Ротативный двигатель принцип работы: Ротативный двигатель — Википедия – Ротативный двигатель. Чумазый вояка :-)…

Ротативный двигатель. Чумазый вояка :-)...

Привет, друзья!

Истребитель Sopwith Camel F.1 с двигателем Clerget 9B.

Сегодня поговорим о двигателе, эра расцвета которого пришлась на тот период времени, когда авиация еще не вышла из состояния «летающих этажерок», но когда эти самые этажерки уже чувствовали себя в воздухе достаточно уверенно.

Основные принципы самолето- и двигателестроения быстро принимали устойчивые очертания. Появлялось все больше моделей двигателей для аэропланов, а вместе с ними как новые победы, так и новые проблемы в двигателестроении. Конструкторы и инженеры стремились (как это, вобщем-то, происходит и сейчас :-)) максимально облегчить двигатели и при этом сохранить или даже увеличить их тяговую эффективность.

На этой волне и появился ротативный двигатель для тогдашних аэропланов. Почему именно для аэропланов? Да потому что сам по себе этот тип двигателя был разработан даже значительно раньше первого полета братьев Райт.

Однако обо всем по порядку. Что из себя представляет ротативный двигатель…. На английском rotary engine (что, кстати, на мой взгляд странно, потому что этим же словом обозначается роторный двигатель (двигатель Ванкеля)). Это двигатель внутреннего сгорания, в котором цилиндры с поршнями ( их нечетное количество) расположены радиально в виде звезды, обычно четырехтактный.

Рабочее топливо — бензин, воспламенение происходит от свечей зажигания.

По внешнему виду он очень похож на появившийся практически одновременно с ним и хорошо нам сегодня известный радиальный (звездообразный) поршневой двигатель. Но это только в неработающем состоянии. При запуске ротативный двигатель на неосведомленного о нем человека производит сильное впечатление.

Работа ротативного двигателя.

Происходит это потому, что уж очень необычно, на первый взгляд, выглядит его работа. Ведь вместе с винтом вращается и весь блок цилиндров, то есть, по сути дела весь двигатель. А вал, на котором происходит это вращение закреплен неподвижно. Однако в механическом плане ничего необычного тут нет. Просто дело привычки :-).

Топливо-воздушная смесь из-за вращения цилиндров не может быть подведена к ним обычным порядком, поэтому попадает туда из картера, куда подводится через полый неподвижный вал от карбюратора (или устройства его заменяющего).

Впервые в истории патент на ротативный двигатель получил французский изобретатель Félix Millet в 1888 году. Тогда этот двигатель поставили на мотоцикл и показали его на всемирной парижской выставке в 1889 году.

Ротативный двигатель Félix Millet на мотоцикле.

Позже двигатели Félix Millet ставились на автомобили, один из которых принял участие в первой в мире автомобильной гонке Paris–Bordeaux–Paris в 1895 году, а с 1900 года эти двигатели ставили на автомобили французской фирмы Darracq.

В дальнейшем инженеры-изобретатели стали обращать внимание на ротативный двигатель уже с точки зрения применения его в авиации.

Первым в этом плане был бывший ньюйоркский часовщик Stephen Balzer, создавший свой ротативный двигатель в 1890 году и ставший автором (совместно с инженером Charles M. Manly) первого в истории двигателя, разработанного конкретно для аэроплана, известного под названием Manly-Balzer engine.

Практически одновременно с ним работал американский инженер  Adams Farwell, строивший автомобили с ротативными двигателями с 1901 года.

Открытый картер двигателя Le Rhône 9J.

По некоторым сведениям принципы конструкции его двигателей были взяты за основу производителями знаменитых впоследствии двигателей «Гном».

Что же так привлекало инженеров в ротативном двигателе? Что в нем такого полезного для авиации?

Есть две основные особенности, которые и являются его главными положительными качествами. Первая — это самый малый (по тому времени) вес по сравнению с двигателями той же мощности. Дело в том, что частоты вращения тогдашних двигателей были невысокие и для получения необходимой мощности (в среднем тогда порядка 100 л.с. (75 кВт)) циклы воспламенения топливовоздушной смеси давали о себе знать весьма ощутимыми толчками.

Чтобы этого избежать двигатели снабжались массивными маховиками, что, естественно, влекло за собой утяжеление конструкции. Но для ротативного двигателя маховик был не нужен, потому, что вращался сам двигатель, имеющий достаточную массу для стабилизации хода.

Такие двигатели отличались плавностью и равномерностью хода. Зажигание производилось последовательно в каждом цилиндре через один по кругу.

Второй особенностью было хорошее охлаждение. Металлургическая промышленность в те времена была не настолько развита, как сейчас и качество сплавов (в плане термостойкости) было не слишком высоким. Поэтому требовалось хорошее охлаждение.

Скорости полета самолетов были не высокие, поэтому простое охлаждение набегающим потоком стационарного движка было недостаточным. А ротативный двигатель здесь находился в более выгодном положении, потому что сам вращался с достаточной для эффективного охлаждения скоростью и цилиндры хорошо обдувались воздухом. При этом они могли быть как гладкими, так и оребренными. Охлаждение было достаточно эффективным даже при работе двигателя на земле.

Теперь отвлечемся на пару полезных роликов о работе ротативного двигателя. Первый — это моделирование его работы на компьютере. Во втором показана работа «внутренностей» двигателя Le Rhône.

Расцвет ротативных двигателей пришелся на первую мировую войну. В то время авиация уже достаточно серьезно участвовала в боевых действиях и воздушные бои не были редкостью. Самолеты и двигатели для них производились всеми крупными участниками войны.

Из двигателестроительных одной из самых известных была французская фирма Société des Moteurs Gnome, в свое время занимавшаяся производством двигателей внутреннего сгорания для промышленного производства. В 1900 году она купила лицензию на производство маленького одноцилиндрового стационарного двигателя (мощность 4 л.с.) Gnom у немецой фирмы Motorenfabrik Oberursel. Это движок продавался во Франции под французским наименованием Gnome и при этом настолько успешно, что наименование это было использовано в названии фирмы.

Ротативный двигатель Gnome 7 Omega.

В дальнейшем на базе Гнома был разработан ротативный двигатель Gnome Omega, имевший немалое количество модификаций и устанавливавшийся на самые различные самолеты. Известны так же другие массово производившиеся двигатели этой фирмы. Например, Gnome 7 Lambda – семицилиндровый, мощностью 80 л.с. и его продолжение Gnome 14 Lambda-Lambda (160 л.с.), двухрядный ротативный двигатель с 14-ю цилиндрами.

Двигатель Gnome Monosoupape.

Широко известен двигатель Gnome Monosoupape (один клапан), начавший выпускаться в 1913 году и считавшийся одним из лучших двигателей в начальный период войны. Этот «лучший двигатель» 🙂 имел всего один клапан, использовавшийся и для выхлопа и для забора воздуха. Для поступления топлива в цилиндр из картера, в юбке цилиндра был сделан ряд специальных отверстий. Двигатель был безкарбюраторный и из-за упрощенной системы управления был легче и потреблял, к тому же меньше масла.

Подвод топлива в цилиндр Gnome Monosoupape. Crank Case - картер, Ports - подводящие отверстия.

Управления у него не было практически никакого. Был только топливный кран, подававший бензин через специальную форсунку (или распылитель) в полый неподвижный вал и далее в картер. Этим краном можно было пытаться обогащать или обеднять топливо-воздушную смесь в очень узком диапазоне, от чего было мало толку.

Пытались использовать с целью управления изменение фаз газораспределения, но быстро от этого отказались, потому что начали гореть клапана. В итоге движок постоянно работал на максимальных оборотах (как, впрочем и все ротативные двигатели :-)) и управлялся только отключением зажигания (об этом чуть ниже :-)).

Другой известной французской фирмой, производившей ротативный двигатели была фирма Société des Moteurs Le Rhône, начавшая свою работу с 1910 года. Одними из самых известных ее двигателей были Le Rhône 9C (мощность 80 л.с.) и Le Rhône 9J (110 л.с.). Характерной их особенностью было наличие специальных трубопроводов от картера к цилиндрам для подвода топливо-воздушной смеси (немного похоже на входные коллектора современных ДВС).

Двигатель Le Rhone 9C.

Ротативный двигатель Le Rhone 9J.

Le Rhône и Gnome первоначально соперничали, но потом объединились и с 1915 года уже работали совместно под названием Société des Moteurs Gnome et Rhône. Двигатель 9J был, вобщем-то, уже их совместным продуктом.

Интересно, что вышеупомянутая германская фирма Motorenfabrik Oberursel в 1913 году закупила лицензии на производство теперь уже французских ротативных двигателей Gnome (хотя и была родоначальницей этого брэнда, можно сказать :-)) и чуть позже двигателей Le Rhône. Их она выпускала под своими наименованиями: Gnome, как U-серия и Le Rhône, как UR-серия ( от немецкого слова Umlaufmotor, обозначающего ротативный двигатель).

Например, двигатель Oberursel U.0 был аналогом французского Gnome 7 Lambda и устанавливался первоначально на самолет Fokker E.I., а двигатель Oberursel U.III – это копия двухрядного Gnome 14 Lambda-Lambda.

Истребитель Fokker E.I с двигателем Oberursel U.0 .

Германский двухрядный Oberursel U.III, копия Gnome 14 Lambda-Lambda.

Вообще фирма Motorenfabrik Oberursel всю войну в довольно большом количестве производила двигатели-клоны французских моделей, которые потом ставились на самолеты, являвшиеся противниками французов и их союзников в воздушных боях. Вот такие фокусы жизни :-)…

Среди других известных двигателестроительных фирм значится также французская фирма Société Clerget-Blin et Cie ( интересное для русского уха слово Blin в названии означает фамилию одного из учредителей, промышленника Эжена Блина :-)) со своим известным движком Clerget 9B.

Двигатель Clerget 9B.

Двигатель Clerget 9B на истребителе Sopwith 1½ Strutter.

Истребитель Sopwith 1 1/2 Strutter с двигателем Clerget 9B.

Многие двигатели производились в Великобритании по лицензиям. На этих же заводах выпускали английские двигатели разработки Walter Owen Bentley (того самого Бентли) Bentley BR.1 (заменившие Clerget 9B на истребителях Sopwith Camel) и Bentley BR.2 для истребителей Sopwith 7F.1 Snipe.

На двигателях Bentley в конструкции поршней впервые были применены алюминиевые сплавы. До этого на всех движках цилиндры были чугунные.

