Позитивное автомобильное комьюнити. Роторный двигатель изобрел


Роторный двигатель | Pop Hi-Tech

Роторный двигатель это двигатель внутреннего сгорания, в котором четыре такта: впуск, сжатие, сгорание и выпуск, происходит в одной камере, но в разных ее частях, ограниченных ротором сложной формы. Устройство роторного двигателя сильно отличается от устройства более распространенного поршневого двигателя.

История роторного двигателя. Первый роторный двигатель был изобретен в I веке нашей эры. Это сделал Герон Александрийский. Этот великий механик древности отметился многими изобретениями. Его паровую турбину эолипил можно отнести к роторным двигателям.

Нужно сказать, что технология роторных двигателей, до того, как изобрели поршневой двигатель внутреннего сгорания, была достаточно популярна. Шотландский изобретатель Джеймс Уатт, которого историки считают изобретателем поршневой паровой машины, изначально рассматривал ротор, как движущая сила своей конструкции, но не сумел разработать действующую модель такого двигателя.

Наша страна так же не оставалась в стороне от технологии роторного двигателя. Самой удачной моделью парового роторного двигателя считается разработка инженера – механика Тверского. Его двигатель довольно хорошо зарекомендовал себя на речном флоте, его устанавливали на небольшие лодки. Есть сведения, что двигатель Тверского испытывался на первых подводных лодках.

Роторный двигатель современной конструкции ассоциируется с именем Феликса Ванкеля. Будущий известный инженер, подобно Менделееву, увидел конструкцию мотора с движением поршня по кругу во сне. Первые чертежи роторного двигателя Ванкель создал а 1929 году. Но, он их закинул в дальний ящик и стал разрабатывать другие устройства. Нужно сказать, что немец был выдающимся инженером, он разработал концепции малых морских судов, которые обогнали свое время.

Благодаря своей известности в середине 30 годов XX века, Феликс Ванкель смог позволить себе открыть свою лабораторию, где вел как собственные разработки, так и разработки для BMW. Но, благополучная жизнь длилась не долго. Феликс не лестно отозвался об экономической политики нацистской власти, за что получил тюремный срок. Во время войны, Ванкель работал над уплотнениями для торпед, за что после нее опять получил срок за пособничество нацизму. К тому же, французская армия, при наступлении союзников, уничтожила лабораторию Ванкеля и конфисковала его чертежи.

В 1951 году, после того как известного инженера выпустили из тюрьмы он устроился в компанию NSU, которая славилась в то время своими гоночными мотоциклами. Спустя 6 лет работы в компании, Ванкель создал прототип роторного двигателя. Образец представлял собой неподвижный ротор, с вращающимся вокруг него корпусом. Хоть Феликсу не удалось довести такую модель до совершенства, именно ее он считал перспективной. Через два года, в лаборатории NSU совместными усилиями Ванкеля и Фреде удалось создать роторный двигатель с конструкцией современного типа.

Первыми, кто увидел потенциал в роторном двигателе, оказались сотрудники японской компании Mazda. В 1963 году представители японской компании выкупили патент и стали усовершенствовать конструкцию роторного двигателя Ванкеля.

Схема работы роторного двигателяПервый японский автомобиль вышел из цеха Mazda в мае 1967 года. Уже через 3 года количество роторных автомобилей Mazda перевалило за 100 тысяч.

Принцип работы роторного двигателя. В роторном двигателе сложные формы корпуса и ротора создают камеры сгорания топлива. Такие этапы работы двигателя внутреннего сгорания как впуск, сжатие, сгорание и выпуск происходят в одной камере, но в различных ее частях. Давление, создающееся от сгорания смеси топлива и воздуха, в одной из частей камеры, действует на ротор, форма которого напоминает треугольник и он проворачивается, открываю другую камеру в другой части цилиндра.

Система гозораспределения у роторного двигателя отсутствует. Сам ротор работает как газораспределительный механизм.

Виды роторного двигателя. На сегодняшний момент перспективными считают два вида роторного двигателя: роторно-поршневой двигатель и роторно-лопастный двигатель.

Роторно-поршневой двигатель состоит из трехгранного ротора, помещенного в цилиндр сложной формы. Такты сжатия образовываются за счет изменения объема между корпусом и ротором. Такой тип двигателя хорошо себя зарекомендовал. Он способен выдержать большие обороты, но обладает низким ресурсом деталей.

Роторно-лопастный двигатель был разработан в 1973 году советским инженером Михаилом Вигрияновым. Ротор в таком двигателе состоит из двух (в последующих моделях и более) лопастей, которые вращаются в цилиндре более простой формы, чем у роторно-поршневого двигателя. Главная деталь такой разновидности роторного двигателя – синхронизатор, который отвечает за изменение объема между лопастями. Именно проблема разработки сложного синхронизатора тормозит создание опытной модели такого вида роторного двигателя. Правда, в последнее время, появились несколько моделей двигателя Вигриянова собранных энтузиастами.

Плюсы роторных двигателей. У роторных двигателей есть несколько преимуществ по сравнению с поршневыми: малый вес, меньшие габариты, меньший уровень вибрации, высокая мощность и высокая надежность.

