Принцип работы роторного двигателя мазда: 403 — Доступ запрещён – Роторный двигатель Мазда RX8 — принцип работы и характеристики

Содержание

Роторные двигатели фирмы Mazda – на примере RX-8 (часть 1)

Данные конструкции двигателей просуществовали вплоть до 2002 года (до начала выпуска Mazda RX8). В 2003 году был начат выпуск автомобиля Mazda RX8, на который устанавливается третье поколение роторных двигателей, отличительной чертой которого стало расположение впускных и выпускных окон на боковых корпусах двигателя. Толчком к этому послужила необходимость поиска компромисса между топливной экономичность и высоким показателем мощности автомобиля, чего на двигателях предыдущих поколений достигнуть не представлялось невозможным.

Надо отметить, что расположение, геометрия и размер впускных и выпускных окон являются определяющими факторами, влияющими на характеристики роторного двигателя. Фирма Mazda за более чем сорокалетний опыт разработки роторных двигателей добилась достаточно большого прогресса в этой области (на рисунках "Сравнение боковых корпусов двигателей" и "Углы открытия и закрытия впускных и выпускных окон роторных двигателей фирмы Mazda" приведено сравнение впускных и выпускных окон двигателей третьего поколения с окнами двигателей предыдущих поколений).

Сравнение боковых корпусов двигателей

Сравнение боковых корпусов двигателей.


Годы выпуска 67-72 80-84 80-84 85-88 85-88 82-84 83-85 90-95 91-02 03 - 03 -
Модель CS*5 RX7 RX7
Cosmo
RX7
Richie
RX7 RX7
Cosmo
RX7
Cosmo
RX7 RX8 RX8
Двигатель 10A-NA 12A-NA 12A-NA 13B-T/C 13B-NA 12A-T/C 13B-NA 13B-T/C 13B-T/C 13B-NA High 13B-NA Std.
Впуск. окна 4 4 6 4 6 4 6 4 4 6 4
Впуск Первичное
окно
Открытие*1 25 32 58 45 32 58 45 58 45 3 3
Закрытие *2 45 50 25 50 40 40 30 50 50 65 60
Вторичное
окно
Открытие*1 25 32 45 32 32 32 32 32 32 12 12
Закрытие*2 45 50 25 50 30 40 30 50 50 36 45
Дополни-
тельное окно
Открытие*1 - - 58 - 45 - 45 - - 38 -
Закрытие*2 - - 70 - 80 - 70 - - 80 -
Выпуск Открытие*3 75 75 75 75 75 75 71 75 75 50 40
Закрытие*1 48 48,5 38 48,5
48,5
48,5 48,5 48 48 3*4 3*4

Углы открытия и закрытия впускных и выпускных окон роторных двигателей фирмы Mazda. Примечание: *1 - после ВМТ, *2 - после НМТ, *3 - до НМТ, *4 - до ВМТ, *5 - Cosmopolitan Sport.

Для автомобиля Mazda RX8 фирмой Mazda был разработан новый двухроторный двигатель, получивший название 13B- MSP. Данный двигатель был выпущен в двух модификациях: STANDARD POWER - двухроторный двигатель, развивающий мощность 141 кВт/192 л.с. при частоте вращения 7000 об/мин и HIGH POWER - двухроторный двигатель, развивающий мощность 170 кВт/231 л.с. при частоте вращения 8200 об/мин. Двигатели получили название "RENESIS", что подразумевает возрождение роторного двигателя вообще, а так же зарождение нового поколения роторных двигателей в частности. Данный двигатель кардинально отличается от всех разработанных ранее большим количеством технических решений, касающихся как конструкции самого двигателя, так и установленных на него систем. Двигатель вобрал в себя все лучшие разработки, сделанные ранее в этой области, что в совокупности с современными разработками и использованием современных, более прочных и износостойких материалов, позволило придать двигателю хорошие характеристики, такие как соответствие экологическому стандарту EURO 4, большой ресурс, экономичность и высокий крутящий момент в большом диапазоне частот вращения эксцентрикового вала. Роторный двигатель также отличают относительная простота конструкции: в нем имеются только две вращающиеся детали (эксцентриковый вал и ротор), отсутствуют неуравновешенные массы (это позволяет сделать двигатель очень быстроходным без опасности возникновения резонанса) и малые габариты по сравнению с аналогичными по мощности поршневыми двигателями.

По показателю уравновешенности, данный двигатель можно сравнить только с рядным шестицилиндровым двигателем или V-образным восьмицилиндровым, на поршневых двигателях других типов достижение таких показателей плавности хода не возможно. В данном двигателе неуравновешена центробежная сила от вращающихся масс. Для уравновешивания центробежной силы на оба конца эксцентрикового вала установлены противовесы. На автомобилях с МКПП масса заднего противовеса равномерно распределена по периметру маховика.

Основными элементами данного двигателя являются боковые и промежуточный корпуса, два ротора, два статора, эксцентриковый вал, две неподвижные шестерни и система уплотнений рабочих камер.

Неподвижные шестерни изготовлены из специальной стали и подвергаются ионному азотированию для предотвращения разрушения зубьев от сил инерции ротора (от его разгона и торможения) и газовых импульсов, в месте соприкосновения неподвижной шестерни и шестерни внутреннего зацепления ротора. Неподвижные шестерни запрессовываются в боковые корпуса двигателя.

Неподвижные шестерни

Неподвижные шестерни. 1 - неподвижные шестерни (модели STANDARD POWER), 2 - коренной подшипник, 3 - передняя неподвижная шестерня, 4 - задняя неподвижная шестерня, 5 - фиксирующий выступ, 6 – крышка упорного подшипника, 7 - упорный подшипник, 8 - упорная пластина, 9 - фиксирующий винт (модели HIGH POWER).

