Rotační motorové zařízení – autoleek

Po vytvoření spalovacího motoru začala éra automobilů. Nejpoužívanějším motorem je pístový typ. Od vzniku spalovacího motoru však konstruktéři stojí před úkolem vydolovat maximální účinnost při minimální spotřebě paliva. Tento problém byl řešen několika způsoby – od technického vylepšení stávajících motorů až po vytvoření zcela nových s odlišnou konstrukcí. Jedním z nich byl rotační motor.

Rotační motor

Objevil se mnohem později než pístový motor, ve 30. letech. Plně funkční model takového motoru se objevil až v 50. letech. Rotační motor po svém vzhledu vzbudil zájem mnoha automobilek a všichni se vrhli na vývoj vlastních modelů rotačních elektráren, ale brzy se od nich upustilo ve prospěch konvenčních pístových. Z přívrženců rotačního motoru zůstala pouze japonská společnost Mazda, která z tohoto typu motoru udělala svou vizitku.

Zvláštností takového motoru je jeho konstrukce, která vůbec neobsahuje písty. Celkově to mělo silný dopad na jednoduchost designu.

U pístových motorů energii spalovaného paliva přijímá píst, který ji svým vratným pohybem přenáší na kliky klikového hřídele, čímž je zajištěna jeho rotace.

V rotačních motorech se energie okamžitě přeměňuje na rotaci hřídele a obchází vratný pohyb. To má za následek snížení energetických ztrát v důsledku tření, nižší spotřebu kovu a jednodušší konstrukci. Díky tomu se výrazně zvyšuje účinnost motoru.

Výstavba

Abyste pochopili princip fungování, musíte pochopit konstrukci rotačního motoru. Takže místo pístů je energie spalování paliva v takové pohonné jednotce vnímána rotorem. Rotor má tvar rovnostranného trojúhelníku. Každá strana tohoto trojúhelníku hraje roli pístu.

Pro zajištění spalovacího procesu je rotor umístěn v uzavřeném prostoru sestávajícím ze tří prvků – dvou bočních skříní a jednoho centrálního, nazývaného stator. Prostor, ve kterém probíhá spalovací proces, je proveden ve statoru, boční pouzdra pouze zajišťují těsnost tohoto prostoru.

Uvnitř statoru je válec, ve kterém je uložen rotor. Aby se zajistilo, že všechny potřebné procesy probíhají uvnitř tohoto válce, je vyroben ve formě oválu s mírně lisovanými stranami.

Samotný stator má na jedné straně okénka pro nasávání směsi paliva se vzduchem nebo vzduchu a odvod výfukových plynů. Naproti nim je vytvořen otvor pro zapalovací svíčky.

Zvláštností pohybu rotoru ve válci statoru je, že jeho vrcholy jsou v neustálém kontaktu s povrchem válce, jeho pohyb je prováděn podle excentrického typu. Nejenže se otáčí kolem své osy, ale také se vůči ní posouvá.

Za tímto účelem je v rotoru vytvořen velký otvor, na jedné straně tohoto otvoru je ozubený sektor. Na druhé straně je do rotoru vložen hřídel s excentrem.

Pro zajištění rotace je v boční skříni instalováno pevné ozubené kolo, které zabírá s ozubeným sektorem rotoru a slouží mu jako opěrný bod. Při svém excentrickém pohybu spočívá na pevném převodu a záběr mu zajišťuje rotační pohyb. Při otáčení zajišťuje i otáčení hřídele s excentrem, na kterém je umístěna.

Princip činnosti

Nyní o principu fungování. Provedení určitého množství práce pístem uvnitř válců se nazývá zdvihy. Klasický pístový motor má čtyři zdvihy:

• sání – hořlavá směs se přivádí do válce;
• komprese – zvýšení tlaku ve válci v důsledku snížení objemu;
• pracovní zdvih – energie uvolněná při spalování směsi se přeměňuje na rotaci hřídele;
• výfuk – výfukové plyny jsou odstraněny z válce;

Všechny spalovací motory mají tyto zdvihy a jsou doprovázeny určitým pohybem pístu.

