Роторний двигун: принцип роботи і пристрій
Як відомо, переважна більшість сучасних автомобілів оснащено двигунами внутрішнього згоряння або ДВС.
Суть їх роботи полягає в перетворенні енергії, що утворюється при спалюванні паливної суміші, в обертання валу, від якого за допомогою механічного приводу рух передається на колеса транспортного засобу.
У переважній більшості автомобілів зараз використовуються ДВС, влаштовані по поршневий схемою. Але, є й інший тип двигунів внутрішнього згоряння, а саме – роторні двигуни. Про даному типі двигуна ми і розповімо в даній статті.
Що таке роторний двигун?
Історія роторних двигунів почалася в 1957 році, коли німецькими інженерами Феліксом Ванкелем і Вальтером Фройде був продемонстрований перший працездатний зразок такого силового агрегату.
Спочатку новинкою дуже серйозно зацікавилися багато провідні світові виробники автомобілів (зокрема, Mercedes-Benz, General Motors, Citroen), проте в підсумку тільки японська Mazda зважилася на те, щоб освоїти випуск роторних двигунів великими серіями і не відмовлятися від них протягом досить тривалого часу.
До речі кажучи, навіть вітчизняний ВАЗ протягом цілого ряду років випускав обмеженими серіями «Жигулі» з роторними силовими агрегатами. «Звичайним» покупцям вони не поставлялися, а вирушали ці машини в автопарки КДБ і, в зовсім невеликих кількостях, МВС СРСР.
Принцип роботи роторного двигуна, також як і звичайного поршневого двигуна, базується на перетворенні енергії згоряння в енергію обертання, проте це перетворення здійснюється трохи іншим способом.
У роторному двигуні обертальний рух здійснює безпосередньо головний робочий його елемент – ротор.
Саме в цьому полягає найважливіша відмінність роторного двигуна внутрішнього згоряння від поршневого ДВС, в якому головними рухливими робочими елементами є поршні, відбувається не обертальний, а зворотно-поступальний рух.
Таким чином, в роторних двигунах в силу їх конструкції повністю виключаються досить складні за своєю конструкцією та потребують періодичного обслуговування кривошипно-шатунні механізми, що перетворюють зворотно-поступальний рух в обертальний рух колінчастого вала.
Принцип роботи роторного двигуна
Так само, як і в поршневому, в роторному двигуні використовується тиск газів, що утворюються в результаті згоряння паливно-повітряної суміші. Однак воно виникає не в циліндрах, а в камері, яка утворюється тією частиною корпусу, яка закрита стороною знаходиться всередині неї трикутного ротора. Саме він і використовується замість поршнів.
Обертання ротора під впливом цього тиску відбувається по траєкторії, що дуже нагадує лінію, намальовану спірографом. Завдяки цьому всі три вершини трикутного ротора при зіткненні зі внутрішніми стінками корпусу двигуна утворюють герметичні камери згоряння. У міру обертання ротора кожен з трьох цих обсягів поперемінно то розширюється, то стискується. Такий режим функціонування роторного ДВС забезпечує здійснення таких процесів, як:
- Надходження паливно-повітряної суміші;
- стиснення;
- Корисну роботу;
- Випуск вихлопу.
Таким чином, роторний двигун точно так же, як і стандартний поршневий двигун сучасного автомобіля, є чотиритактним.
Пристрій роторного двигуна
Система запалювання і система уприскування палива в роторних двигунах схожа з аналогічними, використовуваними в двигунах поршневих, проте будова цих ДВС зовсім по-різному. Основними конструктивними елементами роторного двигуна є:
- ротор;
- Статор (корпус);
- Вихідний вал.
Як уже були сказано вище, ротор розташовується всередині статора (корпуса) і має три опуклих боку. Кожна з них, по суті справи, грає роль поршня і має поглиблення, необхідне для того, щоб підвищити швидкість обертання. На кожній зі сторін ротора є по два металевих кільця, які формують необхідні для функціонування цього ДВС камери згоряння.
Важливою складовою ротора є зубчасте колесо, розташоване в його центрі і сполучаються із закріпленою на корпусі шестернею. Саме завдяки такому сполученню задається необхідна траєкторія і напрям, за якими ротор обертається в корпусі.
Корпус роторного двигуна внутрішнього згоряння має овальну форму, яка розрахована і реалізована таким чином, щоб з його внутрішніми стінками завжди стикалися все три вершини ротора.
Це необхідно для того, щоб в будь-який момент часу всередині цього силового агрегату були присутні три повністю ізольованих один від одного обсягу газу.
Крім того, в корпусі розташовуються порти впуску та випуску, причому в них немає клапанів: впускний порт з’єднується безпосередньо з дроселем, а випускний – безпосередньо з вихлопною системою.