Ротативный двигатель Bentley BR1.

Ротативный двигатель Bentley BR2.

Истребитель Sopwith 7F.1 Snipe с двигателем Bentley BR.2 .

Теперь вспомним о других особенностях ротативного двигателя, которые, так сказать, плюсов ему не прибавляют 🙂 (чаще всего как раз наоборот).

Немного об управлении. Современный (стационарный, конечно :-)) поршневой двигатель, неважно рядный он или звездообразный, управляется относительно легко. Карбюратор (либо инжектор) формирует нужный состав топливо-воздушной смеси и с помощью дроссельной заслонки пилот может регулироват подачу ее в цилиндры и, тем самым, менять обороты двигателя. Для этого по сути дела существует ручка (или педаль, как хотите :-)) газа.

У ротативного двигателя все не так просто :-). Несмотря на разницу конструкций, большинство ротативных двигателей имели на цилиндрах управляемые впускные клапана, через которые и поступала топливо-воздушная смесь. Но вращение цилиндров не позволяло применять обычный карбюратор, который бы поддерживал оптимальное соотношение воздух-топливо за дроссельной заслонкой. Состав смеси, поступающей в цилиндры нужно было корректировать для достижения оптимального соотношения и устойчивой работы двигателя.

Для этого обычно существовал дополнительный воздушный клапан («bloctube») . Пилот устанавливал рычаг газа в нужное положение (чаще всего полностью открывая дроссель) и потом рычагом регулировки подачи воздуха добивался устойчивой работы двигателя на максимальных оборотах, производя так называемую тонкую регулировку. На таких оборотах обычно и проходил полет.

Из-за большой инерционности двигателя (масса цилиндров все же немаленькая :-)), такая регулировка часто делалась «методом тыка», то есть определить нужную величину регулировки можно было только на практике, и эта практика была необходима для уверенного управления. Все зависело от конструкции двигателя и опыта пилота.

Весь полет проходил на максимальной частоте вращения движка и если ее по какой-либо причине надо было снизить, например для посадки, то действия по управлению должны были быть обратного направления. То есть пилоту нужно было прикрыть дроссель и потом опять регулировать подачу воздуха в двигатель.

Но такое «управление» было, как вы понимаете, достаточно громоздким и требующим времени, которое в полете не всегда есть, особенно на посадке. Поэтому гораздо чаще применялся метод отключения зажигания. Чаще всего это делалось через специальное устройство, позволяющее отключать зажигание полностью или в отдельных цилиндрах. То есть цилиндры без зажигания переставали работать и двигатель в целом терял мощность, что и нужно было пилоту.

Этот метод управления широко применялся на практике, но тянул за собой и кучу проблем. Топливо, вместе, кстати, с маслом, несмотря на отключение зажигания, продолжало поступать в двигатель и, несгорев, благополучно его покидало и затем скапливалось под капотом. Так как движок очень горячий, то опасность серьезного пожара налицо. Тогдашние «легкие этажерки» горели очень легко и быстро :-).

Пример защитных капотов на двигателе (защита от масла двигатель Gnome 7 Lambda ) на самолете Sopwith Tabloid.

Поэтому капоты для двигателей имели внизу вырез примерно на одну треть периметра или на худой конец серьезные дренажные отводы, чтобы вся эта гадость могла быть удалена набегающим потоком. Чаще всего, конечно, она размазывалась по фюзеляжу.

Кроме того свечи в неработающих цилиндрах могли оказаться залитыми и замасленными и повторный запуск поэтому был не гарантирован.

К 1918 году французская двигателестроительная фирма Société Clerget-Blin et Cie (ротативные двигатели Clerget 9B), исходя из очевидной опасности использования способа снижения мощности путем отключения зажигания, в руководстве по эксплуатации своих двигателей рекомендовала следующий метод управления.

При необходимости снижения мощности двигателя пилот перекрывает подачу топлива закрытием дросселя (ручкой газа). При этом зажигание не отключается, и свечи продолжают «искрить» (предохраняя себя от замасливания). Винт вращается в результате эффекта авторотации, и при необходимости запуска топливный клапан просто открывается в то же положение, что и до закрытия. Двигатель запускается…

Однако, по отзывам пилотов, которые в наши дни летают на восстановленных или точных копиях самолетов того времени, все-таки самый удобный режим снижения мощности – это отключение зажигания, несмотря на всю «грязь», которую при этом извергают ротативные двигатели :-).

Самолеты с такими движками вообще особой чистотой не отличались. Про топливо в отключенных цилиндрах я уже сказал, но ведь было еще и масло. Дело в том, что из-за вращающегося блока цилиндров, возможность откачки топлива из картера была весьма проблематична, поэтому организовать полноценную систему смазки было нельзя.

Схема топливо- и маслопитания ротативного двигателя Gnome 7 Omega.

Но без смазки никакой механизм работать не будет, поэтому она, конечно, существовала, но в о-о-очень упрощенном виде. Масло подавалось прямо в цилиндры, в топливо-воздушную смесь.На большинстве двигателей для этого существовал небольшой насос, подававший масло через полый (неподвижный, как уже известно :-)) вал по специальным каналам.

В качестве смазывающего масла использовалось касторовое, самое лучшее по тем временам масло ( природное растительное) для этих целей. Оно, кроме того не смешивалось с топливом, что улучшало условия смазки. Да и сгорало в цилиндрах оно только частично.

Пример замасливания (темные пятна) двигателя Gnome 7 Omega полусгоревшим касторовым маслом.

А удалялось оно оттуда после выполнения своих функций вместе с отработанным газами через выпускной клапан. И расход его при этом был очень даже немаленький. Средний движок, мощностью около 100 л.с. (≈75 кВт, 5-7 цилиндров) за час работы расходовал более двух галлонов (английских) масла. То есть около 10 литров вылетало «на ветер».

Ну что тут скажешь… Бедные механики :-). Масло, сгоревшее и несовсем, топливная смесь, оставшаяся после дросселирования движка, сажа… все это оседало на самолете, и все это нужно было отмывать. Причем масло это отмывалось очень плохо. Из-за этого на старых снимках самолеты частенько «щеголяют» грязными пятнами на крыле и фюзеляже.

Но и летчики – люди мужественные :-). Ведь из движка выходила касторка. А это, как известно, очень хорошее слабительное (в аптеках раньше продавалась, не знаю, как сейчас). Конечно, двигатель был закрыт капотом, и снизу, как я уже говорил, был вырез для удаления всей грязи. Но ведь кабина открытая и воздушный поток – штука не всегда управляемая. Если чистая касторка попадала на лицо и потом внутрь… Последствия предугадать…. наверное было не сложно :-)…

Следующая особенность ротативных двигателей, которую я бы тоже не назвал положительной была связана с управляемостью аэропланов, на которых стояли такие движки. Немалая масса вращающегося блока представляла собой по сути дела большой гироскоп, поэтому гироскопический эффект был неизбежен :-).

Пока самолет летел прямолинейно, его влияние не было сильно заметно, но стоило начать совершать какие-либо полетные эволюции, как сразу проявлялась гироскопическая прецессия. Из-за этого и вкупе с большим крутящим моментом массивного блока цилиндров при выбранном правом вращении винта самолет очень неохотно поворачивал влево и при этом задирал нос, но зато быстро делал правые развороты с большой тенденцией к опусканию носа.

Такой эффект с одной стороны очень мешал (особенно молодым и неопытным пилотам), а с другой был полезен при проведении воздушных боев , в так называемых «собачьих свалках» (dogfights). Это, конечно, для опытных летчиков, которые могли с толком использовать эту особенность.

Очень характерен в этом плане был известный самолет Sopwith Camel F.1 Королевских ВВС, считавшийся лучшим истребителем Первой Мировой. На нем стоял ротативный двигатель Clerget 9B ( как примечание добавлю, что в последствии также ставился и английский Bentley BR.1(150 л.с.)). Мощный (130 л.с.), но достаточно капризный двигатель, чувствительный к составу топлива и к маслу. Мог запросто отказать на взлете. Но именно благодаря ему и особенностям компоновки фюзеляжа (рассредоточению полезного оборудования) Camel был очень маневренен.

Истребитель Sopwith Camel F.1 с двигателем Clerget 9B .

Истребитель Sopwith Camel F.1 (реплика).

Маневренность эта, правда, доходила до крайности. В управлении истребитель был необычайно строг и вообще имел кое-какие неприятные особенности. Например, большое желание войти в штопор на малой скорости :-). Он абсолютно не подходил для обучения молодых пилотов. По некоторой статистике за время войны в боевых действиях на этом аэроплане погибло 415 пилотов, а в летных происшествиях – 385. Цифры красноречивые…

Однако опытные пилоты, хорошо его освоившие, могли извлечь большую пользу из его особенностей и делали это. Интересно, что из-за нежелания Camel-а быстро разворачиваться влево, многие пилоты предпочитали делать это, так сказать, «через правое плечо» :-). Поворот вправо на 270º получался значительно быстрее, чем влево на 90º .

Основным и достойным противником для Sopwith Camel F.1 был немецкий триплан Fokker Dr.I с двигателем Oberursel UR.II (полный аналог французского Le Rhône 9J). На таком воевал Барон Ма́нфред А́льбрехт фон Рихтго́фен (Manfred Albrecht Freiherr von Richthofen), знаменитый «Красный барон».

Триплан Fokker Dr.I

Германский двигатель Oberursel-UR-2. Копия Le Rhône 9J.

Истребитель-триплан Fokker Dr.I (современная реплика, правда двигатель у нее не ротативный).

Fokker DR1, современная реплика с настоящим ротативным двигателем.

Триплан Fokker Dr.I незадолго до гибели "Красного Барона".

За время войны ротативные двигатели достигли своего полного расцвета. При имеющихся запросах армии, несмотря на свои недостатки они очень хорошо подходили для решения, так сказать, триединой задачи «мощность – вес – надежность». Особенно, что касается легких истребителей. Ведь именно на них в подавляющем большинстве такие движки стояли.

Более крупные и тяжелые самолеты продолжали летать, используя традиционные рядные движки.

Однако авиация развивалась бурными темпами. Требовалась все большая мощность двигателей. Для стационарных рядных это достигалось путем увеличения максимального количества оборотов. Возможности совершенствования в этом направлении были. Улучшались системы зажигания и газораспределения, принципы образования топливовоздушной смеси. Применялись все более совершенные материалы.