В неподвижную шестерню запрессованы коренные подшипники. Коренные подшипники фиксируются от поворота выступом (модели STANDARD POWER) или фиксирующим винтом (модели HIGH POWER).

Эксцентриковый вал изготовлен из высокопрочной углеродистой стали с применением индукционного упрочнения для повышения износостойкости. Эксцентриковый вал неразъемный, с двумя коренными и двумя роторными шейками. Крепление эксцентрикового вала осуществляется с помощью подшипников скольжения в неподвижных шестернях, которые установлены в боковых корпусах. Подшипники скольжения являются неразъемными.

Эксцентриковый вал

Эксцентриковый вал. 1 - температура моторного масла 60°С или выше, 2 - редукционный клапан эксцентрикового вала, 3 - эксцентриковый вал, 4 - ротор, 5 - масляная форсунка, 6 - моторное масло, 7 - температура моторного масла ниже 60°, 8 - слив масла (снижение давления).

В эксцентриковом валу выполнены каналы для смазки коренных и роторных шеек, а также подачи масла внутрь роторов для их охлаждения, для чего в эксцентриковый вал встроены масляные форсунки. Для облегчения прогрева двигателя при холодном запуске, в эксцентриковый вал встроен редукционный масляный клапан. Когда двигатель не прогрет, редукционный клапан открывается и давление моторного масла снижается, так как часть масла сливается из вала, в результате чего давление становится недостаточным для впрыскивания масла во внутреннюю полость ротора. Когда двигатель прогревается, редукционный клапан закрывается и масло начинает поступать во внутреннюю полость ротора для его охлаждения. От осевого перемещения эксцентриковый вал фиксируется упорным подшипником и упорной шайбой, находящимися в передней неподвижной шестерне.

Боковые и промежуточный корпуса двигателя отлиты из специального чугуна с применением азотирования, это позволило повысить износостойкость рабочих поверхностей.

Основной конструктивной особенностью, отличающей двигатели "RENESIS" от предыдущих поколений роторных двигателей, устанавливаемых на автомобили Mazda, стало так называемое боковое расположение впускных и выпускных окон.

Здесь надо отметить, что ранее все роторные двигатели фирмы Mazda устанавливаемые на серийные автомобили (около десяти моделей двигателей) имели боковое расположение впускных окон, а выпускные окна располагались на статорах. Данная конструкция оптимальна для быстроходных роторных двигателей и обеспечивает достаточно большой крутящий момент на низких частотах вращения эксцентрикового вала и высокую мощность, но не обеспечивает плавность протекания процесса сгорания из-за большого времени перекрытия окон, что ведет к снижению мощности. Расположение впускных и выпускных окон в боковых корпусах позволило сделать по нескольку не только впускных, но и выпускных окон на каждый ротор. Такое расположение окон способствует улучшению пусковых качеств двигателя, уменьшению перекрытия окон, что способствует возникновению эффекта резонансного наддува и предотвращается попадание отработавших газов во впускные окна, также была достигнута стабилизация процесса сгорания. Каждое впускное и выпускное окно имеет индивидуальный размер. Благодаря применению нескольких впускных и выпускных окон специально подобранного размера удалось достигнуть лучшего наполнения рабочей камеры свежим зарядом, улучшить очистку от отработавших газов, снизить время перекрытия окон, что позволило увеличить КПД двигателя, мощность и снизить расход топлива. Количество впускных окон на корпусах зависит от модификации двигателя.

На двигателях "RENESIS" впускные окна расположены в наиболее выгодных местах и их размер увеличен на 30% по сравнению с предыдущими двигателями. Увеличение впускных окон позволило достигнуть более раннего открытия окон и более позднего закрытия без увеличения перекрытия окон (когда впускное и выпускное окно остаются открытыми одновременно), как следствие, в камеру сгорания стало поступать больше рабочей смеси (см. рисунок "Сравнение роторных двигателей с разным расположением выпускных окон").

Боковые и промежуточный корпуса центрируются с помощью полых штифтов. Вес боковых корпусов уменьшен за счет специальных проточек. В боковых корпусах имеются отверстия для установки неподвижных шестерен, через которые роторы приводятся в движение. На переднем корпусе установлен масляный насос и маслоприемник, на промежуточном корпусе имеются проточки для установки основных форсунок, а на задний корпус устанавливаются масляный фильтр и регулятор давления моторного масла.

Статоры изготовлены из алюминия, во внутреннюю поверхность статоров вставлены стальные пластины по технологии SIP (Sheet metal insert process - технология вставки листового металла). Внутренняя поверхность стальных вставок (эпитрохоидная поверхность) хромирована по технологии Micro Channel Porous - покрытие поверхности металлом с образованием микро пор для лучшей приработки и смазки поверхности. Для улучшения приработки эпитрохоидная поверхность покрыта фтороуглеродистым полимером.

Корпуса и статоры двигателя
Корпуса и статоры двигателя.
1 - установочная поверхность не- подвижной шестерни,
2 - установочная поверхность масляного насоса,
3 - установочная поверхность маслоприемника,
4 - передний корпус двигателя,
5 - уплотнение,
6 - статор переднего ротора,
7 - полый штифт,
8 - выпускное окно,
9 - впускное окно,
10 - промежуточный корпус,
11 - направляющая масляного щупа,
12 - маслозаливная горловина,
13 - статор заднего ротора,
14 - впускное окно системы APV
(модели HIGH POWER),
15 - установочная поверхность масляного фильтра,
16 - задний корпус двигателя,
17 - установочная поверхность регулятора давления масла,
18 - установочная поверхность основных форсунок,
19 - порт системы подачи воздуха на выпуск,
20 - вставка,
21 - поперечный разрез заднего корпуса.

