Роторный двигатель: принцип работы. плюсы и минусы роторного двигателя

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!

Роторный двигатель в разрезе

Ротор роторного двигателя

Камера роторного двигателя

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 роторного двигателя

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.

Как самостоятельно полировать автомобиль?

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%.

Устройство

Перед пониманием устройства следует знать главные составные части роторно-поршневого мотора. Двигатель Ванкеля состоит из:

• корпуса статора;
• ротора;
• набора шестерен;
• эксцентрикого вала;
• свечей зажигания (воспламеняющая и дожигающая ).

Роторный мотор представляет собой агрегат внутреннего сгорания. В данном моторе все 4 такта работы происходят в полном объеме, однако для каждой фазы есть своя камера, которую вращательным движением образует ротор. 

При включении зажигания стартер вращает маховик и двигатель запускается. Вращаясь, ротор, через корону передач передает крутящий момент на эксцентриковый вал (у поршневого двигателя это распредвал). 

Итогом работы двигателя Ванкеля должно быть образование давления рабочей смеси, заставляющей снова и снова повторять вращательные движения ротора, передавая крутящий момент на трансмиссию. 

В данном моторе, цилиндры, поршни, коленчатый вал с шатунами заменяет всего корпус статора с ротором. Благодаря этому объем двигателя значительно уменьшился, а мощность при этом во много раз выше, чем у классического мотора с кривошипно-шатунным механизмом, при равном объеме. Данная конструкция обладает высоким КПП также из-за низких потерь на трение.

Кстати, рабочие обороты двигателя могут превышать 7000 об/мин, а у моторов Mazda Wankel (для спортивных соревнований) обороты превышают 10000 об/мин. 

Где используется

Испытания проводились немцами. В 1957 году инженеры Германии Феликс Венкель и Вальтер Фройде выпустили этот агрегат на обозрение, как “рабочую единицу”. Спустя семь лет, этот мощный двигатель был под капотом спорткара “Спайдер”. Новинку естественно “начали есть все автопроизводители”, в частности: “Мерседес-Бенц”, “Ситроен” и прочие. Даже Ваз испытывал ДВС Ванкеля. Но, единственный кто все-таки решился на серийное производство — это “Мазда”, она же и стала последней точкой в выпуске этого устройства. На сегодня практикуется мелкосерийное производство для мотоциклов. Но, роторный движок это идеальный вариант для гоночной машины и спорткара, а не обычной тюнингованной “Дженерал Моторс”.

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.

Преимущества и недостатки роторного двигателя

Роторный двигатель Ванкеля имеет следующие основные преимущества и недостатки:

Преимущества двигателей Ванкеля

• Эти типы двигателей имеют простую конструкцию.
• Роторный двигатель не имеет клапана для работы.
• Этим двигателям не требуется коленчатый вал, шатуны и т.д. Удаление этих компонентов делает двигатель Ванкеля более легким.
• Они имеют широкий диапазон скоростей.
• Они также могут сжигать топливо с высоким октановым числом без стука.
• Эти двигатели имеют множество преимуществ с точки зрения безопасности, что делает их полезными в самолетах.
• На некоторых двигателях Ванкеля не происходит загрязнения картера, что означает отсутствие необходимости в замене топлива.
• У двигателя Ванкеля нет проблем со стуком. Стук возникает из-за неполного сгорания воздушно-топливной смеси.
• Эти двигатели имеют значительно более высокое соотношение мощность/вес, чем колонный двигатель.
• Более просты в размещении на ограниченной площади двигателя, чем поршневой двигатель.
• Этим двигателям не нужны возвратно-поступательные части.
• Роторный двигатель Ванкеля имеет более высокое соотношение оборотов в минуту по сравнению с поршневым двигателем.
• Эти двигатели не производят много шума во время работы.
• Поскольку в двигателе Ванкеля очень мало движущихся компонентов, цена его производства низкая.
• Эти двигатели более компактны, чем поршневые.
• Высокая скорость этих двигателей обеспечивает превосходную приспособляемость.
• Они лучше всего подходят для использования водородного топлива.