Это позволило к концу Первой Мировой войны поднять максимальную величину оборотов стационарного двигателя с 1200 до 2000 об/мин.

Однако, для ротационного двигателя этот было невозможно. Организовать правильное смесеобразование было нельзя. Все приходилось делать «на глазок», поэтому расход топлива (как и масла) был, мягко говоря, немаленьким 🙂 (в том числе, кстати, из-за постоянной работы на больших оборотах).

Какие-либо внешние регулировочные работы на двигателе, пока он находится в запущенном состоянии само собой были невозможны.

Повысить частоту вращения тоже не получалось, потому что сопротивление воздуха быстро вращающемуся блоку цилиндров было достаточно большим. Более того, при увеличении скорости вращения, сопротивление росло еще быстрее. Ведь, как известно, скоростной напор пропорционален квадрату скорости ( ρV2/2, где ρ – плотность воздуха, V – скорость потока). То есть если скорость просто растет, то сопротивление растет в квадрате (примерно :-)).

При попытках на некоторых моделях двигателей начала войны поднять обороты с 1200 об/мин до 1400 об/мин сопротивление поднималось на 38%. То есть получалось, что возросшая мощность двигателя больше тратилась на преодоление сопротивления, чем на создание полезной тяги воздушного винта.

Немецкой фирмой Siemens AG была сделана попытка обойти эту проблему с другой стороны. Был выполнен 11-цилиндровый двигатель так называемой биротативной схемы (наименование Siemens-Halske Sh.III ). В нем блок цилиндров вращался в одну сторону с частотой 900 об/мин., а вал (ранее неподвижный) в другую с той же частотой. Суммарная относительная частота составила 1800 об/мин. Это позволило достичь мощности в 170 л.с.

Биротативный двигатель Siemens-Halske Sh.III .

Истребитель Siemens-Schuckert D.IV .

Истребитель Siemens-Schuckert D.IV в берлинском музее.

Этот двигатель имел меньшее сопротивление воздуху при вращении и меньший крутящий момент, мешающий управлению. Устанавливался на истребителе Siemens-Schuckert D.IV , который по мнению многих специалистов стал одним из лучших маневренных истребителей времен войны. Однако производиться начал поздно и сделан был в небольшом количестве экземпляров.

Существующее положение Siemens-Halske Sh.III не поправил и не смог опять поднять ротативные двигатели на должную высоту.

Недостатков у них, как видите, хватало. Ко всему прочему могу еще добавить, что движки эти были достаточно дороги. Ведь из-за большой быстро вращающейся массы все детали двигателя должны были быть хорошо отбалансированы и четко подогнаны. Плюс сами материалы были недешевы. Это приводило к тому, что, например, двигатель Monosoupape по ценам 1916 года стоил порядка 4000$ (что в переводе на курс года 2000-го составляет примерно 65000$). Это при том, что в движке-то, вобщем-то, по нынешним понятиям :-), ничего особенного-то нет.

Ко всему прочему моторесурс всех таких двигателей был невысок (вплоть до 10-ти часов между ремонтами) и менять их приходилось часто, несмотря на высокую стоимость.

Все эти недостатки копились и в конце концов чаша оказалась переполнена. Ротативный двигатель широко использовался и совершенствовался (по мере возможности) вплоть до конца войны. Самолеты с такими движками некоторое время использовались во время гражданской войны в России и иностранной интервенции. Но в целом их популярность быстро пошла на спад.

Совершенствование науки и производства привели к тому, что на сцену уверенно вышел последователь ротативного двигателя – радиальный или звездообразный двигатель с воздушным охлаждением, который не сходит с нее и по сей день, работая, между прочим, в содружестве с рядным поршневым авиационным двигателем с жидкостным охлаждением.

Ротативный двигатель, оставив яркий след в истории авиации, занимает теперь почетное место в музеях и на исторических выставках.

На этом заканчиваю :-). В заключение как всегда кое-какое интересное видео. Первый ролик — запуск восстановленного двигателя Гном 1918 года выпуска. Далее три ролика о работе двигателя и полетах восстановленного Sopwith Camel F.1, а также Fokker Dr.I  (на заднем плане :-)). Интересного вам просмотра и до встречи…

P.S. Один из моих читателей (Александр) совершенно справедливо указал мне на то, что в ролике, где вместе с Сопвичем летает современная реплика германского триплана, движок у этого триплана не ротативный. Абсолютно верно. Я, увлекшись Сопвичем, не обратил на это внимание :-). Прошу прощения у читателей и помещаю ролик (и фото), где в полете современная реплика Фоккера с настоящим ротативным движком. Самолет здесь классно показан :-)…

Фотографии кликабельны.

No related posts.

Ротативный двигатель. Чумазый вояка…

Сегодня поговорим о двигателе, эра расцвета которого пришлась на тот период времени, когда авиация еще не вышла из состояния «летающих этажерок», но когда эти самые этажерки уже чувствовали себя в воздухе достаточно уверенно.

Истребитель Sopwith Camel F.1 с двигателем Clerget 9B.

Основные принципы самолето- и двигателестроения быстро принимали устойчивые очертания. Появлялось все больше моделей двигателей для аэропланов, а вместе с ними как новые победы, так и новые проблемы в двигателестроении. Конструкторы и инженеры стремились (как это, вобщем-то, происходит и сейчас 🙂 ) максимально облегчить двигатели и при этом сохранить или даже увеличить их тяговую эффективность.

На этой волне и появился ротативный двигатель для тогдашних аэропланов. Почему именно для аэропланов? Да потому что сам по себе этот тип двигателя был разработан даже значительно раньше первого полета братьев Райт.

Однако обо всем по порядку. Что из себя представляет ротативный двигатель…. На английском rotary engine (что, кстати, на мой взгляд странно, потому что этим же словом обозначается роторный двигатель (двигатель Ванкеля)). Это двигатель внутреннего сгорания, в котором цилиндры с поршнями ( их нечетное количество) расположены радиально в виде звезды, обычно четырехтактный.

Рабочее топливо — бензин, воспламенение происходит от свечей зажигания.

По внешнему виду он очень похож на появившийся практически одновременно с ним и хорошо нам сегодня известный радиальный (звездообразный) поршневой двигатель. Но это только в неработающем состоянии. При запуске ротативный двигатель на неосведомленного о нем человека производит сильное впечатление.

Ротативный двигатель. Чумазый вояка…

Работа ротативного двигателя.

Происходит это потому, что уж очень необычно, на первый взгляд, выглядит его работа. Ведь вместе с винтом вращается и весь блок цилиндров, то есть, по сути дела весь двигатель. А вал, на котором происходит это вращение закреплен неподвижно. Однако в механическом плане ничего необычного тут нет. Просто дело привычки 🙂 .

Топливо-воздушная смесь из-за вращения цилиндров не может быть подведена к ним обычным порядком, поэтому попадает туда из картера, куда подводится через полый неподвижный вал от карбюратора (или устройства его заменяющего).

Впервые в истории патент на ротативный двигатель получил французский изобретатель Félix Millet в 1888 году. Тогда этот двигатель поставили на мотоцикл и показали его на всемирной парижской выставке в 1889 году.

Ротативный двигатель. Чумазый вояка…

Ротативный двигатель Félix Millet на мотоцикле.

Позже двигатели Félix Millet ставились на автомобили, один из которых принял участие в первой в мире автомобильной гонке Paris–Bordeaux–Paris в 1895 году, а с 1900 года эти двигатели ставили на автомобили французской фирмы Darracq.

В дальнейшем инженеры-изобретатели стали обращать внимание на ротативный двигатель уже с точки зрения применения его в авиации.

Первым в этом плане был бывший ньюйоркский часовщик Stephen Balzer, создавший свой ротативный двигатель в 1890 году и ставший автором (совместно с инженером Charles M. Manly) первого в истории двигателя, разработанного конкретно для аэроплана, известного под названием Manly-Balzer engine.

Практически одновременно с ним работал американский инженер Adams Farwell, строивший автомобили с ротативными двигателями с 1901 года.

Ротативный двигатель. Чумазый вояка…

Открытый картер двигателя Le Rhône 9J.

По некоторым сведениям принципы конструкции его двигателей были взяты за основу производителями знаменитых впоследствии двигателей «Гном».

Что же так привлекало инженеров в ротативном двигателе? Что в нем такого полезного для авиации?

Есть две основные особенности, которые и являются его главными положительными качествами. Первая — это самый малый (по тому времени) вес по сравнению с двигателями той же мощности. Дело в том, что частоты вращения тогдашних двигателей были невысокие и для получения необходимой мощности (в среднем тогда порядка 100 л.с. (75 кВт)) циклы воспламенения топливовоздушной смеси давали о себе знать весьма ощутимыми толчками.

Чтобы этого избежать двигатели снабжались массивными маховиками, что, естественно, влекло за собой утяжеление конструкции. Но для ротативного двигателя маховик был не нужен, потому, что вращался сам двигатель, имеющий достаточную массу для стабилизации хода.

Такие двигатели отличались плавностью и равномерностью хода. Зажигание производилось последовательно в каждом цилиндре через один по кругу.

Второй особенностью было хорошее охлаждение. Металлургическая промышленность в те времена была не настолько развита, как сейчас и качество сплавов (в плане термостойкости) было не слишком высоким. Поэтому требовалось хорошее охлаждение.

Скорости полета самолетов были не высокие, поэтому простое охлаждение набегающим потоком стационарного движка было недостаточным. А ротативный двигатель здесь находился в более выгодном положении, потому что сам вращался с достаточной для эффективного охлаждения скоростью и цилиндры хорошо обдувались воздухом. При этом они могли быть как гладкими, так и оребренными. Охлаждение было достаточно эффективным даже при работе двигателя на земле.

Теперь отвлечемся на пару полезных роликов о работе ротативного двигателя. Первый – это моделирование его работы на компьютере. Во втором показана работа “внутренностей” двигателя Le Rhône.

Расцвет ротативных двигателей пришелся на первую мировую войну. В то время авиация уже достаточно серьезно участвовала в боевых действиях и воздушные бои не были редкостью. Самолеты и двигатели для них производились всеми крупными участниками войны.

Из двигателестроительных одной из самых известных была французская фирма Société des Moteurs Gnome, в свое время занимавшаяся производством двигателей внутреннего сгорания для промышленного производства. В 1900 году она купила лицензию на производство маленького одноцилиндрового стационарного двигателя (мощность 4 л.с.) Gnom у немецой фирмы Motorenfabrik Oberursel. Это движок продавался во Франции под французским наименованием Gnome и при этом настолько успешно, что наименование это было использовано в названии фирмы.

