A rotary engine

Engine is from the Latin ingenium, which referred to one’s ability to create things; it comes from a root meaning ‘create; beget’. Its first meaning in English, from about the fourteenth century, was very much this one of genius, a skill in devising things. It could also refer to a contrivance or device, particularly any mechanical apparatus. In the 1670s one John Worlidge invented a machine for pulping apples in cidermaking; he termed his device the Ingenio, an obvious reference to the Latin original. Engine was commonly applied also to weapons of war.

A rotary engine is an internal combustion engine, like the engine in your car, but it works in a completely different way than the conventional piston engine.

In a piston engine, the same volume of space (the cylinder) alternately does four different jobs - intake, compression, combustion and exhaust. A rotary engine does these same four jobs, but each one happens in its own part of the housing. It's kind of like having a dedicated cylinder for each of the four jobs, with the piston moving continually from one to the next.

The rotary engine (originally conceived and developed by Dr. Felix Wankel) is sometimes called a Wankel engine, or Wankel rotary engine.

Principles of a Rotary Engine.

Like a piston engine, the rotary engine uses the pressure created when a combination of air and fuel is burned. In a piston engine, that pressure is contained in the cylinders and forces pistons to move back and forth. The connecting rods and crankshaft convert the reciprocating motion of the pistons into rotational motion that can be used to power a car.

In a rotary engine, the pressure of combustion is contained in a chamber formed by part of the housing and sealed in by one face of the triangular rotor, which is what the engine uses instead of pistons.

The rotor follows a path. This path keeps each of the three peaks of the rotor in contact with the housing, creating three separate volumes of gas. As the rotor moves around the chamber, each of the three volumes of gas alternately expands and contracts. It is this expansion and contraction that draws air and fuel into the engine, compresses it and makes useful power as the gases expand, and then expels the exhaust.

Producing More Engine PowerHorsepower

For a complete explanation of what horsepower is and what horsepower means, check out How Horsepower Works.

Using all of this information, you can begin to see that there are lots of different ways to make an engine perform better. Car manufacturers are constantly playing with all of the following variables to make an engine more powerful and/or more fuel efficient.

Increase displacement - More displacement means more power because you can burn more gas during each revolution of the engine. You can increase displacement by making the cylinders bigger or by adding more cylinders. Twelve cylinders seems to be the practical limit.

Increase the compression ratio - Higher compression ratios produce more power. The more you compress the air/fuel mixture, however, the more likely it is to spontaneously burst into flame (before the spark plug ignites it). Higher-octane gasolines prevent this sort of early combustion. That is why high-performance cars generally need high-octane gasoline -- their engines are using higher compression ratios to get more power.

Stuff more into each cylinder - If you can cram more air (and therefore fuel) into a cylinder of a given size, you can get more power from the cylinder (in the same way that you would by increasing the size of the cylinder). Turbochargers and superchargers pressurize the incoming air to effectively cram more air into a cylinder.

Cool the incoming air - Compressing air raises its temperature. However, you would like to have the coolest air possible in the cylinder because the hotter the air is, the less it will expand when combustion takes place. Therefore, many turbocharged and supercharged cars have an intercooler. An intercooler is a special radiator through which the compressed air passes to cool it off before it enters the cylinder.

Let air come in more easily - As a piston moves down in the intake stroke, air resistance can rob power from the engine. Air resistance can be lessened by putting two intake valves in each cylinder. Bigger air filters can also improve air flow.

Let exhaust exit more easily - If air resistance makes it hard for exhaust to exit a cylinder, it robs the engine of power. Air resistance can be lessened by adding a second exhaust valve to each cylinder (a car with two intake and two exhaust valves has four valves per cylinder, which improves performance). If the exhaust pipe is too small or the muffler has a lot of air resistance, this can cause back-pressure. High-performance exhaust systems use headers, big tail pipes and free-flowing mufflers to eliminate back-pressure in the exhaust system. When you hear that a car has "dual exhaust," the goal is to improve the flow of exhaust by having two exhaust pipes instead of one.

Make everything lighter - Lightweight parts help the engine perform better. Each time a piston changes direction, it uses up energy to stop the travel in one direction and start it in another. The lighter the piston, the less energy it takes.

Inject the fuel - Fuel injection allows very precise metering of fuel to each cylinder. This improves performance and fuel economy.

Rotary Engine Power

Rotary engines use the four-stroke combustion cycle, which is the same cycle that four-stroke piston engines use. But in a rotary engine, this is accomplished in a completely different way.

The heart of a rotary engine is the rotor. This is roughly the equivalent of the pistons in a piston engine.

Intake

The intake phase of the cycle starts when the tip of the rotor passes the intake port. At the moment when the intake port is exposed to the chamber, the volume of that chamber is close to its minimum. As the rotor moves past the intake port, the volume of the chamber expands, drawing air/fuel mixture into the chamber.

