Изобретение относится к энергомашиностроению. Рабочий процесс роторного двигателя включает приготовление топливно-воздушной смеси, введение ее в полость камеры сгорания, воспламенение, совершение рабочего такта и выхлоп. Внутренняя стенка корпуса образует камеры сгорания с равноудаленными друг от друга углублениями, выполненными на цилиндрическом роторе. Радиальное сечение камеры сгорания имеет форму с тремя сторонами, одной стороной которой является криволинейное очертание внутренней стенки корпуса, а две другие стороны, образующие углубление ротора, являются прямолинейными и расположены под прямым углом друг относительно друга и одна из них имеет радиальное направление. Для совершения рабочего такта в топливно-воздушной смеси возбуждают ударные волны, переходящие в детонационные, в направлении вращения ротора путем воспламенения топливно-воздушной смеси в задней части камеры сгорания по ходу вращения ротора. Корпус двигателя снабжен средствами подачи и воспламенения топливно-воздушной смеси и выхлопными каналами, выполненными тангенциально по отношению к ротору. Техническим результатом является повышение КПД двигателя. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области энергомашиностроения и, в частности, к рабочему процессу и конструкции двигателя внутреннего сгорания.
Роторные двигатели внутреннего сгорания являются перспективным направлением энергомашиностроения, история которого началась с изобретения двигателя Ванкеля, представляющего собой поршень-ротор, в виде треугольника, помещенный в корпус, где с помощью специального эксцентрика он совершает сложное эпициклическое движение. Рабочий процесс осуществляется по четырехтактному циклу за счет сжигания топливно-воздушной смеси в объемах, ограниченных внутренней поверхностью корпуса и каждой стороной поршня-ротора.
Двигатель Ванкеля не получил широкого распространения в автомобильной отрасли из-за своей кинематической сложности и необходимости соблюдения высокой точности при изготовлении сопрягаемых деталей, т.е. корпуса и ротора-поршня. К тому же значительной проблемой является герметизация внутреннего рабочего объема двигателя.
Дальнейшее развитие роторных двигателей внутреннего сгорания пошло по пути радикального изменения рабочего процесса за счет отказа от принципа его организации, типичного для поршневых машин.
Так, примером иной организации рабочего процесса является роторный двигатель Кузнецова [RU 2074967, опубл. 10.03.97]. Этот двигатель содержит цилиндрический ротор с равноудаленными каплеобразными углублениями по его образующей поверхности, каждое из которых выполняет роль лопатки. Ротор заключен в корпус с цилиндрической внутренней полостью соответствующего диаметра. Средство подачи топливно-воздушной смеси выполнено в виде пары диаметрально расположенных на корпусе поршневых компрессоров, полости которых имеют возможность периодически при вращении ротора сообщаться с углублениями последнего через направляющие сопла промежуточных камер сгорания, в свою очередь, содержащих средство воспламенения топливно-воздушной смеси в виде запальной свечи. Каждый поршневой компрессор содержит впускной клапан, предназначенный для подачи в него топливно-воздушной смеси, приготавливаемой вне компрессора, и перепускной клапан, соединяющий полость компрессора с камерой сгорания. Кроме всего перечисленного выше корпус содержит выхлопные каналы.
Принцип работы двигателя Кузнецова состоит в следующем.
Поршень одного из компрессоров, находясь в условно крайней верхней точке, начинает движение и через открытый впускной клапан происходит всасывание топливно-воздушной смеси. Достигнув условно крайней нижней точки, поршень, совершая возвратно-поступательное перемещение, начинает двигаться в обратном направлении и сжимает топливно-воздушную смесь. При этом впускной клапан закрыт и через открытый перепускной клапан происходит перекачка смеси в промежуточную камеру сгорания (далее камера сгорания). Одновременно с закрытием перепускного клапана топливно-воздушная смесь воспламеняется от запальной свечи и за счет вращения ротора открывается направляющее сопло. Продукты сгорания под большим давлением в виде струи попадают в углубление ротора, ударяя в его лопаточную часть, и передают ему всю накопленную потенциальную энергию. После совмещения углубления с выхлопным каналом продукты сгорания сбрасываются в атмосферу.
Анализ рабочего процесса двигателя Кузнецова показал, что в его основе лежит использование кинетической энергии струи (потока) сжатого газа, взаимодействующего с лопаточным аппаратом ротора. В сравнении с двигателем Ванкеля роторный двигатель Кузнецова имеет значительное преимущество, выражающееся в кинематической простоте его конструкции. Кроме того, расположение камеры сгорания вне ротора и ее устройство дают возможность обеспечить процесс сгорания топливно-воздушной смеси в режиме, близком к оптимальному, способствуя снижению уровня токсичности выхлопных газов.
