Схема работы роторного двигателя представляет собой нечто совершенно иное, чем обычный ДВС. Во-первых, следует оставить в прошлом конструкцию двигателя внутреннего сгорания, известную нам. А во-вторых, попытаться впитать в себя новые знания и понятия.

Как и поршневой, роторный двигатель использует давление которое создается при сжигании смеси воздуха и топлива. В поршневых двигателях, это давление создается в цилиндрах, и двигает поршни вперед и назад. Шатуны и коленчатый вал преобразуют возвратно-поступательные движения поршня во вращательное движение, которое может быть использовано для вращения колес автомобиля.

РПД назван так из-за ротора, то есть такой части мотора, которая движется. Благодаря этому движению мощность передаётся на сцепление и КПП. По сути, ротор выталкивает энергию топлива, которая затем передаётся колёсам через трансмиссию. Сам ротор выполнен обязательно из легированной стали и имеет, как и говорилось выше, форму треугольника.

Капсула, где находится ротор, — это своеобразная матрица, центр вселенной, где все процессы и происходят. Другими словами, именно в этом овальном корпусе происходит:

• сжатие смеси;
• топливный впрыск;
• поступление кислорода;
• зажигание смеси;
• отдача сгоревших элементов в выпуск.

Одним словом, шесть в одном, если хотите.

Сам ротор крепится на специальном механизме и не вращается вокруг одной оси, а как бы бегает. Таким образом, создаются изолированные друг от друга полости внутри овального корпуса, в каждой из которых и происходит какой-либо из процессов. Так как ротор треугольный, то полостей получается всего три.

Всё начинается следующим образом: в первой образующейся полости происходит всасывание, то есть камера наполняется воздушно-топливной смесью, которая здесь же перемешивается. После этого ротор вращается и толкает эту перемешанную смесь в другую камеру. Здесь смесь сжимается и воспламеняется при помощи двух свечей.

Смесь после этого идёт в третью полость, где и происходит вытеснение частей использованного топлива в систему выхлопа.

Это и есть полный цикл работы РПД. Но не всё так просто. Это мы рассмотрели схему РПД только с одной стороны. А действия эти проходят постоянно. Если говорить иначе, процессы возникают сразу с трёх сторон ротора. В итоге всего за единственный оборот агрегата повторяется три такта.

Опять же, производительность — это не одно достоинство РПД. Их у него много. Как и было сказано выше, роторный двигатель очень компактный и в нём используется на целых тысячу деталей меньше, чем в том же ДВС. В РПД всего две основные детали — ротор и статор, а проще этого ничего не придумаешь.

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!

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 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.

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%.

Преимущества роторного двигателя

Меньше движущихся частей

Роторный двигатель имеет намного меньше частей, чем скажем 4-х цилиндровый поршневой движок. Двух роторный двигатель имеет три главные движущиеся части: два ротора и выходной вал. Даже самый простой 4-х цилиндровый поршневой двигатель имеет как минимум 40 движущихся частей, включая поршни, шатуны, стержень, клапаны, рокеры, клапанные пружины, зубчатые ремни и коленчатый вал. Минимизация движущихся частей позволяет получить роторным двигателям более высокую надежность. Именно поэтому некоторые производители самолетов (к примеру Skycar) используют роторные двигатели вместо поршневых.

Мягкость

Все части в роторном двигателе непрерывно вращаются в одном направлении, в отличие от постоянно изменяющих направление поршней в обычном двигателе. Роторный движок использует сбалансированные крутящиеся противовесы, служащие для подавления любых вибраций. Подача мощности в роторном двигателе также более мягкая. Каждый цикл сгорания происходит за одни оборот ротора в 90 градусов, выходной вал прокручивается три раза на каждое прокручивание ротора, каждый цикл сгорания проходит за 270 градусов за которые проворачивается выходной вал. Это значит, что одно роторный двигатель вырабатывает мощность в три четверти . Если сравнивать с одно-цилиндровым поршневым двигателем, в котором сгорание происходит каждые 180 градусов каждого оборота, или только четверти оборота коленчатого вала.

Неспешность

В связи с тем, что роторы вращаются на одну треть вращения выходного вала, основные части двигателя вращаются медленней, чем части в обычном поршневом двигателе. Это также помогает и в надежности.

Малые габариты + высокая мощность

Компактность системы вместе с высоким КПД (сравнительно с обычным ДВС) позволяет из миниатюрного 1,3-литрового мотора выдавать порядка 200-250 л.с. Правда, вместе с главным недостатком конструкции в виде высокого расхода топлива.

Недостатки роторных моторов

Самые главные проблемы при производстве роторных двигателей:

• Достаточно сложно (но не невозможно) подстроиться под регламент выброса CO2 в окружающую среду, особенно в США.
• Производство может стоить намного дороже, в большинстве случаев из-за небольшого серийного производства, по сравнению с поршневыми двигателями.
• Они потребляют больше топлива, так как термодинамическое КПД поршневого двигателя снижается в длинной камере сгорания, а также благодаря низкой степени сжатия.
• Роторные двигатели в силу конструкции ограничены в ресурсе — в среднем это порядка 60-80 тыс. км

Такая ситуация просто вынуждает причислять роторные двигатели к спортивным моделям автомобилей. Да и не только. Приверженцы роторного двигателя сегодня нашлись. Это известный автопроизводитель Мазда, вставший на путь самурая и продолживший исследования мастера Ванкеля. Если вспомнить ту же ситуацию с Субару, то становится понятен успех японских производителей, цепляющихся, казалось бы, за всё старое и отброшенное западниками как ненужное. А на деле японцам удаётся создавать новое из старого. То же тогда произошло с оппозитными двигателями, являющимися на сегодняшний день «фишкой» Субару. В те же времена использование подобных двигателей считалось чуть ли не преступлением.

