Роторный двигатель Ванкеля: треугольный ротор обкатывается в корпусе-эпитрохоиде, три камеры по очереди проходят впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск.
Как работает роторный двигатель: устройство и принцип работы
Как работает роторный двигатель: устройство по шагам
Ротор вместо поршней
Треугольный ротор сидит на эксцентрике вала. Вершины ротора всё время скользят по стенке корпуса сложной формы — эпитрохоиде.
Три камеры
Между гранями ротора и корпусом три камеры. Каждая по очереди проходит все четыре такта, пока ротор делает один оборот.
Вал втрое быстрее ротора
Шестерня на крышке и венец ротора задают обкатку: эксцентриковый вал делает три оборота за один оборот ротора, и за каждый оборот вала — один рабочий ход.
Уплотнения вершин
Апексные пластины на вершинах разделяют камеры. Их износ — главная слабость роторного двигателя: падает компрессия.
Как работает роторный двигатель
Вместо поршней, шатунов и клапанов — один ротор-треугольник в корпусе сложной формы. Ротор обкатывается по неподвижной шестерне и при этом сидит на эксцентрике вала. Его вершины всё время скользят по корпусу, а объём между каждой гранью и корпусом то растёт, то уменьшается — как в цилиндре.
Три камеры, четыре такта. Каждая камера за оборот ротора проходит впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Такты идут по кругу в разных местах корпуса: впуск внизу справа, сжатие и свечи наверху, расширение слева, выпуск внизу слева.
Один рабочий ход на оборот вала. Ротор вращается втрое медленнее вала, а граней у него три. Значит, за один оборот вала одна грань проходит свой рабочий ход — как у двухцилиндрового четырёхтактного мотора с тем же объёмом камер. Каждый рабочий ход длится 270° вала.
Почему компактный и плавный. Нет возвратно-поступательных деталей: ротор и вал только вращаются и уравновешиваются противовесами. Нет клапанов и распредвала — окна открывает сам ротор. При той же мощности двигатель меньше и легче, крутится до высоких оборотов без вибраций.
Плата за это. Камера сгорания вытянутая и узкая: фронт пламени идёт далеко, часть смеси у задней вершины догорает поздно — отсюда две свечи. Большая поверхность камеры отдаёт много тепла корпусу, растёт расход топлива. Уплотнение — одна линия у каждой вершины, его нужно смазывать впрыском масла, поэтому масло расходуется постоянно.
Детали в модели «Роторный двигатель»
Корпус ротора (статор). Алюминиевый корпус с рёбрами и сквозными каналами рубашки охлаждения. Рабочая поверхность в форме эпитрохоиды — «восьмёрки» с перехватом — хромирована или покрыта твёрдым напылением: по ней со скоростью до 35–40 м/с скользят вершинные уплотнения. Здесь же выпускное окно с фланцем, колодцы двух свечей и масляная форсунка. Корпус ротора зажат между боковыми корпусами длинными стяжными болтами.
Боковые корпуса (крышки). Чугунные плиты по бокам ротора с рёбрами снаружи и карманами рубашки охлаждения изнутри. В заднем корпусе — боковое впускное окно и коренной подшипник, в переднем закреплена неподвижная шестерня со вторым коренным подшипником. Передняя крышка в разрезе снята.
Ротор. Чугунный ротор — треугольник с выпуклыми гранями. Каждая грань вместе с корпусом образует отдельную камеру, поэтому камер три. Внутри вершин — облегчающие полости, в вершинах пазы под уплотнения, на торцах канавки боковых и масляных уплотнений. Ротор сидит на эксцентрике и вращается втрое медленнее вала, в ту же сторону.
Выемка камеры сгорания. Углубление на каждой грани ротора, сдвинутое к передней (по вращению) части. Без неё камера в ВМТ разделилась бы перемычкой у перехвата корпуса на две части, а степень сжатия была бы слишком высокой. Её объём задаёт сжатие 9,4.
Вершинные (апексные) уплотнения. Пластины толщиной около 3 мм в пазах на вершинах ротора. Пружина под пластиной и давление газов прижимают её к корпусу. Они отделяют одну камеру от другой — роль поршневых колец, но контакт — одна линия.