Ротативный двигатель. Чумазый вояка…

Ротативный двигатель Gnome 7 Omega.

В дальнейшем на базе Гнома был разработан ротативный двигатель Gnome Omega, имевший немалое количество модификаций и устанавливавшийся на самые различные самолеты. Известны так же другие массово производившиеся двигатели этой фирмы. Например, Gnome 7 Lambda – семицилиндровый, мощностью 80 л.с. и его продолжение Gnome 14 Lambda-Lambda (160 л.с.), двухрядный ротативный двигатель с 14-ю цилиндрами.

Ротативный двигатель. Чумазый вояка…

Двигатель Gnome Monosoupape.

Широко известен двигатель Gnome Monosoupape (один клапан), начавший выпускаться в 1913 году и считавшийся одним из лучших двигателей в начальный период войны. Этот «лучший двигатель» 🙂 имел всего один клапан, использовавшийся и для выхлопа и для забора воздуха. Для поступления топлива в цилиндр из картера, в юбке цилиндра был сделан ряд специальных отверстий. Двигатель был бескарбюраторный и из-за упрощенной системы управления был легче и потреблял, к тому же меньше масла.

Ротативный двигатель. Чумазый вояка…

Подвод топлива в цилиндр Gnome Monosoupape. Crank Case - картер, Ports - подводящие отверстия.

Управления у него не было практически никакого. Был только топливный кран, подававший бензин через специальную форсунку (или распылитель) в полый неподвижный вал и далее в картер. Этим краном можно было пытаться обогащать или обеднять топливо-воздушную смесь в очень узком диапазоне, от чего было мало толку.

Пытались использовать с целью управления изменение фаз газораспределения, но быстро от этого отказались, потому что начали гореть клапана. В итоге движок постоянно работал на максимальных оборотах (как, впрочем и все ротативные двигатели 🙂 ) и управлялся только отключением зажигания (об этом чуть ниже 🙂 ).

Другой известной французской фирмой, производившей ротативный двигатели была фирма Société des Moteurs Le Rhône, начавшая свою работу с 1910 года. Одними из самых известных ее двигателей были Le Rhône 9C (мощность 80 л.с.) и Le Rhône 9J (110 л.с.). Характерной их особенностью было наличие специальных трубопроводов от картера к цилиндрам для подвода топливо-воздушной смеси (немного похоже на входные коллектора современных ДВС).

Ротативный двигатель. Чумазый вояка…

Двигатель Le Rhone 9C.

Ротативный двигатель. Чумазый вояка…

Ротативный двигатель Le Rhone 9J.

Le Rhône и Gnome первоначально соперничали, но потом объединились и с 1915 года уже работали совместно под названием Société des Moteurs Gnome et Rhône. Двигатель 9J был, вобщем-то, уже их совместным продуктом.

Интересно, что вышеупомянутая германская фирма Motorenfabrik Oberursel в 1913 году закупила лицензии на производство теперь уже французских ротативных двигателей Gnome (хотя и была родоначальницей этого брэнда, можно сказать 🙂 ) и чуть позже двигателей Le Rhône. Их она выпускала под своими наименованиями: Gnome, как U-серия и Le Rhône, как UR-серия ( от немецкого слова Umlaufmotor, обозначающего ротативный двигатель).

Например, двигатель Oberursel U.0 был аналогом французского Gnome 7 Lambda и устанавливался первоначально на самолет Fokker E.I., а двигатель Oberursel U.III – это копия двухрядного Gnome 14 Lambda-Lambda.

Ротативный двигатель. Чумазый вояка…

Истребитель Fokker E.I с двигателем Oberursel U.0 .

Ротативный двигатель. Чумазый вояка…

Германский двухрядный Oberursel U.III, копия Gnome 14 Lambda-Lambda.

Вообще фирма Motorenfabrik Oberursel всю войну в довольно большом количестве производила двигатели-клоны французских моделей, которые потом ставились на самолеты, являвшиеся противниками французов и их союзников в воздушных боях. Вот такие фокусы жизни 🙂 …

Среди других известных двигателестроительных фирм значится также французская фирма Société Clerget-Blin et Cie ( интересное для русского уха слово Blin в названии означает фамилию одного из учредителей, промышленника Эжена Блина 🙂 ) со своим известным движком Clerget 9B.

Ротативный двигатель. Чумазый вояка…

Двигатель Clerget 9B.

Ротативный двигатель. Чумазый вояка…

Двигатель Clerget 9B на истребителе Sopwith 1½ Strutter.

Ротативный двигатель. Чумазый вояка…

Истребитель Sopwith 1 1/2 Strutter с двигателем Clerget 9B.

Многие двигатели производились в Великобритании по лицензиям. На этих же заводах выпускали английские двигатели разработки Walter Owen Bentley (того самого Бентли) Bentley BR.1 (заменившие Clerget 9B на истребителях Sopwith Camel) и Bentley BR.2 для истребителей Sopwith 7F.1 Snipe.

На двигателях Bentley в конструкции поршней впервые были применены алюминиевые сплавы. До этого на всех движках цилиндры были чугунные.

Ротативный двигатель. Чумазый вояка…

Ротативный двигатель Bentley BR1.

Ротативный двигатель. Чумазый вояка…

Ротативный двигатель Bentley BR2.

Ротативный двигатель. Чумазый вояка…

Истребитель Sopwith 7F.1 Snipe с двигателем Bentley BR.2

Теперь вспомним о других особенностях ротативного двигателя, которые, так сказать, плюсов ему не прибавляют 🙂 (чаще всего как раз наоборот).

Немного об управлении. Современный (стационарный, конечно 🙂 ) поршневой двигатель, неважно рядный он или звездообразный, управляется относительно легко. Карбюратор (либо инжектор) формирует нужный состав топливо-воздушной смеси и с помощью дроссельной заслонки пилот может регулировать подачу ее в цилиндры и, тем самым, менять обороты двигателя. Для этого по сути дела существует ручка (или педаль, как хотите 🙂 ) газа.

У ротативного двигателя все не так просто 🙂 . Несмотря на разницу конструкций, большинство ротативных двигателей имели на цилиндрах управляемые впускные клапана, через которые и поступала топливо-воздушная смесь. Но вращение цилиндров не позволяло применять обычный карбюратор, который бы поддерживал оптимальное соотношение воздух-топливо за дроссельной заслонкой. Состав смеси, поступающей в цилиндры нужно было корректировать для достижения оптимального соотношения и устойчивой работы двигателя.

Для этого обычно существовал дополнительный воздушный клапан (“bloctube”) . Пилот устанавливал рычаг газа в нужное положение (чаще всего полностью открывая дроссель) и потом рычагом регулировки подачи воздуха добивался устойчивой работы двигателя на максимальных оборотах, производя так называемую тонкую регулировку. На таких оборотах обычно и проходил полет.

Из-за большой инерционности двигателя (масса цилиндров все же немаленькая 🙂 ), такая регулировка часто делалась «методом тыка», то есть определить нужную величину регулировки можно было только на практике, и эта практика была необходима для уверенного управления. Все зависело от конструкции двигателя и опыта пилота.

Весь полет проходил на максимальной частоте вращения движка и если ее по какой-либо причине надо было снизить, например для посадки, то действия по управлению должны были быть обратного направления. То есть пилоту нужно было прикрыть дроссель и потом опять регулировать подачу воздуха в двигатель.

Но такое «управление» было, как вы понимаете, достаточно громоздким и требующим времени, которое в полете не всегда есть, особенно на посадке. Поэтому гораздо чаще применялся метод отключения зажигания. Чаще всего это делалось через специальное устройство, позволяющее отключать зажигание полностью или в отдельных цилиндрах. То есть цилиндры без зажигания переставали работать и двигатель в целом терял мощность, что и нужно было пилоту.

Этот метод управления широко применялся на практике, но тянул за собой и кучу проблем. Топливо, вместе, кстати, с маслом, несмотря на отключение зажигания, продолжало поступать в двигатель и, несгорев, благополучно его покидало и затем скапливалось под капотом. Так как движок очень горячий, то опасность серьезного пожара налицо. Тогдашние «легкие этажерки» горели очень легко и быстро 🙂 .

Ротативный двигатель. Чумазый вояка…

Пример защитных капотов на двигателе (защита от масла двигатель Gnome 7 Lambda ) на самолете Sopwith Tabloid.

Поэтому капоты для двигателей имели внизу вырез примерно на одну треть периметра или на худой конец серьезные дренажные отводы, чтобы вся эта гадость могла быть удалена набегающим потоком. Чаще всего, конечно, она размазывалась по фюзеляжу.

Кроме того свечи в неработающих цилиндрах могли оказаться залитыми и замасленными и повторный запуск поэтому был не гарантирован.

К 1918 году французская двигателестроительная фирма Société Clerget-Blin et Cie (ротативные двигатели Clerget 9B), исходя из очевидной опасности использования способа снижения мощности путем отключения зажигания, в руководстве по эксплуатации своих двигателей рекомендовала следующий метод управления.

При необходимости снижения мощности двигателя пилот перекрывает подачу топлива закрытием дросселя (ручкой газа). При этом зажигание не отключается, и свечи продолжают «искрить» (предохраняя себя от замасливания). Винт вращается в результате эффекта авторотации, и при необходимости запуска топливный клапан просто открывается в то же положение, что и до закрытия. Двигатель запускается…

Однако, по отзывам пилотов, которые в наши дни летают на восстановленных или точных копиях самолетов того времени, все-таки самый удобный режим снижения мощности – это отключение зажигания, несмотря на всю «грязь», которую при этом извергают ротативные двигатели 🙂 .

Самолеты с такими движками вообще особой чистотой не отличались. Про топливо в отключенных цилиндрах я уже сказал, но ведь было еще и масло. Дело в том, что из-за вращающегося блока цилиндров, возможность откачки топлива из картера была весьма проблематична, поэтому организовать полноценную систему смазки было нельзя.

Ротативный двигатель. Чумазый вояка…

Схема топливо- и маслопитания ротативного двигателя Gnome 7 Omega.

Но без смазки никакой механизм работать не будет, поэтому она, конечно, существовала, но в о-о-очень упрощенном виде. Масло подавалось прямо в цилиндры, в топливо-воздушную смесь.На большинстве двигателей для этого существовал небольшой насос, подававший масло через полый (неподвижный, как уже известно 🙂 ) вал по специальным каналам.