Работа роторного двигателя также заинтересовала японских инженеров, которые на этот раз взялись за усовершенствование Мазды. Они создали роторный двигатель 13b-REW и наделили его системой твин-турбо. Теперь Мазда могла спокойно поспорить с немецкими моделями, так как открывала целых 350 лошадок, но грешила опять же большим расходом топлива.

Удивительно, но РПД пытались ввести в работу и у нас в стране. Такой двигатель был разработан для установки его на ВАЗ 21079, предназначенный как транспортное средство для спецслужб, однако проект, к сожалению, не прижился. Как всегда, не хватило бюджетных денег государства, которые чудесным образом из казны выкачиваются.

Зато это удалось сделать японцам. И они на достигнутом результате останавливаться не желают. По последним данным, производитель Мазда усовершенствует двигатель и в скором времени выйдет новая Мазда, уже с совершенно другим агрегатом.

Разные конструкции и разработки роторных двигателей

Двигатель Ванкеля

Двигатель Желтышева

Двигатель Зуева

Перспективы применения роторно-поршневых двигателей | Статья в журнале «Молодой ученый»

Одной из альтернатив автомобильному двигателю внутреннего сгорания является роторно-поршневой двигатель (РПД), который часто называют по имени его изобретателя — двигателем Ванкеля. Феликс Ванкель — гениальный изобретатель роторно-поршневого двигателя уже в возрасте 22 лет, в 1924 году, пришёл к идее роторно-поршневого двигателя. В 1934 году Ванкель получил свой первый патент на двигатель новой конструкции, в 1954 году он наконец-то нашёл оптимальную конфигурацию камеры сгорания РПД, которая принципиально не изменилась до нашего времени (рис. 1).

Один из первых двигателей, созданных Ванкелем (DKM 54), имел рабочий объем 0,25 л и развивал мощность около 20 кВт при частоте вращения 17000 мин^-1. Уже в 1958 увидел свет первый автомобиль с серийным РПД.

До середины 70 годов прошлого века отечественное двигателестроение обходило стороной двигатель Ванкеля. С 1976 года волжский автомобильный завод начал серийно выпускать двигатель РПД, который устанавливался преимущественно на спец иальную технику. К сожалению, после череды финансовых кризисов 1990-2000 годов работы по РПД были заморожены.

В настоящее время только компания «Mazda» серийно выпускает автомобили с двигателем Ванкеля.

Главное принципиальное преимущество роторных двигателей — это полное отсутствие возвратно – поступательных движений любого типа, а соответственно: постоянных циклических ускорений и знакопеременных инерционных нагрузок на детали двигателя. Именно подобные нагрузки не дают традиционным поршневым двигателям значительно увеличивать обороты вращения своего вала и наращивать мощность.

Второе преимущество, неразрывно связанное с первым – это прямой и непосредственный перевод простого и непрерывного вращения ротора во вращение рабочего вала двигателя. Именно такая техническая организация кинематической схемы двигателя не требует применения дополнительных механизмов для преобразования типов движения. В традиционном же поршневом двигателе для этой цели применяется громоздкий, малоэффективный и дорогостоящий кривошипно-шатунный механизм. Как следствие, роторный двигатель имеет непрерывный крутящий момент высокого значения (как у электродвигателя). В поршневых двигателях именно кривошипно-шатунный механизм выдает на рабочий вал крутящий момент, непрерывно пульсирующий от минимального до максимально возможного значения и обратно. Именно поэтому поршневые двигатели не могут работать на малых оборотах.

Это обстоятельство чрезвычайно важно в условиях современного мегаполиса и автомобильных «пробок», когда основным эксплуатационным режимом становится холостой ход.

По сравнению с поршневым Двигателем внутреннего сгорания (ДВС) – роторный двигатель не нуждается в некоторых системах, а именно: специальном механизме газораспределения. кривошипно-шатунный механизм, и соответственно – в корпусных объемах картера для размещения этих систем, а так же систем распределения зажигания и глушения выхлопных газов. Следствием этого является гораздо большая, чем у поршневых двигателей удельная (на 1 кг. массы) мощность, а также относительная простота в обслуживании и ремонте.

Не смотря на указанные преимущества долгое время РПД не оказывали серьёзной конкуренции поршневым ДВС. Основной причиной этому являлось несовершенство уплотнения рабочей камеры, следствием чего являлся повышенный расход горюче-смазочных материалов и, соответственно, низкие экологические показатели. Так, упомянутый выше двигатель DKM 54 имел удельный расход топлива около 340 г/(кВт;час), что на 5-10% больше чем у поршневых двигателей тех же годов.

Кроме того, соединение ротора с выходным валом через эксцентриковый механизм, создает давление между трущимися поверхностями, что в сочетании с высокой температурой, приводит к дополнительному износу и нагреву двигателя. В связи с этим возникает повышенное требование к периодической замене масла.

Тем не менее, двигатель Ванкеля на наш взгляд является на настоящий момент одной из наиболее перспективных альтернатив поршневому ДВС, имеющих шансы на серийную реализацию.

