Что такое роторный двигатель и принцип его работы

Преимущества и недостатки роторного двигателя: все, что нужно знать о моторе

Для получения оптимального результата каждый процесс должен осуществляться в отдельном цилиндре (оптимально, если таких не менее четырех). При этом за счет высвобождающейся энергии приводятся в движение коленвал и шатуны. С их помощью и осуществляется движение транспортного средства.

Такой подход не совсем практичен. Двигатель такого типа достаточно массивный и объемный, а также большие нагрузки на детали вращательного механизма.

Другое дело, если используется роторный мотор. Дело в том, что в двигателе такого типа отсутствуют какие либо поступательные движения. А все процессы происходят фактически одновременно в одной камере. Достигается это путем особой конструкции камеры и разделении ее на три одинаковых рабочие зоны.

При этом вращение ротора достигается сгоранием топлива в одной из его частей, а дальнейшее вращение «автоматом» обеспечивает выпуск продуктов сгорания, захват новой топливной смеси и ее сжатие. При этом минимизируется вибрации двигателя, увеличивается мощность и значительно снижается объем двигателя при таких же силовых характеристиках, как и в классическом случае.

Принцип работы роторного двигателя

По сути, двигатели этого типа работают фактически по тому же принципу, что и обычный поршневой мотор. Правда, в этом случае, из-за наличия несколько отличительной конструкции есть и свои особенности, о которых мы немного и поговорим. Теперь поэтапно.

1. Впуск. Как уже отмечалось, ротор представляет собой некий поршень треугольной формы с соотношением сторон друг к другу под углом в 120 градусов. Это дает возможность разделить внутреннюю часть цилиндра на три основных зоны, одновременно выполняющих свои функции. После открытия угла ротора топливная смесь подается в образовавшееся пространство, которое очень быстро «закрывается и смещается по направлению к следующей фазе.

2. Сжатие. В этой фазе поворота ротора топливная смесь подлежит сжатию и направлению к следующему этапу воспламенения. Здесь важно отметить, что особая конструкция ротора увеличивает степень сжатия топливной смеси практически на 40%, что в дальнейшем позволяет получить несколько лучший результат, чем в камерах с обычными поршнями.

3. Сгорание. Когда подготовленная топливная смесь под определенным углом достигает нужной точки следующего такта, происходит ее зажигание. При этом свечи устанавливают ближе к направлению выпуска продуктов отработки, тем самым задавая правильное направление дальнейшего движения ротора.

Нужно отметить, что камера сгорания в этом случае, в отличие от двигателей поршневой группы не расширяется по максимуму, а образовавшийся газ в буквальном смысле пробивает себе дорогу к выхлопному тракту, обеспечивая, при этом выполнение полезной работы. Это дает «чистых» 90 градусов поворота ротора, а дальше он двигается по инерции.

4. Выпуск. Осуществляется после получения энергии сгорания и превращения ее в полезное действие. Начинается самотеком и заканчивается практически принудительным выдавливанием остатков продуктов горения. Одновременно с окончанием выпуска ротор начинает заходить на следующий круг.

Плюсы двигателей роторного типа

Следует отметить такие основные преимущества, благодаря которым роторный двигатель получил такую популярность:

1. Небольшой вес роторного двигателя. Достигается путем отсутствия многочисленных связывающих деталей в виде поршней, коленвалов, шатунов, уменьшённых габаритных размеров, а, следовательно, и сниженного веса на детали.

2. Малогабаритность. Отсутствие многих деталей и связывающих узлов никоим образом не отображается на конечной мощности мотора, зато кардинально уменьшает его фактический размер и параметры. Позволяет снизить затраты на трансмиссию и существенно улучшить управляемость транспортным средством.

3. Сниженная вибрация. Здесь важно отметить, что все части относящиеся к роторному двигателю вращаются исключительно в одном направлении. При этом отсутствуют дополнительные соединения и передачи силы. Ко всему этому следует добавить и практически полную внутреннюю балансировку.

4. Повышенная мощность. Возможность увеличения степени сжатия топлива, а также плавное и равномерное перемещения ротора позволяет существенно увеличить его мощность без каких-либо дополнительных усилий.