Боковые и угловые уплотнения. Тонкие полоски по краю граней на обоих торцах ротора и цилиндрики в углах: замыкают контур уплотнения с вершинными пластинами. Ближе к центру — масляные кольца, не пускающие масло из ступицы в камеры.
Эксцентриковый вал. Аналог коленвала: на валу эксцентрик, смещённый на 15 мм. Давление газов на грань ротора давит на эксцентрик со смещением — так получается крутящий момент. Противовес, насаженный на передний носок вала, и противовес на маховике уравновешивают ротор и сам эксцентрик; спереди на валу шкив привода навесных агрегатов, по каналу в валу масло идёт к подшипникам.
Подшипники ротора и вала. Подшипник скольжения запрессован в ступицу ротора и бежит по эксцентрику. Коренные подшипники вала стоят в боковых корпусах. Все смазываются маслом под давлением, оно же охлаждает ротор изнутри.
Шестерни обката (45 : 30). Внутренний венец ротора (45 зубьев) обкатывается по неподвижной шестерне (30 зубьев) на передней крышке. Отношение 3 : 2 и разница радиусов, равная эксцентриситету, заставляют ротор поворачиваться ровно на треть оборота вала. Мощность через них не передаётся.
Свечи: ведущая и задняя. Две свечи у перехвата корпуса, в зоне сжатия. Ведущая (leading, по ходу вращения) поджигает смесь около ВМТ, задняя (trailing) — на несколько градусов позже, дожигая смесь в отстающей части вытянутой камеры.
Боковое впускное окно. Окно в торцевой стенке — заднем боковом корпусе, к нему прикручен впускной коллектор с дроссельной заслонкой. Окно открывает и закрывает сам ротор своим боковым торцом — клапаны не нужны. Боковое окно открывается позже, а закрывается раньше периферийного, поэтому перекрытие с выпуском маленькое и холостой ход ровный.
Периферийное выпускное окно. Выпуск — в рабочей поверхности корпуса, за ним канал к фланцу выпускного патрубка. Вершина ротора проходит над окном и открывает камеру. Периферийное окно даёт короткий путь газам и раннее открытие (около 75° до НМТ).
Рубашка охлаждения. Сквозные каналы с антифризом в корпусе ротора (голубые в сечении), с торцов их замыкают боковые корпуса. Зона свечей и горения всегда горячая, зона впуска — холодная: корпус нагревается неравномерно, поэтому каналы гуще там, где горит смесь.
Дозирующий масляный насос. Отдельный маленький насос под корпусом подаёт масло по трубке к форсунке в корпусе ротора — прямо в камеру (бывает, и во впуск), чтобы смазать вершинные и боковые уплотнения. Подача растёт с оборотами и нагрузкой. Это масло сгорает — нормальный расход роторного мотора заметно выше поршневого.
Рабочие камеры. Три камеры между гранями ротора и корпусом. Каждая за три оборота вала проходит все четыре такта: голубая — свежая смесь, сиреневая — сжатие, оранжевая — горение, серая — выпуск.
Показ по шагам
Три камеры вместо цилиндров. Ротор с тремя вершинами делит полость корпуса на три камеры. Цвет газа показывает такт каждой: голубая — впуск, сиреневая — сжатие, оранжевая — горение, серая — выпуск.
Впуск: окно открывает ротор. Грань ротора отходит от корпуса, камера растёт и через боковое окно в задней крышке (светлая рамка) набирает смесь. Закроет окно сам торец ротора — клапаны не нужны.
Сжатие и две свечи. Камера переходит к перехвату корпуса и сжимается в 9,4 раза. За 10° до ВМТ искрит ведущая свеча, за ней — задняя.
Рабочий ход. Газы давят на грань со смещением от оси вала — эксцентрик поворачивается. Пока камера 1 расширяется, камера 2 уже выпускает газы, а камера 3 набирает смесь.
Вал втрое быстрее ротора. Венец ротора 45 зубьев катится по неподвижной шестерне 30 зубьев. За один оборот ротора вал делает три оборота, и каждый оборот вала одна из граней совершает рабочий ход.