Одним из оснований для такого утверждения являются достижения фирмы Mazda, чей роторно-поршневой двигатель «Renesis» [1] признан двигателем 2003 года. Автомобиль RX-8 с этим двигателем удовлетворяет нормам токсичности Euro-4 и при более чем вдвое увеличенной номинальной частоте вращения вала двигателя моторесурс этого РПД не уступает ресурсу тронкового двигателя. Вместе с тем, резервы для дальнейшего снижения эксплутационного расхода роторно-поршневыми двигателями еще не исчерпаны. Эти резервы связаны, в значительной мере, с возможностью повышения топливной экономичности двигателя при его работе на частичных нагрузках.

Широко распространенный способ снижения расхода топлива в поршневых ДВС посредством увеличения коэффициента избытка воздуха мало приемлем для роторных двигателей. Это связано с особенностью камеры сгорания РПД. Наличие защемленных зон на периферии камеры сгорания приводит к замедлению скорости сгорания топлива даже при стехеометрических составах смеси [2]. Обеднение смеси ещё более усугубит этот процесс, и повлечёт за собой повышение неравномерности сгорания и увеличению в составе отработавших газов доли несгоревших углеводородов.

Таким образом, одним из основных путей повышения топливной экономичности РПД является устранение недогорания топлива в камеры сгорания.

Наиболее распространенным решением указанной проблемы является оптимизация мест расположения свечей зажигания, их количества и параметров системы зажигания. Так, например, за счет применения двух свечей зажигания удается примерно на 6% сократить расход топлива, и соответственно, уменьшить выбросы токсичных компонентов с отработавшими газами. В целях повышения мощности и некоторого снижения расхода топлива компания Mazda применяла даже систему зажигания с 3 свечами зажигания на двигателе R26B [3]. Дополнительная свеча воспламеняла топливовоздушную смесь в области, прилегающей к задней вершине ротора, увеличивая скорость сгорания смеси.

Другим способом уменьшить недогорание топлива является расслоение заряда. На практике расслоение заряда в камере сгорания осуществляется таким образом, чтобы в ту часть камеры, в которую пламя не может проникнуть, попадала бы, по возможности, максимально обедненная топливовоздушная смесь.

В Волгоградском государственном техническом университете в течение ряда лет ведутся исследования возможностей расслоения заряда указанным выше образом за счет применения так называемого фазированного впрыскивания топлива во впускной трубопровод, при котором начальный и конечный моменты подачи топлива форсункой согласованы с моментами открытия и закрытия впускного окна и с частотой вращения ротора. Как показывает опыт, применение фазированного впрыскивания позволяет снизить удельный расход топлива на 15%.

Одним из перспективных способов улучшения эксплуатационных характеристик ДВС является изменение рабочего объема. Особенности конструкции и кинематики ротора РПД таковы, что изменить рабочий объем можно только косвенно, например, отключением части цилиндров или пропуском части рабочих циклов. При отключении части рабочих циклов оставшиеся в работе циклы для сохранения эффективной мощности двигателя должны обладать большим индикаторным КПД, что в итоге приводит к снижению расхода топлива.

В Волгоградском государственном техническом университете были теоретически и экспериментально изучено[4] влияние отключения циклов на изменение удельного расхода топлива РПД, работающего с пропуском части рабочих циклов с системой фазированного впрыскивания топлива во впускной трубопровод. Исследования показали, что отключение циклов приводит к снижению расхода топлива лишь в некотором диапазоне нагрузочных режимов. Для испытанного двигателя ВАЗ-311 снижение удельного расхода топлива, зафиксированное в экспериментах, составило 13% .

Весьма перспективным направлением снижения токсичности в РПД является применение альтернативных топлив, в первую очередь, газообразных. Так, например, компании Mazda выпустила в серийное производство автомобиль RX – 8 Hydrogen RE, работающий и на водороде и на бензине. Использование водорода в качестве моторного топливо позволило японским инженерам полностью избавиться от содержания в выхлопных газах оксида углерода СО₂. При этом мощность двигателя составила 80 кВт, что меньше чем у аналогичного двигателя, работающего на бензине (145 кВт). Объяснение этому в необходимости использовать сильно обедненную топливовоздушную смесь для снижения температуры сгорания, от которой, главным образом, зависит содержание в выхлопных газах оксида азота NO_x. Необходимо отметить тот факт, что двигатель Ванкеля более приспособлен к работе на водороде чем поршневой двигатель, вследствие снижения риска калильного зажигания.

Одним из недостатков применения водорода в качестве моторного топлива является его высокая текучесть. При попадании в машинное масло водород окисляется и образует воду, что может вызвать появление коррозии на элементах двигателя.

Другим способом применения водорода является его использование в качестве дополнительного топлива при организации расслоения топливовоздушной смеси. При такой организации рабочего процесса основное топливо (обедненная бензовоздушная или газовоздушная смесь) подается непосредственно в камеру сгорания, а порция водорода впрыскивается в зону межэлектродного зазора свечи зажигания. Это позволяет существенно снизить запас водорода, хранимого на борту автомобиля, снизив тем самым затраты на использование газа.

Всё вышесказанное показывает, что обладая существенным потенциалом, двигатель Ванкеля является в настоящее время одной из реально существующих альтернатив традиционному поршневому двигателю.

Литература:

1. Masaki Ohkubo, Seiji Tashima, Ritsuharu Shimizu, Suguru Fuse and Hiroshi Ebino Developed Technologies of the New Rotary Engine (RENESIS)//SAE Paper. 2004. – № 2004-01-1790.