5. Высокая надежность. Учитывая, что в роторных двигателях отсутствуют многочисленные связующие элементы, а полученная энергия используется практически напрямую, важно обратить внимание на высокий уровень надёжности в процессе эксплуатации всего механизма такого типа в целом.

Устройство роторного двигателя

После создания двигателя внутреннего сгорания началась эра автомобилей. Самое большое распространение при этом получил мотор поршневого типа. Но при этом с момента создания ДВС перед конструкторами стала задача извлечения максимального КПД при минимальных затратах топлива. Решалась эта задача несколькими путями – от технического улучшения уже имеющихся двигателей, до создания абсолютно новых, с другой конструкцией. Одним из таковых стал роторный двигатель.

Роторный двигатель

Появился он значительно позже поршневого, в 30-х годах. Полноценно работоспособная же модель такого двигателя появилась и вовсе в 50-х годах. После появления роторный двигатель вызвал заинтересованность у многих автопроизводителей, и все они кинулись разрабатывать свои модели роторных силовых установок, однако вскоре от них отказались в пользу обычных поршневых. Из приверженцев роторного мотора осталась только японская фирма Mazda, которая сделала такого типа мотор своей визитной карточкой.

Особенностью такого мотора является его конструкция, которая вообще не предусматривает наличие поршней. В целом это сильно сказалось на конструктивной простоте.

В поршневых моторах энергия сгораемого топлива воспринимается поршнем, который за счет своего возвратно-поступательного движения передает ее на кривошипы коленвала, обеспечивая ему вращение.

У роторных же двигателей энергия сразу преобразовывается во вращение вала, минуя возвратно-поступательное движение. Это сказывается на уменьшении потерь мощности на трение, меньшую металлоемкость и простоту конструкции. За счет этого КПД двигателя значительно возрастает.

Конструкция

Чтобы понять принцип работы, следует разобраться, какова конструкция роторного двигателя. Итак, вместо поршней энергия сгорания топлива у такого силового агрегата воспринимается ротором. Ротор имеет вид равностороннего треугольника. Каждая сторона этого треугольника и играет роль поршня.

Чтобы обеспечить процесс горения, ротор помещается в закрытое пространство, состоящее из трех элементов – двух боковых корпусов, и одного центрального, называющегося статором. Пространство, в котором производится процесс горения, сделано в статоре, боковые корпуса обеспечивают только герметичность этого пространства.

Внутри статора сделан цилиндр, в котором и размещается ротор. Чтобы внутри этого цилиндра происходили все необходимые процессы, выполнен он в виде овала, с немного прижатыми боками.

Сам статор с одной стороны имеет окна для впуска топливовоздушной смеси или воздуха, и выпуска отработанных газов. Противоположно им сделано отверстие под свечи зажигания.

Особенностью движения ротора в цилиндре статора является то, что его вершины постоянно контактируют с поверхностью цилиндра, его движение сделано по эксцентриковому типу. Он не только вращается вокруг своей оси, но еще и смещается относительно нее.

Для этого в роторе сделано большое отверстие, с одной стороны этого отверстия имеется зубчатый сектор. С другой стороны в ротор вставлен вал с эксцентриком.

Чтобы обеспечить вращение в боковой корпус установлена неподвижная шестерня, входящая в зацепление с зубчатым сектором ротора, она является опорной точкой для него. При своем эксцентриковом движении он опирается на неподвижную шестерню, а зацепление обеспечивает ему вращательное движение. Вращаясь, он обеспечивает и вращение вала с эксцентриком, на который он одет.

Принцип работы

Теперь о самом принципе работы. Выполнение определенной работы поршня внутри цилиндров называется тактами. Классический поршневой двигатель имеет четыре такта:

• впуск — в цилиндр подается горючая смесь;
• сжатие — увеличение давления в цилиндре за счет уменьшения объема;
• рабочий ход — энергия, выделенная при сгорании смеси, преобразовывается во вращение вала;
• выпуск — из цилиндра выводятся отработанные газы;

Данные такты имеют все двигатели внутреннего сгорания, и сопровождаются они определенным движением поршня.

