Принцип работы роторного двигателя: плюсы и минусы

5.15. ДВУХФАЗНЫЙ КОНДЕНСАТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Двухфазный конденсаторный
двигатель имеет на статоре две обмотки ОВ и ОУ, рассчитанные на длительное протекание
тока. Обмотки располагаются в пространстве под углом 90 эл. градусов), а последовательно
одной из них включают конденсатор С.

Двухфазный конденсаторный
двигатель переменного тока обладает вращающимся магнитным полем (правда, не
круговым, а эллиптическим). Поэтому он не нуждается в специальных пусковых устройствах
(рис. 5.15 1.).

Двухфазный асинхронный
двигатель, в отличие от трехфазного, имеет возможность плавного регулирования
частоты вращения ротора.

Делается это одним из двух
способов: амплитудным (изменением напряжения Uy) и фазным (изменением емкости
конденсатора С).

Двухфазные двигатели получили
широкое распространение в бытовых приборах и лабораторной практике.

В отличие от рассмотренных
выше типов двигателей, интересен двигатель с полым ротором. Он имеет два статора,
между которыми располагается ротор (рис. 5.15.2.).

Наружный статор 1 имеет
обычно конструкцию с двухфазной обмоткой 4. Фазные обмотки сдвинуты в пространстве
относительно друг друга на 90°. Внутренний статор 3 представляет
собой пакет электротехнической стали без обмотки. В воздушном зазоре между
статорами помещен ротор двигателя 2, который не имеет обмотки и выполнен в виде
стакана с тонкими стенками из немагнитного материала (алюминия). Посредством
втулки 6 ротор укреплен на валу двигателя 5. Такая конструкция обеспечивает
ему незначительную инерцию и делает двигатель чувствительным даже к небольшим
импульсам (сигналам) тока. Этому также способствует наличие второго статора,
который уменьшает сопротивление магнитной цепи. Одна из фаз обмоток статора
включается на напряжение сети U_с, другая является управляющей обмоткой.
Когда напряжение на ней отсутствует, ротор неподвижен. С появлением управляющего
сигнала U_у достаточной величины статор создает двухфазное вращающееся
поле, и двигатель развивает вращающий момент, величина которого пропорциональна
U_c.

Работа этого двигателя
основана на взаимодействии магнитного поля статора с вихревыми токами, наведенными
на поверхность полого ротора.

Машины с полым ротором
весьма чувствительны к изменениям напряжения сигнала и его продолжительности,
что дает возможность применять их в качестве исполнительных двигателей.

Ротор

Основа конструкции силовой установки данного типа – это ротор. Он выполняет функцию поршней в данном двигателе. Однако ротор находится в единственном экземпляре, в то время как поршней может быть от трех до двенадцати и более. По форме данный элемент напоминает некий треугольник с закругленными краями.

Такие края нужны для более герметичного и качественного уплотнения камеры сгорания. Так достигается правильное сгорание топливной смеси. В верхней части грани и по ее бокам расположены специальные пластины. Они выполняют функцию компрессионных колец. В роторе также находятся зубцы. Они служат для вращения привода, который задействует также выходной вал. О назначении последнего поговорим ниже.

Преимущества

Во-первых, роторный двигатель имеет наиболее сбалансированную конструкцию, а потому практически не вызывает высоких вибраций при работе.

Во-вторых, данный мотор имеет более легкий вес и большую компактность, а потому его установка особо актуальна для производителей спорткаров.

Кроме того, небольшой вес агрегата дал возможность конструкторам добиться идеальной развесовки нагрузок по осям.

Таким образом, автомобиль с данным двигателем становился более устойчивым и маневренным на дороге.

Однако главный козырь данного двигателя заключается не в массе и низких вибрациях, а в высоком КПД. Благодаря особому принципу работы роторный мотор имел большую мощность и коэффициент полезного действия.