Малый вес. Благодаря отсутствию в конструкции роторного двигателя поршней, коленвала и шатунов, его масса значительно выигрывает у массы поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Малые габариты. Роторный двигатель сходной мощностью всегда будет выигрывать у поршневого в габаритах. Малые размеры двигателя облегчают оптимальное расположение трансмиссии, а так же позволяют сэкономить на пространстве для пассажиров и водителя.

Меньший уровень вибрации. Единое направление вращения ротора позволяют уменьшить вибрацию, присущую поршневому двигателю.

Высокая мощность. Благодаря конструкционным особенностям роторного двигателя он может выдавать мощность в течении ¾ каждого оборота вала, в то время как поршневой выдает ее за ¼.

Большая надежность. Из-за меньшего количества подвижных деталей, поршневой двигатель реже выходит из строя. Простой роторный двигатель состоит из 3 деталей, а поршневой из 40.

Минусы роторного двигателя. Главными минусами роторного двигателя считаются большой расход топлива и высокая токсичность выхлопных газов. Современные модели такого вида двигателя улучшили эти показатели, но они пока все равно уступают аналогичным показателям поршневых двигателей.

Кроме того, есть еще несколько критериев, по которым роторный двигатель уступает поршневому: низкий температурный режим снижает мощность, более сложное обеспечение герметичности уплотнений, сильный нагрев Роторный двигатель нового покаления Renesisкорпуса и износ уплотнений при высокой температуре.

Роторный двигатель имеет право на существование. Примером тому может послужить автомобили Mazda RX-7 и RX-8 которые уже более 3 десятков лет радуют своих владельцев. Кстати под капотом RX-8 стоит улучшенный вариант роторного двигателя Renesis, в котором решены две главные проблемы двигателей такого вида: токсичность выхлопов и большая прожорливость. Выхлопы двигателя Renesis соответствуют стандарту Euro-IV, а расход топлива сокращен на 40% по сравнению с предыдущими моделями роторного двигателя.

pop-hi-tech.ru

Роторные движки. Почему у твоей тачки не такой мотор?

Роторные двигатели по сей день будоражат умы инженеров. Простая и одновременно высокомощная конструкция по своей эффективности уступает только электромоторам. В этом материале мы окунемся почти в вековую историю данного типа двигателей и постараемся ответь на вопрос: “Почему под капотами наших тачек нет таких моторов?”.

Начало

Создание роторного двигателя прочно ассоциируется с фамилией одного известного инженера – Феликса Ванкеля. Сам Ванкель в интервью одному печатному изданию рассказал, что схему работы нового двигателя он увидел во сне, когда ему было всего 17 лет. К слову, часть современных последователей Ванкеля скептически относится к этому факту. Они убеждены, что изобретенный двигатель невозможно создать, досконально не зная недостатки обыкновенных двигателей.

Как всем нам известно, обычный двигатель внутреннего сгорания имеет четыре цикла работы – впрыск, сжатие, сгорание и выхлоп. Опираясь на эти данные, Ванкель пришел к выводу, что все эти операции можно осуществить при вращении. Первый эскиз будущего революционного двигателя Ванкель сделал в 1924 году, через пять лет после того, как ему приснился «вещий» сон. Спустя еще 3 года Феликс открывает собственную мастерскую в городе Гейдельберг, где, собственно, и появляются на свет чертежи уникального мотора с «вращающимися поршнями». В 1929 году Ванкель получает патент на свое изобретение. Спустя еще 7 лет была получена патентная заявка на двигатель типа DKM (вращающиеся поршни).

Перспективного и молодого инженера сразу заприметили власти фашисткой Германии, в связи с чем работы по воплощению «двигателя мечты» в жизнь были приостановлены. Во время войны Феликс успешно сотрудничал с такими компаниями, как BMW, Daimler и DVL, которые занимались постройкой авиадвигателей. Кстати, после окончания Второй Мировой войны Феликсу даже пришлось сидеть в тюрьме (около 1 года). Его обвинили в пособничестве фашистскому режиму.

В 1951 году талантливый инженер устраивается на работу в мотоциклетную фирму NSU, где его наработками сразу интересуется Вальтер Фройде – известный конструктор мотоциклетных двигателей. Под его патронатом работа над роторным двигателем заметно ускоряется, и первый рабочий прототип был собран в 1957 году. После обкатки первых образцов Фройде предложил изменить концепцию роторного двигателя, зафиксировав камеру сгорания. Изначально в двигателе Ванкеля ротор вращался вокруг неподвижного вала вместе с камерой сгорания, что обеспечивало практически полное отсутствие вибраций. Обновленный двигатель получил обозначение ККМ.

Несмотря на то, что Ванкелю не понравилась новая концепция, он прекрасно понимал, что такой вариант намного легче в обслуживании и такая банальная процедура, как замена свечей, не потребует полного разбора двигателя. Первый образец обновленного двигателя появился в июле 1958 года, и, по сути, эта конструкция принципиально не менялась до наших дней.

Как это работает?

Изюминкой такого типа двигателей, как ни странно, является сам ротор, который, по сути, и является поршнем. Цилиндром служит статор, имеющий форму эпитрохоиды, а когда ротор двигается по поверхности статора, образуются полости (по сути – традиционные камеры сгорания). В итоге за один оборот ротора весь процесс повторяется трижды, а общая геометрическая форма позволяет добиться аналогичного количества тактов – впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск.