Недостатки двигателей Ванкеля

• Высокая потеря герметичности: Это также является незначительной проблемой, так как корпус двигателя Ванкеля имеет немного разные температуры в каждом отдельном сегменте камеры. Различные коэффициенты расширения вещества способствуют несовершенному экранированию. Поэтому эти двигатели имеют высокие потери уплотнения.
• Подъем апексного уплотнения: Центробежная сила прижимает вершинное уплотнение к поверхности корпуса двигателя для создания прочного уплотнения. При работе с малой нагрузкой в случае дисбаланса центробежной силы и давления газа могут образоваться зазоры между вершинным уплотнением и корпусом.
• Высокий уровень выбросов: Поскольку несгоревшее топливо находится в выхлопном потоке по мере использования топлива, нормы выбросов трудновыполнимы. Прямой впрыск топлива в камеру сгорания двигателя решит эту проблему.
• Низкая топливная экономичность бензинового топлива: Это происходит из-за подвижной камеры сгорания, что способствует плохому сгоранию и хорошему давлению при частичной нагрузке и низких оборотах. Это приводит к тому, что несгоревшее топливо попадает в выхлопной поток; теряется топливо, не использованное для производства электроэнергии.
• Иногда у роторного двигателя Ванкеля возникают проблемы с пробегом и сгоранием масла.
• Воздушно-топливная смесь не может быть предварительно запасена, так как у этого двигателя нет впускного отверстия.
• Для этих двигателей требуется сложная технология впрыска топлива.
• Эти двигатели имеют низкую степень сжатия. По этой причине они имеют низкую топливную экономичность и тепловую эффективность.
• В выхлопном потоке двигателя Ванкеля может быть большое количество несгоревших углеводородов и окиси углерода.
• Роторный двигатель очень склонен к осечкам, так как потеря хода приводит к тому, что двигатель теряет импульс, а затем снова начинает движение при следующем выстреле в камеру сгорания. Обслуживание системы зажигания необходимо для того, чтобы избежать этой проблемы.

Применение двигателя Ванкеля

• Крошечный двигатель Ванкеля все чаще используется в других функциях, включая картинг, персональные водные суда и вспомогательные силовые установки самолетов.
• Некоторые люди используют двигатели Ванкеля в модификациях, которые в основном использовались с 1970 года. Даже с большим глушителем весь комплект весит всего 13,4 унции (380 грамм).
• Универсальность двигателей Ванкеля делает их подходящими для конструкций малого, микро и микро-мини размера.
• Самый большой двигатель Ванкеля доступен с ротором мощностью 550 л.с. (410 кВт) и двухроторные версии мощностью 1100 л.с. (820 кВт), вытесняет примерно 41 литр ротора в диаметре. Благодаря снижению частоты вращения двигателя всего до 1200 об/мин и использованию природного газа в качестве топлива, двигатели были удачно выбраны для привода насосов на газопроводах.
• Эти двигатели используют в самолетах.
• Эти двигатели используются в автомобилях Mazda.
• Небольшие двигатели Ванкеля также используются в мотоциклах.
• Эти двигатели также используются в лодках.

История двигателя Ванкеля

В 1924 году Феликс Генрих Ванкель сделал небольшую лабораторию и начал разрабатывать и исследовать двигатель своей мечты, который мог бы вращаться, всасывать, сжимать, сжигать и выхлопные газы.

В 1951 году компания NSU Motorenwerke AG начала разработку двигателя Ванкеля.

В 1957 году инженер Феликс Генрих Ванкель разработал первый роторный двигатель Ванкеля как замену традиционному поршневому двигателю.

Инженер Ханнс Дитер Пашке разработал второй двигатель KKM, следуя некоторым технологическим изменениям и усовершенствовав технологию двигателя Ванкеля.

Впервые роторный двигатель Ванкеля был представлен специалистам и прессе в 1960 году на конференции Союза немецких машиностроителей в Мюнхене.