В качестве смазывающего масла использовалось касторовое, самое лучшее по тем временам масло ( природное растительное) для этих целей. Оно, кроме того не смешивалось с топливом, что улучшало условия смазки. Да и сгорало в цилиндрах оно только частично.

Ротативный двигатель. Чумазый вояка…

Пример замасливания (темные пятна) двигателя Gnome 7 Omega полусгоревшим касторовым маслом.

А удалялось оно оттуда после выполнения своих функций вместе с отработанным газами через выпускной клапан. И расход его при этом был очень даже немаленький. Средний движок, мощностью около 100 л.с. (≈75 кВт, 5-7 цилиндров) за час работы расходовал более двух галлонов (английских) масла. То есть около 10 литров вылетало «на ветер».

Ну что тут скажешь… Бедные механики 🙂 . Масло, сгоревшее и не совсем, топливная смесь, оставшаяся после дросселирования движка, сажа… все это оседало на самолете, и все это нужно было отмывать. Причем масло это отмывалось очень плохо. Из-за этого на старых снимках самолеты частенько «щеголяют» грязными пятнами на крыле и фюзеляже.

Но и летчики – люди мужественные 🙂 . Ведь из движка выходила касторка. А это, как известно, очень хорошее слабительное (в аптеках раньше продавалась, не знаю, как сейчас). Конечно, двигатель был закрыт капотом, и снизу, как я уже говорил, был вырез для удаления всей грязи. Но ведь кабина открытая и воздушный поток – штука не всегда управляемая. Если чистая касторка попадала на лицо и потом внутрь… Последствия предугадать…. наверное было не сложно 🙂 …

Следующая особенность ротативных двигателей, которую я бы тоже не назвал положительной была связана с управляемостью аэропланов, на которых стояли такие движки. Немалая масса вращающегося блока представляла собой по сути дела большой гироскоп, поэтому гироскопический эффект был неизбежен 🙂 .

Пока самолет летел прямолинейно, его влияние не было сильно заметно, но стоило начать совершать какие-либо полетные эволюции, как сразу проявлялась гироскопическая прецессия. Из-за этого и вкупе с большим крутящим моментом массивного блока цилиндров при выбранном правом вращении винта самолет очень неохотно поворачивал влево и при этом задирал нос, но зато быстро делал правые развороты с большой тенденцией к опусканию носа.

Такой эффект с одной стороны очень мешал (особенно молодым и неопытным пилотам), а с другой был полезен при проведении воздушных боев , в так называемых «собачьих свалках» (dogfights). Это, конечно, для опытных летчиков, которые могли с толком использовать эту особенность.

Очень характерен в этом плане был известный самолет Sopwith Camel F.1 Королевских ВВС, считавшийся лучшим истребителем Первой Мировой. На нем стоял ротативный двигатель Clerget 9B ( как примечание добавлю, что в последствии также ставился и английский Bentley BR.1(150 л.с.)). Мощный (130 л.с.), но достаточно капризный двигатель, чувствительный к составу топлива и к маслу. Мог запросто отказать на взлете. Но именно благодаря ему и особенностям компоновки фюзеляжа (рассредоточению полезного оборудования) Camel был очень маневренен.

Ротативный двигатель. Чумазый вояка…

Истребитель Sopwith Camel F.1 с двигателем Clerget 9B .

Ротативный двигатель. Чумазый вояка…

Истребитель Sopwith Camel F.1 (реплика).

Маневренность эта, правда, доходила до крайности. В управлении истребитель был необычайно строг и вообще имел кое-какие неприятные особенности. Например, большое желание войти в штопор на малой скорости 🙂 . Он абсолютно не подходил для обучения молодых пилотов. По некоторой статистике за время войны в боевых действиях на этом аэроплане погибло 415 пилотов, а в летных происшествиях – 385. Цифры красноречивые…

Однако опытные пилоты, хорошо его освоившие, могли извлечь большую пользу из его особенностей и делали это. Интересно, что из-за нежелания Camel-а быстро разворачиваться влево, многие пилоты предпочитали делать это, так сказать, «через правое плечо» 🙂 . Поворот вправо на 270º получался значительно быстрее, чем влево на 90º .

Основным и достойным противником для Sopwith Camel F.1 был немецкий триплан Fokker Dr.I с двигателем Oberursel UR.II (полный аналог французского Le Rhône 9J). На таком воевал Барон Ма́нфред А́льбрехт фон Рихтго́фен (Manfred Albrecht Freiherr von Richthofen), знаменитый «Красный барон».

Ротативный двигатель. Чумазый вояка…

Триплан Fokker Dr.I

Ротативный двигатель. Чумазый вояка…

Германский двигатель Oberursel-UR-2. Копия Le Rhône 9J.

Ротативный двигатель. Чумазый вояка…

Истребитель-триплан Fokker Dr.I (современная реплика, правда двигатель у нее не ротативный).

Ротативный двигатель. Чумазый вояка…

Fokker DR1, современная реплика с настоящим ротативным двигателем.

Ротативный двигатель. Чумазый вояка…

Триплан Fokker Dr.I незадолго до гибели "Красного Барона".

За время войны ротативные двигатели достигли своего полного расцвета. При имеющихся запросах армии, несмотря на свои недостатки они очень хорошо подходили для решения, так сказать, триединой задачи «мощность – вес – надежность». Особенно, что касается легких истребителей. Ведь именно на них в подавляющем большинстве такие движки стояли.

Более крупные и тяжелые самолеты продолжали летать, используя традиционные рядные движки.

Однако авиация развивалась бурными темпами. Требовалась все большая мощность двигателей. Для стационарных рядных это достигалось путем увеличения максимального количества оборотов. Возможности совершенствования в этом направлении были. Улучшались системы зажигания и газораспределения, принципы образования топливовоздушной смеси. Применялись все более совершенные материалы.

Это позволило к концу Первой Мировой войны поднять максимальную величину оборотов стационарного двигателя с 1200 до 2000 об/мин.

Однако, для ротационного двигателя этот было невозможно. Организовать правильное смесеобразование было нельзя. Все приходилось делать «на глазок», поэтому расход топлива (как и масла) был, мягко говоря, немаленьким 🙂 (в том числе, кстати, из-за постоянной работы на больших оборотах).

Какие-либо внешние регулировочные работы на двигателе, пока он находится в запущенном состоянии само собой были невозможны.

Повысить частоту вращения тоже не получалось, потому что сопротивление воздуха быстро вращающемуся блоку цилиндров было достаточно большим. Более того, при увеличении скорости вращения, сопротивление росло еще быстрее. Ведь, как известно, скоростной напор пропорционален квадрату скорости ( ρV2/2, где ρ – плотность воздуха, V – скорость потока). То есть если скорость просто растет, то сопротивление растет в квадрате (примерно 🙂 ).

При попытках на некоторых моделях двигателей начала войны поднять обороты с 1200 об/мин до 1400 об/мин сопротивление поднималось на 38%. То есть получалось, что возросшая мощность двигателя больше тратилась на преодоление сопротивления, чем на создание полезной тяги воздушного винта.

Немецкой фирмой Siemens AG была сделана попытка обойти эту проблему с другой стороны. Был выполнен 11-цилиндровый двигатель так называемой биротативной схемы (наименование Siemens-Halske Sh.III ). В нем блок цилиндров вращался в одну сторону с частотой 900 об/мин., а вал (ранее неподвижный) в другую с той же частотой. Суммарная относительная частота составила 1800 об/мин. Это позволило достичь мощности в 170 л.с.

Ротативный двигатель. Чумазый вояка…

Биротативный двигатель Siemens-Halske Sh.III .

Ротативный двигатель. Чумазый вояка…

Истребитель Siemens-Schuckert D.IV .

Ротативный двигатель. Чумазый вояка…

Истребитель Siemens-Schuckert D.IV в берлинском музее.

Этот двигатель имел меньшее сопротивление воздуху при вращении и меньший крутящий момент, мешающий управлению. Устанавливался на истребителе Siemens-Schuckert D.IV , который по мнению многих специалистов стал одним из лучших маневренных истребителей времен войны. Однако производиться начал поздно и сделан был в небольшом количестве экземпляров.

Существующее положение Siemens-Halske Sh.III не поправил и не смог опять поднять ротативные двигатели на должную высоту.

Недостатков у них, как видите, хватало. Ко всему прочему могу еще добавить, что движки эти были достаточно дороги. Ведь из-за большой быстро вращающейся массы все детали двигателя должны были быть хорошо отбалансированы и четко подогнаны. Плюс сами материалы были недешевы. Это приводило к тому, что, например, двигатель Monosoupape по ценам 1916 года стоил порядка 4000$ (что в переводе на курс года 2000-го составляет примерно 65000$). Это при том, что в движке-то, вобщем-то, по нынешним понятиям 🙂 , ничего особенного-то нет.

Ко всему прочему моторесурс всех таких двигателей был невысок (вплоть до 10-ти часов между ремонтами) и менять их приходилось часто, несмотря на высокую стоимость.

Все эти недостатки копились и в конце концов чаша оказалась переполнена. Ротативный двигатель широко использовался и совершенствовался (по мере возможности) вплоть до конца войны. Самолеты с такими движками некоторое время использовались во время гражданской войны в России и иностранной интервенции. Но в целом их популярность быстро пошла на спад.

Совершенствование науки и производства привели к тому, что на сцену уверенно вышел последователь ротативного двигателя – радиальный или звездообразный двигатель с воздушным охлаждением, который не сходит с нее и по сей день, работая, между прочим, в содружестве с рядным поршневым авиационным двигателем с жидкостным охлаждением.

Ротативный двигатель, оставив яркий след в истории авиации, занимает теперь почетное место в музеях и на исторических выставках.

На этом заканчиваю 🙂 . В заключение как всегда кое-какое интересное видео. Первый ролик – запуск восстановленного двигателя Гном 1918 года выпуска. Далее три ролика о работе двигателя и полетах восстановленного Sopwith Camel F.1, а также Fokker Dr.I (на заднем плане 🙂 ). Интересного вам просмотра и до встречи…

P.S. Один из моих читателей (Александр) совершенно справедливо указал мне на то, что в ролике, где вместе с Сопвичем летает современная реплика германского триплана, движок у этого триплана не ротативный. Абсолютно верно. Я, увлекшись Сопвичем, не обратил на это внимание 🙂 . Прошу прощения у читателей и помещаю ролик (и фото), где в полете современная реплика Фоккера с настоящим ротативным движком. Самолет здесь классно показан 🙂 …

Ротативный двигатель — Энциклопедия журнала "За рулем"

Этот двигатель английской фирмы «Селвуд» из Саутгемптона значительно отличается от других двигателей ротативного типа.