2. Злотин Г. Н. Особенности рабочего процесса и пути повышения энергетической эффективности роторно-поршневых двигателей Ванкеля: монография/ Г. Н. Злотин, Е. А. Федянов.– Волгоград: Изд-во ВолгГТУ.– 2010.

3. Ritsuharu Shimizu, Tomoo Tadokoro, Toru Nakanishi, and Junichi Funamoto Mazda 4-Rotor Rotary Engine for the Le Mans 24-Hour Endurance Race//SAE Paper. 1992. – № 920309

4. Злотин Г.Н. Эффективность метода отключения циклов на роторно-поршневом двигателе Ванкеля [Текст] / Г.Н. Злотин, Е.Б. Морщихин, С.Н. Шумский, Е.А. Федянов – журн. «Двигателестроение» – 2006.– №4.– С. 12-14.

Основные термины (генерируются автоматически): двигатель, DKM, роторно-поршневой двигатель, удельный расход топлива, камера сгорания, поршневой двигатель, снижение расхода топлива, внутреннее сгорание, Волгоградский государственный технический университет, впускной трубопровод.

Роторный двигатель — Energy Education

Роторные двигатели или Двигатели Ванкеля — это тип двигателя внутреннего сгорания, наиболее часто используемый в Mazda RX-7, который преобразует тепло от сгорания топливовоздушной смеси под высоким давлением в полезную работу для остальной части машина. Его уникальной особенностью является треугольный ротор, который выполняет те же задачи, что и поршень поршневого двигателя, но совсем другим образом. ^[2]

Ротор заключен в корпус овальной формы и выполняет обычный четырехтактный цикл двигателя внутреннего сгорания, как показано на рисунке 1. Ротор соединен с выходным валом, который вращается в 3 раза быстрее, чем ротор (внутренний круг обозначен буквой «B» на рисунке). Этот цикл описан ниже и повторяется 3 раза по для каждого вращения ротора: ^[2]

1. Впуск : запускается, когда кончик ротора проходит через впускной канал.В этот момент камера имеет самый маленький размер, и по мере вращения камера расширяется, втягивая топливно-воздушную смесь. Как только конец ротора проходит через впускной канал, он переходит к стадии сжатия, а следующая поверхность ротора начинает этот шаг заново.
2. Сжатие : По мере того как ротор продолжает вращаться, топливно-воздушная смесь сжимается, поскольку камера уменьшается в размерах. Это необходимо для следующей детали, которая воспламеняет эту смесь.
3. Зажигание : Сжатая смесь воспламеняется свечами зажигания, и значительное увеличение давления заставляет ротор расширяться.Это силовой ход, обеспечивающий полезную работу. Часто необходимы две свечи зажигания, чтобы обеспечить равномерное зажигание по всей камере. Выхлопной газ расширяется в камеру, пока кончик ротора не пройдет через выхлопное отверстие.
4. Выхлоп : Как только наконечник проходит через это отверстие, выхлопные газы под высоким давлением могут проходить через выпускное отверстие. Ротор продолжает вращаться, пока конец его поверхности не пройдет через выпускное отверстие, а кончик не пройдет через впускное отверстие, и цикл повторяется.

Интересная часть этого цикла состоит в том, что каждый шаг выполняется в одно и то же время , только в разных камерах.Это дает три рабочих хода на каждый оборот ротора.

Отличия от поршневого двигателя

Помимо различных методов завершения четырехтактного цикла, роторные двигатели имеют другие преимущества и недостатки по сравнению с более распространенными поршневыми двигателями: ^[2]

• Меньше движущихся частей : Двухроторный роторный двигатель имеет три движущихся части — два ротора и выходной вал, в то время как у обычных поршневых двигателей их не менее 40.Это повышает надежность роторных двигателей.

• Более плавный : ротор постоянно вращается в одном направлении, в отличие от поршневых двигателей, поршни которых резко меняют направление. Они также уравновешены грузами, которые уменьшают внутренние вибрации. Подача мощности также более непрерывна из-за трех тактов на каждый оборот ротора.

• Медленнее : ротор вращается со скоростью, равной одной трети скорости выходного вала, поэтому основные движущиеся части движутся медленнее, чем в поршневом двигателе.Это повышает надежность.

Недостатки

Затраты на производство могут быть выше из-за меньшей популярности этих двигателей. Они также обычно потребляют больше топлива, чем другие двигатели, из-за их низкой степени сжатия и, следовательно, имеют более низкий термический КПД, что затрудняет соблюдение ими норм выбросов.

Для дальнейшего чтения

Список литературы

Анимированные двигатели — Gnome Rotary

Gnome Rotary Engine

Gnome был одним из нескольких роторных двигателей , популярных на истребителях. во время Первой мировой войны.В этом типе двигателя коленчатый вал установлен на самолет, при этом картер и цилиндры вращаются вместе с пропеллер.

Gnome был уникален тем, что впускные клапаны располагались внутри поршни. В остальном этот двигатель использовал знакомый четырехтактный двигатель Otto. цикл. В любой момент каждый из цилиндров находится в отдельной фазе. цикла. В следующем обсуждении рассмотрим главный цилиндр . с зеленым шатуном.

Впуск

Во время этой части хода в цилиндре образуется разрежение, принудительное открытие впускного клапана и всасывание топливовоздушной смеси из картер.

Сжатие

На этом этапе смесь сжимается. Свеча зажигания загорается в сторону конец такта сжатия, чуть раньше top dead центр.

