| Что такое роторный двигатель?
В
традиционном четырехтактном поршневом двигателе один и тот же цилиндр
используется для разных процессов - впуска, сжатия, сгорания и выпуска.
Роторный двигатель позволяет осуществлять каждый из
этих процессов в разных частях корпуса. Каждый процесс как бы
происходит в отдельном цилиндре. В поршневом двигателе давление
расширения, возникающее при сгорании топливовоздушной смеси, заставляет
поршни двигаться вверх-вниз внутри цилиндров. Шатуны и коленвал
преобразуют это возвратно-поступательное движение во вращательное
движение, необходимое для перемещения автомобиля. В роторном двигателе
отсутствует преобразуемое возвратно-поступательное движение. Давление
образуется в камерах, создаваемых различными частями корпуса и
выпуклыми поверхностями треугольного ротора. Сгорание приводит
непосредственно к вращению ротора, что снижает вибрации и увеличивает
возможную скорость вращения. Обеспечиваемое таким образом повышение
эффективности также позволяет роторному двигателю иметь гораздо меньшие размеры по сравнению с традиционным поршневым двигателем эквивалентной мощности.
История роторного двигателя. Феликс Ванкель. Джеймс Уатт,
изобретатель паровой машины с вращательным движением, также
разрабатывал двигатель внутреннего сгорания роторного типа. За
последние 150 лет изобретатели предложили множество конструкций
роторного двигателя. Еще в 1846 году были определены геометрическая
форма рабочей камеры сгорания современных роторных двигателей
и принцип работы первого двигателя, основанный на свойствах
эпитрохоиды. (Эпитрохоида - геометрическая линия, создаваемая точкой
одной окружности, которая катится без проскальзывания по внешней
стороне другой окружности большего диаметра.) В 1924 году, когда
22-летний Феликс Ванкель начал создавать свой роторный двигатель,
практические результаты еще не были получены. Ванкель исследовал и
анализировал возможности различных типов роторного двигателя и нашел
оптимальную форму трохоидообразного корпуса. Многолетние исследования и
разработки Ванкеля, осуществлявшиеся им совместно с производителем
мотоциклов - компанией NSU, увенчались в 1957 году созданием первого роторного двигателя Ванкеля - DKM. Двигатель DKM доказал, что роторный двигатель - не просто мечта.  Двигатель ККМ 502. Однако
сложная конструкция - вращался сам трохоидообразный корпус - делала
этот роторный двигатель непрактичным. Но спустя год появился двигатель KKM с неподвижным корпусом. Это был прототип современного роторного двигателя Ванкеля. В ноябре 1959 года компания NSU официально объявила о создании роторного двигателя Ванкеля.  Автомобиль NSU Spider. Президент компании Mazda г-н Цунеджи Мацуда тотчас оценил огромный потенциал этого двигателя и лично заключил договор о сотрудничестве с NSU. В 1963 году созданное подразделение Mazda по исследованию роторных двигателей, возглавляемое г-ном Кеничи Ямамото, приступило к разработке первого в мире роторного двигателя для серийного производства.  Легендарная Mazda 787B - победитель Ле Мана в 1991 году. Она оснащалась 4-х секционным роторным двигателем RB26B. Тот самый RB26B общим объемом 2.6 литра и мощностью 700 л. с. В мае 1967 года Mazda начала продавать первый автомобиль с двухроторным двигателем, Cosmo Sport, оснащенный двигателем Type 10A
мощностью 110 л.с. Дальнейшие разработки привели к снижению расхода
топлива более чем на 40 процентов и существенному уменьшению количества
токсичных выхлопов для соответствия постоянно ужесточаемым требованиям
экологических норм. К 1970 году общее число автомобилей с роторным двигателем достигло 100 тысяч. К 1975 году было собрано 500 тысяч таких автомобилей. К 1978 году - более миллиона. Роторный двигатель пришел в автомобильный мир всерьез и надолго.
Основные компоненты двигателя и принцип работы.
Устройство роторно-поршневого двигателя.
Статор
("Кожух ротора") в форме трохоиды, который обеспечивает область
перемещения ротора.Статор алюминиевый, с залитой стальной хромированной
гильзой. Ротор - эквивалент поршня в классическом
поршневом двигателе. Это - производящая мощность часть двигателя. Он
передает крутящий момент от сгорающей смеси к эксцентриковому валу.