Почему роторные моторы не вытеснили привычные ДВС

Большое количество достоинств роторных моторов все же не позволило вытеснить привычные двигатели. Это обусловлено недостатками, выявленными в процессе эксплуатации:

• расход масла (до 1 л на 100 км) и частая потребность его замены (после прохождения каждых 5 тыс. км);
• быстрый износ уплотнителей ротора, связанный с большими перепадами давления и малый ресурс самого двигателя (100-150 тыс. км);
• особенность конструкции камеры сгорания приводит к частому перегреву, что способствует преждевременному выходу из строя мотора;
• изготовление криволинейных деталей двигателя требует высокоточного технологического оборудования, обходится очень дорого, а это отражается на стоимости агрегата;
• самым неприятным недостатком роторного двигателя является расход топлива, который достигает, для легкового авто 20 литров на сотню, а это в несколько раз превышает показатели привычных двигателей.

Сопоставляя преимущества и недостатки роторных агрегатов, можно сделать вывод о том, что для массового потребителя такие двигатели не будут интересны. Это обусловлено, прежде всего, повышенным расходом топлива, масла, а также высокой стоимостью изготовления и маленьким ресурсом.

Для достижения отдельных задач, таких, как возможность победы на автогонках или создание комфортного автомобиля с повышенными динамическими характеристиками, применение такой силовой установки будет актуально. Именно поэтому японские производители запустили в серийное производство модель Mazda RX8 в исполнении Spirit R, оборудованную роторным мотором. Отсутствие спроса на такие авто заставило японцев свернуть производство этой модификации ещё в 2012 году.

Производители других автомобилей также оборудовали серийные машины роторными двигателями в разное время. Даже Тольяттинский автозавод устанавливал такой агрегат на ВАЗ-21018. Но это новшество не пользовалось спросом, а со временем утратило актуальность.

Роторные моторы нашли применение в авиастроении, а также их устанавливали  на некоторые виды кораблей. Это увеличило манёвренность и динамику судов, но, в связи с имеющимися недостатками, также не нашло широкого применения.

Почему роторные моторы не вытеснили привычные ДВС

Большое количество достоинств роторных моторов все же не позволило вытеснить привычные двигатели. Это обусловлено недостатками, выявленными в процессе эксплуатации:

• расход масла (до 1 л на 100 км) и частая потребность его замены (после прохождения каждых 5 тыс. км);
• быстрый износ уплотнителей ротора, связанный с большими перепадами давления и малый ресурс самого двигателя (100-150 тыс. км);
• особенность конструкции камеры сгорания приводит к частому перегреву, что способствует преждевременному выходу из строя мотора;
• изготовление криволинейных деталей двигателя требует высокоточного технологического оборудования, обходится очень дорого, а это отражается на стоимости агрегата;
• самым неприятным недостатком роторного двигателя является расход топлива, который достигает, для легкового авто 20 литров на сотню, а это в несколько раз превышает показатели привычных двигателей.

Сопоставляя преимущества и недостатки роторных агрегатов, можно сделать вывод о том, что для массового потребителя такие двигатели не будут интересны. Это обусловлено, прежде всего, повышенным расходом топлива, масла, а также высокой стоимостью изготовления и маленьким ресурсом.

Принцип работы роторного двигателя

В отличие от привычных моторов, силовой агрегат роторного типа имеет поршень треугольной формы с выпуклыми гранями, который не производит возвратно-поступательных движений, а всё время вращается. Каждый оборот такого ротора позволяет пройти четыре такта рабочих процессов внутри двигателя:

• впуск топливно-воздушной смеси;
• сжатие;
• рабочий ход;
• выпуск отработанных газов.

В обычном двигателе для прохождения 4-тактного цикла коленвал делает два оборота. Это обеспечило роторные конструкции более высоким КПД.

Вращающийся поршень передаёт крутящий момент через шестерёнчатую передачу в виде эксцентрика, с внутренним венцом, на вал отбора мощности. Это позволило сделать двигатель лёгким и компактным, поскольку в нём отсутствуют кривошипно-шатунный механизм и сложная система газораспределения. Удельная мощность роторных моторов превышает обычные, поэтому их устанавливают на спортивные автомобили, а в бывшем Советском Союзе ставили на машины силовых структур (милиции, ГАИ).