Роторы (и шестерни внутреннего зацепления на роторах) изготавливают из чугуна, для предотвращения поломки зубьев неподвижной шестерни. Роторы изготавливаются пустотелыми с проточками под своеобразные камеры сгорания, также для уменьшения веса роторов была уменьшена толщина внутренних ребер. На торцах ротора имеются выточки под уплотнительные штифты и торцевые уплотнительные пластины. Во внутреннюю поверхность ротора запрессовывается роторный подшипник.

Ротор и система уплотнений рабочих камер1

Ротор и система уплотнений рабочих камер. 1 - расширитель торцевой уплотнительной пластины, 2 – торцевая уплотнительная пластина, 3, 16 - ротор, 4 - цветная метка, 5 - уплотнительный штифт, 6 - пробка, 7 – пружинная шайба, 8 - боковой элемент радиального уплотнения, 9 - радиальная уплотнительная пластина, 10 - расширители радиальной уплотнительной пластины, 11 - компрессионное кольцо, 12 - расширитель компрессионного кольца, 13 - уплотнительные кольца, 14 - пружина маслосъемного кольца, 15 - маслосъемное кольцо, 17 - пружинная вставка, 18 - роторный подшипник, 19 - выточки, 20 - выточка для камеры сгорания, 21 – направление вращения ротора, 22 - роторная шестерня внутреннего зацепления.

Ротор имеет форму треугольника с дугообразными сторонами. При вращении ротор совершает сложное планетарное движение. Ротор вращается вместе с эксцентриковым валом и одновременно, из-за обтекания неподвижной шестерни, закрепленной на боковом корпусе двигателя, посредством шестерни внутреннего зацепления, вращается вокруг своей оси. Отношение числа зубьев шестерни внутреннего зацепления ротора и неподвижной шестерни - 3:2 (51:34) При вращении ротора три его вершины постоянно касаются поверхности статора, образуя рабочие камеры, объем которых постоянно изменяется. За один оборот объем каждой рабочей камеры ротора меняется 4 раза от минимального до максимального, что обеспечивает возможность протекания четырехтактного цикла в каждой из трех рабочих камер за один оборот ротора или за три оборота эксцентрикового вала (так как ротор вращается в три раза медленнее эксцентрикового вала). В соседних камерах совершаются аналогичные циклы со сдвигом на 120°.

Таким образом, за один оборот ротора совершается три рабочих хода или один рабочий ход на каждый оборот эксцентрикового вала. Здесь нужно заметить, что в роторном, как и в поршневом двигателе, на тактах впуска и рабочего хода объем между вершинами ротора увеличивается, а на тактах сжатия и выпуска объем уменьшается. Открытие и закрытие впускных и выпускных окон осуществляется боковой поверхностью ротора.

Четыре цикла работы роторного и поршневого двигателя
Четыре цикла работы роторного и поршневого двигателя


Протекание рабочего хода в роторном и поршневом двигателе
Протекание рабочего хода в роторном и поршневом двигателе. Давление газов действует на боковую поверхность ротора/головку поршня с силой Pg. Эта сила раскладывается на нормальную составляющую Pb и тангенцианальную Pt. Тангенцианальная сила Pt и обеспечивает вращение ротора или шатуна.

Такая конструкция позволила достигнуть существенного уменьшения времени перекрытия окон.

Сравнение роторных двигателей с разным расположением выпускных окон
Сравнение роторных двигателей
с разным расположением выпускных окон.
1 - открытие впускного окна роторных
двигателей предыдущих поколений,
2 - открытие выпускного окна роторных
двигателей предыдущего поколения ,
3 - открытие выпускного окна,
4 - выпускное окно.

Можно провести сравнение между роторным и поршневым двигателями по объему и производимой мощности. Возьмем для примера рядный четырехцилиндровый двигатель объемом 2 литра (2000 см3). В данном поршневом двигателе рабочий объем 2000 см3 достигается за два оборота коленчатого вала, значит, за один оборот достигается рабочий объем 1000 см3. В роторном же двигателе за один оборот эксцентрикового вала достигается рабочий объем 1308 см3 (654 см3x2, объем двух камер сгорания двух роторов). Следовательно, можно сказать, что роторный двигатель "RENESIS" сопоставим по мощности и уравновешенности с шестицилинровым рядным двигателем объемом 2,6 литра. Охлаждение ротора осуществляется с помощью моторного масла, циркулирующего в эксцентриковом валу и впрыскиваемого во внутреннюю полость ротора через форсунки. На внутренней поверхности ротора сделано оребрение для лучшего отвода тепла. Во внутренней поверхности ротора масло совершает вихревое движение между ребрами ротора, охлаждая его.

Система уплотнений рабочих камер представляет собой совокупность прокладок, уплотнительных пластин и уплотнительных штифтов и создана для обеспечения герметичности рабочих камер, находящихся между торцами ротора. В данном роторном двигателе система уплотнений состоит из радиальных уплотнительных пластин, торцевых уплотнительных пластин, уплотнительных штифтов и расширителей. Для предотвращения попадания масла, охлаждающего и смазывающего ротор, из внутренней полости ротора в камеры сгорания и образования нагара, установлены маслосъемные кольца. Маслосъемные кольца имеют разные диаметры, маслосъемное кольцо состоит из трех деталей: уплотнительного кольца, стального кольца (с хромированной поверхностью) и пружины. Также для предотвращения попадания отработавших газов на впуск, когда ротор находится в верхней мертвой точке, установлено одно компрессионное кольцо с расширителем.

Радиальные уплотнительные пластины изготавливаются из специального чугуна с применением электронно-лучевой обработки для повышения износостойкости. Элементами радиального уплотнения являются радиальная уплотнительная пластина, два расширителя и боковые элементы радиального уплотнения. Под действием расширителей и центробежных сил инерции радиальная уплотнительная пластина прижимается к эпитрохоидной поверхности статора, тем самым, способствуя герметизации рабочих камер.