В 1960-х годах, благодаря простоте, отличному соотношению прочности и веса, плавности работы и очень высокой эффективности роторных двигателей, они были у всех на устах в автомобильной и мотоциклетной промышленности.

В августе 1967 года компания NSU Motorenwerke AG получила широкую известность благодаря новому автомобилю NSU Ro 80, который имел 115-часовой двигатель Ванкеля с двумя роторами. Это был первый немецкий автомобиль 1968 года, который был выбран «Автомобилем года».

Благодаря превосходным характеристикам двигателя Ванкеля многие крупные автопроизводители (Ford, Toyota, Mercedes-Benz, Porsche, Rolls-Royce и Mazda) в течение следующего десятилетия подписали лицензионные соглашения на производство роторных двигателей Ванкеля, среди которых.

Дальнейшее развитие

1) Двигатель Ленуара 1860 год 2) Двигатель Отто 1867 год

Несмотря на то, что в начале 19-го века паровые двигатели считались более перспективными, разработка поршневых ДВС не останавливалась. В 1860 году бельгийский инженер Этьен Ленуар создал первый двухтактный поршневой двигатель пригодный к серийному производству. Его новаторский мотор фактически повторял принцип работы паровой машины Уатта и некоторые его элементы конструкции, но работал на светильном газе. В зависимости от объема единственного цилиндра, двигатель Ленуара имел различную мощность от 2 до 20 л.с. Термический КПД восьмисильного мотора составлял всего 4,68%. Для сравнения современный ДВС имеет КПД 20-45%. Тем не менее мотор Ленуара был выгоден в коммерческой эксплуатации и работал на промышленных предприятиях, типографиях и судоходстве.

Столь малая эффективность двигателя была следствием несовершенства его конструкции. Однопоршневой мотор имел гигантский объем, поршень двойного действия, малоэффективный золотниковый механизм впуска/выпуска и при этом не имел цикла сжатия. Изучив двигатель Ленуара, в 1861 году немецкий инженер Николаус Отто построил его копию.

В 1863 году немец построил двухтактный поршневой двигатель собственной конструкции, КПД которого достиг 15%. Он имел единственный цилиндр, расположенный вертикально и работал на светильном газе. Первый собственный мотор Отто получил широкое признание публики и коммерческий успех.

Роторный двигатель (ВАЗ-21018-2108)

История создание ВАЗовских роторных ДВС датируется 1974 годом. Именно тогда было создано первое конструкторское бюро РПД. Однако первый разработанный нашими инженерами двигатель имел схожую конструкцию с мотором Ванкеля, который укомплектовывался на импортные седаны NSU Ro80. Советский аналог получил название ВАЗ-311. Это самый первый советский роторный двигатель. Принцип работы на ВАЗовских автомобилях данного мотора имеет одинаковый алгоритм действия РПД Ванкеля.

Первым автомобилем, на который стали устанавливать данные двигатели, стал ВАЗ модификации 21018. Машина практически ничем не отличалась от своего «предка» – модели 2101 – за исключением используемого ДВС. Под капотом новинки стоял односекционный РПД мощностью в 70 лошадиных сил. Однако в результате исследований на всех 50 образцах моделей были обнаружены многочисленные поломки мотора, которые заставили Волжский завод отказаться от применения данного типа ДВС на своих автомобилях на ближайшие несколько лет.

Основная причина неисправностей отечественного РПД заключалась в ненадежных уплотнениях. Однако советские конструкторы решили спасти данный проект, презентовав миру новый 2-секционный роторный двигатель ВАЗ-411. Впоследствии был разработан ДВС марки ВАЗ-413. Основные их различия заключались в мощности. Первый экземпляр развивал до 120 лошадиных сил, второй – порядка 140. Однако в серию данные агрегаты снова не вошли. Завод принял решение ставить их только на служебные автомобили, использовавшиеся в ГАИ и КГБ.