Процессы, происходящие внутри роторного двигателя, идентичны тем, которые происходят в моторах с обычными круглыми поршнями и коленчатым валом. Внутренняя эпитрохоидальная поверхность цилиндра серьёзно отличается от привычной формы, а треугольный поршень вместо колец оборудован радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, которые обеспечивают плотность прилегания ротора к стенкам.

Подвод топливовоздушной смеси и отвод отработанных газов, так же, как и охлаждение стенок цилиндров, имеет похожую по конструкции компоновку с привычными силовыми агрегатами.

О системе смазки и питании

Данный агрегат не имеет отличий в системе топливоподачи. Здесь также используется погружной насос, что подает бензин под давлением из бака.

А вот смазочная система имеет свои особенности. Так, масло для трущихся частей двигателя подается прямо в камеру сгорания.

Для смазки предусмотрено специальное отверстие.

Но возникает вопрос: куда затем девается масло, если оно проникает в камеру сгорания?

Здесь принцип работы схож с двухтактным двигателем. Смазка попадает в камеру и сгорает вместе с бензином.

Такая схема работы используется на каждом роторно-лопастном двигателе и поршневом в том числе.

Ввиду особой конструкции смазочной системы такие моторы не могут отвечать современным экологическим нормам.

Преимущества перед кривошипно-шатунными моторами

Роторные двигатели имеют ряд достоинств, по сравнению с обычными кривошипно-шатунными:

• повышенная удельная мощность, обусловленная конструктивными особенностями;
• отсутствие шатунов, коленвала и сложного газораспределительного механизма;
• лёгкость и компактность агрегата, способствующая равномерности развесовки по осям и большей устойчивости авто на трассе;
• улучшенные динамические характеристики роторного мотора позволили добиться быстрого разгона авто с места, что очень актуально для спортивных моделей;
• минимальные показатели вибрации и отличная сбалансированность вращательных процессов.

Недостатки роторного двигателя

Сейчас читают

На старте продаж роторная Мазда пользовалась активным спросом, так как автомобиль привлекал автолюбителей своим  необычным и мощным двигателем (особенно форсированные версии с мощностью около 500 л.с.). Однако немного позже владельцы уже на относительно небольших пробегах столкнулись с первыми проблемами и минусами данного типа ДВС.    

Основные недостатки — большой расход топлива и относительно низкий ресурс роторного двигателя 13B-MSP. В идеальных условиях силовая установка данного типа способна выходить около 100 тыс. км пробега. Что касается реальной эксплуатации, часто моторы приходили в негодность уже к 50-60 тыс. км. пробега.

Обычно первыми выходят из строя уплотнения ротора. Причина вполне очевидна, так как уплотнения находятся под высокими нагрузками и сильно нагреваются. Также дает о себе знать и детонация, износ подшипников эксцентрикового вала, роторов и т.д.

Примечательно то, что первыми сдаются апексы (уплотнения на торцах), тогда как боковые уплотнители ходят намного дольше. В результате износа апексов, а также их установочных мест на роторе, в двигателе падает компрессия, углы уплотнителей могут отваливаться, повреждая поверхности статора.

Также следует отметить быстрый выход из строя коренных вкладышей эксцентрикового вала. С учетом того, что вал осуществляет вращение в 3 раза быстрее роторов, роторы несколько смещаются по отношению к стенкам статора, причем вершины роторов должны всегда быть удалены на одно расстояние от стенок.

В результате, когда углы апексов выпадают, на поверхности статора неизбежно появляются задиры. При этом диагностика роторного двигателя сильно затруднена, так как, в отличие от обычного мотора, роторный двигатель не стучит в случае износа вкладышей.

Параллельно отметим, что на версиях данного мотора с наддувом работа агрегата на обедненной смеси приводит к перегреву апекса. Далее пружина, прижимающая апекс, просто гнет его и компрессия сильно снижается. Еще форсированные (роторные двигатели с наддувом) отличаются неравномерным нагревом корпуса.