Вихідний вал роторного двигуна зовсім не схожий на колінчастий вал поршневого ДВС. На ньому ексцентрично, тобто з деяким зміщенням відносно центральної осі розташовуються спеціальні виступи. З кожним з них пов’язаний окремий ротор (їх, до речі кажучи, в роторному двигуні розташовується не один, а кілька). При обертанні кожен з роторів штовхає «свій» кулачок, в результаті чого на валу з’являється крутний момент.
Слід зауважити, що всі роторні двигуни збираються шарами. У найбільш часто використовуваних двохроторннім їх п’ять, а утримуються всі він за допомогою болтів, встановлених по колу. Охолодження роторних двигунів здійснюється за допомогою охолоджуючої рідини, яка походить через всі частини конструкції.
Підшипники і ущільнення для вихідного вала розташовуються в двох крайніх шарах. Вони ж поділяють між собою частини корпусу, в яких розташовуються самі ротори. Впускні порти розташовуються в центральній частині, а випускні – в кожній з крайніх частин.
: Опозитний двигун – що це таке і як він працює.
Переваги та недоліки роторних двигунів
Основними перевагами роторних двигунів в порівнянні з поршневими є:
- Менша кількість рухомих деталей;
- Більш плавна робота;
- Більш висока надійність.
У Двохроторннім двигуні рухається тільки вихідний вал і обидва ротора, в той час, як навіть в найпростішому по конструкції поршневому ДВС рухомих деталей налічується не менше сорока. Відповідно, надійність роторного силового агрегати виявляється істотно більш високою.
роторний двигун
З’явився він значно пізніше поршневого, в 30-х роках. Повноцінно працездатна ж модель такого двигуна з’явилася і зовсім в 50-х роках.
Після появи роторний двигун викликав зацікавленість у багатьох автовиробників, і всі вони кинулися розробляти свої моделі роторних силових установок, проте незабаром від них відмовилися на користь звичайних поршневих.
З прихильників роторного мотора залишилася тільки японська фірма Mazda, яка зробила такого типу мотор своєю візитною карткою.
Особливістю такого мотора є його конструкція, яка взагалі не передбачає наявність поршнів. В цілому це сильно позначилося на конструктивній простоті.
У поршневих двигунах енергія згорає палива сприймається поршнем, який за рахунок свого зворотно-поступального руху передає її на кривошипи клонували, забезпечуючи йому обертання.
У роторних же двигунів енергія відразу перетворюється в обертання валу, минаючи зворотно-поступальний рух. Це позначається на зменшенні втрат потужності на тертя, меншу металоємність і простоту конструкції. За рахунок цього ККД двигуна значно зростає.
конструкція
Щоб зрозуміти принцип роботи, слід розібратися, яка конструкція роторного двигуна. Отже, замість поршнів енергія згоряння палива у такого силового агрегату сприймається ротором. Ротор має вигляд рівностороннього трикутника. Кожна сторона цього трикутника і грає роль поршня.
ротор
Щоб забезпечити процес горіння, ротор поміщається в закритий простір, що складається з трьох елементів – двох бічних корпусів, і одного центрального, що називається статором. Простір, в якому проводиться процес горіння, зроблено в статорі, бічні корпусу забезпечують тільки герметичність цього простору.
Усередині статора зроблений циліндр, в якому і розміщується ротор. Щоб всередині цього циліндра відбувалися всі необхідні процеси, виконаний він у вигляді овалу, з трохи притиснутими боками.
Сам статор з одного боку має вікна для впуску паливо-повітряної суміші або повітря, і випуску відпрацьованих газів. Протилежно їм зроблено отвір під свічки запалювання.
пристрій двигуна
Особливістю руху ротора в циліндрі статора є те, що його вершини постійно контактують з поверхнею циліндра, його рух зроблено по ексцентрикових типу. Він не тільки обертається навколо своєї осі, але ще і зміщується щодо неї.
Для цього в роторі зроблено великий отвір, з одного боку цього отвору є зубчастий сектор. З іншого боку в ротор вставлений вал з ексцентриком.
Щоб забезпечити обертання в бічній корпус встановлена нерухома шестерня, що входить в зачеплення із зубчастим сектором ротора, вона є опорною точкою для нього. При своєму ексцентрикових русі він спирається на нерухому шестерню, а зачеплення забезпечує йому обертальний рух. Обертаючись, він забезпечує і обертання валу з ексцентриком, на який він одягнений.
