Что за двигатели на роторные нового поколения

Школьники изобрели новый роторный ДВС

Советский ученый Николай Школьник изобрел самый мощный и эффективный в мире двигатель внутреннего сгорания и запатентовал его в США.

В 1975 году русский физик Николай Школьник после окончания Киевского политехнического института уехал из Советского Союза в США.

В течение 10 лет он работал консультантом для борющихся инновационных компаний.

На протяжении всех этих лет его постоянно занимал один вопрос-почему современные автомобильные двигатели настолько неэффективны?

Школьник разработал свой собственный высокоэффективный гибридный цикл (HE HC) двигатель, который стал ключевым шагом на пути к его мечте.

Ему помогал его сын Александр, который в конечном итоге окончил MIT и стал экспертом в области оптимизации систем.

Николай Школьник убежден, что, помимо всего прочего, полученное в СССР образование помогло его амбициям создать революционный двигатель.

“Есть большие различия между американскими инженерами и теми, кто обучается в России», — сказал Школьник.

«Американские инженеры невероятно эффективны в том, что они делают, и обычно требуется два или три русских инженера, чтобы заменить одного американского.

Однако у русских есть более широкий взгляд на вещи, который имеет отношение к их образованию; по крайней мере, в мое время это было так.

Они способны достигать поставленных целей при минимуме ресурсов.”

Взрыв из прошлого

Отец и сын изобретатели были вдохновлены идеей роторного двигателя, принципы которого были впервые предложены в середине 20-го века немецким изобретателем Феликсом Ванкелем.

Обычные поршневые двигатели имеют много вращающихся и движущихся частей, что снижает их КПД.

Двигатель Ванкеля, однако, имеет продолговатую камеру с треугольным Ротором внутри нее, движения которого создают различные секции в камере, где топливо впрыскивается, сжимается, сжигается и высвобождается.

Несмотря на их более высокую эффективность, роторные двигатели не смогли завоевать широкое признание, потому что они были не очень надежными и не экологически чистыми.

Реинкарнированные роторные двигатели

«Школьники» основали компанию LiquidPiston и создали собственную версию роторного двигателя, где ротор имеет форму гайки, которая вращается в треугольной камере, что позволило устранить недостатки двигателя Ванкеля.

Кроме того, двигатель Школьников создает так называемое изохорное горение, то есть сжигание топлива с объемом, остающимся постоянным, что повышает КПД.

Изобретатели создали пять моделей абсолютно нового двигателя, одну за другой, последняя из которых впервые была испытана в июне, когда ее установили на спортивную тележку.

Тесты оправдали все ожидания.

Компактный и мощный

Миниатюрный двигатель Школьников весит меньше двух килограммов, имеет мощность всего в три лошадиных силы и имеет коэффициент полезного действия 20 процентов.

Для сравнения, типичный поршневой двигатель того же объема в 23 кубических сантиметра имеет коэффициент полезного действия всего 12 процентов, в то время как поршневой двигатель того же веса будет генерировать только одну лошадиную силу.

Коэффициент полезного действия таких двигателей резко повышается с увеличением их объема.

Например, следующим двигателем Школьников станет 40-сильный дизельный мотор.

Его КПД составит 45 процентов, что выше, чем у лучших дизельных двигателей современных грузовиков.

В то же время, он будет весить всего 13 кг, в то время как эквивалентные поршневые двигатели в настоящее время весят около 200 кг.

В будущем компактные и мощные двигатели Школьников планируется использовать в легких беспилотниках, ручных электропилах и электрогенераторах.

Также читайте на нашем канале:

DARPA (Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США) — деньги

На сегодняшний день стартап «Школьники» получил $18 млн венчурных инвестиций, в том числе $1 млн от Агентства перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA).

Авиация США в основном использует топливо JP-8, и военные хотят, чтобы вся военная техника работала на нем, что, кстати, может быть использовано дизельными двигателями.

Эти двигатели, однако, довольно громоздки, поэтому DARPA внимательно изучает конструкции «Школьников

Принцип работы роторного двигателя

Роторный мотор работает по схеме, отличающейся от технологии, характерной для стандартного ДВС с поршнями в качестве основного подвижного элемента. Кроме того, силовые агрегаты имеют различную конструкцию.