Продольный разрез двигателя
1 - впуск топлива;
2 — стационарный вал;
3 — ротор;
4 — выход отработавших газов;
5 — поршень в одном из своих конечных положений;
6 — демонтирующаяся головка цилиндров;
7 — ведомый вал;
8 - впускное отверстие;
9 — уплотнение.
Продольный разрез двигателя показан на рисунке. Расположенный с левой стороны стационарный вал имеет уступ и в той части, которая входит в центральную камеру, соответственно меньший диаметр. На этом валу сидит наклонная кольцевая деталь (помечена густой штриховкой), имеющая двойной шариковый подшипник, на котором вращается шестилучевая крестовина; последняя связана при помощи шаровых шарниров с шестью дуговыми поршнями. Все это в сборе вращается в плоскости, наклоненной относительно вертикальной оси примерно на десять градусов. Покоящийся на двух конических роликовых подшипниках картер блока цилиндров может при этом вращаться вокруг стационарного вала; расположенный с правой стороны двигателя выходной вал жестко связан с блоком цилиндров.
Такое устройство позволяет отдельным цилиндрам вращаться по круговой дуге, благодаря чему весь двигатель при рабочем объеме цилиндров 700 см3 представляет собой очень компактную конструкцию с соответственно небольшим весом.
Как видно из рисунка, верхний поршень находится на правом конце своего цилиндра (тоже выполненного дугообразным), в то время как нижний поршень расположен на противоположном конце соответствующего цилиндра. Если повернуть этот узел на пол-оборота, то получается точно такая же картина, однако положение верхнего и нижнего поршней относительно их цилиндров изменится. Благодаря наклонному расположению кольцевой детали и крестовины, верхний поршень описывает при полуобороте от верхнего правого к нижнему левому концу цилиндра половину круговой дуги, в то время как нижний поршень совершает противоположное движение. Поскольку блок цилиндров вращается на своей жесткой оси, а узел крестовина-поршень несколько наклонен, то имеет место некоторое возвратно-поступательное движение поршня относительно соответствующего ему цилиндра.
Топливо-воздушная смесь попадает в двигатель под давлением и воспламеняется попеременно у противонаправленных концов каждого отдельного цилиндра. В общей сложности имеются двенадцать камер сгорания, причем сгорание происходит соответственно в двух диаметрально расположенных камерах.
Для получения наиболее простой в механическом отношении конструкции, при постройке первого опытного образца двигателя был избран двухтактный цикл работы, хотя возможно осуществить также и четырехтактный процесс.
Общая конструктивная концепция нового двигателя исключает использование нижней части поршня для сжатия топлива. Приводимая клиноременной передачей воздуходувка тянет воздух через горизонтальный карбюратор и направляет топливо-воздушную смесь сквозь стационарный вал, через центральную камеру двигателя радиально к впускным каналам, расположенным во внутренних стенках цилиндров. Топливо-воздушная смесь осуществляет одновременно смазку обоих главных подшипников (коническо-роликовых), двойных шариковых подшипников крестовины, а также шарниров, которые в данном случае выполняют задачу поршневых пальцев. Выталкивание сгоревших газов осуществляется через имеющееся с наружной стороны цилиндров выходные отверстия, причем закрывание либо открывание этих каналов осуществляется возвратно-поступательно движущимися поршнями.
Воспламенение топливо-воздушной смеси осуществляется двенадцатью, расположенными снаружи по обеим сторонам картера двигателя, запальными свечами. Их внешние отводы отделены маленьким воздушным зазором от стационарного электрода, работающего в качестве распределителя. Момент зажигания регулирует прерыватель, приводной вал которого, имеющий шесть кулачков, вращается с таким же числом оборотов, что и двигатель. На каждые шесть свечей имеется собственная катушка; они расположены по обе стороны двигателя. Выполненный из ковкой стали блок цилиндров состоит из двух половин, которые соединены друг с другом по периферии болтами. Все детали двигателя могут быть изготовлены на обычных серийных станках. Рабочий объем цилиндров двигателя равен 700 см3, диаметр цилиндра 44,75 мм. ход поршня 38,10 мм. Вес опытного образца, который в дальнейшем может быть снижен, составляет 27 кг. Для облегчения монтажа поршни (они выполнены из специального сплава и весят всего по 230 г), состоят из трех частей. Для устранения вращательного движения поршневые кольца удерживаются в пазах. Запуск двигателя осуществляется с помощью ременного шкива.
Произведенные испытания опытного образца показали, что без нагрузки мотор равномерно работает на различных режимах оборотов. Были произведены также испытания двигателя под нагрузкой, однако, полученные с помощью тормоза результаты замера мощности не публикуются. В качестве одного из важнейших преимуществ конструкции следует назвать значительно меньший износ поршней и других деталей.
Отсутствие кривошипного механизма, маховика, всей системы смазки, системы охлаждения с радиатором и водяной помпой, а также трамблера говорит о больших возможностях, заложенных в конструкции.

Двигатель «Селвуд»
1 — стационарный вал;
2 — кольцевой кожух над соединением двух половин блока цилиндров;
3 — электрод высокого напряжения;
4 — выходной (ведомый) вал;
5 — двухрядный шариковый подшипник;
6 — крестовина;
7 — электрод высокого напряжения.

особенности, преимущества и недостатки моторов

Идея роторного двигателя слишком заманчива: когда и конкурент весьма далек от идеала, кажется, что вот-вот преодолеем недостатки и получим не мотор, а само совершенство… Mazda находилась в плену этих иллюзий аж до 2012 года, когда была снята с производства последняя модель с роторным двигателем - RX-8.

История создания роторного двигателя

Роторный двигатель (РПД)Второе имя роторного двигателя (РПД) - ванкель (этакий аналог дизеля). Именно Феликсу Ванкелю сегодня приписываются лавры изобретателя роторно-поршневого двигателя и даже рассказывается трогательная история о том, как Ванкель шел к поставленной цели тогда же, когда Гитлер шел к своей.

На самом деле все было чуточку иначе: талантливый инженер, Феликс Ванкель действительно трудился над разработкой нового, простого двигателя внутреннего сгорания, но это был другой двигатель, основанный на совместном вращении роторов.

После войны Ванкель был привлечен немецкой фирмой NSU, занимавшейся в основном выпуском мотоциклов, в одну из рабочих групп, трудившихся над созданием роторного двигателя под руководством Вальтера Фройде.

Вклад Ванкеля - это обширные исследования уплотнений вращающихся клапанов. Базовая схема и инженерная концепция принадлежат Фройде. Хотя у Ванкеля был патент на двойственное вращение.

Первый двигатель имел вращающуюся камеру и неподвижный ротор. Неудобство конструкции навело на мысль поменять схему местами.

Первый двигатель с вращающимся ротором начал работу в середине 1958 года. Он мало отличался от своего потомка наших дней - разве что свечи пришлось перенести на корпус.

Феликс Ванкель и его первый роторный двигатель

Феликс Ванкель и его первый роторный двигатель

Вскоре фирма объявила о том, что ей удалось создать новый и очень перспективный двигатель. Почти сотня компаний, занимающихся производством автомобилей, закупила лицензии на выпуск этого мотора. Треть лицензий оказалась в Японии.

РПД в СССР

А вот Советский Союз лицензию не покупал вовсе. Разработки собственного роторного двигателя начались с того, что в Союз привезли и разобрали немецкий автомобиль Ro-80, производство которого NSU начала в 1967 году.

Через семь лет после этого на заводе ВАЗ появилось конструкторское бюро, разрабатывающее исключительно роторно-поршневые двигатели. Его трудами в 1976 году возник двигатель ВАЗ-311. Но первый блин получился комом, и его дорабатывали еще шесть лет.

Первый советский серийный автомобиль с роторным двигателем - это ВАЗ-21018, представленный в 1982 году. К сожалению, уже в опытной партии у всех машин вышли из строя моторы. Дорабатывали еще год, после чего появился ВАЗ-411 и ВАЗ 413, которые были взяты на вооружение силовыми ведомствами СССР. Там не особо переживали за расход топлива и малый ресурс мотора, зато нуждались в быстрых, мощных, но неприметных авто, способных угнаться за иномаркой.

ВАЗ с роторным двигателем (ГАИ)

ВАЗ с роторным двигателем (ГАИ)

РПД на Западе

На Западе роторный двигатель не произвел бума, а конец его разработкам в США и Европе положил топливный кризис 1973 года, когда цены на бензин резко взлетели, и покупатели машин стали прицениваться к моделям с экономным расходованием топлива.

Если учесть, что роторный двигатель съедал до 20 литров бензина на сотню км, продажи его во время кризиса упали до предела.

Единственной страной на Востоке, не утратившей веру, стала Япония. Но и там производители довольно быстро охладели к двигателю, который никак не желал совершенствоваться. И в конце концов там остался один стойкий оловянный солдатик - компания Mazda. В СССР топливный кризис не ощущался. Производство машин с РПД продолжалось и после распада Союза. ВАЗ прекратил заниматься РПД только в 2004 году. Mazda смирилась только в 2012.

Особенности роторного мотора

В основу конструкции положен ротор треугольной формы, каждая из граней которого имеет выпуклость (треугольник Рёло). Ротор вращается по планетарному типу вокруг центральной оси - статора. Вершины треугольника при этом описывают сложную кривую, именуемую эпитрохоидой. Форма этой кривой обуславливает форму капсулы, внутри которой вращается ротор.

принцип работы роторного двигателя

принцип работы роторного мотора

У роторного мотора те же четыре такта рабочего цикла, что и у его конкурента - поршневого мотора.

Камеры образуются между гранями ротора и стенками капсулы, их форма - переменная серповидная, что является причиной некоторых существенных недостатков конструкции. Для изоляции камер друг от друга используются уплотнители - радиальные и торцевые пластины.

Если сравнивать роторный ДВС с поршневым, то первым бросается в глаза то, что за один оборот ротора рабочий ход происходит три раза, а выходной вал при этом вращается в три раза быстрее, чем сам ротор.

У РПД отсутствует система газораспределения, что весьма упрощает его конструкцию. А высокая удельная мощность при малом размере и весе агрегата являются следствием отсутствия коленвала, шатунов и других сопряжений между камерами.