Торцевые уплотнительные пластины изготовлены из металлокерамики и прижимаются к поверхности бокового корпуса расширителями и под давлением газов, попадающих под пластины. Торцевое уплотнение состоит из дугообразных пластин и расширителей, располагающихся на каждой из боковых поверхностей роторов. Элементы торцевого уплотнения используются для уплотнения торцевого зазора между ротором и боковым корпусом. Форма торцевой уплотнительной пластины так же оптимизирована для удаления углеродистых отложений из канавки торцевого уплотнения на роторе.

Уплотнительные штифты изготовлены из специального чугуна, внешняя сторона уплотнительного штифта хромирована для уменьшения износа. К боковому корпусу уплотнительные штифты прижимаются пружинными шайбами. Уплотнительные штифты различаются по диаметрам, в зависимости от диаметра отверстия под штифт (на ротор нанесена идентификационная метка). В штифтах имеются прорези, в которые вставляются радиальные уплотнительные пластины, а торцевые уплотнительные пластины плотно прилегают к уплотнительным штифтам, тем самым достигается замкнутость системы уплотнений.

Все детали системы уплотнения неподвижны относительно ротора, что дает конструкции следующие преимущества: отсутствие износа деталей от перемещения, износ верхней части уплотнений не вызывает нарушения герметичности системы, расширители и пружины системы работают в статических условиях, что препятствует их усталостному разрушению.

Система охлаждения

В данных двигателях используется жидкостная система охлаждения закрытого типа с принудительной циркуляцией охлаждающей жидкости. Привод насоса охлаждающей жидкости осуществляется ремнём привода навесных агрегатов. Термостат с перепускным клапаном расположен во впускном патрубке охлаждающей жидкости и призван поддерживать оптимальную температуру в системе охлаждения, пуская охлаждающую жидкость по малому или большому (через радиатор) кругу охлаждения.

Система смазки

В двигателе используется система смазки с полнопоточной очисткой масла и с подачей масла под давлением к основным движущимся деталям (подшипникам скольжения, деталям системы уплотнений, роторам и т.д.).

Масляный насос трохоидного типа. Внутри него расположены два ведущих и два ведомых ротора с внутренним зацеплением, которые вращаются в одном направлении. Привод осуществляется цепью от эксцентрикового вала.

Сравнение роторных двигателей с разным расположением выпускных окон
1 - уплотнительная канавка,
2 - маслоуспокоитель,
3 - датчик низкого уровня
моторного масла.

Масляный фильтр расположен на заднем корпусе. Для уменьшения температуры масла в систему смазки могут быть установлены один или два маслоохладителя.

Для уменьшения высоты двигателя, разработан специальный плоский стальной масляный поддон (высота масляного поддона 40 мм). В масляном поддоне установлен маслоуспокоитель и датчик низкого уровня моторного масла. Для уменьшения веса маслоприемник сделан из пластика.

Двигатель работает на смеси бензина с моторным маслом, так как необходима смазка деталей системы уплотнений рабочих камер. Доля подаваемого в рабочие камеры и участвующего в образовании рабочей смеси масла (по сравнению с количеством подаваемого топлива) невелика. Для регулирования количества подаваемого в рабочие камеры масла разработан дозирующий масляный насос.

Дозирующий масляный насос
Дозирующий масляный насос. 1 - дозирующий масляный насос, 2 - слив масла, 3 - шаговый двигатель, 4 - подача масла, 5 - поверхность прилегающая к двигателю, 6 - разрез насоса, 7 - датчик-выключатель, 8 - плунжер, 9 - дифференциальный плунжер, 10 - вспомогательный плунжер, 11 - регулятор, 12 - червячный механизм, 13 - блок управления двигателем, 14 - обмотка №1, 15 - обмотка №2, 16 - обмотка №3, 17 - обмотка №4, 18 - неиспользуемый вывод.

Масляный насос
Масляный насос. 1 - поперечный разрез, 2 - подача масла, 3 - слив масла, 4 - разделитель, 5 - корпус масляного насоса, 6 - вал масляного насоса, 7 - передний ведомый ротор, 8 - передний ведущий ротор, 9 - разделитель, 10 - задний ведущий ротор, 11 - задний ведомый ротор.

Дозирующий масляный насос управляется блоком управления двигателем с помощью сигналов. Блок управления регулирует количество подаваемого дозирующим масляным насосом масла в зависимости от частоты вращения эксцентрикового вала, показаний датчика температуры ОЖ и датчика массового расхода воздуха. Подача масла в рабочие камеры осуществляется масляными форсунками.

Масляный насос

Масляные форсунки. 1 - масляные форсунки, 2 - боковой и промежуточный корпус, 3 - статор,
4 - распылитель форсунки, 5 - подача масла, 6 - обратный клапан, 7 - к воздушному шлангу.

На каждом статоре установлено по две масляные форсунки. Для улучшения смазки корпусов и уплотнений, масляные форсунки установлены под наклоном и впрыскивают масло на боковые корпуса ротора. Чтобы разрежение в двигателе не препятствовало подаче масла к масляным форсункам, на каждую форсунку установлен шланг, связанный с атмосферой. Для предотвращения попадания масла в воздушный шланг, когда во внутренней полости двигателя создается давление, в форсунку установлен обратный клапан.

Масляный насос
1 - шаговый двигатель, 2 - датчик- выключатель,
3 - шаг 52, 4 - выключено, 5 - включено.