Однако несмотря на кинематическую простоту роторного двигателя Кузнецова в целом конструкция этого двигателя усложнена наличием промежуточной системы подачи топливно-воздушной смеси в виде пары поршневых компрессоров, сообщенных через перепускные клапаны с соответствующими камерами сгорания. Но основным недостатком аналога является собственно рабочий такт двигателя, выраженный во взаимодействии струи газа из камеры сгорания с лопаточной частью углубления ротора. По мере истечения газа в углубление, давление там будет возрастать, что значительно снизит эффективность воздействия струи газа из-за прогрессивно возрастающего противодавления. Это явление ведет к потере мощности и снижению КПД.
В качестве прототипа предлагаемому изобретению выбран роторный двигатель внутреннего сгорания, рабочий такт которого может быть определен как реактивный, т.е. принципиально отличный от вышеописанного аналога. Конструкция этого двигателя [DE 2910304, опубл. 25.09.80.] содержит корпус, в котором установлен ротор с тремя равноудаленными углублениями на его цилиндрической части, образующие с аналогичными по форме внутренними стенками корпуса камеры сгорания. Корпус снабжен, как и аналог, поршневым компрессором в виде цилиндра и размещенного в нем поршня, связанного посредством шатунно-кривошипного механизма с приводом, синхронизированным с вращением ротора. При этом нагнетательная полость цилиндра открыта со стороны ротора и при вращении последнего имеет возможность периодически сообщаться с одним из углублений. Полость цилиндра связана со средством подачи топливно-воздушной смеси. Приблизительно под углом 90° к оси цилиндра на корпусе смонтировано средство воспламенения топливно-воздушной смеси, выполненное в виде запальной свечи. Соосно цилиндру и противоположно запальной свече на корпусе выполнен выхлопной канал, расположенный тангенциально по отношению к внутренней цилиндрической стенке корпуса.
Рабочий процесс в описанной конструкции роторного двигателя реализуется следующим образом.
В полость цилиндра, перекрытую цилиндрической поверхностью ротора, с помощью соответствующего устройства подают топливно-воздушную смесь. При этом поршень находится в крайнем верхнем положении. Затем посредством приводимого в действие шатунно-кривошипного механизма поршень перемещается в крайнее нижнее положение, сжимая, таким образом, смесь до необходимого давления. При совмещении с полостью цилиндра одного из углублений ротора последнее заполняется топливно-воздушной смесью, которая транспортируется в сторону запальной свечи. Когда углубление со смесью оказывается в зоне действия запальной свечи, осуществляется ее воспламенение. Это приводит к горению смеси и, как следствие, значительному повышению температуры и давления в углублении. «Законсервированные» в последнем продукты горения топливно-воздушной смеси дальше перемещаются к выхлопному каналу и при совмещении с ним начинают истекать с высокой скоростью с эффектом реактивной струи. Этим создается давление на стенки углубления, а значит, и ротора, в конечном итоге преобразуясь в крутящий момент, чему способствует конструктивное исполнение углубления, обеспечивающее плечо для равнодействующей силы реакции струи, действующей на ротор.
Таким образом, описанный рабочий процесс основан на реактивном принципе, что можно считать основным недостатком прототипа, который выражается в низкой мощности, возникающей вследствие того, что горение топливно-воздушной смеси осуществляется в постоянном объеме и высокое избыточное давление в отличие от двигателей с расширительным принципом не создает вращательного момента, а реализуется во время выхлопа за счет опоры на среду с низкой плотностью, а значит, с высокими потерями мощности и КПД.
Цель настоящего изобретения - повышение КПД роторного двигателя, создание технологичного, компактного роторного двигателя, который при простоте конструкции и меньших габаритах позволит обеспечить высокую мощность и высокую экономичность. Использовать различные виды топлива без конструктивных изменений и значительно повысить моторесурс двигателя. Поставленная задача достигается за счет того, что в рабочем процессе роторного двигателя, включающем приготовление топливно-воздушной смеси, введение ее в полость камеры сгорания, воспламенение, совершение рабочего такта и выхлоп, внутренняя стенка корпуса образует камеры сгорания с равноудаленными друг от друга углублениями, выполненными на цилиндрическом роторе, отличающийся тем, что радиальное сечение камеры сгорания имеет форму с тремя сторонами, одной стороной которой является криволинейное очертание внутренней стенки корпуса, а две другие стороны, образующие углубление ротора, являются прямолинейными и расположены под прямым углом относительно друг друга и одна из них имеет радиальное направление, для совершения рабочего такта в топливно-воздушной смеси возбуждают ударные волны, переходящие в детонационные, в направлении вращения ротора путем воспламенения топливно-воздушной смеси в задней части камеры сгорания по ходу вращения ротора.