Однако они выполняются по-разному. Существуют двухтактные поршневые двигатели, в которых такты совмещены, но такие моторы чаще применяются на мотоциклах и другой бензиновой технике, хотя раньше создавались и дизельные двухтактные моторы. В них одно движение поршня включает два такта. При движении поршня вверх – впуск и сжатие, а при движении вниз – рабочий ход и выпуск. Все это обеспечивается наличием впускных и выпускных окон.

Классические автомобильные поршневые двигатели обычно являются 4-тактными, где каждый такт отделен. Но для этого в двигатель включен механизм газораспределения, который значительно усложняет конструкцию.

Что касается роторного двигателя, то отсутствие поршня как такового позволило несколько совместить конструктивные особенности 2-тактных и 4-тактных моторов.

Поскольку цилиндр роторного двигателя имеет впускные и выпускные окна, то надобность в газораспределительном механизме отпала, при этом сам процесс работы сохранил все четыре такта по отдельности.

Теперь рассмотрим, как все это происходит внутри статора. Углы ротора постоянно контактируют с цилиндром статора, обеспечивая герметичное пространство между сторонами ротора.

Овальная форма цилиндра статора обеспечивает изменение пространства между стенкой цилиндра и двумя близлежащими вершинами ротора.

Далее рассмотрим действие внутри цилиндра только с одной стороны ротора. Итак, при вращении ротора, одна из его вершин, проходя сужение овала цилиндра, открывает впускное окно и в полость между стороной треугольника ротора и стенкой цилиндра начинает поступать горючая смесь или воздух. При этом движение продолжается, эта вершина достигает и проходит высокую часть овала и дальше идет на сужение. Возможность постоянного контакта вершины ротора обеспечивается его эксцентриковым движением.

Впуск воздуха производится до тех пор, пока вторая вершина ротора не перекроет впускное окно. В это время первая вершина уже прошла высоту овала цилиндра и пошла на его сужение, при этом пространство между цилиндром и стороной ротора начинает значительно сокращаться в объеме – происходит такт сжатия.

В момент, когда сторона ротора проходит максимальное сужение, в пространство между стороной ротора и стенкой цилиндра подается искра, которая воспламеняет горючую смесь, сжатую между зауженной стенкой цилиндра и стороной ротора.

Особенностью роторного двигателя является то, что воспламенение производится не перед прохождением стороны так называемой «мертвой точки», как это делается в поршневом двигателе, а после ее прохождения. Делается это для того, чтобы энергия, выделенная при сгорании, воздействовала на ту часть стороны ротора, которая уже прошла ВМТ (верхняя мёртвая точка). Этим обеспечивается вращение ротора в нужную сторону.

После прохождения свечи, первая вершина ротора начинает открывать выпускное окно, и постепенно, пока вторая вершина не перекроет выпускное окно – производится отвод газов.

Следует отметить, что был описан весь процесс, сделанный только одной стороной ротора, все стороны проделывают процесс один за другим. То есть, за одно вращение ротора производится одновременно три цикла – пока в полость между одной стороной ротора и цилиндра запускается воздух или горючая смесь, в это время вторая сторона ротора проходит ВМТ, а третья – выпускает отработанные газы.

Теперь о вращении вала, на эксцентрик которого надет ротор. За счет этого эксцентрика полный оборот вала производится меньше чем за один оборот ротора. То есть, за один полный цикл вал сделает три оборота, при этом отдавая полезное действие дальше. В поршневом двигателе один цикл происходит за два оборота коленчатого вала и только один полуоборот при этом является полезным. Этим обеспечивается высокий выход КПД.

Если сравнить роторный двигатель с поршневым, то выход мощности с одной секции, которая состоит из одного ротора и статора, равна мощности 3-цилиндрового двигателя.

А если учитывать, что Mazda устанавливала на свои авто двухсекционные роторные моторы, то по мощности они не уступают 6-цилиндровым поршневым моторам.