Мощность

Здесь происходит рабочий ход. Обратите внимание, что выпускной клапан открывается. рано — задолго до нижней мертвой точки .

Выхлоп

У этого двигателя довольно длинный ход выхлопа. В целях повышения мощности или эффективности, фазы газораспределения двигателя часто отличаются от тех, которые можно было бы ожидать.

Когда я впервые узнал, как работают эти двигатели, я подумал, что Единственный сумасшедший человек, чем конструктор двигателя, был тот, кто заплатил деньги за это. На первый взгляд это кажется смешным назад .

Тем не менее, ряд двигателей был спроектирован таким образом, включая Gnome, Gnome Monosoupape, LeRhone, Clerget, и Bentley . Оказывается, были веские причины для комплектации:

• Баланс

  Обратите внимание, что картер и цилиндры вращаются по одной окружности, в то время как поршни вращаются по другому, смещенному кругу.Относительно двигателя точки крепления, возвратно-поступательные детали отсутствуют. Это означает, что нет нужен тяжелый противовес.

• Воздушное охлаждение

  Поддержание охлаждения двигателя было постоянной проблемой для ранних двигателей дизайнеров. Многие прибегали к тяжелым системам водяного охлаждения. Воздушное охлаждение есть вполне подходит для роторных двигателей, так как цилиндры всегда в движение.

• Без маховика

  Картер и цилиндры обеспечены более чем адекватно импульс для сглаживания импульсов мощности, устраняя необходимость за тяжелый маховик.

Все эти факторы обеспечили роторным двигателям лучшую удельную мощность. соотношение любой конфигурации в то время, что делает их идеальными для использования в истребителях. Конечно, были недостатки, так как скважина:

• Гироскопический эффект

  Тяжелый вращающийся объект сопротивляется попыткам нарушить его ориентацию ( игрушечный гироскоп хорошо демонстрирует эффект). Это сделало самолет сложно маневрировать.

• Общая потеря Масляная система

  Центробежная сила выбрасывает смазочное масло после его первого поездка через двигатель.Обычно это было касторовое масло, которое можно было легко сочетается с топливом. Таким образом, дальность полета самолета была ограничено количеством масла, которое он может нести, а также топлива. Большинство обычных двигателей постоянно рециркулируют относительно небольшой запас масла.

Большая часть моей информации о Gnome была получена из Air board Technical Примечания ⁷

Руководство для начинающих: что такое роторный двигатель (и как он работает)?

Роторное и поршневое

PROS
• Природа двигателя означает, что гораздо меньший рабочий объем может производить значительно больше мощности, чем поршневой двигатель сопоставимого размера — Mazda RX-8 технически имеет 1 балл.3 литра, но мощностью около 230 л.с.

• Двигатели физически намного меньше, легче и имеют меньше движущихся частей, которые могут выйти из строя.

• Из-за характера двигателя они внутренне сбалансированы — роторы действуют как вращающиеся противовесы, поэтапно компенсирующие друг друга. Это означает, что вибрации меньше, поэтому двигатель работает более плавно и будет раскручиваться до более высоких оборотов (10000 об / мин отнюдь не является чем-то неслыханным) без повреждений.

МИНУСЫ
• Роторные двигатели менее экономичны, чем их аналоги с поршневыми двигателями, поскольку они менее эффективны с точки зрения теплового воздействия.

• Выбросы низкие из-за частичного совпадения событий впуска и выпуска, и ни одно из них не соответствует действующим нормам.

• Наконечники ротора, также известные как уплотнения вершины, подвергаются огромным нагрузкам и склонны к выходу из строя — это была огромная проблема для старых моделей Wankels, и ее еще предстоит полностью решить в современных вариантах.

• Высокий расход масла из-за необходимости поддерживать внутреннюю смазку роторов и уплотнений.

• Из-за небольшого эксцентриситета вала по сравнению с ходом коленчатого вала роторные двигатели имеют небольшой крутящий момент по сравнению с обычным двигателем на низких оборотах.

Mazda — крупнейший производитель роторных двигателей и единственный производитель, использующий их с конца 1970-х годов. General Motors разрабатывала свою собственную более 40 лет назад, но законы о смоге и первое нефтяное эмбарго в 1973 году заставили их отказаться от нее до того, как она была завершена для производства. NSU и Citroen в Европе продавали автомобили в небольших количествах, а Hercules, Norton и Suzuki производили мотоциклы, но никто не производил столько, сколько Mazda. Mazda Cosmo впервые появилась с роторным двигателем в 1965 году, за ним последовали R100, R130, RX-2, RX-3, RX-7, Luce, Rotary Pickup Truck, RX-7 и, наконец, RX-8, выпускавшийся до тех пор, пока 2012 г.

Недавно было проведено исследование производства небольших роторных двигателей для питания генераторной части гибрида, благодаря их компактным размерам и плавности хода. Считается, что, работая с постоянной скоростью для выработки энергии, двигатель Ванкеля может, наконец, решить проблемы с топливной экономичностью и выбросами.

Схема, показывающая циклы роторного двигателя [45].