Механизм, регулирующий количество подаваемого масла, состоит из плунжера и дифференциального плунжера, приводимого червячным механизмом. Червячный механизм приводится от эксцентрикового вала через ведущую шестерню привода дозирующего масляного насоса, находящуюся на передней крышке двигателя. Количество подаваемого масла регулируется по сигналу от блока управления двигателем, изменением хода плунжера и поворотом регулятора, связанного с шаговым двигателем. Положение шагового двигателя отслеживается с помощью датчика-выключателя, показания которого, наравне с параметрами, описанными выше, используются блоком управления двигателем для расчета необходимого количества подаваемого масла. Когда шаговый двигатель находится на шаге 52 или большем, по сигналу от датчика-выключателя в блоке управления двигателем включается алгоритм регулирования подачи масла, проходящего через дозирующий масляный насос. Когда шаговый двигатель находится ниже шага 52, устанавливается максимальная подача масла.

Алгоритм управления дозирующим масляным насосом включает несколько функций (см. таблицу "Функции управления дозирующим масляным насосом").

Таблица. Функции управления дозирующим масляным насосом.

Состояние Описание

Замок зажигания в положении "ON", двигатель выключен (сберегающий режим)

При выключенном двигателе управление дозирующим масляным насосом прекращается для сохранения заряда аккумуляторной батареи

Функция возврата к начальным параметрам

При начале управления дозирующим масляным насосом блок управления распознает, на каком шаге находится шаговый двигатель, и происходит возврат к начальному параметру (нулевому шагу)
Функция расчета количества подаваемого масла при работе двигателя

Управление шаговым двигателем в зависимости от режима работы двигателя

Функция установки начального шага (при повороте замка зажигания в положение "OFF")

При установке замка зажигания в положение "OFF" управление дозирующим масляным насосом прекращается и блок управления принимает шаг, на котором находится шаговый двигатель, как начальный (нулевой)

Функция контроля положения шагового двигателя

Блок управления двигателем контролирует соответствие шага, на котором находится шаговый двигатель, с необходимым шагом

Работа в режиме Fail-safe (при какой-либо неисправности)

Если в системе управления дозирующим масляным насосом или в самом насосе выявлена неисправность, блок управления двигателем регулирует подачу топлива, угол опережения зажигания, управляет шаговым двигателем, тем самым регулируя мощность двигателя, для предотвращения его повреждения

Пример работы системы управления дозирующим масляным насосом
Пример работы системы управления дозирующим масляным насосом.
1 - частота вращения эксцентрикового вала, 2 - шаговый двигатель,
3 - датчик-выключатель, 4 - около 500 об/мин, 5 - выше шага 52,
6 - шаг 0 (начальный), 7 - функция возврата к начальным параметрам,
8 - функция контроля положения шагового двигателя,
9 - функция расчета количества подаваемого масла при работе двигателя.

Бушин Сергей

© 1999 – 2010 Легион-Автодата

Обсуждение на нашем форуме: http://forum.autodata.ru/205/14813/

Mazda сделала прорыв в области роторных технологий — журнал За рулем

У Мазды есть отличные новости, касающиеся роторных двигателей. Ротор вернется и будет крутить не только генератор, но и колеса.

Материалы по теме

Поклонники роторного двигателя Mazda зря расстраивались по поводу его исчезновения. Постоянно ужесточающиеся нормы выбросов, казалось бы, поставили крест на этой технологии, и некоторое время всем казалось, что роторный двигатель обречен на забвение. Но нет. Этот мотор вернется и будет использоваться не только для зарядки батарей автомобиля, но и сохранит связь с колесами.

Ранее мы писали, что Mazda сохранит роторный двигатель как часть гибридной силовой установки, отвечающей за зарядку батареи, но инженеры компании добились того, что выхлоп этого двигателя станет настолько чистым, что продавать его можно будет в любых странах, независимо от экологических требований.

Концепт Mazda RX-Vision

Концепт Mazda RX-Vision

Об этом в интервью австралийскому автомобильному изданию Drive заявил исполнительный директор Mazda Ичиро Хиросе. Он рассказал кое-что о разработках Mazda в области технологий роторных двигателей.

По словам Хиросе, то, что изначально планировалось как дополнительный источник энергии, стало основой для создания универсальной силовой установки. Он рассказал, что новая гибкая роторная гибридная силовая установка, находящаяся в стадии разработки, оказалась настолько эффективной, что ее можно продавать на любом рынке мира, даже на европейском, который славится своими строгими нормативами по выбросам.

Поршни роторно-поршневого двигателя Ванкеля

Поршни роторно-поршневого двигателя Ванкеля

Далее Хиросе описал установку. Она по своей сути схожа с установкой Toyota Prius, в которой двигатель внутреннего сгорания не только генерирует электричество, но и приводит в движение ведущие колеса. Эта технология, получившая название XEV, может появиться в серийных автомобилях Mazda в течение следующих нескольких лет.

Это, пожалуй, лучшая новость, касающаяся роторного двигателя, за последние годы. Следует отметить, что благодаря высоким оборотам роторный мотор лучше других подходит для зарядки аккумуляторов. Именно поэтому его изначально планировалось использовать при создании ё-мобиля, но там он служил бы лишь для зарядки конденсаторов. Mazda же сделает ему привод на колеса, благодаря чему роторный спорткар вернется, а вместе с ним появятся эффективные, чистые и мощные гибридные силовые установки, которые будут использоваться и на других моделях.

Фото: Mazda

Роторный двигатель Мазда (Mazda)

Роторный двигатель Мазда (Mazda)

Роторный двигатель Мазда (Mazda)

В этой статье мне хотелось бы подробно остановиться на таком интересном устройстве как роторный двигатель. Разбираться в строении будем по принципу «как это работает» в привычном, очень простом и понятном режиме как для начинающих водителей, так и для профессионалов. В центре нашего внимания будет роторный двигатель компании Мазда. Начнем с начала и ответим на вопросы: что такое роторный двигатель, принципы работы роторного двигателя, где используется роторный двигатель?