РПД в СССР

А вот Советский Союз лицензию не покупал вовсе. Разработки собственного роторного двигателя начались с того, что в Союз привезли и разобрали немецкий автомобиль Ro-80, производство которого NSU начала в 1967 году.

Через семь лет после этого на заводе ВАЗ появилось конструкторское бюро, разрабатывающее исключительно роторно-поршневые двигатели. Его трудами в 1976 году возник двигатель ВАЗ-311. Но первый блин получился комом, и его дорабатывали еще шесть лет.

Первый советский серийный автомобиль с роторным двигателем — это ВАЗ-21018, представленный в 1982 году. К сожалению, уже в опытной партии у всех машин вышли из строя моторы. Дорабатывали еще год, после чего появился ВАЗ-411 и ВАЗ 413, которые были взяты на вооружение силовыми ведомствами СССР.

Там не особо переживали за расход топлива и малый ресурс мотора, зато нуждались в быстрых, мощных, но неприметных авто, способных угнаться за иномаркой.

ВАЗ с роторным двигателем (ГАИ)

Недостатки роторного двигателя

На старте продаж роторная Мазда пользовалась активным спросом, так как автомобиль привлекал автолюбителей своим  необычным и мощным двигателем (особенно форсированные версии с мощностью около 500 л.с.). Однако немного позже владельцы уже на относительно небольших пробегах столкнулись с первыми проблемами и минусами данного типа ДВС.    

Основные недостатки — большой расход топлива и относительно низкий ресурс роторного двигателя 13B-MSP. В идеальных условиях силовая установка данного типа способна выходить около 100 тыс. км пробега. Что касается реальной эксплуатации, часто моторы приходили в негодность уже к 50-60 тыс. км. пробега.

Обычно первыми выходят из строя уплотнения ротора. Причина вполне очевидна, так как уплотнения находятся под высокими нагрузками и сильно нагреваются. Также дает о себе знать и детонация, износ подшипников эксцентрикового вала, роторов и т.д.

Примечательно то, что первыми сдаются апексы (уплотнения на торцах), тогда как боковые уплотнители ходят намного дольше. В результате износа апексов, а также их установочных мест на роторе, в двигателе падает компрессия, углы уплотнителей могут отваливаться, повреждая поверхности статора.

Также следует отметить быстрый выход из строя коренных вкладышей эксцентрикового вала. С учетом того, что вал осуществляет вращение в 3 раза быстрее роторов, роторы несколько смещаются по отношению к стенкам статора, причем вершины роторов должны всегда быть удалены на одно расстояние от стенок.

В результате, когда углы апексов выпадают, на поверхности статора неизбежно появляются задиры. При этом диагностика роторного двигателя сильно затруднена, так как, в отличие от обычного мотора, роторный двигатель не стучит в случае износа вкладышей.

Параллельно отметим, что на версиях данного мотора с наддувом работа агрегата на обедненной смеси приводит к перегреву апекса. Далее пружина, прижимающая апекс, просто гнет его и компрессия сильно снижается. Еще форсированные (роторные двигатели с наддувом) отличаются неравномерным нагревом корпуса.

В верхней части ДВС, где происходят такты впуска и сжатия, более холодные. В то же время нижняя часть, где протекает процесс сгорания смеси и выпуска раскаленных газов, нагревается намного сильнее. Результат – деформация корпуса форсированных версий.

Также отметим, что отдельно проявились и проблемы системы смазки. На практике, масляные форсунки в статоре часто загрязняются и перестают работать. При этом промыть клапаны форсунок не получается, то есть нужна замена. Если же вовремя проблема не была установлена, масляное голодание становится причиной сильного износа целого ряда элементов роторного двигателя.

При этом во всех случаях и независимо от причины, статор на практике восстановить практически не представляется возможным, а также следует отметить отсутствие ремонтных запчастей. Это значит, что если статор поврежден, восстановить двигатель очень сложно и дорого. То же самое касается и ротора. Если пазы под апексы повреждены, отремонтировать деталь практически невозможно.