Достоинства и недостатки роторных двигателей

Преимущества

  • Роторный двигатель хорош тем, что состоит из куда меньшего числа деталей, чем его конкурент - процентов на 35-40.

  • Два двигателя одинаковой мощности - роторный и поршневый - будут сильно отличаться габаритами. Поршневый в два раза больше.

  • Роторный мотор не испытывает большой нагрузки на высоких оборотах даже в том случае, если на низкой передаче разгонять машину до скорости более 100 км/ч.

  • Автомобиль, на котором стоит роторный двигатель, проще уравновесить, что дает повышенную устойчивость машины на дороге.

  • Даже самые легкие из транспортных средств не страдают от вибрации, потому что РПД вибрирует куда меньше, чем «поршневик». Это происходит в силу большей сбалансированности РПД.

Недостатки

  • Главным недостатком роторного двигателя автомобилисты назвали бы его малый ресурс, который является прямым следствием его конструкции. Уплотнители изнашиваются крайне быстро, так как их рабочий угол постоянно меняется.

  • Мотор испытывает перепады температур через каждый такт, что также способствует износу материала. Добавьте к этому давление, которое оказывается на трущиеся поверхности, что лечится только впрыскиванием масла непосредственно в коллектор.

  • Износ уплотнителей становится причиной утечки между камерами, перепады давления между которыми слишком велики. Из-за этого КПД двигателя падает, а вред экологии растет.

  • Серповидная форма камер не способствует полноте сгорания топлива, а скорость вращения ротора и малая длина рабочего хода - причина выталкивания еще слишком горячих, не до конца сгоревших газов на выхлоп. Помимо продуктов сгорания бензина там еще присутствует масло, что в совокупности делает выхлоп весьма токсическим. Поршневый - приносит меньше вреда экологии.

  • Непомерные аппетиты двигателя на бензин уже упоминались, а масло он "жрет" до 1 литр на 1000 км. Причем стоит раз забыть про масло и можно попасть на крупный ремонт, если не замену двигателя.

  • Высокая стоимость - из-за того, что для изготовления мотора нужно высокоточное оборудование и очень качественные материалы.


Как видите, недостатков у роторного двигателя полно, но и поршневый мотор несовершенен, поэтому состязание между ними не прекращалось так долго. Закончилось ли оно навсегда? Время покажет.

Рассказываем как устроен и работает роторный двигатель

« Что такое балансировка колес Диагностика неисправностей и замена шаровых опор »

Возврат к списку статей

Принцип работы роторного двигателя

Автомобили оборудованы двигателями внутреннего сгорания (ДВС). ДВС – вид теплового двигателя, в котором топливная смесь сжигается внутри мотора, тем самым энергия сгорания превращается в механическую работу. Автомобилестроение использует ДВС, где подвижным элементом служат поршни. Существует другой вид ДВС – роторный двигатель. Что такое роторный двигатель, его принцип работы, устройство, особенности — расскажем ниже.

Устройство и принцип работы

Принцип работы роторного и поршневого двигателей идентичен: энергии горения преобразовывается в механическую работу. Различие заключается в способе преобразования энергии. Основным рабочим элементом в роторном двигателе (РПД) является ротор, который совершает вращательное движение, а в поршневом – поршни, совершающие возвратно-поступательные движения. Роторный двигатель получил название от части мотора – ротора. Так как ротор движется, мощность передается на сцепление и коробку переключения передач.

Роторный двигатель внутреннего сгорания (двигатель Ванкеля) не имеет ГРМ и КШМ, которыми оснащены поршневые двигатели. Их функции исполняют следующие основные детали: эксцентриковый вал, роторы, выполняющие роль поршней, неподвижные шестерни, задающие траекторию вращения роторов. Устройство роторного двигателя состоит из промежуточного корпуса, статоров, образующих рабочие камеры, переднего и заднего корпуса, которые закрывают рабочие камеры, также на них зафиксированы неподвижные шестерни. Весь двигатель стягивается длинными болтами. Двухсекционный роторно-поршневой ДВС означает, что в двигатели два ротора.

Роторный двигательМодель роторного двигателя

Один рабочий цикл данного двигателя состоит из четырех тактов, которые выполняются за один оборот ротора, в то время как эксцентриковый вал совершает три оборота.

Чтобы понять, как работает двигатель, следует рассмотреть один рабочий цикл:

  1. 1-й такт – впуск. Ротор, вращаясь, увеличивает размер рабочей камеры, образованной формой статора и ротора. Создается разряжение, которое засасывает топливно-воздушную смесь посредством впускного окна. В конце такта ротор перекрывает впускное окно.
  2. 2-й такт – сжатие. Ротор продолжает вращение, но размер камеры уже уменьшается, вследствие чего сжимается смесь топлива и воздуха. В конце такта с помощью одной или нескольких свечей зажигания происходит воспламенение сжатой смеси. Свечи зажигания не выпирают, а утоплены в статоре. В стенках находятся выемки, образующие объем камеры сгорания.
  3. 3-й такт – рабочий ход (расширение). Протекает пик горения, в результате чего в камере увеличивается температура и давление расширяющихся газов. Ротор, воспринимая давление, раскручивает эксцентриковый вал, чем преобразовывает тепловую энергию в механическую работу.
  4. 4-й такт – выпуск. Ротор открывает выпускное окно и выдавливает из уменьшающейся камеры отработавшие газы.

Когда рабочий цикл закончен, начинается и повторяется новый.

Схема циклов РПД

С каждой из трех сторон ротора протекает свой такт, а это значит, что такт расширения проходит не каждые 360 градусов вращения, а каждые 120 градусов вращения или каждый оборот эксцентрикового вала.

Видео о РПД Ванкеля:

Строение

Ротор выполнен из стали с содержанием особых элементов, по форме схож с треугольником и собирают его слоями. Двухроторные моторы имеют пять слоев, они закреплены болтами, которые расположены по окружности. Охлаждается мотор с помощью специальной жидкости, которая омывает все элементы механизма. Последние два слоя закрыты, подшипники расположены в противоположных секторах. Внутренняя поверхность элементов гладкая, чем помогает роторам работать. После идет слой, где находится ротор и выхлопная система. В центральном сегменте находятся впускные порты.

Для изоляции камер используется множество уплотнительных элементов, расположенных на роторе. Основными более нагруженными являются апексы, которые устанавливаются на вершинах ротора. Впускные, выпускные окна могут находиться не только в стенках статора, но и на боковых стенках корпусов. А в статорах, наоборот, могут отсутствовать впускные, выпускные окна.

Схема работы двигателяРабота роторного двигателя

Преимущества и недостатки

У такого мотора есть свои «плюсы» и «минусы».

К преимуществам можно отнести:

  1. Мало подвижных элементов. Роторный двигатель содержит намного меньше механизмов и узлов, чем поршневой. В роторном – три главных движущих элемента: два ротора и вал, а в самом простейшем поршневом моторе минимум 45 движущихся элементов. Так как в РПД минимальное количество механизмов, то и надежность, соответственно, выше.
  2. Вибрация. Все элементы РПД совершают плавную непрерывную работу и вращаются в одном направлении, тогда как в поршневом моторе движение постоянно меняется.
  3. Компактность. Двигатель имеет небольшой вес и габариты.

К недостаткам относятся:

  1. Потребление топлива. Роторному мотору требуется больше ГСМ.
  2. Высокая стоимость. Изготовление отличается сложностью, высокой точностью производства, дорогого оборудования, что способствует удорожанию.
  3. Частые перегревы. Данные двигатели в силу своей конструкции подвержены к перегреву, что приводит к «закипанию».
  4. Невысокий ресурс. Из-за постоянных перепадов давления, мотор вырабатывает ресурс не более 130-150 тыс. км.

Учитывая недостатки и преимущества роторного мотора, автолюбители обращают внимание и на вождение автомобиля, считая его сложным и непривычным.

Прогресс не стоит на месте и, возможно, у РПД есть будущее. Его особенностью является то, что двигатель может работать на газе и водороде, а это откроет ему перспективу в будущем.

Facebook

Twitter

Вконтакте

Google+

Устройство роторного двигателя

После создания двигателя внутреннего сгорания началась эра автомобилей. Самое большое распространение при этом получил мотор поршневого типа. Но при этом с момента создания ДВС перед конструкторами стала задача извлечения максимального КПД при минимальных затратах топлива. Решалась эта задача несколькими путями – от технического улучшения уже имеющихся двигателей, до создания абсолютно новых, с другой конструкцией. Одним из таковых стал роторный двигатель.

Роторный двигатель

Появился он значительно позже поршневого, в 30-х годах. Полноценно работоспособная же модель такого двигателя появилась и вовсе в 50-х годах. После появления роторный двигатель вызвал заинтересованность у многих автопроизводителей, и все они кинулись разрабатывать свои модели роторных силовых установок, однако вскоре от них отказались в пользу обычных поршневых. Из приверженцев роторного мотора осталась только японская фирма Mazda, которая сделала такого типа мотор своей визитной карточкой.

Особенностью такого мотора является его конструкция, которая вообще не предусматривает наличие поршней. В целом это сильно сказалось на конструктивной простоте.

В поршневых моторах энергия сгораемого топлива воспринимается поршнем, который за счет своего возвратно-поступательного движения передает ее на кривошипы коленвала, обеспечивая ему вращение.

У роторных же двигателей энергия сразу преобразовывается во вращение вала, минуя возвратно-поступательное движение. Это сказывается на уменьшении потерь мощности на трение, меньшую металлоемкость и простоту конструкции. За счет этого КПД двигателя значительно возрастает.

Конструкция

Чтобы понять принцип работы, следует разобраться, какова конструкция роторного двигателя. Итак, вместо поршней энергия сгорания топлива у такого силового агрегата воспринимается ротором. Ротор имеет вид равностороннего треугольника. Каждая сторона этого треугольника и играет роль поршня.

Ротор

Чтобы обеспечить процесс горения, ротор помещается в закрытое пространство, состоящее из трех элементов – двух боковых корпусов, и одного центрального, называющегося статором. Пространство, в котором производится процесс горения, сделано в статоре, боковые корпуса обеспечивают только герметичность этого пространства.

Внутри статора сделан цилиндр, в котором и размещается ротор. Чтобы внутри этого цилиндра происходили все необходимые процессы, выполнен он в виде овала, с немного прижатыми боками.

Сам статор с одной стороны имеет окна для впуска топливовоздушной смеси или воздуха, и выпуска отработанных газов. Противоположно им сделано отверстие под свечи зажигания.