Не буду вдаваться в историю глубоко и просто скажу, что принцип работы роторного двигателя разработал товарищ Феликс Ванкель в 1957 году. Впоследствии многие организации взялись за разработки принципиально нового роторного двигателя, но встретившись с серьезными сложностями в реализации этого двигателя, многие компании отказались от работы с роторными двигателями. И лишь компания Мазда «вцепилась зубами» за идею воплощения роторного двигателя в своих автомобилях. На сегодняшний день компания Мазда является единственным производителем автомобилей серийного производства с роторными двигателями.

Конструкция роторного двигателя принципиально отличается от конструкции привычного нам ДВС. Основные тяговые элементы и конструкция камеры совсем не похожи на обычный поршневой двигатель. Но есть и много сходств. Например, в роторном двигателе используется тот же принцип сгорания топлива (в основном бензин). Системы подачи топлива и выпуска отработавших газов очень схожи с обычным бензиновым двигателем.

Получается смысл такой же. Так же попадает топливо в цилиндр, так же сжимается, поджигается, горит, расширяется и толкает поршень только деталями другой формы. Зачем тогда компании Мазда вкладывать столько сил, времени и денег в развитие двигателя который не признает не один концерн кроме нее? Ответ кроется в преимуществах роторного двигателя Мазда перед обычным ДВС.

Принцип работы роторного двигателя

Рисунок 1. Основные части роторного двигателя - ротор на валу и корпус (статор). Ротор неподвижно закреплен на эксцентриковом валу и при вращении описывает форму "капсулы", а не круга, так как насажен на вал не по центру.  Фото: Autogurnal.

Рисунок 1. Основные части роторного двигателя — ротор на валу и корпус (статор). Ротор неподвижно закреплен на эксцентриковом валу и при вращении описывает форму «капсулы», а не круга, так как насажен на вал не по центру.
Фото: Autogurnal.

Не вдаваясь в технические подробности, рассмотрим на схемах принцип работы и увидим все вытекающие преимущества и недостатки роторного двигателя Мазда. Во-первых, нужно полностью забыть конструкцию обычного ДВС, если вы ее себе представляли, если нет, то просто вникаем. Во-вторых, рассмотрим основные части роторного двигателя. Роторный двигатель от того и назван роторным, что в его основе находится вращающийся ротор. Ротор (см. рисунок 1) – основная часть роторного двигателя, от которой передается мощность на сцепление и коробку передач. А если по-простому, ротор – это та часть роторного двигателя, которую толкает сгоревшее топливо, а она уже передает вращение на колеса через трансмиссию (сцепление + коробка передач). Ротор выполнен из легированной стали в форме объемного треугольника, который жестко закреплен на валу. Ротор вращается в полости, она же корпус роторного двигателя (статор), которая выполнена в форме капсулы (см. рисунок 1). В этой полости и происходят все 4 процесса привычные для обычного ДВС – впрыск топлива и воздуха, сжатие этой смеси, воспламенение и толкание ротора, выпуск сгоревших газов.

Теперь рассмотрим, как движется ротор в корпусе и что там происходит. Для начала нужно отметить, что ротор закреплен на валу-эксцентрике. Что это значит? А значит, что ротор не вращается вокруг одной оси, а бегает вокруг нее. На схеме будет понятнее. Принцип работы роторного двигателя заключается в том, что ротор создает вокруг себя полости изолированные друг от друга, в каждой из которых происходит свое действие. Поскольку наш ротор треугольный, полости получается три. Сейчас посмотрим, как ротор проходит один полный цикл. Все начинается с полости всасывания. В ней происходит наполнение камеры кислородом и топливом и их перемешивание. Затем ротор, вращаясь, толкает эту смесь в следующую камеру, одновременно сжимая смесь. Затем сжатая смесь воспламеняется с помощью двух свечей. Смесь расширяется, толкая поршень дальше по кругу. И смесь оказывается уже в следующей полости, где происходит выталкивание остатков от не сгоревшего топлива в выпускную трубу.

Рисунок 2. Полный цикл роторного двигателя. На рисунке представлены все фазы работы роторного двигателя. С каждой стороны ротора одновременно происходит своя фаза в зависимости от того, к какой камере обращена рабочая плоскость ротора. Фото: Autogurnal.

Рисунок 2. Полный цикл роторного двигателя. На рисунке представлены все фазы работы роторного двигателя. С каждой стороны ротора одновременно происходит своя фаза в зависимости от того, к какой камере обращена рабочая плоскость ротора. Фото: Autogurnal.

Вот и весь полный цикл работы роторного двигателя Мазда. Но мы рассмотрели, что происходит только с одной стороны ротора, вот в этом и суть. Дело в том, что эти процессы происходят непрерывно сразу с трех сторон ротора. Если проследить за точкой на валу ротора, то получается, что за один оборот в ротором двигателе происходит сразу 3 так называемых такта (всасывание, сжатие, воспламенение). В то время как в обычном ДВС за один оборот двигателя происходит только один из тактов. А если еще учесть то факт, что современные роторные двигатели, которые производит компания Мазда имеют 2 или 3 ротора, то преимущество в производительности такого двигателя по сравнению с обычным ДВС на лицо. Для сравнения, стандартный 2-х роторный двигатель Мазда сравним по производительности с обычным 6-ти цилиндровым двигателем, а 3-х роторный – с 12-ти цилиндровым. Вот мы и ответили на вопрос почему компания Мазда не оставила идею воплощения роторного двигателя в своих автомобилях. Все дело в производительности. Но это не единственное преимущество роторного двигателя Мазда. Вы обратили внимание, что в конструкции присутствует 2 основных элемента, ротор и статор (корпус с полостью) – проще не придумать. По статистике в роторном двигателе используется на 1000 деталей меньше, чем в обычном ДВС. К тому же в роторном двигателе Мазда уровень вибрации намного ниже, чем в обычном ДВС. Этот происходит от того, что в роторном двигателе нет возвратно-поступательных движений поршня, а просто вращение ротора. И ротора как правило 2, так что в добавок еще и они уравновешивают друг друга. Роторные двигатели очень приемистые на маленьких оборотах, это достигается как раз тем моментом, что в двигателе происходит за оборот сразу 3 такта. Да и диапазон оборотов намного выше, чем у простого бензинового двигателя. Роторный двигатель Мазда может без особого напряжения и износа для себя развить скорость 100 км/ч в пределах одной передачи, в диапазоне до 8000 об/мин и более. Нельзя не заметить, что роторный двигатель более компактный и легкий. Это позволяет снизить общую массу автомобиля и выполнить более эффективную «развесовку» агрегатов.