Все это означает, что мотор фактически «одноразовый» и качественно его отремонтировать нет возможности. Единственный выход – покупка и установка нового двигателя, так как контрактные варианты в большинстве случаев тоже будут изношены и долго не прослужат. Само собой, купить роторный двигатель без пробега можно, но цена роторного двигателя будет высокой.   

Недостатки ротативных двигателей (около 1910 года)

— перегрев двигателя; — трудности с увеличением размера и числа цилиндров; — увеличение нагрузки от центробежных сил и гироскопического момента на картер при увеличении частоты вращения двигателя или компоновке второго ряда цилиндров; — большие потери мощности на вращение оребрённых цилиндров. — гироскопический эффект, затрудняющий маневрирование самолета.

Очень большой расход масла. Связано с трудностью откачки масла из вращающегося картера.

Конструктивно двигатель представлял собой звезду с нечетным количеством цилиндров (обычно 7 или 9) с последовательным воспламенением в каждом из цилиндров для обеспечения повышенной плавности рабочего процесса. Двигатели с чётным количеством цилиндров, как правило имели схему двойной звезды.

Принцип работы роторного двигателя

Роторный мотор работает по схеме, отличающейся от технологии, характерной для стандартного ДВС с поршнями в качестве основного подвижного элемента. Кроме того, силовые агрегаты имеют различную конструкцию.

По аналогии с поршневым двигателем принцип действия РПД базируется на преобразовании энергии, получаемой в результате сгорания воздушно-топливной смеси. В первом случае давление, создаваемое в цилиндрах при сжигании горючего, вынуждает поршни двигаться. Возвратно-поступательные движения шатун и коленчатый вал преобразуют во вращательные, которые заставляют крутиться колеса.

Внутри цилиндра, где располагается ротор, происходят следующие процессы:

1. воздушно-топливная смесь сжимается;
2. впрыскивается очередная доза горючего;
3. поступает кислород;
4. топливо воспламеняется;
5. сгоревшие элементы направляются в выпускное отверстие.

Треугольный ротор закрепляется на особом механизме. При запуске двигателя он выполняет специфические движения, не вращаясь, а как бы бегая внутри овальной капсулы.

В них наблюдаются такие процессы:

• в первую полость через впускное окно подается горючее и всасывается кислород, при перемешивании образующие воздушно-топливную смесь;
• во втором отсеке происходит сжатие и воспламенение;
• продукты сгорания вытесняются в выпускное отверстие из третьей камеры.

Схема устройства РПД

В конструкцию РПД входят следующие элементы:

1. Ротор с 3 выпуклыми гранями, выполняющими функции поршня. За счет углублений увеличивается скорость вращения, образуется больше пространства для воздушно-топливной смеси.
2. Пластины из металла, закрепленные на вершинах каждой из сторон. Их предназначение – формирование полостей в корпусе, где происходят рабочие процессы силовой установки.
3. 2 металлических кольца на гранях ротора служат для образования камерных стенок.
4. В центре конструкции располагаются 2 больших колеса с большим количеством зубьев, вращающихся вокруг шестерней меньшего диаметра. Зубчатая передача соединена с приводным устройством, закрепленном на выходном валу. Направление и траектория движения внутри камеры зависят от этого соединения.
5. Корпус ротора. Изготавливается в форме условного овала. Такая конфигурация обеспечивает постоянный контакт вершин треугольника со стенками капсулы, создавая 3 изолированных объема газа.
6. Окна впрыска и выхлопа. Клапанов не имеют. Впускное отверстие соединено с системой подачи топлива, а выпускное – с выхлопной трубой.
7. Выходной вал с эксцентриковой конструкцией. На нем расположены особые кулачки, смещенные относительно осевой линии. На каждый из этих выступов надевается отдельный ротор. Благодаря несимметричной установке, происходит неравномерное распределение силы давления. Это приводит к образованию крутящего момента, вызывающего стабильную работу силовой установки, основанную на оборотах вала.

5 основных слоев, скрепленных по окружности длинными шурупами, составляют стандартную конструкцию двухроторного двигателя. При этом создаются условия для свободной циркуляции охлаждающей жидкости внутри системы. Движущиеся части, представленные 2 роторами и эксцентриковым выходным валом, располагаются между 2 стационарными участками.

Мощность и ресурс

По сравнению со стандартным ДВС, роторный агрегат характеризуется большей удельной мощностью, которая измеряется в л.с./кг. Это объясняется меньшей массой подвижных деталей, составляющих конструкцию РПД. Обоснование – отсутствие газораспределительного механизма, клапанной системы, коленчатого вала и шатунов.

Кроме того, однороторный двигатель преобразует энергию сгорания топлива во вращательное движение на протяжении ¾ тактов рабочего цикла. Для поршневых моторов этот показатель снижен до ¼.

До 2011 г. только японские промышленники концерна «Мазда» выпускали автомобили с двигателями роторного типа. А потом и они сняли агрегат с производства. Вероятная причина – заниженный ресурс силовой установки. До первого капитального ремонта транспортные средства проезжают всего 100 тыс. км. При аккуратном стиле вождения и бережном отношении пробег увеличивается до 200 тыс. км.

Уязвимое звено – уплотнители ротора, страдающие от перегрева и высоких нагрузок. Кроме этих факторов на них оказывают негативное влияние детонация и износ подшипников, расположенных на эксцентриковом валу.

Фазы работы

Как действует роторный двигатель? Принцип работы (gif-изображения и схему РПД вы можете увидеть ниже) данного мотора заключается в следующем. Функционирование двигателя состоит из четырех повторяющихся циклов, а именно:

1. Подачи топлива. Это первая фаза работы двигателя. Она происходит в тот момент, когда вершина ротора находится на уровне отверстия подачи. Когда камера открыта для основного отсека, ее объем приближается к минимуму. Как только ротор вращается мимо нее, в отсек попадает топливно-воздушная смесь. После этого камера снова становится закрытой.
2. Сжатия. Когда ротор продолжает свое движение, пространство в отсеке уменьшается. Таким образом, происходит сжатие смеси из воздуха и топлива. Как только механизм проходит отсек со свечей зажигания, объем камеры снова уменьшается. В этот момент происходит воспламенение смеси.
3. Воспламенения. Зачастую роторный двигатель (ВАЗ-21018 в том числе) имеет несколько свечей зажигания. Это обусловлено большой длиной камеры сгорания. Как только свеча воспламеняет горючую смесь, уровень давления внутри увеличивается в десятки раз. Таким образом, ротор снова приводится в действие. Далее давление в камере и количество газов продолжают расти. В этот момент происходит перемещение ротора и создание крутящего момента. Так продолжается до тех пор, пока механизм не пройдет выхлопной отсек.
4. Выпуска газов. Когда ротор проходит данный отсек, газ под высоким давлением начинает свободно перемещаться в выхлопную трубу. При этом движение механизма не прекращается. Ротор стабильно вращается до тех пор, пока объем камеры сгорания снова не упадет до минимума. К этому времени из мотора выдавится оставшееся количество отработавших газов.

Именно такой имеет роторный двигатель принцип работы. ВАЗ-2108, на который также монтировался РПД, как и японская «Мазда», отличался тихой работой мотора и высокими динамическими характеристиками. Но в серийное производство данная модификация так и не была запущена. Итак, мы выяснили, какой имеет роторный двигатель принцип работы.

Принцип работы

Принцип действия роторного двигателя, как и его конструкция, радикальным образом отличается от поршневого автомобильного аналога. Именно ротор, вращаясь, передает крутящий момент на трансмиссию и, в конечном итоге, – на колёса. Сгорание топливно-воздушной смеси происходит не в цилиндрах, а полостях, образуемых сторонами ротора, представляющего собой равнобедренный треугольник с немного выпуклыми сторонами. Он изготавливается только из высококачественной легированной стали.

Корпус, играющий роль статора – вторая важная компонента роторного силового агрегата. В разрезе он имеет вид продолговатого овала, между стенками которого и сторонами ротора формируются динамические камеры сгорания и происходят все стандартные фазы сгорания ТВС: впрыск смеси, сжатие, воспламенение, выпуск отработанных газов.

Поскольку ось, на которой расположен ротор, расположена не по центру, вращением это назвать сложно. Да и сама геометрия внешних сторон корпуса и ротора далека от симметрии. Однако именно это позволяет в каждый момент времени формировать три полости, в каждой из которых в конкретный момент времени происходит один из четырёх вышеназванных циклов.

Опишем схематически, как работает роторный двигатель, на примере одной отдельно взятой стороны ротора.

На фазе впуска в начинающую расширяться полость всасывается топливная смесь, причём происходит это самотёком, за счёт создаваемого в полости разрежения. В этой же фазе происходит и смешивание ТВС. За счет силы инерции (ведь таких полостей в двигателе три, и одна из оставшихся как раз и толкает ротор в нужном направлении) полость смещается, точки максимального объема и затем начиная опять сжиматься. Максимум этого процесса приходится на нижнюю мёртвую точку, в которой смесь сжимается до такой степени, что готова отдать всю энергию. Именно в этот момент и происходит воспламенение ТВС свечой зажигания, после чего в результате сгорания и резкого расширения продуктов горения струя газов, пытаясь вырваться наружу, толкает ротор, пока он опять не подойдёт к верхней точке траектории. А здесь уже газам есть куда выйти через выпускной клапан. Таким образом, цикл завершается, а весь процесс происходить непрерывно

Важно понять, что в каждый момент времени в каждой из камер происходит один из процессов, аналогичных вышеописанным

Другими словами, один полный оборот выходного вала соответствует трём тактам работы мотора.

Если учесть, что современные роторные двигатели оснащаются двумя или тремя роторами, для каждого из которых имеется свой статор, то бишь корпус, то картина получается впечатляющая. К слову, в настоящее время производством таких автомобильных силовых агрегатов занимается только автоконцерн Mazda.

Как видим, конструкции и принцип работы роторного двигателя достаточно прост, дополнительных узлов и механизмов требуется минимум, не в пример меньше, чем у поршневого собрата. Это позволяет при сравнимых габаритах обеспечить намного большую производительность. Так, по выходной мощности двухроторный мотор сопоставим с шестицилиндровым поршневым силовым агрегатом, трёхроторный выдает столько же лошадиных сил, как двенадцатицилиндровый поршневой двигатель.

Следует отметить, что повышенная производительность – далеко не единственный конёк этого типа моторов, но есть у него, разумеется, и ряд недостатков, которые и не позволяют (надеемся – пока) сделать его массовым продуктом. Но об этом – в следующей главе.

Виды преобразователей

Почему так важно рассмотреть виды, чтобы понять, чем отличается статор электродвигателя от подвижной его части. Все дело в том, что конструктивных особенностей у электродвижков немало, то же самое касается и генераторов (это преобразователи механической энергии в электрическую, электродвигатели имеют обратную функциональность)

Итак, электрические двигатели делятся на аппараты переменного и постоянного тока. Первые в свою очередь разделяются на синхронные, асинхронные и коллекторные. У первых угловая скорость вращения статора и ротора равны. У вторых два эти показателя неравны. У коллекторных видов в конструкции присутствует так называемый преобразователь частоты и количества фаз механического типа, который носит название коллектор. Отсюда и название агрегата. Именно он напрямую связан с обмотками ротора двигателя и его статора.

Машины постоянного тока на роторе имеют тот же коллектор. Но в случае с генераторами он выполняет функции преобразователя, а в случае с электродвигателями функции инвертора.

Если электрический агрегат – это машина, в которой вращается только ротор, то его название – одномерный. Если в нем вращаются в противоположные стороны сразу два элемента, то этот аппарат носит название двухмерный или биротативный.