Provádějí se však jinak. Existují dvoudobé pístové motory, u kterých jsou zdvihy kombinovány, ale takové motory se častěji používají v motocyklech a jiných zařízeních poháněných benzinem, i když dříve vznikaly i dieselové dvoudobé motory. V nich jeden pohyb pístu zahrnuje dva zdvihy. Když se píst pohybuje nahoru, dochází k sání a kompresi, a když se pohybuje dolů, dochází k zdvihu a výfuku. To vše je zajištěno přítomností vstupních a výstupních oken.

Klasické automobilové pístové motory jsou většinou 4taktní, kde je každý zdvih samostatný. Ale pro tento účel motor obsahuje mechanismus časování ventilů, což výrazně komplikuje konstrukci.

Pokud jde o rotační motor, absence pístu jako takového umožnila poněkud spojit konstrukční vlastnosti 2-taktních a 4-taktních motorů.

Vzhledem k tomu, že rotační válec motoru má sací a výfukové kanály, zmizela potřeba mechanismu časování ventilů, zatímco samotný provozní proces zachovává všechny čtyři zdvihy odděleně.

Nyní se podívejme, jak se to všechno děje uvnitř statoru. Rohy rotoru jsou v neustálém kontaktu s válcem statoru a poskytují utěsněný prostor mezi stranami rotoru.

Oválný tvar statorového válce zajišťuje změnu prostoru mezi stěnou válce a dvěma sousedními vrcholy rotoru.

Dále budeme uvažovat akci uvnitř válce pouze na jedné straně rotoru. Takže když se rotor otáčí, jeden z jeho vrcholů, procházející zúžením oválu válce, otevře vstupní okénko a hořlavá směs nebo vzduch začne proudit do dutiny mezi stranou trojúhelníku rotoru a stěnou válce. Pohyb zároveň pokračuje, tento vrchol dosahuje a míjí vysokou část oválu a dále se zužuje. Možnost stálého kontaktu vršku rotoru je zajištěna jeho excentrickým pohybem.

Vzduch je přiváděn, dokud druhý hrot rotoru nezakryje vstupní okénko. V této době již první vrchol překonal výšku oválu válce a začal se zužovat, zatímco prostor mezi válcem a stranou rotoru začíná výrazně zmenšovat objem – dochází ke kompresnímu zdvihu.

V okamžiku, kdy strana rotoru projde maximálním zúžením, je do prostoru mezi stranou rotoru a stěnou válce přivedena jiskra, která zapálí hořlavou směs stlačenou mezi zúženou stěnou válce a stranou rotoru.

Zvláštností rotačního motoru je, že ke zážehu nedochází před projetím takzvané strany „mrtvého bodu“, jak se to děje u pístového motoru, ale až po jejím projetí. To se děje tak, že energie uvolněná při spalování působí na tu část strany rotoru, která již prošla TDC (horní úvrať). Tím je zajištěno, že se rotor otáčí požadovaným směrem.

Po průchodu zapalovací svíčky začíná první vrchol rotoru otevírat výfukový kanál a postupně, dokud druhý vrchol nezavře výfukový kanál, jsou plyny odstraňovány.

Je třeba poznamenat, že celý proces byl popsán jako prováděný pouze jednou stranou rotoru, všechny strany provádějí proces jedna po druhé. To znamená, že během jedné rotace rotoru se provádějí tři cykly současně – zatímco vzduch nebo hořlavá směs je přiváděn do dutiny mezi jednou stranou rotoru a válcem, v tomto okamžiku druhá strana rotoru prochází TDC a třetí uvolňuje výfukové plyny.

Nyní o rotaci hřídele, na jejímž excentru je rotor umístěn. Díky tomuto excentru se úplné otočení hřídele provede za méně než jednu otáčku rotoru. To znamená, že v jednom kompletním cyklu hřídel vykoná tři otáčky, přičemž stále poskytuje užitečnou akci. U pístového motoru probíhá jeden cyklus za dvě otáčky klikového hřídele a je užitečná pouze jedna poloviční otáčka. To zajišťuje vysokou účinnost výstupu.

