и управление капризным поршнем. Не так то просто снять механически мощность с двигателя, представляющего собой замкнутую систему, и контролировать работу установки при частоте до 20 000 циклов в минуту. Кроме того, верхняя мертвая точка траектории зависит от степени сжатия и скорости сгорания топливного заряда. Фактически торможение поршня происходит за счет создания критического давления в камере и последующего самопроизвольного возгорания смеси. В обычном ДВС каждый последующий цикл является аналогом предыдущего благодаря жестким механическим связям между поршнями и коленчатым валом. В свободнопоршневом же длительность тактов и верхняя мертвая точка — плавающие величины. Малейшая неточность в дозировке топливного заряда или нестабильность режима сгорания вызывают остановку поршня или удар в один из торцов цилиндра.

Таким образом, для двигателя такого типа требуется мощная и быстродействующая электронная система управления. Создать ее не так просто, как кажется. Многие эксперты считают эту задачу трудновыполнимой. Гарри Смайт, научный руководитель лаборатории General Motors по силовым установкам, утверждает: «Двигатели внутреннего сгорания со свободным поршнем обладают рядом уникальных достоинств. Но чтобы создать надежный серийный агрегат, нужно еще очень много узнать о его термодинамике и научиться управлять процессом сгорания смеси». Ему вторит профессор Массачусетского технологического института Джон Хейвуд: «В этой области еще очень много белых пятен. Не факт, что для свободнопоршневого двигателя удастся разработать простую и дешевую систему управления».

Но наука и техника развиваются настолько стремительно, что проблемы, реализация которых была невозможна вчера, сегодня вполне реализуемые за счет новых материалов, технологий, микропроцессорной техники и интеллектуальных систем управления.

Читать еще:  Шкода суперб сколько масла лить в двигатель

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Теги: Технологии двигатель внутреннего сгорания ДВС коленчатый вал кривошипно-шатунный механизм свободный поршень

Предыдущая статья Прорывная технология или утопия: линейный генератор + свободнопоршневой двигатель

Следующая статья Мотор с непосредственным впрыском. Насколько экологичный «зеленый» двигатель?

Как работает роторно-поршневой двигатель в машине?

На момент создания роторно-поршневого двигателя его концепция казалась идеальной. К тому же были очевидными недостатки других типов двигателя. Компания Мазда верила в идеальность концепции вплоть до 2012 года. Затем иллюзии развеялись, и они сняли с производства свою последнюю модель с таким типом мотора — RX-8. В этой статье мы расскажем о принципе работы роторно-поршневого двигателя, и ты поймешь, почему он так нравился именитому автопроизводителю. Также мы расскажем об истории создания, преимуществах и недостатках, об автомобилях, которые работают на моторе такого типа.

Роторный мотор можно назвать аналогом дизеля, он обозначается РПД и имеет второе название — ванкель. Изобретение долгое время приписывали Феликсу Ванкелю, на эту тему есть трогательная легенда, как изобретатель шел к поставленной цели в те времена, пока Гитлер стремился к его цели. Но если исходить из исторических фактов, а не из легенд, то все будет иначе.

История создания

Выдающийся инженер и разработчик Феликс Ванкель действительно в тот период работал над созданием нового двигателя. Он хотел сделать простую систему, работающую по принципу внутреннего сгорания. Но создал он не совсем РПД, а мотор, который работает за счет синхронного кругового движения роторов. Когда завершилась вторая мировая, Ванкеля привлекли к разработкам германского объединения NSU, они специализировались на мотоциклах. Ванкель вошел в группу, которая трудилась над роторным мотором.

Вклад Ванкеля значительный, он провел обширные исследования уплотнений клапанов, у него даже был патент на роторное вращение. Но сама концепция принадлежит руководителю этой рабочей группы — инженеру Фройде.