Достижению поставленной задачи способствует и предлагаемая конструкция роторного двигателя. Она включает корпус, внутренняя стенка которого образует камеры сгорания с равноудаленными друг от друга углублениями, выполненными на цилиндрическом роторе, при этом корпус снабжен средствами подачи и воспламенения топливно-воздушной смеси и выхлопными каналами. Радиальное сечение камеры сгорания имеет форму с тремя сторонами, одной стороной которой является криволинейное очертание внутренней стенки корпуса, а две другие стороны, образующие углубление ротора, являются прямолинейными и расположены под прямым углом относительно друг друга и одна из них имеет радиальное направление.
В корпусе имеются выхлопные каналы, выполненные тангенциально по отношению к ротору.
Сущность изобретения по способу и конструкции состоит в том, что в качестве движущей силы, используемой во время рабочего такта, предлагается использовать детонационные волны, что позволит значительно повысить мощность и КПД роторного двигателя.
На прилагаемом к описанию чертеже дано схематическое изображение роторного двигателя предлагаемой конструкции.
Он содержит корпус 1, в цилиндрической полости которого установлен ротор 2. Последний снабжен рядом равноудаленных друг от друга углублений, которые с внутренней стенкой корпуса образуют камеры сгорания 3. Радиальное сечение камеры сгорания 4, одной стороной которого является криволинейное очертание внутренней стенки корпуса, а две другие образуют углубление ротора. При этом стороны, образующие углубление, являются прямолинейными и расположены под прямым углом друг к другу. Сторона 5 имеет радиальное направление и образует со стороной 6 прямой угол. Корпус 1 снабжен средством подачи топливно-воздушной смеси, выполненным в виде инжектора 7, а средство 8 воспламенения смеси представлено запальной электрической свечой. Инфраструктурные системы по приготовлению топливно-воздушной смеси и генерирования электрической искры на запальной свече на чертеже не показаны. В корпусе 1 выполнены выхлопные каналы 9, ориентированные тангенциально по отношению к ротору 2. На представленном чертеже роторного двигателя выполнены три камеры сгорания, расположенные под углом 120°, и набор средств подачи топливно-воздушной смеси, воспламенения последней и выхлопных каналов, количество и расположение которых показано на чертеже. Количество камер сгорания определяется размером ротора и требованиями к развиваемой мощности и плавности развиваемого на роторе крутящего момента. Вопрос синхронизации во времени работы всех камер сгорания в настоящем описании не рассматривается.
Рабочий процесс роторного двигателя Арутюнова реализуется следующим образом.
Предварительно приготовленную топливно-воздушную смесь через инжектор 7 подают в камеру сгорания 3. При повороте ротора 2 против часовой стрелки камера сгорания перемещается в зону размещения средства воспламенения 8 и в момент, когда запальная свеча окажется позиционированной в задней части камеры сгорания по ходу вращения ротора, осуществляют воспламенение топливно-воздушной смеси путем подачи высокого напряжения на запальную свечу и инициирования искры. Треугольная форма камеры сгорания согласно принципам газодинамики способствует тому, что процесс горения топливно-воздушной смеси носит детонационный характер. В развитии последнего большое значение имеет создание турбулентности в топливно-воздушной смеси, чему способствует, во-первых, несимметричность формы камеры сгорания, а во-вторых, генерирование в ней пульсаций из-за химических превращений вещества, которые сопровождаются движением среды, возникающего вследствие различия удельных объемов исходного вещества и продуктов сгорания. Элементарные волны сжатия, испускаемые при воспламенении последовательно слоев топливно-воздушной смеси и направленные в сторону вращения ротора, образуют ударные волны. Ударная волна это - распространение по среде фронта резкого, почти мгновенного изменения параметров среды: плотности, давления, температуры, скорости. Динамическое воздействие ударных волн на преграду зависит от времени воздействия и числа Маха ударной волны.
Согласно газодинамической теории детонационная волна рассматривается как совместное распространение ударной волны с волной горения. Детонационное самовоспламенение вызывается ударной волной такой интенсивности, которая обеспечивает самовоспламенение смеси и повышение скорости сгорания. В конечном итоге, детонационная волна есть такая фаза горения, когда воспламенение каждого слоя топливно-воздушной смеси вызывается сжатием, а не подогревом. Горение и детонация отличаются друг от друга тем, что в первом случае скорость движения фронта химических превращений меньше скорости звука, а во втором - она превышает эту скорость, которая достигает по разным научным источникам 1000-3500 м/с. Детонация может распространяться в условиях изолированной, замкнутой системы. Детонация - это процесс сверхзвукового распространения фронта химических превращений по веществу, который может протекать без всякого взаимодействия с окружающей средой. Как указано выше, химические превращения вещества сопровождаются движением среды. В свою очередь, механическое движение влияет на состояние вещества в пределах детонационного фронта и, в конечном итоге, на скорость химических превращений. Следовательно, детонация представляет собой не только химический, но и газодинамический процесс. Более того, именно законы газодинамики определяют скорость движения детонационного фронта по веществу. Таким образом, генерируемые в камере сгорания 3 детонационные волны в направлении вращения ротора взаимодействуют со стороной 5, преобразуют свою кинетическую энергию в механическую энергию вращения ротора 2.
Однако кинетическая энергия детонационной волны - лишь часть энергии, отдаваемой ротору в рабочем процессе роторного двигателя. Дополнительный силовой импульс, увеличивающий крутящий момент на роторе 2, возникает в момент соединения камеры сгорания с выхлопным каналом 9. Поток продуктов сгорания, вырывающийся под значительным давлением и скоростью через образующийся зазор, взаимодействует со стороной 5 камеры сгорания, оказывая на нее давление в сторону вращения ротора 2 и создавая на плече, приблизительно равном радиусу ротора, крутящий момент. Образно поток газа, истекающий из камеры сгорания, можно сравнить с «клином», вбиваемым между стенкой корпуса 1, переходящей в выхлопной канал 9 и верхней кромкой стороны 5. Затем газодинамический поток переходит в реактивную струю газового потока, формирующую третью тангенсальную вращающую силу Fг.д.п..
Суммирование сил детонационного импульса, сил газодинамического клина и сила реактивного газодинамического потока увеличивает мощность и КПД роторного двигателя предлагаемой конструкции.
Fc.д.и. - сила детонационного импульса.
Fc.г.к - сила газодинамического клина.
Fc.г.п. - сила газодинамического потока.
Fт.в.c.p. - тангенсальная вращающая сила ротора.
Fд.и.+Fг.д.к. +Fс.г.п.=Fт.в.р.
К достоинствам предлагаемой конструкции роторного двигателя относится то, что он не имеет «мертвых точек», характерных для поршневых машин, и крутящий момент на валу приближается к постоянному. Роторный двигатель работает без вибрации, потому что ротор совершает только вращательное движение и полностью статически и динамически сбалансирован. Отсутствие преобразования одного вида движения в другое (например, возвратно-поступательное во вращательное) позволяет работать двигателю на высоких частотах вращения, не доступных для машин других типов. Благодаря вышесказанному, а также новому рабочему процессу, основанному на использовании детонационных волн, предлагаемая конструкция роторного двигателя имеет удельно-габаритные показатели мощности, превосходящие в несколько раз соответствующие показатели машин аналогичного типа, например, таких как реактивные и лопаточно-струйные. Производительность роторного двигателя предлагаемой конструкции прямо пропорциональна скорости вращения ротора, что позволяет контролировать и управлять расходом рабочего тела. Такая конструкция дает возможность использовать новые конструкционные материалы, например, керамику, порошковые материалы, сведя процесс производства двигателя к высокоточному объемному прессованию с минимумом финишных операций.
Как показала эксплуатация опытного образца на различных видах топлива, расход последнего в 2-4 раза меньше по сравнению с существующими поршневыми двигателями такой же мощности, а моторесурс в два раза выше. КПД опытного образца достигало 96% по циклу Карно. На единицу массы (кг) двигателя приходится 15 кВт мощности и такого показателя не имеет ни один из известных в настоящее время двигателей внутреннего сгорания.
1. Рабочий процесс роторного двигателя, включающий приготовление топливно-воздушной смеси, введение ее в полость камеры сгорания, воспламенение, совершение рабочего такта и выхлоп, внутренняя стенка корпуса образует камеры сгорания с равноудаленными друг от друга углублениями, выполненными на цилиндрическом роторе, отличающийся тем, что радиальное сечение камеры сгорания имеет форму с тремя сторонами, одной стороной которой является криволинейное очертание внутренней стенки корпуса, а две другие стороны, образующие углубление ротора, являются прямолинейными и расположены под прямым углом относительно друг друга и одна из них имеет радиальное направление, для совершения рабочего такта в топливно-воздушной смеси возбуждают ударные волны, переходящие в детонационные, в направлении вращения ротора путем воспламенения топливно-воздушной смеси в задней части камеры сгорания по ходу вращения ротора.
2. Роторный двигатель, включающий корпус, внутренняя стенка которого образует камеры сгорания с равноудаленными друг от друга углублениями, выполненными на цилиндрическом роторе, при этом корпус снабжен средствами подачи и воспламенения топливно-воздушной смеси и выхлопными каналами, радиальное сечение камеры сгорания имеет форму с тремя сторонами, одной стороной которой является криволинейное очертание внутренней стенки корпуса, а две другие стороны, образующие углубление ротора, являются прямолинейными и расположены под прямым углом относительно друг друга и одна из них имеет радиальное направление.
3. Роторный двигатель по п.2, отличающийся тем, что выхлопные каналы выполнены тангенциально по отношению к ротору.
www.findpatent.ru
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.
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.
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.
Теперь о самом принципе работы. Выполнение определенной работы поршня внутри цилиндров называется тактами. Классический поршневой двигатель имеет четыре такта:
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.
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.
tbf.su
Роторный двигатель — наименование семейства близких по конструкции тепловых двигателей, объединённых ведущим признаком — типом движения главного рабочего элемента. Роторный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — тепловой двигатель, в котором главный подвижный рабочий элемент двигателя — ротор — совершает вращательное движение.
Двигатели должны давать на выходе вращательное движение главного вала. Именно этим роторные ДВС отличаются от наиболее распространенных сегодня поршневых ДВС, в которых главный подвижный рабочий элемент (поршень) совершает возвратно-поступательные движения. В роторных моторах, где главный рабочий элемент и так вращается, не требуется дополнительных механизмов для получения вращательного движения. В поршневых же моторах приходится применять громоздкие и сложные кривошипно-шатунные механизмы для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала.
С древности известны колеса ветряных и водяных мельниц, которые можно отнести к примитивным роторным двигательным механизмам. Самый первый тепловой двигатель в истории — эолипил Герона Александрийского (I в. н. э) также относится к роторным двигателям. В XIX веке, вместе с массовым появлением поршневых паровых машин, начинают создаваться и активно использоваться и роторные паровые двигатели. К ним можно отнести как паровые роторные машины с непрерывно открытыми в атмосферу камерами расширения — это паровые турбины, так и паровые машины с герметично запираемыми камерами расширения: к ним, например, можно отнести «коловратную машину» Н. Н. Тверского, которая успешно эксплуатировалась во многих экземплярах в конце XIX века в России.
С началом массового применения ДВС в первые десятилетия XX века начались и работы по попыткам создать эффективный роторный ДВС. Однако эта задача оказалась большой инженерной трудностью, и лишь в 1930-х годах была создана работоспособная дизельная турбина, которая по классификации относится к роторным ДВС с непрерывно открытой в атмосферу камерой сгорания.
Работоспособный роторный ДВС с герметично запираемой камерой сгорания удалось создать лишь в конце 1950-х годов группе исследователей из немецкой фирмы NSU, где Вальтер Фройде и Феликс Ванкель разработали схему роторно-поршневого двигателя.
В отличие от газовых турбин, которые широко и массово применяются уже более 50 лет, роторный двигатель Ванкеля и Фреде не показал очевидных преимуществ перед поршневыми ДВС, а также имел заметные недостатки, которые и сдерживают массовое применение этих моторов в промышленности. Но потенциально широкий набор возможных конструктивных решений создают широкое поле для инженерных поисков, которые уже привели к появлению таких конструкций, как роторно-лопастной двигатель Вигриянова, трёхтактный и пятитактный роторные двигатели Исаева и 2-тактный роторно-поршневой двигатель
Главное деление роторных двигателей происходит по типу работы камеры сгорания — запирается она на время герметично, или имеет постоянную связь с атмосферой. К последнему типу относятся газовые турбины, камеры охлаждения которых отделены от выхлопного сопла (от атмосферы) лишь густым «частоколом» лопастей роторной крыльчатки.
В свою очередь, роторные ДВС с герметично запираемыми камерами сгорания делятся на 7 различных конструкционных компоновок:
Роторные двигатели Фройде и Ванкеля,и 2-тактный роторно-поршневой двигатель, которые не вполне корректно с технической точки зрения называют «роторно-поршневыми», относятся к 7-й классификационной группе.
wikiredia.ru