Устройство двигателя

Особенностью движения ротора в цилиндре статора является то, что его вершины постоянно контактируют с поверхностью цилиндра, его движение сделано по эксцентриковому типу. Он не только вращается вокруг своей оси, но еще и смещается относительно нее.

Для этого в роторе сделано большое отверстие, с одной стороны этого отверстия имеется зубчатый сектор. С другой стороны в ротор вставлен вал с эксцентриком.

Чтобы обеспечить вращение в боковой корпус установлена неподвижная шестерня, входящая в зацепление с зубчатым сектором ротора, она является опорной точкой для него. При своем эксцентриковом движении он опирается на неподвижную шестерню, а зацепление обеспечивает ему вращательное движение. Вращаясь, он обеспечивает и вращение вала с эксцентриком, на который он одет.

Принцип работы

Теперь о самом принципе работы. Выполнение определенной работы поршня внутри цилиндров называется тактами. Классический поршневой двигатель имеет четыре такта:

  • впуск — в цилиндр подается горючая смесь;
  • сжатие — увеличение давления в цилиндре за счет уменьшения объема;
  • рабочий ход — энергия, выделенная при сгорании смеси, преобразовывается во вращение вала;
  • выпуск — из цилиндра выводятся отработанные газы;

Данные такты имеют все двигатели внутреннего сгорания, и сопровождаются они определенным движением поршня.

Однако они выполняются по-разному. Существуют двухтактные поршневые двигатели, в которых такты совмещены, но такие моторы чаще применяются на мотоциклах и другой бензиновой технике, хотя раньше создавались и дизельные двухтактные моторы. В них одно движение поршня включает два такта. При движении поршня вверх – впуск и сжатие, а при движении вниз – рабочий ход и выпуск. Все это обеспечивается наличием впускных и выпускных окон.

Классические автомобильные поршневые двигатели обычно являются 4-тактными, где каждый такт отделен. Но для этого в двигатель включен механизм газораспределения, который значительно усложняет конструкцию.

Что касается роторного двигателя, то отсутствие поршня как такового позволило несколько совместить конструктивные особенности 2-тактных и 4-тактных моторов.

Принцип работы

Поскольку цилиндр роторного двигателя имеет впускные и выпускные окна, то надобность в газораспределительном механизме отпала, при этом сам процесс работы сохранил все четыре такта по отдельности.

Теперь рассмотрим, как все это происходит внутри статора. Углы ротора постоянно контактируют с цилиндром статора, обеспечивая герметичное пространство между сторонами ротора.

Овальная форма цилиндра статора обеспечивает изменение пространства между стенкой цилиндра и двумя близлежащими вершинами ротора.

Далее рассмотрим действие внутри цилиндра только с одной стороны ротора. Итак, при вращении ротора, одна из его вершин, проходя сужение овала цилиндра, открывает впускное окно и в полость между стороной треугольника ротора и стенкой цилиндра начинает поступать горючая смесь или воздух. При этом движение продолжается, эта вершина достигает и проходит высокую часть овала и дальше идет на сужение. Возможность постоянного контакта вершины ротора обеспечивается его эксцентриковым движением.

Впуск воздуха производится до тех пор, пока вторая вершина ротора не перекроет впускное окно. В это время первая вершина уже прошла высоту овала цилиндра и пошла на его сужение, при этом пространство между цилиндром и стороной ротора начинает значительно сокращаться в объеме – происходит такт сжатия.

В момент, когда сторона ротора проходит максимальное сужение, в пространство между стороной ротора и стенкой цилиндра подается искра, которая воспламеняет горючую смесь, сжатую между зауженной стенкой цилиндра и стороной ротора.

Особенностью роторного двигателя является то, что воспламенение производится не перед прохождением стороны так называемой «мертвой точки», как это делается в поршневом двигателе, а после ее прохождения. Делается это для того, чтобы энергия, выделенная при сгорании, воздействовала на ту часть стороны ротора, которая уже прошла ВМТ (верхняя мёртвая точка). Этим обеспечивается вращение ротора в нужную сторону.

После прохождения свечи, первая вершина ротора начинает открывать выпускное окно, и постепенно, пока вторая вершина не перекроет выпускное окно – производится отвод газов.

Такты двигателя

Следует отметить, что был описан весь процесс, сделанный только одной стороной ротора, все стороны проделывают процесс один за другим. То есть, за одно вращение ротора производится одновременно три цикла – пока в полость между одной стороной ротора и цилиндра запускается воздух или горючая смесь, в это время вторая сторона ротора проходит ВМТ, а третья – выпускает отработанные газы.

Теперь о вращении вала, на эксцентрик которого надет ротор. За счет этого эксцентрика полный оборот вала производится меньше чем за один оборот ротора. То есть, за один полный цикл вал сделает три оборота, при этом отдавая полезное действие дальше. В поршневом двигателе один цикл происходит за два оборота коленчатого вала и только один полуоборот при этом является полезным. Этим обеспечивается высокий выход КПД.

Если сравнить роторный двигатель с поршневым, то выход мощности с одной секции, которая состоит из одного ротора и статора, равна мощности 3-цилиндрового двигателя.

А если учитывать, что Mazda устанавливала на свои авто двухсекционные роторные моторы, то по мощности они не уступают 6-цилиндровым поршневым моторам.

Достоинства и недостатки

Теперь о достоинствах роторных моторов, а их вполне много. Выходит, что одна секция по мощности равна 3-цилиндровому мотору, при этом она в габаритных размерах значительно меньше. Это сказывается на компактности самых моторов. Об этом можно судить по модели Mazda RX-8. Этот автомобиль, обладая хорошим показателем мощности, имеет средне моторную компоновку, чем удалось добиться точной развесовки авто по осям, влияющую на устойчивость и управляемость авто.

Помимо компактных размеров в этом двигателе отсутствует газораспределительный механизм (ГРМ), ведь все фазы газораспределения выполняются самим ротором. Это значительно уменьшило металлоемкость конструкции, и как следствие – массу двигателя.

Из-за ненадобности поршней и ГРМ снижено количество подвижных частей в двигателе, что сказывается на надежности конструкции.

Сам двигатель из-за отсутствия разнонаправленных движений, которые есть в поршневом моторе, при работе меньше вибрирует.

Но и недостатков у такого двигателя тоже хватает. Начнем с того, что система смазки у него идентична с системой 2-тактного двигателя. То есть, смазка поверхности цилиндра производится вместе с топливом. Но только организация подачи масла несколько иная. Если в 2-тактном двигателе масло для смазки добавляется прямо в топливо, то в роторном оно подается через форсунки, а потом оно уже смешивается с топливом.

Использование такого типа смазки привело к тому, что для двигателя подходит только минеральное масло или специализированное полусинтетическое. При этом в процессе работы масло сгорает, что негативно сказывается на составе выхлопных газов. По экологичности роторный двигатель сильно уступает 4-тактному поршневому двигателю.

При всей простоте конструкции роторный мотор обладает сравнительно небольшим ресурсом. У той же Mazda пробег до капитального ремонта составляет всего 100 тыс. км. В первую очередь «страдают» апексы – аналоги компрессионных колец в поршневом двигателе. Апексы размещаются на вершинах ротора и обеспечивают плотное прилегание вершины к стенке цилиндра.

Недостатком является также невозможность проведения восстановительных работ. Если у ротора изношены посадочные места апексов – ротор полностью заменяется, поскольку восстановить эти места невозможно.

То же касается и цилиндра статора. При его повреждении расточка практически невозможна из-за сложности выполнения такой работы.

Из-за большой скорости вращения эксцентрикового вала, его вкладыши изнашиваются значительно быстрее.

В общем, при значительно простой конструкции, из-за сложности процессов его работы роторный двигатель оказывается по надежности значительно хуже поршневого.

Но в целом, роторный двигатель не является тупиковой ветвью развития двигателей внутреннего сгорания. Та же Mazda постоянно совершенствует данный тип мотора. К примеру, мотор, устанавливаемый на RX-8 по токсичности уже мало отличается от поршневого, что является большим достижением.

Теперь они стараются еще и увеличить ресурс. Однако это скорее всего будет достигнуто за счет использования особых материалов изготовления элементов двигателя, а также из-за высокой степени обработки поверхностей, что еще больше осложнит и увеличит стоимость ремонта.

Пятитактный роторный двигатель — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 13 марта 2019; проверки требуют 2 правки. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 13 марта 2019; проверки требуют 2 правки.

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

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».

Первую известную и реально действующую машину на этом принципе создал русский инженер-механик из Санкт-Петербурга Н. Н. Тверской в 1880-х годах. Его паровая «коловратная машина» (паровой роторный двигатель) ставился на паровые катера, вращал динамо-машины и даже, работая со 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 XX 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 XX 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.

Идея разделить шиберные колеса сжатия и расширения (возможно, на несколько колес последовательного расширения) витает в воздухе давно, но только в последние десятилетия обретает технологическую возможность стать сравнимой по эффективности и энергоплотности с турбиной такого же массогабарита, однако, все же, при худшем тепловом режиме не только рабочих элементов, но и корпусных частей. Также, в отличие от турбин, такая модель объемного ДВС требует либо значительной циркуляции жидкого несгораемого уплотнителя, либо ввода через шиберный вал и стенки корпуса тяжёлых топливных фракций (масел, мазутов и т. п.).

Сомнительным преимуществом такого ДВС перед турбиной может стать его простота в фазе разработки, относительная всеядность по топливам и чуть меньшая, чем у турбин, стоимость при производстве в малом габарите. В любом случае, такой ДВС не может превысить в эффективности дизельный двигатель.

Единственное реальное преимущество подобного ДВС перед дизельным — относительная тишина работы, что, впрочем, спорно для больших мощностей и малых оборотов.

Российским инженером И. Ю. Исаевым в 2009 году предложена схема реализации циклов двигателя внутреннего сгорания в конструктивной компоновке данного типа роторных машин, отличающаяся от 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 привычный для всех типов двигателей внутреннего сгорания такт «горение — расширение» разделён на два технологических процесса «горение» и «расширение», реализуемые в разных рабочих камерах двигателя. В двигателе в различных конструктивных объёмных 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.
  • Т. Юбанк. Гидравлические и другие машины. — 1850 (на английском языке).
  • Записки Русского Императорского Технического общества, 1885.
  • Е. Акатов, В. Бологов и др. Судовые роторные двигатели, 1967.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о