Не все так сказочно на первый взгляд, есть причины, почему другие мировые гиганты не используют эту технологию. Роторный двигатель требует большой точности в своей работе. Полости, которые перекрывает ротор должны быть герметичны друг от друга, сохранять это качество очень сложно. Для этого используются дорогостоящие материалы и обслуживание этого двигателя должно выполняться чаще и профессиональнее. Если не выполнять обслуживание точно в срок то двигатель быстро выходит из строя. Например, если вовремя не поменять масло, то на статоре образуется необратимый износ и двигатель восстановить уже будет сложно и дорого. Стоимость такого двигателя при простоте конструкции не малая из-за использования дорогостоящих материалов. Эти причины возможно и не позволяют другим мировым авто гигантам использовать роторный двигатель в своих серийных автомобилях.

Современные автомобили Мазда с роторным двигателем

Роторные двигатели для компании Мазда стали уже отличительным символом и пользуются не малой популярностью среди автолюбителей. Поговорим о последних модификациях самых современных роторных двигателей.

Уже на протяжении многих лет символом роторного двигателя является автомобиль Мазда RX8 (Mazda RX8). В 2008 году продажи этого автомобиля в Европе прекратились из-за того, что выбросы двигателя этого автомобиля не соответствовали стандарту Евро 5, а только лишь Евро 4. Да и расход топлива старого ротора был не мал (мог достигать 20 литров на 100 км при определенных режимах езды). Но компания Мазда в очередной раз приготовила сюрприз ее клиентам и создала роторный двигатель нового поколения Renesis 16X. Этот роторный двигатель решил все вопросы, которые волновали европейцев. Во-первых, объем двигателя увеличился до 1,6 литра по сравнению со старым ротором 1,3. Мощность этого двигателя достигает 350 л.с. при 8500 об/мин. Во-вторых, изменениям подверглась система впрыска топлива, теперь впрыск топлива осуществляется непосредственно во всасывающую полость и во впускном коллекторе. Этот момент позволяет наиболее точно скорректировать количество топлива при разных режимах езды. Что позволило существенно увеличить экономию топлива. В-третьих, корпус-статор нового роторного двигателя выполнен из новейшего легкого сплава алюминия.

Компания Мазда подготовила еще один сюрприз для любителей окружающей среды и выпустила двигатель с нулевым выбросом CO2 и минимальным выбросом NO2. Этот роторный двигатель установили на обновленную Мазда RX8 Hydrogen RE. Сюрприз заключается в том, что этот новый роторный двигатель работает не только на бензине, но и на водороде. Эра водородных двигателей уже началась, а роторный двигатель даже не требует изменения конструкции для работы на водороде. Использовать водород на простых двигателях невозможно из-за низкой температуры воспламенения водорода, он без контрольно воспламеняется от сильно нагретых деталей двигателя. Использование водорода в роторных двигателях возможно и удобно, по причине того, что всасывание и воспламенение водорода происходят в разных полостях, что позволяет впрыскивать водород в не нагретый отсек. Этот двигатель может работать как на бензине, так и на водороде, причем переключаться можно на ходу. Запас хода на водороде 100 км, на бензине при 61 литровом баке 541 км. Водородный бак занял весь багажник, что не очень удобно. При работе на водороде образуется только вода. Пока этот автомобиль проходит испытания и только сдается в аренду местному правительству и предприятиям на территории Японии.

Mazda Premacy Hydrogen RE Hybrid - единственный автомобиль в мире, сочетающий водородный роторный двигатель и электрическую гибридную установку. Фото: Mazda.

Mazda Premacy Hydrogen RE Hybrid — единственный автомобиль в мире, сочетающий водородный роторный двигатель и электрическую гибридную установку. Фото: Mazda.

Но самой последней разработкой компании Мазда стал автомобиль Mazda Premacy Hydrogen RE Hybrid. Этот автомобиль напичкали всем, что изобрели. Он сочетает в себе бензиново-водородный двигатель и гибридной электрической установкой. Эта силовая установка состоит из роторного двигателя, электроконвертера, генератора и электродвигателя. Смысл работы этой установки в том, что роторному двигателю, работающему на бензине или водороде помогает еще и электродвигатель мощностью 110kW. Этот автомобиль так же сдается в аренду на территории Японии местному правительству или частным компаниям для своих нужд. Вот и все что я хотел рассказать вам о роторных двигателях Мазда, надеюсь, все было понятно, о новинках будем следить и рассказывать в следующих статьях.

Роторный двигатель. Устройство, принцип работы. Плюсы и минусы ротора.

Изобретение двигателя внутреннего сгорания дало толчок к производству автомобилей, передвигающихся на жидком виде топлива. Двигатели эти на протяжении всей истории автомобилестроения эволюционировали: появлялись различные конструкции моторов. Одной из прогрессивных, но так и не получивших распространение конструкций двигателей стал роторно-поршневой агрегат. Об особенностях этого типа двигателя, его достоинствах и недостатках мы поговорим в сегодняшнем материале.