Контекст 1

… Однако дизайн будущих, современных, эффективных и экологически безопасных транспортных средств потребует, помимо прочего, значительных улучшений в системах трансмиссии.Чтобы определить текущее состояние технологий и то, как легковая автомобильная промышленность использует инновации для продвижения энергоэффективных и экологически чистых решений, а также какие будущие тенденции можно выделить из текущих событий и направлений исследований в отрасли, в этой статье представлен общий обзор соответствующая рецензируемая и научная литература, за которой следует резюме исследования и важные выводы в заключении. Тем не менее, объем предмета данной статьи обширен, а длина обзора ограничена.Таким образом, простого обзора определенных тем в области энергетики и окружающей среды, применимых к автомобильной промышленности, должно быть достаточно, включая ограниченные цитаты, чтобы читатель мог глубже понять их. По общему признанию, выбор покрытия субъективен. Однако повсюду особое внимание уделяется возможностям для исследований и разработок (НИОКР). В конце 19 века инновации в технологиях ДВС открывали новые возможности для применения этого нового источника энергии способами, которые могли бы помочь перемещать людей и материалы.К концу года двигатель внутреннего сгорания стал наиболее многообещающей новой технологией для обеспечения более легкой транспортировки, а также таких способов транспортировки, как воздушный полет, которые в противном случае были бы невозможны [1]. Эффективность ранних разработок была более важна для повышения производительности, чем для экономии топлива [2], но в этот период произошли некоторые важные разработки, которые будут иметь важные последствия для будущих направлений в более эффективных конструкциях и эксплуатации двигателей [3].Эффективность современного ДВС измеряется удельным расходом топлива на тормоз (BSFC). Экономия топлива двигателя обычно выражается как BSFC, отношение массы топлива, потребляемого на единицу механической работы, производимой валом двигателя. Относительные значения BSFC включают конкретные условия эксплуатации, которым подвергается двигатель. В течение только что завершившегося десятилетия наиболее экономичный (то есть минимальный) BSFC составлял около 0,27 кг / кВтч для бензинового двигателя SI, в то время как для дизельных двигателей CI он был ниже, около 0.20 кг / кВтч [4]. Двигатели внутреннего сгорания также сделают другие повороты в эволюции, которые повлияют на BSFC, включая стандартный поршневой двигатель, а также инновационный, но требовательный к топливу роторный двигатель, которые будут рассмотрены позже. В середине 19 века был разработан ряд так называемых свободнопоршневых атмосферных двигателей на основе принципа, впервые продемонстрированного швейцарским инженером Исааком де Ривазом в 1827 году [5]. В этих ранних моделях использовался поршень, который был прикреплен к длинной зубчатой ​​рейке, которая перемещалась снизу под действием силы расширения газа в результате горения, техника, которая обеспечивала движение без ограничений [5].Частичный вакуум, который был создан во время этой фазы работы, вынудил поршень вернуться в исходное положение и завершить рабочий ход. На рубеже 20-го века и позже поршневой ДВС стал предпочтительной силовой установкой в ​​легковых автомобилях, почти все из миллиарда автомобилей, произведенных в мире в течение 20-го века, были оснащены четырехтактными двигателями, работающими на бензине. ДВС [6]. Сердцем двигателя является поршень, который движется вперед и назад внутри цилиндра за четыре цикла или «тактов».Четырехтактный поршневой цикл работает следующим образом: 1). На первом такте (так называемом «такте впуска» или «всасывания») поршень опускается, заполняя цилиндр смесью воздуха и бензина, всасываемой через открытый впускной клапан. ; 2). На втором такте («сжатие») поршень поднимается, поскольку впускной клапан закрывается, тем самым сжимая смесь бензин / воздух; 3). На предпоследнем такте («мощность») поршень снова опускается вниз, поскольку смесь бензина и воздуха воспламеняется и взрывается; и, 4).На последнем такте («выпуске») поршень снова поднимается, выталкивая отработанные газы из открытого теперь выпускного клапана. Этот четырехтактный поршневой цикл показан на рисунке 1. Менее распространенный, чем версия с поршневым приводом, двигатель Ванкеля, тем не менее, использовался в нескольких коммерческих приложениях. Как показано на Рисунке 2 ниже, двигатель Ванкеля имеет ротор с тремя точками, который соединен с карданным валом. Ротор вращается в камере, которая плотно прилегает к корпусу и имеет слегка овальную форму; Эта конфигурация создает правильные условия для приложения рабочего хода к каждой из трех сторон ротора, когда они проходят мимо единственной свечи зажигания двигателя [5].В некоторых конфигурациях два или даже более роторов устанавливаются коаксиально; однако в этих схемах рабочие такты должны быть рассчитаны по времени последовательно. Хотя двигатель Ванкеля обычно весит примерно на 25 процентов меньше, чем двигатели с поршневым приводом, поскольку он имеет только две движущиеся части (т. Е. Ротор и выходной вал), уровни расхода топлива для этих типов роторных двигателей высоки, а выбросы выхлопных газов также относительно высокое содержание загрязняющих веществ по сравнению с поршневыми двигателями. Описание работы роторного двигателя, предоставленное ассоциацией Mazda RX7 [7], указывает, что: 1).Роторный двигатель работает на сжатии поступающего воздуха, который в это время смешивается с бензином. 2). На пике сжатия свечи зажигания загораются, зажигая сжатый газ и обеспечивая мощность двигателя. 3). Выхлоп выходит из двигателя, и процесс повторяется. 4). Благодаря своей конструкции роторный двигатель может генерировать гораздо больше оборотов в минуту, чем стандартный поршневой двигатель, и они очень долговечны [7]. В среднем частота вращения двигателей Ванкеля составляет около 5 500 об / мин. NSU Ro80 был первым серийным автомобилем, в котором использовался двигатель Ванкеля; тем не менее, этой серийной версии предшествовал открытый двухместный экспериментальный прототип (NSU Spyder).В то время как лицензии на двигатель Ванкеля были приобретены Alfa Romeo, Peugeot-Citroën, Daimler-Benz, Rolls-Royce, Toyota, Volkswagen-Audi и другими, базирующаяся в Японии Mazda была единственным современным производителем легковых автомобилей, использующим двигатель Ванкеля. двигатель с существующим серийным автомобилем. На протяжении многих лет проводились исследования по использованию двигателей Ванкеля для самолетов и была произведена ограниченная версия мотоцикла с двигателем Ванкеля, но эти инициативы не вызвали большого интереса [5]. По словам этих исследователей, в то время как Ванкель стал директором своего собственного исследовательского центра в Линдау, на Боденском озере на юге Германии, Mazda продолжала совершенствовать роторный двигатель, и к моменту смерти Ванкеля в 1988 году купе Mazda RX-7 превратилось в автомобиль. успешный, если не самый продаваемый спортивный автомобиль с двигателем Ванкеля.Однако во всех случаях улучшение соответствующих показателей BSFC как роторных двигателей, так и поршневых двигателей различных типов стало предметом все большего количества исследований и разработок в ответ на стремительный рост затрат на энергию и растущий потребительский спрос, особенно со стороны растущих экономических центров, таких как Китай. , Индия, Бразилия и Малайзия. Таким образом, преобладающим силовым агрегатом остается бензиновый четырехтактный двигатель с искровым зажиганием в подавляющем большинстве современных легковых автомобилей, который более экономичен, чем их двухтактные аналоги, а также выделяет меньше вредных веществ.Уравновешивание этого углеродного следа, однако, заключается в том, что транспортные средства с двухтактным двигателем, такие как мотоциклы, легче и, следовательно, требуют меньшего количества топлива для работы и дешевле в производстве, чем их четырехтактные аналоги во всех моделях легковых автомобилей [4]. . Чтобы рассмотреть эту тему в перспективе, по состоянию на 1966 год расходы на шины для легковых автомобилей составляли приблизительно 100 миллионов фунтов стерлингов (сто миллионов британских фунтов стерлингов) [8]. В сегодняшнем денежном выражении такие затраты были бы экспоненциально выше даже с поправкой на инфляцию.Все, что снижает оптимальные характеристики транспортного средства на проезжей части, снижает топливную эффективность, а трение всех типов всегда было проклятием для автомобильных инженеров. Несмотря на связанные с этим проблемы, количество задействованных шин (около миллиарда с лишним в любой момент) означает, что даже небольшое улучшение характеристик шин легковых автомобилей может привести к экономии миллионов баррелей нефти вместе с сопутствующее сокращение выбросов парниковых газов.Характеристики шин — это мера коэффициента трения, который представляет собой отношение силы трения к нормальной силе, вызывающей скольжение, выраженное безразмерным значением (т. Е. Мера силы трения, возникающей между протекторами резиновой шины и поверхностью дороги. делится на нагрузку, действующую на шину [9]. В настоящее время легковые автомобили и легкие грузовики обеспечивают большую часть пассажирских перевозок, и большинство этих типов транспортных средств используют легковые шины. По данным Транспортного исследовательского совета США, большинство фургонов и пикапов , а внедорожники, которые федеральное правительство классифицирует как легкие грузовики, считаются легковыми автомобилями [9].Несмотря на технологические инновации, которые позволили создать шины с более длительным сроком службы, чем три десятилетия назад или около того, шины для легковых автомобилей по-прежнему требуют замены каждые несколько лет в результате естественного износа и примерно 200 миллионов новых …

