Mazda: роторный двигатель 13B-MSP

 Роторный двигатель 13B-MSP Мазда RX-8

Дополнительно: Технические параметры двигателя 13B-MSP Мазда RХ-8

Роторный двигатель 13B-MSP в качестве силового агрегата устанавливался в Mazda RX-8 и выпускался в стандартном варианте и в варианте повышенной мощности. Про историю этого двигателя можно прочитать в этом материале. Двигатель снабжён топливной системой впрыска во впускной коллектор. В двигателе стандартной мощности установлены две форсунки на ротор, а в двигателе высокой мощности – три форсунки на ротор. На двигателе применена бесконтактная система зажигания с двумя катушками прямого зажигания на каждом роторе.

Конструкция

Главными элементами двигателя 13B-MSP являются роторы, эксцентриковый вал, передний и задний корпуса роторов и промежуточный/боковой корпус. Ротор вращается внутри корпуса ротора, который вставлен между промежуточным корпусом с одной стороны и передним или задним корпусом – с другой стороны, образуя герметичные камеры.

Эксцентриковый вал при вращении передаёт усилия роторов входному валу коробки передач. Траектория вращения ротора внутри корпуса ротора определяется расположением и передаточными числами внутренних и стационарных шестерен, которые фазированы таким образом, что за каждый оборот ротора эксцентриковый вал совершает три оборота.

• Высокопрочный эксцентриковый вал из кованой углеродистой стали подвергают индукционной закалке для повышения износостойкости. Масляный канал, обеспечивающий смазку каждой шейки и подачу масла на форсунки для охлаждения ротора, проходит от переднего конца эксцентрикового вала к задней главной шейке.

• В передний корпус двигателя, отлитый из легкого алюминиевого сплава, интегрирован дозирующий масляный насос с электроприводом и маслоохладитель с регулирующим клапаном давления масла. Дозирующий насос обеспечивает подачу масла на две масляные форсунки, направленные на каждый из роторов, для улучшения смазки боковых уплотнений в соответствии с применением боковой выхлопной системы. Они наклонены под углом к боковым (по отношению к корпусу ротора) корпусам для впрыска масла непосредственно на контактные поверхности.

• Корпус ротора из алюминиевого сплава имеет вставку из листовой специальной стали с использованием технологии производства SIP (Sheetmetal Insert Process) и обладает преимуществами, как легкого алюминия, так и превосходной прочности стали. Благодаря хромированному покрытию MCP (Micro Channel Porous) на внутренней поверхности трохоидного профиля камеры были сделаны тонкие канавки для удержания масла. Кроме того, на поверхность нанесено покрытие из фторуглеродной смолы для улучшения начальной приработки поверхности.

• В качестве уплотнений кромок роторов используются специальные литые уплотнения из чугуна, подвергнутые электронно-лучевой обработке для повышения стойкости к истиранию контактной поверхности. Уплотнение кромки состоит из двух частей, включая боковую часть, установленную на остром конце ротора. Верхние уплотнения обеспечивают газовое уплотнение, охватывая рабочую поверхность за счет комбинированной силы пружин кромочного уплотнения и центробежной силы вращения ротора.

• Боковые уплотнения, изготовленные методом спекания железа, обеспечивают газовое уплотнение, контактируя с поверхностью бокового корпуса за счет силы пружин бокового уплотнения. Благодаря применению боковых уплотнений трапециевидной формы сечения улучшилась очистка и удаление нагара, скапливающегося в канавках боковых уплотнений. В то же время были улучшены характеристики газового уплотнения на поверхности трения.



• Специальные чугунные угловые уплотнения цилиндрической формы препятствуют проникновению газов, охватывая боковой корпус усилием пружин угловых уплотнений.

• Для предотвращения просачивания масла, подаваемого на внутреннюю часть элементов ротора для охлаждения и смазки подшипников, в камеры сгорания с боковых поверхностей, с каждой стороны ротора добавлено по два подпружиненных сальника. Пружины имеют цветные метки для их идентификации.

• Из-за больших цилиндрических овальных камер сгорания роторный двигатель оборудуется двумя свечами зажигания на каждый корпус ротора, повышая эффективность сгорания и снижая вредные выбросы в отработавших газах. В каждом корпусе ротора устанавливаются две разных свечи зажигания (ведущая и ведомая) с разными длинами. При использовании ненадлежащей свечи зажигания можно повредить двигатель: слишком длинная свеча зажигания может касаться ротора.

• Провода высокого напряжения ведомых свечей зажигания помечены цветными полосами во избежание неправильной установки.

 Принцип работы

В роторном двигателе каждая из трёх боковых поверхностей ротора образует камеру. Эти три камеры не взаимосвязаны, и их циклы процесса сгорания меняются так, как описано ниже.