По аналогии с поршневым двигателем принцип действия РПД базируется на преобразовании энергии, получаемой в результате сгорания воздушно-топливной смеси. В первом случае давление, создаваемое в цилиндрах при сжигании горючего, вынуждает поршни двигаться. Возвратно-поступательные движения шатун и коленчатый вал преобразуют во вращательные, которые заставляют крутиться колеса.

Ротор движется во внутренней полости овальной капсулы, передавая мощность сцеплению и коробке передач. Благодаря треугольной форме, он выдавливает энергию топлива, направляя через трансмиссию на колесную систему. Обязательное условие – в качестве материала используется легированная сталь.

Внутри цилиндра, где располагается ротор, происходят следующие процессы:

1. воздушно-топливная смесь сжимается;
2. впрыскивается очередная доза горючего;
3. поступает кислород;
4. топливо воспламеняется;
5. сгоревшие элементы направляются в выпускное отверстие.

Треугольный ротор закрепляется на особом механизме. При запуске двигателя он выполняет специфические движения, не вращаясь, а как бы бегая внутри овальной капсулы.

Благодаря своей форме, он образует в корпусе 3 изолированные камеры.

В них наблюдаются такие процессы:

• в первую полость через впускное окно подается горючее и всасывается кислород, при перемешивании образующие воздушно-топливную смесь;
• во втором отсеке происходит сжатие и воспламенение;
• продукты сгорания вытесняются в выпускное отверстие из третьей камеры.

Схема устройства РПД

В конструкцию РПД входят следующие элементы:

1. Ротор с 3 выпуклыми гранями, выполняющими функции поршня. За счет углублений увеличивается скорость вращения, образуется больше пространства для воздушно-топливной смеси.
2. Пластины из металла, закрепленные на вершинах каждой из сторон. Их предназначение – формирование полостей в корпусе, где происходят рабочие процессы силовой установки.
3. 2 металлических кольца на гранях ротора служат для образования камерных стенок.
4. В центре конструкции располагаются 2 больших колеса с большим количеством зубьев, вращающихся вокруг шестерней меньшего диаметра. Зубчатая передача соединена с приводным устройством, закрепленном на выходном валу. Направление и траектория движения внутри камеры зависят от этого соединения.
5. Корпус ротора. Изготавливается в форме условного овала. Такая конфигурация обеспечивает постоянный контакт вершин треугольника со стенками капсулы, создавая 3 изолированных объема газа.
6. Окна впрыска и выхлопа. Клапанов не имеют. Впускное отверстие соединено с системой подачи топлива, а выпускное – с выхлопной трубой.
7. Выходной вал с эксцентриковой конструкцией. На нем расположены особые кулачки, смещенные относительно осевой линии. На каждый из этих выступов надевается отдельный ротор. Благодаря несимметричной установке, происходит неравномерное распределение силы давления. Это приводит к образованию крутящего момента, вызывающего стабильную работу силовой установки, основанную на оборотах вала.

5 основных слоев, скрепленных по окружности длинными шурупами, составляют стандартную конструкцию двухроторного двигателя. При этом создаются условия для свободной циркуляции охлаждающей жидкости внутри системы. Движущиеся части, представленные 2 роторами и эксцентриковым выходным валом, располагаются между 2 стационарными участками.

Мощность и ресурс

По сравнению со стандартным ДВС, роторный агрегат характеризуется большей удельной мощностью, которая измеряется в л.с./кг. Это объясняется меньшей массой подвижных деталей, составляющих конструкцию РПД. Обоснование – отсутствие газораспределительного механизма, клапанной системы, коленчатого вала и шатунов.

Кроме того, однороторный двигатель преобразует энергию сгорания топлива во вращательное движение на протяжении ¾ тактов рабочего цикла. Для поршневых моторов этот показатель снижен до ¼.

В результате при вместимости цилиндров 1,3 л современный РПД серийного производства развивает мощность до 220 л.с. А если базовая конструкция дополнена турбинным надувом, то до 350 л.с.

До 2011 г. только японские промышленники концерна «Мазда» выпускали автомобили с двигателями роторного типа. А потом и они сняли агрегат с производства. Вероятная причина – заниженный ресурс силовой установки. До первого капитального ремонта транспортные средства проезжают всего 100 тыс. км. При аккуратном стиле вождения и бережном отношении пробег увеличивается до 200 тыс. км.