История

Разработчиком роторно-поршневого двигателя стал дуэт инженеров компании NSU – Феликс Ванкель и Вальтер Фройде. И хотя основная роль в создании роторного двигателя принадлежит именно Фройде (второй участник проекта в это время работал над конструкцией иного двигателя), в автомобильной среде силовой агрегат известен как мотор Ванкеля.

Феликс Ванкель и роторный двигательФеликс Ванкель и роторный двигатель

Эта силовая установка была собрана и испытана в 1957 году. Первым автомобилем, на который установили роторно-поршневой двигатель, стал спорткар NSU Spider, который развивал скорость 150 км/час при мощности мотора 57 лошадиных сил. Производилась эта модель на протяжении трех лет (1964-1967 годы).

NSU SpiderNSU Spider

По настоящему массовым автомобилем с роторным двигателем стало второе детище компании NSU – седан Ro-80.

NSU Ro-80NSU Ro-80

В названии автомобиля указывалось, что модель оснащается роторным агрегатом. Впоследствии роторные двигатели устанавливались на автомобили Citroen (GS Birotor), Mercedes-Benz (С111), Chevrolet (Corvette), ВАЗ (21018) и так далее. Но самый массовый выпуск моделей с роторным двигателем был налажен японской компанией Mazda. Начиная с 1964 года, компания произвела несколько автомобилей с подобным типом силовой установки, а пионером в этом деле стала модель Cosmo Sport. Самая известная модель с роторно-поршневым двигателем, которая выпускалась этим производителем – RX (Rotor-eXperiment). Производство последней модели из этого семейства, Mazda RX8 в специальной версии Spirit R, было свернуто в середине 2012 года. Впрочем, не все экземпляры роторной «восьмерки» еще распроданы – официальный дилер Mazda в Индонезии еще продает эти автомобили.

Mazda RX-8Mazda RX-8

Устройство

Особенностью роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания стало присутствие в его конструкции трехгранного ротора – поршня. Он вращается в цилиндре, который имеет специальную форму. Ротор насажен на вал, и соединен с зубчатым колесом, которое, в свою очередь, имеет сцепление со статором – шестерней. Ротор вращается вокруг статора по так называемой эпитрохоидальной кривой, его лопасти попеременно перекрывают камеры цилиндра, в которых происходит сгорание топлива.

Роторный двигатель Роторный двигатель

В конструкции роторного двигателя отсутствует газораспределительный механизм – его функцию выполняет сам ротор, который при помощи своих лопастей распределяет поступающую горючую смесь и выпускает отработанные в цилиндре газы. Подобная конструкция двигателя позволяет обойтись без множества узлов, крайне необходимых для простого поршневого двигателя (например, коленчатый вал, шатуны), что, во-первых, позволяет уменьшить размер и массу силового агрегата, а во-вторых – уменьшить стоимость его производства.

Достоинства и недостатки

Роторно-поршневой двигатель не зря привлек внимание многих именитых автомобильных компаний. Его конструкция и принцип действия позволяли получить несколько довольно весомых преимуществ перед обычными двигателями.

Во-первых, роторно-поршневой мотор в силу своей конструкции обладал лучшей среди остальных типов силовых установок сбалансированностью, и был подвержен минимальным вибрациям.

Во-вторых, у этой силовой установки отмечались отменные динамические характеристики: без существенной нагрузки на двигатель, авто с роторно-поршневым мотором легко можно разогнать до 100 км/час и более на низкой передаче при высоких оборотах двигателя.

роторный двигатель Мазда RX-8роторный двигатель Мазда RX-8

В-третьих, роторный двигатель компактнее и легче, чем стандартный поршневой силовой агрегат. Эта особенность позволяла конструкторам добиться практически идеальной развесовки по осям, что влияло на устойчивость автомобиля на дороге.

В-четвертых, в нем используется намного меньшее количество узлов и агрегатов, чем в обычном двигателе.

Наконец, в-пятых, роторный двигатель обладает высокой удельной мощностью.

Недостатки

К минусам роторно-поршневого двигателя, из-за которых он так и не смог получить массового применения и не используется сегодня в автомобилях всех брендов, относится, во-первых, большой расход топлива на низких оборотах. На некоторых моделях он достигает 20 литров на 100 км пробега, что, согласитесь, совсем не экономично и бьет по карману владельца авто с роторным двигателем.

Во-вторых, недостатком этого типа двигателей является сложность изготовления его деталей: чтобы ротор правильно прошел эпитрохоидальную кривую, необходима высокая геометрическая точность при создании как самого ротора, так и цилиндра. Для этого производители роторных двигателей используют высокоточное и дорогостоящее оборудование, а стоимость производства закладывают в цену автомобиля.

В-третьих, роторный двигатель склонен к перегреву из-за особенности конструкции камеры сгорания: она имеет линзовидную форму, а не сферическую, как у обычных поршневых моторов. Топливная смесь, сгорая в такой камере, превращается в тепловую энергию, которая расходуется в большей части неэффективно – ее избыток нагревает цилиндр, что в конечном итоге приводит к износу и выходу его из строя.

В-четвертых, высокий износ уплотнителей между форсунками ротора из-за перепадов давления в камерах сгорания двигателя. Именно поэтому ресурс таких двигателей составляет 100-150 тысяч км, после чего, как правило, требуется капитальный ремонт силового агрегата.

В-пятых, роторно-поршневой двигатель нуждается в своевременной и четко соблюдаемой процедуре смены моторного масла: мотор потребляет примерно 600 мл моторного масла на 1000 км, так что менять его приходится раз в 5000 км пробега. Если его вовремя не заменить, это чревато выходом из строя узлов и агрегатов мотора, что повлечет за собой дорогостоящий ремонт. То есть, к эксплуатации и обслуживанию роторно-поршневых двигателей следует подходить более ответственно, чем к обслуживанию обычных моторов, вовремя проводя их техническое обслуживание и капитальный ремонт.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о