Во многом аналогично поршневому четырёхтактному двигателю, топливовоздушная смесь в роторном двигателе подвергается горению и увеличению давления газов внутри камеры двигателя, преобразовывая тепловую энергию в выходную мощность. В роторном двигателе, в отличие от поршневого четырехтактного, используется вращение ротора для открывания и закрывания впускных и выпускных портов/отверстий, расположенных с каждой стороны корпусов. 

Поскольку каждый ротор имеет три рабочих камеры, это означает, что для каждого отдельного оборота ротора выполняются три полных рабочих цикла (впуск, сжатие, сгорание, выпуск), приводящих к воздействию на эксцентриковый вал трёх силовых импульсов за один оборот ротора.

Такт впуска

Объём рабочей камеры в положении 1 минимален, таким образом, это положение соответствует TDC (Top Dead Center – верхняя мёртвая точка) впуска поршневого двигателя. По мере того, как ротор продолжает поворачиваться от положения 2 до положения 4 включительно, впускные отверстия становятся всё больше и топливовоздушная смесь всасывается в камеру сгорания, реализуя такт впуска.  В то же время увеличивается объем рабочей камеры, достигая своего максимума в положении 5. В этот момент положение ротора соответствует BDC (Bottom Dead Center – нижняя мёртвая точка) такта впуска поршневого двигателя.

Такт сжатия

После положения 5 впускные отверстия / порт впуска перекрываются ротором, прекращающим такт впуска. Объем рабочей камеры начинает уменьшаться, топливовоздушную смесь сжимается, начинается такт сжатия. По мере того, как ротор поворачивается, объем рабочей камеры становится всё меньше. Такт сжатия начинается от положения 6 и заканчивается в положении 10. В положении 10 объем рабочей камеры минимален. Это TDC такта сжатия. В этом положении, когда сжатие почти полное, смесь воспламеняется свечами зажигания.

Рабочий такт

Смесь, воспламенённая в положении 10, сгорает с большим выделением тепла. Давление газов в камере увеличивается, заставляя ротор вращаться. Расширение объема рабочей камеры начинается с положения 11 до положения 13 включительно. В это время горение топливовоздушной смеси резко увеличивает давление газов на поверхность ротора и посредством эксцентрикового вала преобразуется в энергию вращения, реализуемую в качестве движущей силы автомобиля. В положении 15 объем рабочей камеры достигает своего максимума, при этом ротор находится в BDC рабочего такта. 

Такт выпуска

После завершения горения отработавшие газы выталкиваются через выпускное отверстие / выпускной порт. Объем рабочей камеры уменьшается, начиная с положения 15 до положения 18 включительно. Это такт выпуска. Когда этот такт заканчивается, ротор возвращается в положение 1, откуда рабочий цикл начинается снова.

Описание цикла работы приведено только одной секции ротора, другая секция с ротором, смещенным на 180 градусов по отношению к первому, работает точно таким же образом. В результате цикла работы каждый из роторов выполняет один оборот, во время которого эксцентриковый вал поворачивается три раза. Это приводит к впуску газовой смеси, за которым следует сжатие, сгорание и выпуск. Поскольку на одном роторе имеется три камеры, на каждый оборот ротора приходится три рабочих цикла (цикла горения). Иначе говоря, на каждый оборот эксцентрикового вала приходится по одному полному рабочему циклу только от одной секции двигателя.

Что касается газообмена, циклы роторного двигателя такие же, как и у четырёхтактного поршневого двигателя, однако рабочие циклы на оборот выходного вала такие же, как у двухтактного поршневого двигателя. Таким образом, роторный двигатель – это особый тип двигателя, который не попадает в категорию ни четырёхтактных, ни двухтактных двигателей.

Проблемным для этого двигателя принято считать обеспечение надежного уплотнения рабочих камер ротора. При эксплуатации по мере износа и загрязнения канавок уплотнений подвижность их компонентов снижается, что приводит к падению компрессии. Mazda рекомендует прогревать двигатель до рабочей температуры перед его выключением. Если он не прогрет, при следующем после глушения запуске смазка уплотнений будет смыта впрыскиваемым топливом с полной потерей компрессии.

Кроме того, большая общая протяженность уплотняемых поверхностей требует постоянной надежной смазки, и, как следствие, увеличенному расходу масла. А это, в свою очередь, требует регулярного контроля уровня масла. Не случайно на масломерном щупе нанесены 5 меток уровня масла по 0,5 литра каждый.

За отменные мощностные характеристики и превосходный крутящий момент приходится платить: на топовой модели с 250 л.с. и моментом в 216 Нм расход топлива в городском режиме составит свыше 18 л на 100 км. 

Несомненные преимущества этого двигателя ждут своих технологических и конструкционных решений. А немногочисленные обладатели RX-8 с двигателем 13B-MSP могут получить необычные захватывающие ощущения от управления этим прекрасным автомобилем с неповторимыми звуком работы и откликом на педаль акселератора.