Кроме того, ротор открывает и закрывает впускные и выпускные окна.
Боковые крышки статора ("передний кожух, промежуточный кожух, задний
кожух") - полностью прикрывают стороны секции так, чтобы камера
сгорания была герметична. Статор и боковые крышки по существу -"коробка" для ротора. Стационарная шестерня - шестерня, жестко закрепленная на боковой крышке, которую обкатывает ротор. Эксцентриковый вал
- вал с двумя эксцентриковыми выступами, которые передают движение
роторов к ведомому валу. Это - эквивалент коленчатого вала в поршневом
двигателе. Нужно отметить, что основные части, указанные выше,
присутствуют в каждом роторном двигателе, независимо от количества
секций. Большинство двигателей имеет два ротора, но производились и трех- и четырехсекционные.
 Принцип работы РПД.
Впуск.
В
трех рабочих полостях отдельные фазы рабочего процесса сдвинуты друг
относительно друга на 120о угла поворота ротора. Фазы начала и конца
каждого такта определяются положением вершин ротора относительно
впускного и выпускного окон. В отличие от поршневого двухтактного
двигателя окна в корпусе роторно-поршневого двигателя
все время открыты и соединяют соответствующие каналы с какой-либо
полостью. Вследствие этого отдельные фазы рабочих процессов в смежных
полостях роторно-поршневого двигателя частично перекрываются.
Центральный
угол поворота вектора равен углу поворота ротора относительно корпуса.
Учитывая, что эксцентриковый вал вращается в 3 раза быстрее ротора, все
углы поворота ротора необходимо помножать на 3, чтобы определить углы
поворота эксцентрикового вала.
Во время начальной стадии процесса
наполнения возможна продувка полости, в которой заканчивается
расширение. Процесс наполнения начинается с момента открытия вершиной
треугольного ротора впускного окна. При прохождении вершиной ротора
зоны впускного окна выпускное окно все время полностью открыто.
Продувка заканчивается в момент отсечки выпускного окна вершиной B ротора.
Угол поворота ротора, соответствующий продувке, составляет около 40о и
определяется положением внутренних кромок впускного и выпускного окон.
После
отсечки вершиной ротора выпускного окна начинается наполнение при
увеличении объема полости. В конце этого периода, занимающего примерно
100о угла поворота ротора, скорость изменения объема полости
уменьшается. Так как в этот момент впускные окна еше открыты, а
скорость смеси во впускном трубопроводе достаточно велика, происходит
дозарядка рабочего объема. Использование динамических явлений во
впускном трубопроводе позволяется получать достаточно высокий
коэффициент наполнения даже при высоком числе оборотов ротора.
Сжатие.
Сжатие
рабочей смеси начинается после перекрытия вершиной ротора впускного
окна и заканчивается при достижении минимального объема. Процесс сжатия
характеризуется несколько большими утечками рабочего тела через
уплотнения ротора, чем в поршневом двигателе, и меньшей теплоотдачей в
стенки. По экспериментальными данным показатель политропы сжатия в
роторно-поршневых двигателях n1= 1.36 1.39, т.е. несколько больше, чем
в поршневом двигателе с внешним смесообразованием. Сжатие смеси
соответствует примерно 80о угла поворота ротора. В конце процесса
сжатия в течении времени, соответствующего примерно 10о угла поворота
ротора, одновременно с уменьшением объема полости происходит первая
фаза сгорания смеси.
В роторно-поршневых двигателях, изменяя форму ротора
и параметр формы эпитрохоиды, можно получить степень сжатия до 11 - 12.
Однако при таком увеличении степени сжатия значительно ухудшается формы
камеры сгорания и соответственно снижается экономичность. Минимальный
удельный расход топлива получается при е = 9 11. Практически степень
сжатия выбирают в пределах 8,5 – 10
Сгорание.