Ещё один плюс в копилку роторного двигателя – полное отсутствие системы газораспределения, эту роль на себя берет сам ротор.

Серийное будущее

В конце 1950-х годов послевоенная Германия начала потихоньку процветать, и продажи автомобилей с каждым годом обновляли рекорды. Компания NSU делает ставку именно на роторные моторы, разработанные Ванкелем. Первым автомобилем, использующим новый двигатель, становится компактный родстер NSU Spider. Установленный под капотом небольшой мотор развивал всего 54 л.с., но тем не менее этого вполне хватало для разгона до 150 км/ч.

Чуть позже появляется еще одна модель – NSU Ro-80, именно этот автомобиль приносит инженеру всемирную известность. Роторная сущность автомобиля заложена уже названии модели. Ro – «ротор». Автомобиль получил мотор, развивающий 115 л.с., до 100 км/ч он мог разгонятся за 12,8 секунды. Не плохо как для конца 1960-х годов!

В разные годы автомобили с роторными моторами выпускали многие компании. Но нужно отметить, что большинство концептов так и не были воплощены в жизнь. Например, компании Mercedes и Chevrolet в 1970-х годах планировали выпуск собственных суперкаров, оснащенных именно роторными движками. Но настоящим оплотом роторного движения стала японская компания Mazda, которая выпускает автомобили с роторными двигателями до сих пор.

Недостатки

Несмотря на всю инновационность конструкции, данный двигатель имел ряд серьезных недостатков, которые проявились практически сразу. Чего только стоит тот факт, что первый рабочий прототип роторного мотора исчерпал заложенный ресурс всего за два часа работы!

Из-за сложной формы камеры сгорания и её сравнительно больших размеров роторные двигатели были склонны к перегреву, ведь в отличие от ДВС камера сгорания всего одна, и работает она постоянно. Это приводит к падению КПД работы двигателя, а также к низкой топливной экономичности. Последний фактор возникает из-за плохого смешивания воздушно-топливной смеси.

Чуть позже, с развитием технологий и появлением новых высокопрочных сплавов, инженерам удалось совладать с высокими температурами.

Еще одна проблема роторных двигателей – система уплотнений. В обычном поршневом двигателе компрессионные кольца двигаются в одном и том же направлении. В роторном моторе уплотнителям приходится постоянно работать под разными углами. Из-за этого возникает повышенный износ, который пытаются скомпенсировать, впрыскивая масло прямо в коллектор.

К еще одному недостатку роторных двигателей можно отнести сравнительно низкий крутящий момент. Для того чтобы снять вращение с ротора (который сам непрерывно крутится), применяются эксцентрично расположенные на главном валу диски, или другими словами – кривошипно-шатунный механизм. Именно из-за него классические двигатели имеют низкий КПД. Хотя, говоря по правде, в двигателе Ванкеля он имеет значительно упрощённую конструкцию.

Роторные моторы в СССР

Покорение диковинным двигателем Советского Союза началось в самом начале 1970-х годов. В 1974 году на базе завода в Тольятти создается специальное конструкторское бюро роторно-поршневых двигателей. Как это часто бывало, лицензию покупать не стали, а просто скопировали роторный мотор, используемый в серийной NSU Ro-80. Первым отечественным роторным двигателем стал ВАЗ-311, выпущенный в 1976 году, причем усовершенствование конструкции длилось еще 6 лет. Первым серийным автомобилем, оснащенным новым двигателем, стала обыкновенная «копейка», получившая индекс ВАЗ-21018. Всего было выпущено 50 автомобилей, мощность двигателя достигала 70 л.с.

Развивая идею и усовершенствовав конструкцию, в 1983 году появляется два новых двигателя – ВАЗ-411 и ВАЗ-413, отличающихся мощностью. Так, 411 развивал 120 л.с., тогда как 413 – все 140 «лошадок»! Эти двигатели устанавливались на милицейские автомобили ГАИ, а также использовались в спецслужбах Союза.

Последней советской итерацией роторного двигателя стала модель ВАЗ-415, основным отличием от предшественников была возможность устанавливать мотор как на заднеприводные, так и на переднеприводные автомобили. Например, обычная «девяносто девятая» с роторным двигателем могла разгонятся до 100 км/ч за 9 секунд.

Перспектива

На сегодняшний момент только компания Mazda официально ведет разработку роторных двигателей. Именно у этой японской компании накопился просто гигантский опыт в этой сфере. Кроме того, именно Mazda смогла адаптировать роторный мотор к эксплуатации на водороде, что, как мы с вами понимаем, полностью исключает вредные выбросы.

Как сообщили недавно представители компании Mazda, наследник легендарной RX-8 также будет оснащен роторным двигателем. Надеемся, ждать осталось недолго!

veddro.com

Роторный двигатель

Изобретение относится к машиностроению. Роторный двигатель содержит корпус с отверстиями для ротора и отсекателя и каналы для подачи и отвода рабочего тела. Ротор имеет незамкнутый профилированный паз изменяемой глубины, расположенный в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, и выполняющий функции камеры расширения. Отсекатель установлен в корпусе, входит в паз на роторе и имеет возможность совершать возвратно-поступательные движения в корпусе и пазе ротора. Между началом паза на роторе и его концом расположена поверхность ротора. Техническим результатом является упрощение конструкции и повышение КПД. 4 ил.

 

Изобретение относится к категории двигателей и может быть использовано в области машиностроения.

Аналогичные технические решения известны, например четырехтактный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) (см. «Двигатели внутреннего сгорания» в 3 кн. Учебник под ред. В.Н.Луканина. М.: Высшая школа, 1995). Двигатель имеет четыре такта при работе: впуск, сжатие, сгорание и выпуск. При сгорании топлива в цилиндре ДВС происходит преобразование энергии, полученной при сгорании топливной смеси, в механическое возвратно-поступательное движение поршня, которое затем преобразуется во вращательное движение вала посредством коленчатого вала. Общими признаками предлагаемого решения и аналога, описанного выше, является преобразование энергии рабочего тела во вращательное движение вала.

Преимущества ДВС:

- технически отработанная конструкция,

- широкое распространение.

Недостатки ДВС:

- низкий КПД,

- необходимость преобразовывать возвратно-поступательное движение во вращательное,

- большое количество деталей.

Технический результат, которого невозможно достичь аналогом - прямое преобразование энергии рабочего тела во вращательное движение.

Известно также техническое решение, выбранное в качестве прототипа - роторный двигатель Ванкеля (см. «Ванкеля двигатель», Большая Советская Энциклопедия, М., Советская энциклопедия).

Роторно-поршневой двигатель Ванкеля представляет собой корпус, в котором установлен трехгранный ротор, имеющий зубчатое колесо. Колесо обкатывается вокруг неподвижной шестерни, установленной в корпусе, вследствие чего ротор совершает в корпусе движение по эпитрохоидальной поверхности. Между корпусом и поверхностью ротора поочередно образуются замкнутые полости, выполняющие функции камер двигателя. Двигатель работает по четырехтактному циклу.

Преимущество двигателя Ванкеля:

- прямое преобразование энергии сжигания топливной смеси во вращательное движение;

- высокая удельная мощность.

Недостатки роторного двигателя Ванкеля:

- высокие требования к технологичности изготовления,

- относительно небольшой моторесурс,

- повышенный расход топлива.

Общими признаками предлагаемого решения и аналога, описанного выше, являются преобразование энергии рабочего тела непосредственно во вращательное движение.

Технический результат, которого невозможно достичь аналогом, описанным выше, заключается в невозможности упрощения конструкции и повышения КПД.

Причиной невозможности получения технического результата является то, что данная компоновочная схема работает по сложной траектории движения движущихся частей двигателя.

Учитывая анализ и характеристики аналогичных технических решений, можно сделать вывод, что создание конструктивно простого и эффективного двигателя роторного типа является актуальной задачей.

Сущность изобретения поясняется нижеследующими описаниями и чертежами, где на фиг.1 представлен корпус роторного двигателя с установленным в нем отсекателем, на фиг.2 и 3 представлен разрез корпуса с ротором и отсекателем, на фиг.4 показан разрез ротора в районе паза изменяемой глубины.

Технический результат, указанный выше, достигается тем, что конструкция роторного двигателя представляет собой (фиг.1):

- корпус 1, в котором установлены ротор и отсекатель и имеются каналы для подачи и отвода рабочего тела;

- ротор 2, в котором имеется незамкнутый паз 4 постоянной ширины и переменной глубины;

- отсекатель 3, установленный в корпусе 1, входящий в паз на роторе 2 по его ширине, который имеет возможность совершать возвратно-поступательные движения в профилированном отверстии корпуса 1.

Ротор 2 представляет собой цилиндрическую деталь, устанавливаемую в корпус таким образом, чтобы он мог свободно вращаться в корпусе двигателя, но при этом зазор между корпусом и ротором был минимальным. В необходимых случаях известными техническими способами производится уплотнение зазора между корпусом и ротором. В плоскости, перпендикулярной оси вращения, в роторе изготовлен незамкнутый паз 4 постоянной ширины и переменной глубины. В комбинации с другими деталями двигателя паз выполняет функцию камеры расширения, в которой происходит преобразование физической энергии рабочего тела во вращательное движение ротора. Профиль паза показан на фиг.4, где показан разрез ротора в зоне паза. Внутренняя (глубинная) поверхность паза в роторе образована тремя рабочими участками:

- участок опускания отсекателя обозначен линией EF. На этом участке происходит опускание отсекателя на участок уплотнения, поэтому он сделан криволинейным с таким расчетом, чтобы обеспечить плавное движение отсекателя от поверхности ротора к зоне уплотнения при вращении ротора. Глубина паза на этом участке изменяется от ноля до диаметра поверхности уплотнения;

- участок уплотнения обозначен линией BCD и представляет собой цилиндрическую либо профилированную поверхность, образованную правильной окружностью вокруг центра ротора. Качество изготовления поверхности уплотнения определяется классом двигателя. Протяженность поверхности уплотнения определяется конструктивными особенностями двигателя;

- участок поднимания отсекателя обозначен линией АВ. На этом участке отсекатель отжимается внутренней (глубинной) поверхностью паза от участка уплотнения до поверхности ротора, поэтому он изготавливается криволинейным, чтобы обеспечить плавное поднимание отсекателя от участка уплотнения до поверхности ротора. Глубина паза на этом участке изменяется от диаметра поверхности уплотнения до ноля;

- между краями паза имеется участок на поверхности ротора, обозначенный линией AF. Ширина этого участка определяется конструктивными особенностями двигателя и рассчитывается таким образом, чтобы минимизировать потери на утечку рабочего тела при работе двигателя. В необходимых случаях названная поверхность уплотняется известными техническими способами.

Таким образом, между началом паза и его концом расположена поверхность ротора.

Боковые стенки паза в роторе параллельны друг другу и образованы параллельными плоскостями, расположенными перпендикулярно оси вращения ротора.

В необходимых случаях возможно также использование в роторе профилированного паза, при котором его боковые стенки образованы криволинейными поверхностями либо непараллельны.

Для использования двигателя в качестве привода механизмов к ротору известными техническими способами подсоединяется вал отбора мощности.

Отсекатель 3 представляет собой массивную вытянутую по длине деталь, установленную в отверстие в корпусе 1 двигателя. Продольная ось отсекателя расположена посередине паза в роторе и расположена в плоскости, перпендикулярной оси ротора. Отсекатель имеет ширину, равную ширине паза в роторе, и может совершать возвратно-поступательные движения в пазе и отверстии в корпусе по прямой линии, перпендикулярной оси ротора. Отсекатель должен быть изготовлен таким образом, чтобы минимизировать потери на утечку рабочего тела при работе двигателя между стенками паза в роторе и отсекателем. Рабочая часть отсекателя, непосредственно прилегающая к участку уплотнения паза ротора, должна максимально точно повторять профиль участка уплотнения для наиболее эффективного уплотнения этого участка. При необходимости поверхности отсекателя уплотняются известными техническими способами. Размеры отсекателя должны рассчитываться с учетом значительных нагрузок, которые он воспринимает при работе двигателя.

Корпус роторного двигателя 1 представляет собой деталь, в которой имеется отверстие для ротора 2, каналы для подачи 6 и отвода 7 рабочего тела и профилированное отверстие для отсекателя. Отверстие для ротора должно быть изготовлено таким образом, чтобы обеспечить свободное вращение ротора и при этом минимализировать потери рабочего тела между стенками отверстия и поверхностью ротора. Отверстие для отсекателя должно быть изготовлено таким образом, чтобы обеспечить свободное возвратно-поступательное движение отсекателя и при этом минимизировать потери рабочего тела между стенками отсекателя и стенками отверстия для него в корпусе. При необходимости поверхности отверстия для отсекателя, прилегающие к отсекателю, уплотняются известными техническими способами.

Таким образом, мы имеем роторный двигатель, содержащий корпус с отверстиями для ротора и отсекателя и каналы для подачи и отвода рабочего тела, ротор, имеющий незамкнутый профилированный паз изменяемой глубины, расположенный в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, выполняющий функции камеры расширения, и отсекатель, установленный в корпусе и входящий в паз на роторе, имеющий возможность совершать возвратно-поступательные движения в корпусе и пазе ротора, где между началом паза на роторе и его концом расположена поверхность ротора.

Материалы для изготовления деталей предложенного роторного двигателя - любые известные конструкционные материалы. Материалы для конструкции двигателя подбираются в зависимости от класса двигателя, цикла работы, используемого рабочего тела и других инженерных параметров.

Предложенная конструкция роторного двигателя может работать по любому из двух основных циклов работы двигателя - внешнему циклу и как двигатель внутреннего сгорания.

Рассмотрим принцип работы роторного двигателя при работе по внешнему циклу.

Примем, что на начальном этапе работы роторного двигателя отсекатель 3 находится на поверхности ротора 2 - на участке AF. При повороте ротора против часовой стрелки отсекатель проникает в паз ротора и углубляется в него по участку опускания (положение на фиг.2). Движение отсекателя на этом участке осуществляется принудительно. Механизм прижимания отсекателя может быть различным, в зависимости от конструкции двигателя - начиная от обычной пружины и заканчивая более сложными техническими решениями - пневматический, гидравлический или иной привод. При достижении отсекателем участка уплотнения он прижимается к этому участку на линии ED, обеспечивая герметизацию в камере расширения. В момент прижатия отсекателя к участку уплотнения паза ротора внутри ротора образуется замкнутый объем 5, ограниченный боковыми стенками паза ротора, корпусом двигателя, поверхностью EF паза ротора и поверхностью EG отсекателя (фиг.2). Этот замкнутый объем в дальнейшем будем называть камерой расширения. В камеру расширения через канал 6 корпуса подается рабочее тело. В качестве рабочего тела при внешнем цикле работы двигателя может использоваться сжатый газ, жидкость под давлением, пар.

При попадании в камеру расширения рабочее тело за счет физических свойств расширения создает усилие на стенках камеры расширения. При этом возникают две неуравновешенные силы - сила F1 на участке EG отсекателя и сила F2 на участке EF паза ротора (фиг.2). Сила F1 передается через отсекатель на корпус двигателя и гасится. Сила F2 действует на ротор на плече относительно оси вращения ротора, вследствие чего возникает вращательный момент вокруг оси ротора, приводящий к его вращению. При вращении ротора объем камеры расширения увеличивается.

При достижении положения, показанном на фиг.3, ротор приходит в положение, в котором оказывается открытым канал 7 в корпусе, рабочее тело покидает камеру расширения, давление в камере расширения сбрасывается, детали камеры расширения размыкаются, и паз в роторе своей поверхностью АВ отжимает отсекатель на поверхность ротора. Затем цикл повторяется.

Таким образом, мы имеем два цикла работы двигателя - рабочий ход от положения на фиг.2 до положения на фиг.3 и холостой ход от положения на фиг.3 до положения на фиг.2. Сила F2 действует на ротор постоянно все время рабочего хода двигателя, создавая стабильный крутящий момент. Вращение ротора во время холостого хода при рассмотренном выше однокамерном роторном двигателе может быть организовано с помощью маховика, что допустимо в двигателях, работающих с малой мощностью.

Однако работа предложенного роторного двигателя с одной камерой технически не рациональна. Наиболее эффективный технический результат может быть получен при изготовлении на одном роторе нескольких, минимум двух, камер расширения, работающих со смещенными циклами, т.е. когда одна из камер находится в положении холостого хода, в другой камере осуществляется рабочий ход. Дополнительные камеры расширения располагаются на роторе на некотором расстоянии друг от друга в виде параллельных профилированных пазов, аналогичных описанному пазу. Каждая из дополнительных камер должна иметь свой отсекатель. В этом случае роторный двигатель будет иметь постоянный крутящий момент. На фиг.1 показан дополнительный паз 8 с индивидуальным отсекателем 9.

Количество камер расширения, расстояние между ними, профиль пазов и циклы работы двигателя определяются конструктивными особенностями двигателя.

Преимущество предложенного технического решения:

- простота конструкции, выраженная в минимальном количестве деталей двигателя;

- высокая технологичность изготовления, обусловленная тем, что основные рабочие поверхности двигателя имеют простые формы - прямые линии и окружности. Простейший двигатель, изготовленный без применения специальных методов уплотнения, например, паровой или пневматический, можно изготовить в любой механической мастерской без использования прецизионного оборудования;

- высокий КПД двигателя. Рабочий ход одной камеры расширения двигателя может составлять до 270 и более градусов оборота ротора, что позволяет максимально эффективно использовать физические свойства энергии рабочего тела при преобразовании ее во вращательное движение;

- низкий расход рабочего тела;

- возможность получения высокой удельной мощности двигателя при минимальных габаритных размерах;

- абсолютная уравновешенность двигателя;

- малая шумность двигателя за счет возможности эффективного использования рабочего тела;

- высокие обороты двигателя;

- экологичность двигателя, работающего по принципу ДВС, за счет наиболее полного сгорания топлива. Возможность этого обеспечивается длинным рабочим циклом.

Таким образом, предложенный роторный двигатель позволяет значительно улучшить технические характеристики машин и механизмов. Применение предложенного технического решения позволяет создать новый этап в машиностроении.

Роторный двигатель, содержащий корпус с отверстиями для ротора и отсекателя и каналы для подачи и отвода рабочего тела, ротор, имеющий незамкнутый профилированный паз изменяемой глубины, расположенный в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, выполняющий функции камеры расширения, и отсекатель, установленный в корпусе и входящий в паз на роторе, имеющий возможность совершать возвратно-поступательные движения в корпусе и пазе ротора, отличающийся тем, что между началом паза на роторе и его концом расположена поверхность ротора.

www.findpatent.ru

Роторный мотор принцип. Роторный двигатель: принцип работы

Роторный двигатель внутреннего сгорания (или как его ещё называют роторно-поршневым, так как сам ротор выполняет роль поршня) был изобретён ещё в 1957 году прошлого века талантливыми инженерами Феликсом Ванкелем и Вальтером Фройде. Этот двигатель существенно отличается от обычного двигателя внутреннего сгорания. В этой статье мы подробно рассмотрим эти основные отличия, а так же преимущества и недостатки роторного двигателя перед обычным мотором, и почему всё таки РПД не так распространён, как обычный ДВС.

Основное отличие роторно-поршневого двигателя перед обычным поршневым, это отсутствие цилиндропоршневой группы, то есть с кольцами, и . Ну и самое главное — это отсутствие множества деталей механизма газораспределения, что позволило сэкономить на производстве около тысячи деталей!

И у такого мотора гораздо меньше деталей, чем у привычного нам ДВС. Это хорошо видно на фото слева. И это далеко не все преимущества и подробнее о преимуществах РПД написано ниже.

Преимущества роторного двигателя.

  • Меньшие габаритные размеры, чем у обыччного ДВС (примерно в полтора и даже в два раза). Это позволяет сделать машину более просторной и удобной для обслуживания.
  • Бóльшая удельная мощность, при меньшем объёме камеры сгорания, чем у обычного ДВС. Это достигается благодаря тому, что однороторный мотор выдаёт мощность в течении трёх четвертей каждого оборота вала. А на знакомом нам обычном моторе, мощность выдаётся только в течении одной четверти оборота коленвала.
  • Меньшее количество деталей (примерно около тридцати), а у обычного ДВС несколько сотен деталей.
  • Способность развить большие обороты при отсутствии вибрации, так как нет кривошипно-шатунного механизма, который преобразует возвратно-поступательное движение поршней в вращательное.
  • Низкий уровень вибрации, и мотор хорошо уравновешен.
  • Отличные динамические показатели автомобиля с РПД, и на низкой передаче можно легко разогнаться более сотни км/ч.
  • Ну и главный плюс, который я считаю вернёт эти моторы на дороги в будущем — это меньшая склонность к детонации, по сравнению с обычным ДВС. А значит можно использовать в качестве топлива не только бензин, но и водород — топливо будущего.

Так почему же такой двигатель не стал популярен у производителей автомобилей (исключение фирма Мазда) и до сих пор распространены обычные двигатели?. Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим недостатки роторного-поршневого двигателя (РПД).

Недостатки роторного двигателя.

Кроме множества преимуществ, у РПД имеется ряд недостатков, из-за которых он не получил широкого распространения:

  • Повышенный расход топлива, особенно на низких оборотах, по сравнению с обычным двигателем.
  • Сложность производства, так как требуется очень большая точность изготовления трущихся пар и очень качественные сплавы (легированные стали). К тому же на производстве должны быть очень дорогие, сложные и точные металлообрабатывающие станки, так как фреза должна при обработке (например внутренней поверхности статора) следовать очень сложной траектории.
  • Быстрый износ уплотнителей, так как площадь пятна контакта маленькая а обороты вала большие. А при износе уплотнителей, из-за прорыва газов повышается токсичность, резко теряется коэффициент полезного действия (КПД) двигателя и потеря мощности.
  • Бóльшая склонность к перегреву, чем обычный ДВС. Из-за повышенного перегрева, даже бывают проблемы с воспламенением смеси в камере и чтобы улучшить воспламенение, на такие моторы устанавливают по две на камеру. Две свечи ставят ещё и потому, что камера сгорания имеет вытянутую плоскую форму, и одной свечи в ней недостаточно.
  • В большинстве регионов не возможность ремонта таких двигателей, так как нет ни адекватных специалистов, ни запасных частей.
  • Более частая замена моторного масла, из-за того, что ротор соединяется с выходным валом через эксцентриковый механизм и получается большое давление между трущимися деталями. В добавок к этому ещё и большая температура приводит к быстрому износу двигателя, особенно если вовремя не поменять масло, а менять как я уже говорил, его надо чаще. Если же вовремя менять масло, уплотнители и делать капремонт, то ресурс РПД будет достаточно большим. А у некоторых двигателях японской фирмы Мазда, проработать РПД без поломок может около трёхсот тысяч км.

Устройство и более подробный принцип работы роторно-поршневого двигателя.

В роторном двигателе, как и в обычном ДВС вращение выходного вала (работа двигателя) происходит за счёт сгорания топливно-воздушной смеси. И так же как в привычном нам обычном двигателе, РПД имеет впускной канал, через который впрыскивается рабочая смесь, и имеет выпускной канал, через который выбрасываются отработавшие газы.

Но основное отличие состоит в том, что газы, образуемые при сгорании топлива, давят не на поршень (поршни), а на ротор, и от этого ротор передаёт вращение через зубья шестерни и эксцентрики на приводной вал. При этом сам ротор при этом выполняет и роль газораспределителя (как в двухтактном моторе, но не совсем), и делит внутренний объём картера на три отдельных камеры.

И в каждой камере в определённый момент происходит всасывание рабочей смеси, её сжатие, вспышка рабочей смеси и сам рабочий ход от расширения газов, ну и выпуск отработанных газов (четыре такта). Подробно это показано на рисунке слева и описано ниже.

  1. Такт впуска . Всасывание рабочей смеси происходит в тот момент, когда соответствующая вершина ротора проходит через впускное отверстие в картере двигателя. А при дальнейшем движении ротора, объём соответствующей камеры увеличиваетс и создаётся разряжение, при котором рабочая смесь засасывается в камеру.
  2. Такт сжатия . Далее при вращении ротора, впускное отверстие отсекается кромкой другой (следующей) вершины ротора, и одновременно объём камеры уменьшается, таким образом рабочая смесь сжимается и давление в камере увеличивается. Пик сжатия (наибольшего давления смеси) достигается в районе свечей зажигания.
  3. Такт рабочий ход . В этот момент происходит разряд на двух свечах зажигания и соответственно вспышка сжатой рабочей смеси. От вспышки происходит сгорание и расширение продуктов горения, которые с силой толкают ротор, и от этого он проворачивается и вращает выходной вал.
  4. Такт выпуска . Далее, при вращении ротора, кромка одной из вершин ротора проходит выпускное отверстие в картере, открывая его, и через это выпускное отверстие под давлением выходят отработанные газы. Далее первый ротор благодаря силе инерции, а так же благодаря действию второго ротора, работающего асинхронно первому ротору, продолжает своё вращение и подходит опять кромкой к впускному отверстию, для нового такта впуска, и всё повторяется заново.