Уязвимое звено – уплотнители ротора, страдающие от перегрева и высоких нагрузок. Кроме этих факторов на них оказывают негативное влияние детонация и износ подшипников, расположенных на эксцентриковом валу.

Любим и ненавидим

Фанаты техники любят роторные двигатели потому, что они другие. Многие автолюбители, хорошо разбиравшиеся в технике, питали определенную слабость к такому странному двигателю, работающему на обычном топливе, но при этом не выглядевшему как стандартный набор поршней, клапанов и других неотъемлемых элементов обычного поршневого мотора.

В зависимости от специфики мотора ротор линейно поставляет мощность до 7.000-8.000 об/мин – бесперебойно, практически на одном уровне крутящего момента. Эта ровная полка момента как раз и отличает его от подавляющего большинства поршневых ДВС, в которых наблюдается много мощности на высоких оборотах и ее нехватка при низких.

Автопроизводителям также понравился роторный двигатель благодаря плавности его работы. Роторы, вращаясь вокруг центральной оси, не создают никакой вибрации по сравнению с поршневыми двигателями, у которых верхняя и нижняя точки хождения поршня отчетливо прослеживаются даже внутри салона автомобиля.

Но необычный двигатель – это словно необъезженная лошадь, своенравное животное, поэтому в противовес обожателям идеи Ванкеля концепция также внушает свою долю ненависти в среде автомобильных фанатов и механиков. И, казалось бы, почему?

Ведь у двигателя простой дизайн: отсутствует ремень ГРМ, отсутствует распределительный вал, нет привычной системы клапанов. Но за простоту приходится платить большой точностью производства деталей. Они должны быть сделаны безукоризненно, что поднимает их стоимость в разы, по сравнению с запчастями для обычных поршневых двигателей. Второе – этих запчастей мало в природе. И в-третьих, в мире почти нет специалистов, которые занимались бы починкой роторных моторов. В Москве, говорят, есть пара, но очередь к ним – на год вперед.

Из минусов еще можно назвать своеобразную работу роторного силового агрегата. Конструкция подразумевает сгорание масла в цилиндрах мотора, куда нагнетаются небольшие количества моторного масла прямо в камеры сгорания. Делается это для того, чтобы смазывать прилегающие площади роторов, вращающихся на бешеной скорости. Сизоватый дым, иногда выходящий из выхлопной трубы, – это признак беды, он отпугивает незнающих людей от моделей вроде RX-7 или 8.

Роторные моторы также предпочитают минеральные масла синтетическим, а их дизайн означает, что вы должны время от времени подливать масло в этот ненасытный агрегат, чтобы оно не закончилось.

Ну и наконец, те уплотнения вершины ротора, которые не удалось сделать NSU, все же недостаточно долговечны. Раз в 130-160 тыс. км мотору требуется капитальная переборка. А это удовольствие, как вы уже понимаете, дорогое. Да и что такое 130.000 км? Пять-шесть лет эксплуатации? Маловато будет!

Современные водители также наиболее чувствительны к другим недостаткам роторных движков: высоким выбросам вредных веществ в атмосферу (этим, скорей, обеспокоены в Greenpeace) и экономии топлива из-за тенденции двигателя не полностью сжигать топливно-воздушную смесь перед отправкой ее восвояси (здесь, конечно, удар наносится по карману автовладельца). Да, роторные двигатели имеют отменный «аппетит».

Для RX-8 Mazda частично решила эти проблемы, разместив выпускные отверстия по бокам камер сгорания. Но сейчас борьба за экологию обострилась и предложенных улучшений оказалось недостаточно. Это явилось еще одной причиной, по которой RX-8 стал последним автомобилем с двигателем Ванкеля под капотом. Он продавался 10 лет, с 2002 по 2012 год, но его убила экология.

Роторный двигатель, недостатки

Роторные двигатели не получили массового распространения из-за низких экологических показателей.

Также отмечается потребление большого количества топлива, вследствие невысокого рабочего давления в камере сгорания.

Так как такой тип двигателя редко встречается, при его ремонте и эксплуатации могут возникнуть проблемы.

Практически отсутствует система смазки. Моторное масло постоянно поступает в корпус к ротору из-за чего наблюдается значительный его расход.

Само масло должно иметь высокие качественные показатели и быть минеральным без присадок. Дело в том, что «синтетика» выгорает и образует на поверхности корпуса нагар.