Первый созданный прототип представлял собой статичный элемент, ротора, и подвижные камеры. Быстро стали очевидными неудобства. В 1958 их поменяли местами, так родилась первая в мире конструкция с вращающимся ротором. Она не сильно отличается от современных потомков, разве что расположением свечей, теперь они находятся на корпусе. Совсем скоро компания заявила, что изобрела самый современный двигатель новейшего типа. Лицензии на эту установку закупили сотни компаний, примерно треть из них приходится на японских автопроизводителей.

Что сделали в Советском Союзе

Союз не стал приобретать лицензию, вместо этого было решено разработать свой уникальный мотор роторного типа. Сначала советским ученым привези авто, произведенное немецким NSU. Машину разобрали и начали изучать, работы начались в 1967. Прошло 7 лет, и при концерне ВАЗ открылось конструкторское бюро, оно проектировало и производило РПД. Так был создан ВАЗ-311, похвастаться им не получилось, машину доделывали еще 6 лет.

Модель с таким типом мотора для серийного производства — ВАЗ 21018, его представили в 1982. И это тоже привело к неудаче, у всех пробных авто отказали двигатели, последовал год доработок. Затем вышли ВАЗ 411 и 413, они использовались силовыми ведомствами страны. То, что получилось, пришлось кстати для сотрудников охраны правопорядка. Им были нужны неприметные авто, которые обладают достаточной мощностью, чтобы догнать иномарку. К тому же в ведомствах особенно не беспокоились о высоком расходе топлива и небольшом ресурсе двигателя. Рядового автомобилиста такое конечно же не устроило бы.

Что сделали на Западе и Востоке?

Там тоже шли работы, но перспектива сделать РПД не стала фурором. Работы завершились с началом топливного кризиса, в 1973 бензин очень сильно подорожал. Тогда автолюбители начали проявлять интерес к экономичным двигателям, к ним РПД конечно же не относился. Он потреблял до двадцати л на сто километров, поэтому абсолютно не пользовался спросом.

Но на востоке осталась страна, которая не разочаровалась, это Япония. С течением времени многие японские производители отказались от столь непопулярного двигателя. В итоге его сторонником осталась лишь Мазда.

Для Советского Союза топливный кризис прошел незаметно. Поэтому машины с роторным двигателем производили, это продолжилось и после распада СССР. В результате ВАЗ использовал такую концепцию до 2004 года, Мазда продержалась за нее дольше — до 2012.

Особенности

Ключевой элемент конструкции — треугольник Рёло, это ротор треугольной конфигурации с выпуклостью на гранях. Он вращается вокруг оси, представленной статором. Верхняя часть рисует эпитрохоиду, кривую определенной формы. По данной кривой создается оболочка для ротора.

Главный конкурент роторного мотора — это поршневой. И у того, и у другого рабочий цикл делится на четыре такта. У РПД между капсулой и гранями треугольника образуются капсулы переменной серповидной формы. Эта особенность породила некоторые недостатки. Чтобы изолировать камеры, используют разные типы уплотнителя.

Система газораспределения сделала конструкцию проще. Также стоит выделить высокую для таких небольших габаритов мощность. Отказ от коленвала сделал конструкцию легкой, также отсутствуют межкамерные сопряжения, они бы тоже добавили веса.

Плюсы и минусы

Есть ряд преимуществ:

  • меньшее количество деталей, как минимум на 35% меньше относительно поршневого. Меньше деталей — меньше поломок;
  • если сопоставить с конкурентом такой же мощности, то РПД будет в 2 раза меньше по размеру;
  • отсутствие высокой нагрузки даже на больших оборотах и если на низких передачах разогнаться сильнее сотни километров в час;
  • меньше весит, поэтому машину проще уравновесить, она становится более устойчивой;
  • нет проблемы вибрации даже у самых легких авто. Поршневой вибрирует гораздо сильнее, ввиду чего роторный лучше сбалансирован.