Уплотнения — слабое место. Вид следует за ротором, вершина всё время в кадре и рассечена вдоль: пластина в пазу, под ней волнистая пружина, концы пластины входят в прорези угловых уплотнений. Корпус скользит по пластине, её наклон к поверхности меняется до ±25°. Масло к уплотнениям подаёт дозирующий насос.
Что ломается и как это проявляется
Износ вершинных уплотнений. Признаки: двигатель теряет мощность, на холостом трясёт, горячий заводится с трудом или не заводится вовсе, хотя холодный ещё схватывает. Растёт расход. Что проверить: компрессометр для роторных двигателей: он показывает три импульса — по одному на грань. Все три должны быть близки и выше допуска; низкий импульс указывает на вершину. Затем разборка и замер высоты пластин.
Залегание уплотнений нагаром. Признаки: неустойчивый холостой, пропуски после коротких поездок, сизый дым, запах масла. После поездки «на высоких» иногда становится лучше. Что проверить: компрессия по граням, осмотр через свечные отверстия эндоскопом. Раскоксовка, прогрев под нагрузкой; если не помогло — разборка и очистка пазов.
Износ рабочей поверхности корпуса. Признаки: постепенное падение мощности и компрессии на всех гранях, перерасход масла. На разборке видны поперечные «волны» и выработка у свечей. Что проверить: осмотр поверхности при разборке, замер износа по профилю. Корпус с повреждённым покрытием меняют или восстанавливают напылением.
Отказ дозирующего насоса. Признаки: без подачи масла явных признаков сначала нет, затем быстро падает компрессия и мощность. При избытке подачи — синий дым, нагар, перерасход масла, забрасывает свечи. Что проверить: проверить подачу насоса и форсунок по объёму за время на заданных оборотах, тягу или электропривод насоса, ошибки блока. Регулярно доливать масло: расход у роторных выше.
Упрощения модели
Геометрия эпитрохоиды, профиль ротора, объёмы камер и фазы окон посчитаны точно для заданных размеров; в реальных двигателях рабочую поверхность смещают на радиус закругления вершинной пластины — здесь пластина касается самой эпитрохоиды.
Давление условное: политропа сжатия и расширения по найденным объёмам плюс условная кривая тепловыделения; перетекание газов, теплоотдача и волны во впуске не моделируются, утечки при неисправностях заданы коэффициентами.
Детали упрощены: каналы рубашки — сквозные пазы в корпусе ротора с карманами в боковых корпусах, без уплотнительных колец рубашки; масляные каналы показаны только в валу; размеры окон, места свечей, коллекторы, насос и его трубка выбраны для учебной модели. Привод дозирующего насоса не показан — видна только его шестерня.
Нарочно крупнее, чем в жизни: хромовый слой рабочей поверхности нарисован толщиной 1 мм (в жизни — десятые доли миллиметра), зазор между торцами ротора и боковыми корпусами 0,6 мм; боковые и масляные уплотнения выступают из торцов ротора на 0,2 мм. Детали, которые в жизни прилегают друг к другу (корпус ротора и боковые корпуса, хромовая гильза, антифриз в каналах, фланец выпуска, форсунка, свечи, подшипники), разведены на 0,1 мм, чтобы в разрезе не мерцали совпадающие грани.
Противовесы вала и маховика рассчитаны по массам деталей модели так, чтобы уравновесить ротор с эксцентриком и статически, и по моменту; их форма условная. В виде «Эксцентриковый вал» передний противовес, как и ротор, полупрозрачный, чтобы были видны шестерни.
В виде «Уплотнения» вся сцена движется вместе с ротором (вращается корпус), чтобы вершина оставалась в кадре. Пружина, прорези угловых уплотнений и пазы упрощены. Износ для наглядности преувеличен: при неисправности пластина ниже на 0,8 мм и просела на ослабшей пружине на 1,2 мм, над ней зазор 2 мм. На деле зазор открывается, когда ослабшая пружина и давление газа не успевают прижать пластину.
Вращение сильно замедлено: на 7000 об/мин вала один оборот длится меньше 9 мс.
Связанные узлы и детали
Модель показывает принцип работы. Геометрия и режимы упрощены для обучения.