Следует отметить что роторные моторы нагреваются намного сильнее чем поршневые.

Новый роторный двигатель Mazda

Весной 2016 года Mazda Motor Europe запросила у США патент на разработку роторно-поршневого мотора нового поколения. Ожидается, что машины с новым двигателем поступят в продажу уже в 2019 году. Эту информацию подтвердил вице-президент «Мазды» Мартин тен Брик.

Основные технические параметры двигателя пока окутаны тайной. По слухам, рабочий объём увеличится до 1,6 литра, а также появится турбонаддув. Мотор будет принадлежать линейке SkyActiv, представители которой могут похвастать атмосферными силовыми агрегатами.

Поговаривают, что Mazda намерена полностью избавиться от прежних «болячек» на серийных моделях. Ожидается, что производитель поработает с низким ресурсом, отсутствием тяги на низких оборотах и неидеальными экологическими показателями. Автомобилисты уверены, что новый мотор в первую очередь протестируют на серийной версии концепт-кара RX-Vision. Мощность агрегата составит 400 л.с.

Роторный двигатель — уникальная вещь. Из-за высоких оборотов его даже собирались использовать для создания электромобилей, но там он служил бы только для зарядки конденсаторов. Но, если верить последним новостям, Mazda вдохнёт новую жизнь в роторный мотор. Он вернётся ещё более эффективным, чем был, и подарит спорткарам светлое будущее.

Немного истории

Роторный двигатель, который в технической литературе называется двигателем Ванкеля, был изобретен еще в 1936 году, когда эти агрегаты были не столь совершенны, и при колоссальных объемах их мощность была столь мала, что разгон до сотни занимал почти в два раза больше времени, чем сейчас.

Недостатков было действительно много. К примеру, расход топлива типичного бензинового ДВС был поистине огромен. Несмотря на то, что в начале прошлого века не было разработано практически никаких экологических стандартов, токсичность и объем выхлопа были столь высокими, что вызывали опасения у многих инженеров и простых автомобилистов — потребителей готовой продукции.

Низкая надежность и крайне невысокие технические характеристики привели к тому, что Ванкель начал разработку прототипа, который пока лишь отдаленно напоминал роторный двигатель по своему внешнему виду. Поначалу добиться более-менее приемлемых результатов не представлялось возможным. Кроме того, начало Второй мировой войны ознаменовало практически полную остановку разработки перспективного типа ДВС, за счет чего появление на свет готового рабочего прототипа было отложено почти на два десятка лет.

Появление интереса со стороны концерна БМВ привело к тому, что роторно-поршневой двигатель продолжил совершенствоваться, и в ходе большой работы получили прототип, который был способен работать на легковом автомобиле и придавать ему достаточно внушительные технические характеристики.

Таким образом, в 1958 году в свет вышел первый автомобиль, который имел ДВС перспективного типа с умеренным объемом и невиданной по меркам того времени мощностью. Вскоре оказалось, что принцип работы роторного двигателя пока имеет большое число недостатков, к которым относится колоссальный износ и необходимость частого капитального ремонта. По этой причине роторные двигатели стали подвергаться постоянной доработке, и даже на сегодняшний день состояние разработки такого двигателя называть стабильным не получается.

Характеристики РПД ВАЗ-414

Впервые данный двигатель появился на «девятках» лишь в 1992 году. По сравнению со своими «предками» данный мотор имел следующие преимущества:

• Высокую удельную мощность, которая давала возможность машине набрать «сотню» всего за 8-9 секунд.
• Большой коэффициент полезного действия. С одного литра сгоревшего топлива удавалось получить до 110 лошадиных сил мощности (и это без какой-либо форсировки и дополнительной расточки блока цилиндров).
• Высокий потенциал для форсирования. При правильной настройке можно было увеличить мощность двигателя на несколько десятков лошадиных сил.
• Высокооборотистость мотора. Такой двигатель способен был работать даже при 10 000 об./мин. При таких нагрузках мог функционировать только роторный двигатель. Принцип работы классических ДВС не позволяет их эксплуатировать долго на высоких оборотах.
• Относительно малый расход топлива. Если прежние экземпляры «съедали» на «сотню» порядка 18-20 литров топлива, то данный агрегат потреблял всего 14-15 в среднем режиме эксплуатации.