Но есть и недостатки:

  • главный минус — небольшой ресурс, это издержка простой конструкции. Рабочий угол уплотнителей постоянно меняется, из-за чего они быстро изнашиваются. Износ усиливается и от того, что через каждый такт меняется температура. Вдобавок давление, оказываемое на трущиеся поверхности, от этого есть только одно средство — впрыскивание масла в коллектор;
  • при износе уплотнителей образуются утечки между камерами. Разница в давлении очень большая, от этого страдает КПД. Вред для экологии усиливается;
  • из-за серповидной конфигурации камер топливо сгорает не полностью. Из-за небольшой длины рабочего хода и скорости вращения ротора выталкиваются несгоревшие газы высокой температуры. Выделяются не только продукты сгорания бензина, но и масло, ввиду чего окружающая среда подвергается крайне негативному влиянию. Поршневые двигатели не настолько вредные для экологии;
  • про высокий расход топлива уже было сказано, но это касается не только бензина, но и масла. Такой двигатель съедает до литра на тысячу километров. Если забыть про масло, то можно столкнуться с необходимостью дорогого ремонта или вовсе замены мотора;
  • высокая себестоимость. Требуются качественные дорогие материалы и высокотехнологичное оборудование.

У роторного двигателя достаточно недостатков, но и его конкурент не совершенный. Поэтому соревнование между ними длилось достаточно долго. Сейчас гонка окончена, но никто не может сказать, навсегда или нет.

Машины на РПД

Автомобили с таким типом двигателя используются по сей день.

Mazda RX 8

В Мазде не просто слепо верили в перспективу такого двигателя, они его постоянно совершенствовали. И делали это довольно успешно, им удалось добиться, чтобы двигатель объемом всего 1,3 литра выдавал мощность на 215 лошадиных сил. С таким же объемом был еще более мощный вариант — на 231 лошадку. Но продажи таких автомобилей начали падать, поэтому в конце 2011 года производить RX-8 перестали.

Ваз 2109-90

На момент создания возможности этого авто на роторном двигателе впечатляли. Его устанавливали на полицейские экипажи, чтобы они были быстрыми и мощными. Показатель мощности — 140 лошадиных сил, разгон до сотни километров в час составлял 8 секунд, максимальная скорость — две сотни километров в час. Такие машины не стали популярными, они обходились дорого и не были достаточно надежными. Их использование было выгодным только в виду высокий скоростных характеристик, они обгоняли любой советский автомобиль и многие иномарки.

Mercedes C111

Его презентовали в 1970 году, в него установлен роторный двигатель на три секции объемом 1,8 литра. Мощность — 280 лошадиных сил. Максимальная скорость — 275 километров в час, причем до первой сотни разгоняется за пять секунд.

Ваз 21019 Аркан

Если бегло глянуть на эту машину, то можно перепутать его с ВАЗом 21011. Если судить по тому, что внутри, то это скорее ВАЗ-411. Это роторный мотор из двух секций, благодаря которому авто может развивать мощность до 120 лошадок. Разогнаться он может до 160 километров в час, это в теории, на практики удавалось разогнать и до более высоких скоростей. В советские времена это был один из самых скоростных автомобилей, ни одна другая отечественная машина не могла его обогнать. Превзойти Аркан могли бы, пожалуй, только иностранные авто из спортивного класса, в которых все рассчитано на скорость.

Подведем итоги

Моторы роторно-поршневого типа превосходно показывают себя в гонках. У них есть для этого высокая мощность, большое количество оборотов. Немаловажно, что машины на нем очень легкие относительно других, так как двигатель меньше и легче. Ресурс двигателя для гонок — не самый важный показатель, как и прожорливость. Но в обычной жизни нельзя этого не учитывать.

Вне недостатки обусловлены строением и принципом работы роторно-поршневого двигателя. Их нельзя отнести к недоработкам, скорее, это особенности. Но в теории есть способ вновь начать пользоваться РПД. Для этого нужно сделать его более экологичным, повысить ресурс и сделать его более экономичным.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector