AUTOTECHNIC.SU
Новости
Тест-драйвы
Рейтинги
Технологии
Аксессуары
Официально
Каталог
Впрок
Фото
реклама на сайте
о сайте
RSS RSS
Главная / Технологии / Роторно-поршневые двигатели

Энергия вращения

Энергия вращения

Роторно-поршневые двигатели

Роторно-поршневые двигатели

Роторно-поршневые двигатели Роторно-поршневые двигатели

Нынешние роторные автомобили в пору заносить в красную книгу – их выпуском занимается одна лишь Mazda. А ведь лет 50 назад за роторно-поршневыми двигателями видели будущее - большая литровая мощность, высокие обороты, компактные размеры… Что же пошло не так?

Текст: Олег Карелов.

Заглянув впервые под капот роторного автомобиля, недоумеваешь: а двигатель-то где? Сквозь дебри навесных агрегатов виднеется лишь непонятный цилиндр. Конструкция РПД и вправду кардинально отличается от привычных нам поршневых моторов, хотя в обоих случаях осуществляется один и тот же четырехтактный цикл. То есть впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Разница лишь в том, что у роторного двигателя нет ни поршней с шатунами, ни системы газораспределения!

Рабочий цикл РПД

Так выглядит РПД в действии. Для наглядности рабочий цикл показан только по одной стороне ротора, но в реальности в соседних камерах происходят точно такие же циклы. Обратите внимание, что точка B на валу двигателя вращается быстрее точки А, отмеченной на роторе. Это не случайность - в силу соотношений диаметров шестерен вал всегда вращается в три раза быстрее ротора.

Вместо них – треугольный ротор, совершающий планетарное движение вокруг неподвижной шестерни меньшего диаметра. Нагляднее всего это проиллюстрирует анимация, а для нас сейчас важно то, что, вращаясь одновременно вокруг собственной оси и вокруг центральной шестерни, ротор своими вершинами описывает сложную поверхность корпуса, образуя три отдельные камеры сгорания. Объем каждой из них, ограниченный корпусом и гранью ротора, за один оборот меняется от максимального к минимальному четыре раза, позволяя реализовать четырехтактный цикл. Функции же газораспределения осуществляются путем перекрывания впускных и выпускных окон самим ротором – подобно двухтактным поршневым моторам. И никаких распредвалов, клапанов и цепей.

Отсюда и поразительная компактность роторных двигателей – при сопоставимой мощности они оказываются примерно в два раза короче и во столько же раз легче поршневых, упрощая задачу компоновки автомобиля.

Не доставляют проблем и вибрации – единственная центробежная сила уравновешивается двумя противовесами на валу. Вспышки, правда, происходят не часто – поскольку выходной вал вращается в три раза быстрее ротора, то одному обороту вала соответствует одна вспышка или один рабочий ход, что эквивалентно двухцилиндровому поршневому двигателю. Но двухсекционные РПД, то есть фактически сдвоенные моторы, работающие на общий вал, имеют уже две вспышки на оборот, как четырехцилиндровый двигатель. При этом пульсации крутящего момента оказываются даже меньше, поскольку рабочий ход у РПД длится в течение 270 градусов поворота вала, против 180 градусов у поршневого. В результате по плавности работы двухсекционный мотор близок к рядной «шестерке».

А вот с мощностью все уже не так однозначно. Конструкция РПД позволяет добиться отличного наполнения камер сгорания: на торцевой или боковой поверхности можно разместить сразу несколько впускных окон, снижая общее сопротивление впускного тракта – в моторе Мазды RX-8 таких окон аж 5 штук на секцию! При этом открываются они очень быстро, что способствует проявлению эффекта динамического напора, дополнительно улучшающего наполнение на определенных оборотах.

Конструкция РПД

Малая центральная шестерня (зеленого цвета) неподвижна. Её обкатывает зубчатое колесо большего диаметра, вставленное в треугольный ротор. И все это насажено на эксцентриковый вал, кулачок которого удерживает ротор, обеспечивая зацепление шестерен. На рисунке вал окрашен оранжевым цветом. С него и снимается мощность двигателя.

Однако сам процесс сгорания протекает крайне плохо. Сильно вытянутая, серповидная камера обладает значительными потерями тепла и не обеспечивает полного сгорания топлива по краям, снижая индикаторный КПД. Частично улучшить воспламенение помогает установка двух свечей зажигания, но за это приходится расплачиваться повышенным прорывом газов в соседнюю камеру в момент пересечения торцом ротора свечных отверстий.

Иными словами, роторный мотор способен втянуть большое количество топливно-воздушной смеси, но вот эффективно извлечь из неё полезную энергию не может.

Что же в итоге? В итоге, за счет отличного наполнения РПД оказывается все-таки сопоставим по литровой мощности с поршневым мотором, одновременно сильно уступая в экономичности. Однако в равенство литровой мощности поначалу трудно поверить. Какой поршневой мотор сравнится c роторным агрегатом Мазды RX-8, выдающим 230 л.с. с двух секций общим объемом 1,3л? Это же 176 л.с. с литра!

Так-то оно так, но нужно помнить, что за один оборот вала в роторном двигателе отрабатывает весь рабочий объем, а в поршневом – только половина, при этом и тот, и другой способен выдать за этот оборот полную мощность. Таким образом, при подсчете удельной мощности объем поршневого двигателя надо делить в два раза. Возьмем, например Nissan 350Z – одного из конкурентов RX-8. Его 300-сильный V6 имеет объем 3,5 л., то есть 1,75 л. на одном обороте и 171 л.с. с литра. Практически как у RX-8! При этом, несмотря на 30-процентное преимущество в мощности и чуть более тяжелый кузов, он расходует столько же топлива в смешанном цикле, сколько и RX-8.

Пытаясь как-то понизить расход, инженеры пробовали применить непосредственный впрыск, но опять-таки неудачная форма камеры мешала организовать вихревое смесеобразование, лишая возможности работы на обедненной смеси. Задумывались и о дизельном топливе, но успеха это направление так же не принесло – слишком велики нагрузки на ротор, да и уплотнение рабочих камер организовать труднее, ведь степень сжатия должна быть почти в два раза больше.

Обороты

Роторные двигатели часто нахваливают за хорошую за оборотистость – та же Mazda RX-8 способна загонять стрелку тахометра к 9000 об/мин. Однако, живописуя легкость работы РПД на столь запредельной частоте, мало кто вспоминает, что с такой скоростью вращается лишь выходной вал, а сам ротор крутится в три раза медленнее. Всего 3000 об/мин. В поршневом же двигателе на каждый оборот коленвала приходится движение поршней вверх-вниз, а потому даже привычные 6000-7000 об/мин оказываются гораздо большим достижением, нежели 9000 об/мин роторного мотора.

А уплотнения и без того – отдельная головная боль. Если в поршневом двигателе кольца всегда находятся под одним и тем же углом к поверхности трения, то в роторном рабочий угол радиальных пластин постоянно меняется. Меняется и усилие их прижима к поверхности корпуса – оно определяется центробежной силой, а потому сильно зависит от оборотов. А как организовать их смазку? Только впрыскиванием масла в рабочую камеру, подобно двухтактным поршневым моторам. Но это влечет большой расход масла на угар (около 1 литра на 1000 км) и повышает риск закоксовывания уплотнений. Достаточно сказать, что именно из-за невозможности хорошо герметизировать рабочие камеры было отброшено множество других более замысловатых роторных конструкций, обладавших рядом преимуществ. В привычном же нам РПД задачу удалось до некоторой степени решить, хотя уплотнения все же остаются слабым местом мотора.

Проблем доставляет и очень неравномерный нагрев корпуса. Это в поршневом двигателе вспышки чередуются по цилиндрам, а после рабочего хода камера охлаждается на такте впуска, в роторном же вспышки происходят только в одной части двигателя и происходят постоянно, в то время как противоположная часть непрерывно охлаждается всасываемым воздухом. Такой перепад температур деформирует картер двигателя, заставляя еще на этапе проектирования учитывать это отклонение формы в процессе прогрева. Разумеется, все это не способствует лучшей работе уплотнительных соединений и долговечности материалов. В итоге преимущества конструктивной простоты РПД нивелируются его малым ресурсом – пробег до капремонта редко превышает 100 тыс. км.

Окончательным же приговором роторным двигателям стала экология. Низкая экономичность означает большие выбросы CO2, а неоптимальный процесс сгорания повышает уровни токсичных соединений, к которым подмешиваются еще и продукты горения масла. И все это на фоне повального увлечения идеей экологической чистоты, ради которой автопроизводители тратят безумные деньги. Впрочем, ценой снижения мощности с 250 до 230 л.с. инженерам Мазды все же удалось вписать RX-8 в современные эко-рамки, но что дальше?

А дальше, видимо, уже ничего. Mazda, потратившая немало усилий на «раскрутку» роторной идеологии, скорее всего, продолжит развитие RX-8, упирая на её уникальность. При этом в рукаве у японцев еще есть турбонаддув – пожалуй, единственный способ чуть приблизиться к экономичности поршневых моторов. Ожидать же разработок от остальных автопроизводителей не приходится – компактность РПД не оправдывает остальных минусов. И единственный их шанс может быть связан с электромобилями, где РПД смог бы выступать в роли резервного электрогенератора. Впрочем, все ДВС со временем ожидает та же участь.

14.05.2011



Вопросы? Комментарии? (11)


Главная / Технологии / Роторно-поршневые двигатели
Реклама:


Детали:

Феликс Ванкель

Автором известного нам РПД принято считать Феликса Ванкеля, однако сам разработчик предлагал несколько иную конструкцию: в его двигателе ротор и корпус вращались вокруг неподвижного вала! Такая схема упрощала работу уплотнительных соединений камер сгорания и не требовала противовесов для уравновешивания, но при этом возникали огромные проблемы с подводом впускных и выпускных каналов, а так же передачей напряжения на вращающие свечи. Потому в серию пошел РПД, предложенный Вальтером Фройде, в то время как Ванкель сосредоточился на исследованиях механических уплотнений.


РПД, предложенный конструктором Сансо де Лаво в 1938 году

Конструкция РПД, вообще говоря, может быть очень разнообразной – ранние разработки (1900-1938 года) часто поражали своей формой. Например, схема вот этого двигателя с пятиконечным ротором, планетарно вращающимся в «шестиугольном» корпусе! Предложенный конструктором Сансо де Лаво в 1938 году мотор обещал отличную равномерность работы – за один оборот в нем совершались три полных цикла, однако расчетную мощность развить он так и не смог. Как и в остальных случаях, уплотнить камеры сгорания оказалось невозможным.


Газораспределение

Изначально впускные и выпускные окна располагались на торце двигателя – это обеспечивало очень широкую фазу их перекрытия, что за счет инерции газов улучшало наполнение на высоких оборотах. Однако на низких происходил обратный эффект – отработавшие газы смешивались с горючей смесью, и наполнение ухудшалось. Поэтому впускное окно перенесли на боковую поверхность – мощность на «верхах» чуть снизилась, зато моментная характеристика стала ровнее. В современном моторе Мазды с торцевой поверхности убрано и выпускное окно, что сделало мотор еще более тяговитым



Mazda 787B

В мире автоспорта роторные двигатели добились только одной победы. Зато какой! В 1991 году спорт-прототип Mazda 787B занимает первое место в 24-часовой гонке в Ле-Мане. 4-секционный мотор общим объемом 2,6 л имел 3 свечи на секцию и выдавал 700 л.с. при 9000 об/мин. Кратковременно он мог раскручиваться и до 10500 об/мин, развивая чудовищные 930 л.с. Уже в следующем году Международная Федерация Автоспорта запретила использование роторных моторов в Ле-Мане, однако Mazda 787B успела доказать - РПД может быть надежным.


Реклама:

Rambler's Top100


© 2008-2011 "Autotechnic.su". Все права защищены.
Все материалы, опубликованные на http://magazine.autotechnic.su, являются собственностью авторов. Любое использование текстов и изображений возможно только при условии наличия ссылки autotechnic.su рядом с опубликованным материалом.