Но как понял читатель из выше описанного, чтобы лучше сбалансировать РПД, а так же уменьшить вибрацию и предотвратить , применяют не один а два ротора (см. фото выше, где показан РПД в разобранном виде). А сам ротор (роторы) немного смещён (эксцентричен) от выходного вала, ось которого расположена строго по центру и передаёт вращение на вал как бы обкатывая его по кругу.

Передача вращения происходит воздействием шестерни ротора на шестерню вала (а шестерня вала находится внутри шестерни ротора), а передаточное число рассчитано так, что за один оборот ротора, вал совершает три оборота.

Основные детали роторно-поршневого двигателя . Главная деталь РПД это ротор, имеющий форму треугольника. Причем на каждой из трёх немного выпуклых плоскостей ротора, имеются выборки (углубления — см. фото), которые делаются на заводе для того, чтобы немного увеличить рабочий объём двигателя.

На каждой из трёх вершин ротора, вставлены уплотнительные пластинки, которые уплотняют сам ротор относительно внутренней поверхности картера двигателя, и делят внутреннюю полость картера на три камеры. Пластинки трутся о внутреннюю поверхность картера с большой скоростью и разумеется постепенно изнашиваются. Поэтому они вставлены в вершину ротора так, что бы по необходимости их можно было заменить новыми, взамен изношенных.

Так же с каждой стороны ротора (ближе к центру — см. фото) установлены уплотнительные кольца, которые герметизируют (отделяют) полость камер от картера. Ну и в самом центре ротора жёстко вмонтирована кольцевая шестерня (зубчатый венец), которая как бы обкатывается вокруг меньшей шестерни, закреплённой на валу двигателя, и передаётся вращение выходному валу.

Сам ротор (роторы) помещён в картер, а картер состоит из нескольких плит, которые плотно соединяются между собой, образуя несколько отсеков и разделяющие их стенки. Как правило разделительная стенка делит двигатель на две основные части (полости), в каждой их которых работает свой отдельный ротор (обычно в моторе два ротора).

Каждая полость имеет впускной и выпускной каналы, и сложную форму в виде восьмёрки, которую не так то просто выполнить при производстве. К тому же стенки должны быть изготовлены из очень твёрдого материала, иначе они быстро износятся, и от этого давление в камерах упад

edukr.ru

Пятитактный роторный двигатель - это... Что такое Пятитактный роторный двигатель?

Пятитактный роторный двигатель  — роторный двигатель с простым и равномерным вращательным движением главного рабочего элемента и с использованием такого же простого вращательного движения уплотнительных элементов.

История

Впервые такая схема расширительной машины в виде насоса была описана британским изобретателем Д. Эвом в 1820-х годах и опубликована в английской книге Т. Юбанка в 1850 году «Гидравлические и другие машины».

Но первую известную и реально действующую машину на этом принципе создал русский инженер-механик из Санкт-Петербурга Н. Н. Тверской в 80-х годах 19-го века. Его паровая «коловратная машина» (паровой роторный двигатель) ставился на паровые катера, вращал динамомашины и даже, работая сжатым аммиаком, приводил в движение «подводную миноноску» (подводную лодку) конструкции Н. Н. Тверского, на которой сам инженер опускался в воды Финского залива. Паровая машина Н. Н. Тверского стояла даже на императорской паровой яхте «Штандарт». Однако потом эти двигатели по непонятной причине были забыты и не получили в России, да и в мире, дальнейшего развития.

В 20-м веке с появлением двигателя внутреннего сгорания производились попытки приспособить такую схему роторного двигателя к осуществлению циклов двигателя внутреннего сгорания. Например, в специальной технической литературе Европейских стран и США середины 20-го века описаны схемы двигателей конструкции Ф. Унзина и С. Беймана, которые пытались развить именно эту схему роторных машин применительно к режиму работы двигателя внутреннего сгорания. Однако эти попытки были явно неудачными и о реализации этих схем в металле ничего неизвестно.

Отечественным инженером и изобретателем И. Ю. Исаевым в 2009 году была предложена схема реализации циклов двигателя внутреннего сгорания в конструктивной компоновке данного типа роторных машин, которая значительно отличалась от всего предложенного ранее. Главным отличием этого изобретения является вынесение в отдельные конструктивно обособленные камеры технологического цикла «горение рабочей смеси—образование газов горения высокого давления». То есть впервые в конструкции двигателя внутреннего сгорания привычный для всех типов двигателей внутреннего сгорания такт «горение—расширение», разделен на два технологических процесса «горение» и «расширение», которые реализуются в разных рабочих камерах двигателя. Именно поэтому изобретатель называется свой двигатель 5-тактным, так как в нем в различных конструктивных объемных камерах последовательно реализуются следующие технологические такты:

  1.  — всасывание рабочей смеси.
  2.  — сжатие рабочей смеси.
  3.  — поджиг и горение рабочей смеси.
  4.  — расширение рабочих газов.
  5.  — выпуск отработавших газов.

Литература

  • Т. Юбанк. Гидравлические и другие машины. — 1850. (на английском языке)
  • Записки Русскаго Императорскаго Техническаго общества, 1885.
  • Е. Акатов, В. Бологов и другие. Судовые роторные двигатели — 1967.

Ссылки

dal.academic.ru