Процесс
сгорания в роторно-поршневых двигателях начинается за 10-15о угла
поворота ротора до момента достижения минимального объема камеры
сгорания. При достижении минимального объема камера сгорания
представляет собой узкую щель с двумя клинообразными окончаниями,
сжатую в средней части выступом эпитрохоидальногр профиля корпуса
двигателя. При движении ротора отношение объемов двух
частей камеры сгорания изменяется и рабочее тело перетекает из одной
части в другую. Для уменьшения потерь при перетекании в теле ротора
имеется выемка.
Воспламенение смеси производится одной или двумя
свечами зажигания. В случае одной свечи зажигания ее устанавливают в
части камеры сгорания, расположенной ближе к выпускным окнам двигателя.
Фронт пламени движется навстречу потоку смеси, вытесняемой из
уменьшающейся части камеры сгорания. При использовании двух свечей
зажигания одну из них устанавливают в одной части камеры сгорания, а
другую - в другой.
К особенностям роторно-поршневого двигателя
следует отнести малую скорость изменения объема камеры сгорания по углу
поворота вблизи в. м. т. Это приводит к тому, что сгорание успевает
закончиться к моменту значительного увеличения скорости нарастания
объема. Хотя сгорание в этих двигателях происходит по времени
медленнее, чем в поршневых, но в связи с более медленным ростом объема
это не вызывает значительного ухудшения индикаторного к. п. д.
Узкая
щелевидная камера сгорания с развитыми поверхностями уменьшает
склонность двигателя к детонации. Как показывают эксперименты, роторно-поршневые двигатели
могут работать на низкооктановых топливах (с октановым числом 66 или
72) без детонации при степени сжатия 9. Зона корпуса двигателя, в
которой происходит сгорание смеси, не омывается холодными газами при
наполнении, поэтому температура стенки корпуса в этом месте выше, чем у
поршневого двигателя. Количество теплоты, отводимой от стенки за период
сгорания, несмотря на увеличение времени сгорания, возрастает
сравнительно мало из-за высоких температур стенки корпуса и ротора
двигателя, а следовательно, уменьшается теплоотвод под ним.
Расширение.
Когда
сгорание в основном закончилось, начинается расширение рабочего тела.
Период расширение рабочего тела. Период расширения газов соответствует
примерно 90о угла поворота ротора. Затем открывается выпускное окно и
во время поворота ротора примерно 20о происходит свободный выпуск
газов.
Выпуск.Выпуск газов
можно разбить на четыре периода: первый - от момента открытия
выпускного окна до достижения максимального объема полости; второй -
принудительный выпуск, протекает при уменьшающемся объеме полости до
момента открытия впускного окна (примерно 60о угла поворота ротора);
третий - выпуск, совмещенный с предварением впуска, происходит при
уменьшающемся объеме полости, но при наличии продувки; четвертый -
окончание выпуска, совмещен со свободным выпуском из следующей полости
(продолжительность этого периода соответствует примерно 10о угла
поворота ротора). Общая продолжительность процесса выпуска около 120о
угла поворота ротора. По экспериментальным данным средний показатель
политропы расширения меньше, чем в бензиновых поршневых двигателях, и
составляет 1,2 - 1,15, что свидетельствует о подводе значительного
количества теплоты в процессе расширения. Температура конца расширения
несколько выше, чем в поршневых двигателях, т. е. Tb = 1850 1900о К.
Преимущества и недостатки роторного двигателя.
Меньшая масса.
Из-за
отсутствия необходимости в поршнях, шатунах и коленвале основной блок
роторного двигателя имеет меньшие размеры и массу при лучших
динамических характеристиках и управляемости.
Меньшие размеры.
Роторный двигатель существенно меньше традиционного двигателя такой же мощности. Новый двигатель RENESIS
примерно равен по размерам небольшому обычному четырехцилиндровому
рядному двигателю. Небольшие размеры роторного двигателя выгодны не
только тем, что уменьшают массу - они также улучшают управляемость,
облегчают оптимальное расположение трансмиссии и позволяют сделать
автомобиль более просторным для водителя и пассажиров.
Меньший уровень вибрации.
Все части роторного двигателя
непрерывно вращаются в одном направлении, а не изменяют направление
своего движения так, как поршни обычного двигателя. Роторные двигатели
внутренне сбалансированы, что снижает уровень вибрации.
Более высокая мощность.