Достоинства и недостатки

Теперь о достоинствах роторных моторов, а их вполне много. Выходит, что одна секция по мощности равна 3-цилиндровому мотору, при этом она в габаритных размерах значительно меньше. Это сказывается на компактности самых моторов. Об этом можно судить по модели Mazda RX-8. Этот автомобиль, обладая хорошим показателем мощности, имеет средне моторную компоновку, чем удалось добиться точной развесовки авто по осям, влияющую на устойчивость и управляемость авто.

Помимо компактных размеров в этом двигателе отсутствует газораспределительный механизм (ГРМ), ведь все фазы газораспределения выполняются самим ротором. Это значительно уменьшило металлоемкость конструкции, и как следствие – массу двигателя.

Из-за ненадобности поршней и ГРМ снижено количество подвижных частей в двигателе, что сказывается на надежности конструкции.

Сам двигатель из-за отсутствия разнонаправленных движений, которые есть в поршневом моторе, при работе меньше вибрирует.

Но и недостатков у такого двигателя тоже хватает. Начнем с того, что система смазки у него идентична с системой 2-тактного двигателя. То есть, смазка поверхности цилиндра производится вместе с топливом. Но только организация подачи масла несколько иная. Если в 2-тактном двигателе масло для смазки добавляется прямо в топливо, то в роторном оно подается через форсунки, а потом оно уже смешивается с топливом.

Использование такого типа смазки привело к тому, что для двигателя подходит только минеральное масло или специализированное полусинтетическое. При этом в процессе работы масло сгорает, что негативно сказывается на составе выхлопных газов. По экологичности роторный двигатель сильно уступает 4-тактному поршневому двигателю.

При всей простоте конструкции роторный мотор обладает сравнительно небольшим ресурсом. У той же Mazda пробег до капитального ремонта составляет всего 100 тыс. км. В первую очередь «страдают» апексы – аналоги компрессионных колец в поршневом двигателе. Апексы размещаются на вершинах ротора и обеспечивают плотное прилегание вершины к стенке цилиндра.

Недостатком является также невозможность проведения восстановительных работ. Если у ротора изношены посадочные места апексов – ротор полностью заменяется, поскольку восстановить эти места невозможно.

То же касается и цилиндра статора. При его повреждении расточка практически невозможна из-за сложности выполнения такой работы.

Из-за большой скорости вращения эксцентрикового вала, его вкладыши изнашиваются значительно быстрее.

В общем, при значительно простой конструкции, из-за сложности процессов его работы роторный двигатель оказывается по надежности значительно хуже поршневого.

Но в целом, роторный двигатель не является тупиковой ветвью развития двигателей внутреннего сгорания. Та же Mazda постоянно совершенствует данный тип мотора. К примеру, мотор, устанавливаемый на RX-8 по токсичности уже мало отличается от поршневого, что является большим достижением.

Теперь они стараются еще и увеличить ресурс. Однако это скорее всего будет достигнуто за счет использования особых материалов изготовления элементов двигателя, а также из-за высокой степени обработки поверхностей, что еще больше осложнит и увеличит стоимость ремонта.

Принцип работы роторного двигателя и его устройство

Среди некоторых автомобильных производителей есть те, который отдают предпочтение не поршневому, а роторному двигателю. К примеру, известный автоконцерн Мазда активно внедрял данный вид ДВС в свои автомобили. Лишь в последнее время компания перешла на выпуск автомобилей с поршневыми двигателями, а роторные силовые агрегаты оставили на особых моделях. Сегодня мы рассмотрим принцип работы роторного двигателя, его отличия в конструктивном плане, разумеется, достоинства и недостатки в сравнении с поршневым двигателем.

Устройство роторного двигателя

В роторном двигателе вы не найдете поршня, распредвала, головки блока цилиндров и даже клапанов. В роторном двигателе примерно на 40 подвижных деталей меньше, так что, его устройство гораздо проще, чем устройство поршневого двигателя. В роторном двигателе даже цилиндры имеют не округлую форму, а овальную. В овальном цилиндре установлен не поршень, а треугольный ротор, который движется по кругу стенок цилиндра, осуществляя 4-тактную работу двигателя. Кроме того, особенностью конструкции роторного двигателя является то, что на один цилиндр устанавливается сразу 2 свечи. Разобравшись с основами конструкции, можно перейти к рассмотрению принципа работы данного двигателя.

Принцип работы роторного двигателя

Благодаря тому, что роторный двигатель не совершает возвратно-поступательных движений, что характерно для поршневого, а работает благодаря тому, что ротор в цилиндре вращается по кругу, мотор не теряет энергию, приводя в движение каждую деталь. Отсюда получается, что роторный двигатель значительно оборотистей, чем поршневой.

Благодаря треугольной форме ротора и принципу вращения, один ротор способен заменить сразу 3 поршня. Роторный двигатель осуществляет все те же такты работы, что и поршневой: впуск, сжатие горючей смеси, сгорание, выпуск. Однако из-за особенностей конструкции, данный двигатель не имеет никакого механизма газораспределения. Таким образом, между роторными камерами даже не нужно иметь сопряжение в работе, так как они не зависимы друг от друга. В результате этого, роторный двигатель способен достигать больших мощностей.

Достоинства и недостатки роторного двигателя

Мы уже частично говорили о преимуществах роторного двигателя перед бензиновым. Прежде всего, это отсутствие сложной конструкции подвижных деталей, а значит и гораздо меньший риск выхода из строя. Кроме того, роторный двигатель имеет гораздо больший процент КПД. Так, средние данные КПД роторного двигателя составляют 40%, против 20% поршневого.

Но почему тогда другие автомобильные производители продолжают пичкать автомобили поршневыми моторами? Да потому, что роторный двигатель имеет серьезный недостаток. Из-за постоянного трения ротора о стенки цилиндров, двигатель склонен к перегреву, температура в цилиндре распределяется неравномерно. Соответственно, из-за высокой температуры метал, то расширяется, то сжимается и, необходимо тщательно рассчитывать диаметр цилиндра и ротора, чтобы сохранять постоянную компрессию при различных режимах работы двигателя.

Наконец, несмотря на то, что цилиндры изготавливаются из специального сплава, срок жизни роторного двигателя составляет порядка 80 тыс. км, что для современного автомобиля крайне недостаточно. Как правило, роторные двигатели склонны и к повышенному потреблению топлива, а с учетом нынешних цен на бензин – это существенный недостаток.

Таким образом, роторный двигатель имеет как свои преимущества, так и недостатки. На сегодняшний день проводят различные совершенствования роторных двигателей, с целью избавления от имеющихся проблем. А пока, обычный поршневой двигатель остается доминирующим силовым агрегатом среди всех имеющихся.

Читайте также:

• Принцип работы инжектора

Большинство автомобилей оснащено инжекторной системой питания, которая была изобретена еще в середине прошлого века. Пришла эта система на смену карбюраторам, которые имели большое количество недостатков, да и просто изжили себя, как механизм, в силу различных причин. Поэтому нет сомнений в том, что инжектор – это огромный шаг вперед в области автомобилестроения. Как создавался инжектор, .

Каждый мало-мальски грамотный автомобилист знает, что на некоторых автомобилях пишется аббревиатура DOHC. Как правило, такой надписью хвалятся американские автомобили, в частности, модели от компании General Motors. DOHC – это обозначения типа двигателя автомобиля, а о том, каковы его технические особенности, какими достоинствами и недостатками обладают двигатели данного типа, мы поговорим .

Стремительно дорожающий бензин вынуждает каждого автовладельца предпринимать меры. Одни вместо фирменных, проверенных АЗС предпочитают заправлять машину там, где дешевле. Другие прибегают к разнообразным методам экономии топлива – не развивая больших оборотов двигателя, повышая давление в шинах и т.д. Третьи – самые радикальные, резко ограничивают себя в .

Как работает роторный двигатель

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

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

Что такое роторный двигатель?

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

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

Принцип работы.

1 такт — подача топлива.

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

2 такт — сжатие.

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

3 такт — рабочий (воспламенение).

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

4 такт — выпуск.

После воспламенения отработанная смесь высвобождается через выпускное отверстие.

Как при малом объеме достигается высокая мощность?

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

К тому же у роторного двигателя есть еще несколько плюсов:

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

Почему роторные двигатели настолько редкие?

Причин здесь несколько:

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

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

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