Контекст 2

… более распространенный, чем версия с поршневым приводом, двигатель Ванкеля, тем не менее, использовался в нескольких коммерческих приложениях. Как показано на Рисунке 2 ниже, двигатель Ванкеля имеет ротор с тремя точками, который соединен с карданным валом….

Схема исследуемого роторно-поршневого двигателя. (а) Схема …

Контекст 1

… показанная на рисунке 1 (а), ротор разделен на 24 камеры, по 12 с каждой стороны ротора. Каждую камеру разделяют 12 осевых лопаток. …

Контекст 2

… одинаковые места предусмотрены на противоположном кулачке, и синусоидальный профиль повторяется на переднем и заднем кулачках. На рис. 1 (b) показаны фиксированные положения портов форсунок, помимо впускных и выпускных отверстий….

Контекст 3

… достигается, когда лопатки, которые образуют стороны каждой камеры сгорания, следуют по синусоидальной штифтовой дорожке в корпусе, как показано на рисунке 1 (c). Торцы корпуса снабжены титановыми передним и задним кулачками. …

Context 4

… при каждом обороте ротора лопатки перемещаются синусоидально от минимальной длины до максимальной высоты кулачка (примерно 23 мм) для сторон каждой камеры сгорания.Лопатки всегда остаются в контакте с кулачком и стенкой корпуса, образуя 24 герметичные камеры сгорания, как показано на рисунке 1 (d). …

Контекст 5

… турбулентная скорость цилиндра уменьшалась почти до конца такта сжатия, повышалась до ВМТ и снова уменьшалась в фазе расширения. На рисунке 10 представлены турбулентная скорость в цилиндре и коэффициент завихрения, усредненный по массе вдоль оси z (расстояние между поверхностью ротора и кулачком) во время такта впуска….