Роторный двигатель
выдает мощность более равномерно и плавно. С каждым полным оборотом
ротора выходной вал оборачивается трижды. Каждое отдельное сгорание
происходит в течение 90-градусной фазы вращения ротора, т.е. в течение
270-градусной фазы вращения выходного вала. Это значит, что
однороторный двигатель выдает мощность в течение трех четвертей каждого
оборота выходного вала. Учтите, что одноцилиндровый поршневой двигатель
выдает мощность только в течение одной четверти каждого оборота
выходного вала.
Более высокая надежность.
Роторный
двигатель имеет меньшее количество движущихся частей по сравнению с
аналогичным четырехтактным поршневым двигателем. Двухроторный двигатель
имеет три основные движущиеся части: два ротора и выходной вал. Даже
самый простой четырехцилиндровый поршневой двигатель имеет как минимум
40 движущихся частей, включая поршни, шатуны, распредвал, клапаны,
пружины клапанов, качалки, ремень ГРМ, распределительные шестерни и
коленвал.
Несмотря на все преимущества РПД, он также имеет и недостатки. Рассмотрев работу роторного двигателя
мы уже уяснили, что он выделяет большее количество тепла чем обычный
поршневой двигатель. Роторный мотор довольно «прожорлив» и отличается
более высоким расходом как топлива так и масла, к тому же он достаточно
привередлив к качеству топлива.
Двигатель RENESIS.
Двигатель RENESIS в разрезе.
«RENESIS»
в вольном переводе с английского означает «новая жизнь роторного
двигателя». Новый технологический и конструктивный подход
революционизировал роторный двигатель и обеспечил
выигрышное сочетание низкого расхода топлива и низкого уровня токсичных
выбросов с высокими динамическими характеристиками.
В основу
разработки был положен роторный двигатель с несколькими боковыми окнами
(MSP-E). Этот двигатель впервые использовали в концептуальном спорткаре
Mazda RX-01, продемонстрированном на Токийском
автосалоне 1995 года, а затем его улучшенная версия была представлена
на Токийском автосалоне 1999 года в четырехдверном концептуальном
спорткаре RX-EVOLV. RENESIS - окончательная серийная версия этого двигателя, итог многолетних целенаправленных разработок. Он устанавливается в Mazda RX-8.  Mazda RX-8. Силовая трансмиссия RENESIS
предлагается в двух вариантах: повышенной мощности (170 кВт (231 л.с.)
при 8200 об/мин, макс. 9000 об/мин) и базовый силовой агрегат (141 кВт
(192 л.с.) при 7000 об/мин, макс. 7500 об/мин) для обычного вождения с
превосходной управляемостью. Двигатель RENESIS
существенно отличается по своей конструкции от обычных современных
роторных двигателей. Технология выпуска через боковые окна значительно
повышает экономичность двигателя. RENESIS также имеет новые топливные
форсунки, обеспечивающие сверхтонкое распыление, и высокоэффективные
свечи зажигания для улучшенного сгорания топливовоздушной смеси.
Выпускной коллектор имеет двойную стенку и поддерживает высокую
температуру выхлопных газов, уменьшая время прогрева каталитического
нейтрализатора. Новая система смазки уменьшенной высоты с «мокрым
картером» содержит маслосборник глубиной 40 мм - вдвое меньшей, чем у
обычных современных роторных двигателей. RENESIS
также обладает превосходными акустическими свойствами - он порадует
ценителя спортивного звука звонкими и прозрачными нотами на верхах и
сочными на низах. Он не только работает невероятно плавно, но и звучит
именно так, как должна звучать силовая трансмиссия спорткара. Но несмотря на все все старания инженеров Мазды гоночный мир не признал двигатель RENESIS.
Он не отличался большим крутящим моментом, который так необходим в
автоспорте. И только эксперименты с установкой турбин на этот двигатель
смогли приспособить этот двигатель к гонкам, однако как всокре показали
тесты использование нагнетателя существенно ударило по ресурсу, а
уменьшение давления, создаваемого турбиной, не принесло желаемого
результата. В наше время роторные двигатели широко применяется в водных глиссерах, багги, дрэг-рейсинге, дрифтинге, а также в других видах деятельности. Источник http://www.autocitychannel.com |