В верхней части ДВС, где происходят такты впуска и сжатия, более холодные. В то же время нижняя часть, где протекает процесс сгорания смеси и выпуска раскаленных газов, нагревается намного сильнее. Результат – деформация корпуса форсированных версий.

Также отметим, что отдельно проявились и проблемы системы смазки. На практике, масляные форсунки в статоре часто загрязняются и перестают работать. При этом промыть клапаны форсунок не получается, то есть нужна замена. Если же вовремя проблема не была установлена, масляное голодание становится причиной сильного износа целого ряда элементов роторного двигателя.

При этом во всех случаях и независимо от причины, статор на практике восстановить практически не представляется возможным, а также следует отметить отсутствие ремонтных запчастей. Это значит, что если статор поврежден, восстановить двигатель очень сложно и дорого. То же самое касается и ротора. Если пазы под апексы повреждены, отремонтировать деталь практически невозможно.

Все это означает, что мотор фактически «одноразовый» и качественно его отремонтировать нет возможности. Единственный выход – покупка и установка нового двигателя, так как контрактные варианты в большинстве случаев тоже будут изношены и долго не прослужат. Само собой, купить роторный двигатель без пробега можно, но цена роторного двигателя будет высокой.   

Схема — ротор

Схема ротора и системы координат приведены на рисунке.
 

Схема ротора с консольным расположением конического зубчатого колеса и верхним расположением главной опоры с упорно-радиальными шарикоподшипниками в главной и вспомогательной опорах ( рис. XV.2, б) наиболее распространена в роторах буровых установок для глубокого бурения. Ведущий вал монтируется на опорах качения.
 

Схема ротора для за-либо диски, оснащенные пазами для заготовок, обеспечивающие транспортирование последних через зону орошения охлаждающей жидкостью, либо вертикальные барабаны, снабженные ползунами с приемниками, опускающими заготовки в ванну с охлаждающей жидкостью ( фиг. Во избежание загрязнения или коррозии ползунов ротора под действием паров охлаждающей жидкости барабан с ползунами располагают ниже ванны, которая выполняется кольцевой, а приемники монтируются на радиальных наклонных кронштейнах. Следует отметить, что такую же конструкцию могут иметь и роторы для нагрева, например в соляных или свинцовых ваннах. Применение раздельного нагрева и охлаждения упрощает каждый ротор. Но этот способ обладает рядом недостатков.
 

Схема ротора с промежуточной опорой позволяет, кроме того, осуществить монтаж подшипников, обеспечивающий нормальные условия работы всех трех подшипников, что весьма сложно для ротора на трех жестких опорах. Это обстоятельство связано со всегда имеющей место несоосностью подшипников. Влияние несоосности у ротора с промежуточной опорой исключается технологией сборки, когда затяжка шпилек опоры происходит после установки ротора на обе жесткие опоры.
 

По схеме ротора определяем участки, которые попадают под щелевые уплотнения.
 

При разрезной схеме ротора конструкция получается также достаточно сложной, но уже легче первой.
 

На рис. 8.10 показана схема ротора, состоящего из рабочего колеса ( диска) и жесткого вала. Пусть опора А неподвижна, а опора В совершает перемещения в вертикальном направлении йу и горизонтальном йх.
 

На рис. 1 показана схема ротора с аксиально-движущимися внутри массами.
 

На рис. V.1 показана схема ротора. Стол 5 имеет отверстие диаметром 250 — 1260 мм в зависимости от типоразмера ротора.
 

На рис. V-3, б показана схема ротора тарельчатой центрифуги для разделения суспензий с непрерывной выгрузкой осадка. Суспензия, попадая через центральную полость в периферийную часть ротора, далее движется в пакете тарелок по направлению к оси ротора. При этом тяжелая фракция ( осадок) отбрасывается центробежной силой к периферии ротора и удаляется через сопла, а легкая фракция ( фугат) уходит через отверстия или кольцевую щель вблизи оси ротора.
 

Подробно разберем методику расчета критических оборотов на схеме ротора, наиболее часто встречающейся в конструкторской практике.