Контекст 6

… небольшие значения коэффициента завихрения в начале такта впуска указывают на то, что небольшого объема между кулачком и ротором недостаточно для продвижения вихревого потока внутри цилиндра. Во время такта впуска сильное взаимодействие между впускными форсунками, сталкивающимися с боковой стенкой ротора, приводит к появлению двойного вертикального потока внутри цилиндра, показанного на рисунке 11. Рисунок 13 (a) представляет расширенный двойной вихрь внутри камеры сгорания под углом 125 °. bTDC, когда высота цилиндра увеличилась и впускной канал был полностью открыт.Струя, падающая на поверхность ротора, отражалась в осевом направлении через боковую стенку и образовывала симметричный двойник по часовой стрелке и против часовой стрелки внутри камеры сгорания. …

Контекст 7

… струя, падающая на поверхность ротора, отражалась в осевом направлении через боковую стенку и образовывала симметричный двойной вихрь по часовой стрелке и против часовой стрелки внутри камеры сгорания. Контур турбулентной скорости показан на рисунке 13 (b) вдоль той же поверхности. Максимальные значения достигаются в верхней части цилиндра возле кулачка и впускного отверстия, куда попадает струя….

Контекст 8

… напряжения сдвига и колебания скорости в верхней зоне цилиндра уменьшаются, когда впускной канал закрывается в конце такта впуска. На рисунке 14 представлены колебания турбулентной скорости и коэффициент закрутки по оси z во время такта сжатия. Двойной вихрь, полученный на такте впуска, оставался внутри цилиндра во время первой стадии такта сжатия. …

Контекст 9

…. вихревое движение внутри цилиндра изучается в этом разделе с учетом предположения о вращении твердого тела вблизи ВМТ, когда эффекты сжатия не важны [28]. Профили тангенциальной скорости, рассчитанные путем интерполяции по семи радиальным линиям в ВМТ, представлены на рисунке 15. Радиальные линии расположены в двух разных секциях внутри барабана. …

Контекст 10

… радиальные линии расположены в двух разных секциях внутри чаши. Первая поверхность расположена по адресу 1.5 мм от поверхности кулачка, а другая поверхность находится на половине глубины чаши (см. Рисунок 16). …

Контекст 11

… степень радиального потока зависит от зазора между ротором и кулачком вблизи ВМТ и отношения ширины цилиндра к диаметру двигателя. Временное изменение радиальной скорости, интегрированной на поверхности ротора вокруг ВМТ, представлено на рисунке 17. Максимальное значение радиальной скорости достигается около 10 ° перед ВМТ….

Контекст 12

… значения в конце такта сжатия больше, чем на первой стадии такта расширения. На рисунке 18 представлены линии тока скорости внутри цилиндра и показано, что поток сохранил свою симметричную структуру после такта впуска из-за более низкого эффекта сжатия. На рисунке 19 представлено поле турбулентных пульсаций скорости внутри цилиндра в ВМТ с максимальным уровнем турбулентности около 0,062 вблизи периферии цилиндра….

Контекст 13

… 18 представляет линии тока скорости внутри цилиндра и указывает, что поток сохранил свою симметричную структуру от такта впуска из-за более низкого эффекта сжатия. На рисунке 19 представлено поле турбулентных пульсаций скорости внутри цилиндра в ВМТ с максимальным уровнем турбулентности около 0,062 вблизи периферии цилиндра. Поле скорости турбулентности считается однородным внутри цилиндра. …

Как работает роторный двигатель Ванкеля

Ранние типы роторных двигателей имели нечетное количество цилиндров, смещенных по радиусу (обычно 7 или 9 цилиндров, поскольку эта нечетная конфигурация приводила к более плавной работе благодаря поршню). последовательность стрельбы). Начиная с этой конструкции, сначала двигатель имел неподвижный блок цилиндров, который непосредственно вращал коленчатый вал, расположенный в центре, и назывался радиальным двигателем.Теперь с винтом, прикрепленным к вращающемуся коленчатому валу, радиальный двигатель получил широкое применение в авиастроении.

Однако конструкция этого радиального двигателя вызвала проблему с охлаждением, особенно при работе в неподвижном состоянии, поскольку блок цилиндров не получал достаточного воздушного потока. Решение этой проблемы с охлаждением пришло в виде реверсирования роли вращающейся детали из ансамбля, то есть теперь коленчатый вал был прикреплен болтами к шасси, а пропеллер вращался вместе со всем блоком цилиндров.Так родился роторный двигатель . Положительным моментом было то, что охлаждение двигателя было улучшено, но недостатком было то, что самолет стал нестабильным и им было труднее управлять.

К началу 1920-х роторные двигатели (которые находили применение в основном в авиастроении) устарели, и интерес к дальнейшим разработкам двигателей этого типа резко упал. Но не все было потеряно для роторного двигателя, поскольку немецкий инженер Феликс Ванкель изобрел вращающуюся конструкцию в 1957 году, в которой использовался ротор треугольной формы, вращающийся внутри овального корпуса.Поскольку в конструкции не используются поршни, как в поршневом двигателе, роторный двигатель внутреннего сгорания Ванкеля считается одним из типов роторных двигателей без поршней. Исследования роторных двигателей действительно начались в 1960-х годах, но только японскому автомобилестроителю Mazda удалось успешно модифицировать его и интегрировать в фирменный стиль бренда, став единственным производителем автомобилей, способным выйти на массовое производство. Итак, как это работает