When the peak of the rotor passes the intake port, that chamber is sealed off and compression begins.

Compression

As the rotor continues its motion around the housing, the volume of the chamber gets smaller and the air/fuel mixture gets compressed. By the time the face of the rotor has made it around to the spark plugs, the volume of the chamber is again close to its minimum. This is when combustion starts.

Combustion

Most rotary engines have two spark plugs. The combustion chamber is long, so the flame would spread too slowly if there were only one plug. When the spark plugs ignite the air/fuel mixture, pressure quickly builds, forcing the rotor to move.

The pressure of combustion forces the rotor to move in the direction that makes the chamber grow in volume. The combustion gases continue to expand, moving the rotor and creating power, until the peak of the rotor passes the exhaust port.

Exhaust

Once the peak of the rotor passes the exhaust port, the high-pressure combustion gases are free to flow out the exhaust. As the rotor continues to move, the chamber starts to contract, forcing the remaining exhaust out of the port. By the time the volume of the chamber is nearing its minimum, the peak of the rotor passes the intake port and the whole cycle starts again.

The neat thing about the rotary engine is that each of the three faces of the rotor is always working on one part of the cycle -- in one complete revolution of the rotor, there will be three combustion strokes. But remember, the output shaft spins three times for every complete revolution of the rotor, which means that there is one combustion stroke for each revolution of the output shaft.

Differences and Challenges

There are several defining characteristics that differentiate a rotary engine from a typical piston engine.

Fewer Moving Parts

The rotary engine has far fewer moving parts than a comparable four-stroke piston engine. A two-rotor rotary engine has three main moving parts: the two rotors and the output shaft. Even the simplest four-cylinder piston engine has at least 40 moving parts.

This minimization of moving parts can translate into better reliability from a rotary engine. This is why some aircraft manufacturers prefer rotary engines to piston engines.

All the parts in a rotary engine spin continuously in one direction, rather than violently changing directions like the pistons in a conventional engine do. Rotary engines are internally balanced with counterweights that are phased to cancel out any vibrations.

The power delivery in a rotary engine is also smoother. Because each combustion event lasts through 90 degrees of the rotor's rotation, and the output shaft spins three revolutions for each revolution of the rotor, each combustion event lasts through 270 degrees of the output shaft's rotation. This means that a single-rotor engine delivers power for three-quarters of each revolution of the output shaft. Compare this to a single-cylinder piston engine, in which combustion occurs during 180 degrees out of every two revolutions, or only a quarter of each revolution of the crankshaft.

Slower

Since the rotors spin at one-third the speed of the output shaft, the main moving parts of the engine move slower than the parts in a piston engine. This also helps with reliability.

Challenges

There are some challenges in designing a rotary engine:

Typically, it is more difficult (but not impossible) to make a rotary engine meet U.S. emissions regulations.

The manufacturing costs can be higher, mostly because the number of these engines produced is not as high as the number of piston engines.

They typically consume more fuel than a piston engine because the thermodynamic efficiency of the engine is reduced by the long combustion-chamber shape and low compression ratio.

A rotary engine has an ignition system and a fuel-delivery system that are similar to the ones on piston engines.

The rotor has three convex faces, each of which acts like a piston. Each face of the rotor has a pocket in it, which increases the displacement of the engine, allowing more space for air/fuel mixture.

At the apex of each face is a metal blade that forms a seal to the outside of the combustion chamber. There are also metal rings on each side of the rotor that seal to the sides of the combustion chamber.
Роторный двигатель.

От английского двигатель берет свое название от латинского слова, которое обозначает способность делать работу, в корне слова оно означает сооружать, творить. С самого начала в английском языке, где-то с четырнадцатого года, это слово примерно означало гений, умение изобретать вещи. Оно также относилось к изобретениям и устройствам, особенно к механическим аппаратам. В 1670-х Джон Ворлидж изобрел машину по вырезке мякоти для производства сидра, он назвал свое устройство Индженио, очевидно ссылаясь на первоначальный смысл латинского слова. Это слово также применялось к военному оружию.

Роторный двигатель – двигатель внутреннего сгорания, подобно тому, что установлен в вашем автомобиле, но он работает абсолютно по другому принципу, чем обычный поршневой двигатель.

В поршневом двигателе в объеме цилиндра поочередно происходит четыре различных такта – впуск, сжатие, расширение, выпуск. В роторном двигателе проходят те же четыре такта, но каждый происходит в определенном положении. Это напоминает цилиндр с четырьмя тактами работы, с перемещающимся поршнем.

Роторный двигатель (придуманный и разработанный Доктором Феликсом Ванкелом) иногда называют двигателем Ванкела, или роторный двигатель Ванкела.

Принцип работы роторного двигателя.

Подобно поршневому двигателю, роторный двигатель использует давление, созданное при сгорании смеси воздуха и топлива. В поршневом двигателе, давление в цилиндрах вынуждает поршни двигаться назад-вперед. Соединительные элементы и коленчатый вал преобразовывают движение поршня во вращательное движение, которое используется при езде автомобиля.