Porovnáme-li rotační motor s motorem pístovým, výkon jedné sekce, která se skládá z jednoho rotoru a statoru, se rovná výkonu 3válcového motoru.

A pokud vezmeme v úvahu, že Mazda instalovala do svých vozů dvoudílné rotační motory, pak z hlediska výkonu nejsou horší než šestiválcové pístové motory.

Výhody a nevýhody

Nyní o výhodách rotačních motorů a je jich poměrně hodně. Ukazuje se, že jedna sekce se výkonem rovná 3válcovému motoru, ale jeho celkové rozměry jsou výrazně menší. To má vliv na kompaktnost samotných motorů. To lze posoudit podle modelu Mazda RX-8. Tento vůz s dobrým výkonem má uspořádání motoru uprostřed, což umožnilo dosáhnout přesného rozložení hmotnosti vozu podél náprav, což ovlivňuje stabilitu a ovladatelnost vozu.

Kromě své kompaktní velikosti nemá tento motor mechanismus časování ventilů (GRM), protože všechny fáze časování ventilů provádí samotný rotor. To výrazně snížilo obsah kovu v konstrukci a v důsledku toho i hmotnost motoru.

Kvůli nedostatku pístů a rozvodových řemenů se snižuje počet pohyblivých částí v motoru, což ovlivňuje spolehlivost konstrukce.

Samotný motor, díky absenci vícesměrných pohybů, které jsou přítomny v pístovém motoru, vibruje méně během provozu.

Ale takový motor má i své nevýhody. Začněme tím, že jeho mazací systém je shodný s 2-taktním motorem. To znamená, že mazání povrchu válce se provádí společně s palivem. Organizace zásobování ropou je ale poněkud odlišná. Pokud se u dvoudobého motoru přidává mazací olej přímo do paliva, pak se v rotačním motoru dodává přes vstřikovače a poté se smíchá s palivem.

Použití tohoto typu mazání vedlo k tomu, že motor je vhodný pouze pro minerální olej nebo speciální polosyntetický olej. Při provozu dochází k hoření oleje, což negativně ovlivňuje složení výfukových plynů. Z hlediska šetrnosti k životnímu prostředí je rotační motor výrazně horší než čtyřdobý pístový motor.

Přes jednoduchost své konstrukce má rotační motor poměrně krátkou životnost. Stejná Mazda má najeto před většími opravami pouze 100 tisíc km. Především „trpí“ apexy – obdoby kompresních kroužků v pístovém motoru. Vrcholy jsou umístěny na vršcích rotoru a zajišťují těsné uchycení vršku ke stěně válce.

Další nevýhodou je nemožnost provedení restaurátorských prací. Pokud jsou opotřebená sedla vrcholu rotoru, je rotor zcela vyměněn, protože tato místa není možné obnovit.

Totéž platí pro válec statoru. Pokud je poškozen, je nuda téměř nemožná kvůli složitosti provádění takové práce.

Díky vysoké rychlosti otáčení excentrického hřídele se jeho vložky opotřebovávají mnohem rychleji.

Obecně platí, že navzdory své výrazně jednoduché konstrukci se rotační motor vzhledem ke složitosti provozních procesů ukazuje jako podstatně horší z hlediska spolehlivosti než motor pístový.

Obecně ale platí, že rotační motor není ve vývoji spalovacích motorů slepá ulička. Stejná Mazda tento typ motoru neustále vylepšuje. Například motor nainstalovaný na RX-8 se toxicitou příliš neliší od pístového motoru, což je velký úspěch.

Nyní se také snaží zdroje navýšit. Toho však bude s největší pravděpodobností dosaženo použitím speciálních materiálů pro výrobu součástí motoru a také vysokým stupněm povrchové úpravy, což bude dále komplikovat a prodražovat opravy.