Принцип роботи
Тепер про сам принцип роботи. Виконання певної роботи поршня усередині циліндрів називається тактами. Класичний поршневий двигун має чотири такту:
- впуск – в циліндр подається горюча суміш;
- стиснення – збільшення тиску в циліндрі за рахунок зменшення обсягу;
- робочий хід – енергія, виділена при згорянні суміші, перетворюється в обертання валу;
- випуск – з циліндра виводяться відпрацьовані гази;
Дані такти мають всі двигуни внутрішнього згоряння, і супроводжуються вони певним рухом поршня.
https://www.youtube.com/watch?v=FbCt4YJy5Qc
Однак вони виконуються по-різному. Існують двотактні поршневі двигуни, в яких такти суміщені, але такі мотори частіше застосовуються на мотоциклах і інший бензинової техніці, хоча раніше створювалися і дизельні двотактні мотори. У них одне рух поршня включає два такту. При русі поршня вгору – впуск і стиск, а при русі вниз – робочий хід і випуск. Все це забезпечується наявністю впускних і випускних вікон.
Класичні автомобільні поршневі двигуни зазвичай є 4-тактними, де кожен такт відділений. Але для цього в двигун включений механізм газорозподілу, який значно ускладнює конструкцію.
Що стосується роторного двигуна, то відсутність поршня як такого дозволило кілька поєднати конструктивні особливості 2-тактних і 4-тактних моторів.
Принцип роботи
Оскільки циліндр роторного двигуна має впускні і випускні вікна, то потреба в газорозподільному механізмі відпала, при цьому сам процес роботи зберіг всі чотири такту окремо.
Тепер розглянемо, як все це відбувається всередині статора. Кути ротора постійно контактують з циліндром статора, забезпечуючи герметичне простір між сторонами ротора.
Овальна форма циліндра статора забезпечує зміна простору між стінкою циліндра і двома прилеглими вершинами ротора.
Далі розглянемо дію всередині циліндра тільки з одного боку ротора. Отже, при обертанні ротора, одна з його вершин, проходячи звуження овалу циліндра, відкриває впускний вікно і в порожнину між стороною трикутника ротора і стінкою циліндра починає надходити горюча суміш або повітря. При цьому рух триває, ця вершина досягає і проходить високу частину овалу і далі йде на звуження. Можливість постійного контакту вершини ротора забезпечується його ексцентриковим рухом.
Впуск повітря проводиться до тих пір, поки друга вершина ротора не перекриє впускний вікно. У цей час перша вершина вже пройшла висоту овалу циліндра і пішла на його звуження, при цьому простір між циліндром і стороною ротора починає значно скорочуватися в обсязі – відбувається такт стиснення.
У момент, коли сторона ротора проходить максимальне звуження, в простір між стороною ротора і стінкою циліндра подається іскра, яка запалює горючу суміш, стиснуту між звуженою стінкою циліндра і стороною ротора.
Особливістю роторного двигуна є те, що займання проводиться не перед проходженням боку так званої «мертвої точки», як це робиться в поршневому двигуні, а після її проходження. Робиться це для того, щоб енергія, виділена при згорянні, впливала на ту частину боку ротора, яка вже пройшла ВМТ (верхня мертва точка). Цим забезпечується обертання ротора в потрібну сторону.
Після проходження свічки, перша вершина ротора починає відкривати випускне вікно, і поступово, поки друга вершина не перекриє випускне вікно – проводиться відведення газів.
такти двигуна
Слід зазначити, що був описаний весь процес, зроблений тільки однією стороною ротора, всі сторони проробляють процес один за іншим. Тобто, за один оберт ротора проводиться одночасно три цикли – поки в порожнину між однією стороною ротора і циліндра запускається повітря або горюча суміш, в цей час друга сторона ротора проходить ВМТ, а третя – випускає відпрацьовані гази.
Тепер про обертання валу, на ексцентрик якого надітий ротор. За рахунок цього ексцентрика повний оборот валу виробляється менше ніж за один оборот ротора. Тобто, за один повний цикл вал зробить три оберти, при цьому віддаючи корисну дію далі. У поршневому двигуні один цикл відбувається за два оберти колінчастого вала і тільки один напівоберт при цьому є корисним. Цим забезпечується високий вихід ККД.
Якщо порівняти роторний двигун з поршневим, то вихід потужності з однієї секції, яка складається з одного ротора і статора, дорівнює потужності 3-циліндрового двигуна.
А якщо враховувати, що Mazda встановлювала на свої авто двосекційні роторні мотори, то за потужністю вони не поступаються 6-циліндровим поршневим моторам.
Достоїнства і недоліки
Тепер про достоїнства роторних моторів, а їх цілком багато. Виходить, що одна секція по потужності дорівнює 3-циліндровому мотору, при цьому вона в габаритних розмірах значно менше. Це позначається на компактності самих моторів. Про це можна судити по моделі Mazda RX-8. Цей автомобіль, володіючи хорошим показником потужності, має середньо моторну компоновку, ніж вдалося домогтися точної розваговки авто по осях, що впливає на стійкість і керованість авто.
Крім компактних розмірів в цьому двигуні відсутній газорозподільний механізм (ГРМ), адже все фази газорозподілу виконуються самим ротором. Це значно зменшило металоємність конструкції, і як наслідок – масу двигуна.