В роторном двигателе давление для сгорания создается в камере, сформированной частью поверхности цилиндра и стенкой ротора, имеющего форму треугольника, который выполняет такие же функции, что и поршень в поршневом двигателе.

Ротор двигается по колее. Такая колея позволяет быть в контакте всем трем вершинам ротора с внутренней поверхностью цилиндра, образуя три раздельных объема с газом. При движении ротора по камере, каждый из трех объемов независимо друг от друга расширяется и сокращается. Именно такое расширение и сжатие захватывают воздух и топливо в двигатель, эта смесь сжимается и совершается полезная работа, так как газы расширяются, а затем удаляется выхлоп.

Увеличение мощности двигателя.(лошадиные силы).

Для объяснения того, что такое лошадиная сила и что это означает, необходимо выяснить, как работает лошадиная сила.

Анализируя всю выше изложенную информацию, можно для себя уяснить, что существует множество различных способов по улучшению работы двигателя. Автомобильные производители постоянно используют такие методы для увеличения мощности двигателя и/или более эффективного использования топлива.

Увеличение смещения – большее смещение означает большую мощь, так как можно сжечь больнее топлива при повороте ротора. Увеличение смещения можно сделать путем увеличения объема цилиндра или увеличения количества цилиндров. Двенадцать цилиндров сегодня является практическим пределом.

Увеличение коэффициента сжатия – больший коэффициент сжатия дает большую мощь. Смесь воздух/топливо сжимается сильнее, однако, наиболее вероятно, что произойдет спонтанное возгорание (прежде, чем свеча даст искру). Бензин более высокого октанового числа предотвращает преждевременное возгорание. Именно поэтому высоко производительным автомобилям необходим бензин с высоким октановым числом, в их двигателях высокий коэффициент сжатия, поэтому они более мощные.

Большее наполнение каждого цилиндра – если возможно наполнить цилиндр данного объема воздухом большего объема (а соответственно и топливом), то будет совершаться больше полезной работы (больше, чем если бы вы просто увеличили объем цилиндра). Турбокомпрессоры и суперкомпрессоры нагнетают поступающий воздух, чтобы эффективнее наполнить цилиндр воздухом.

Охлаждение поступающего воздуха – сжатие воздуха увеличивает его температуру. Однако, хотели бы вы иметь самый холодный воздух в цилиндре, какой только возможно, потому что чем более горячий воздух, тем меньше он расширяется при сгорании. Поэтому многие автомобили с турбокомпрессорами и суперкомпрессорами имеют интеркулер. Интеркулер – это особый радиатор, в котором нагнетаемый воздух охлаждается перед заполнением цилиндра.

Более легкое прохождение воздуха – при движении поршня вниз, происходит стадия впрыска, при этом сопротивление воздуха может забирать мощность. Сопротивление воздуха может быть уменьшено при установке двух впускных клапанов на каждый цилиндр. Большие воздушные фильтры также могут улучшить прохождение воздуха.

Улучшение выхода выхлопных газов – если сопротивление затрудняет выход газов из цилиндра, то теряется мощность двигателя. Сопротивление может быть уменьшено путем добавления второго клапана для выхода газов на каждом цилиндре (автомобили с двумя впускными и двумя выпускными клапанами имеют по четыре клапана на цилиндр, что увеличивает производительность). Если выхлопная труба очень маленькая или в глушителе большое сопротивление воздуха, то это может привести к противодавлению. Высокопродуктивные выхлопные системы состоят из резонаторов, большие трубы и глушители свободного прохождения во избежание противодавления в выхлопной системе. Если вы слышите, что машина имеет двойной выхлоп, цель заключается в том, чтобы улучшить поток выхлопа при наличии двух выхлопных труб вместо одной.

Уменьшение веса всех частей – уменьшение веса деталей позволяет двигателю работать лучше. Каждый раз, когда поршень меняет направление движения, он затрачивает энергию на прекращение движения в одном направлении и начало движения в другом. Облегчение поршня приводит к уменьшению затрачиваемой энергии.

Впрыск топлива – впрыск топлива позволяет очень точно вливать топливо в каждый цилиндр. Это улучшает производительность и экономию топлива.

Мощность роторного двигателя.

Роторные двигатели работают по четырехтактному циклу, аналогично четырехтактному поршневому двигателю. Но в роторном двигателе этот цикл происходит по-другому.

Сердцем роторного двигателя является ротор. Это аналог поршня в поршневом двигателе.

Впуск.

Стадия впуска начинается, когда ротор проходит впускной канал. В момент, когда впускной канал открыт в камеру, объем близок к минимуму. Как только ротор пройдет впускной канал, объем камеры увеличится, захватывая горючую смесь в камеру. Когда край ротора минует впускной канал, камера загерметизируется и начнется сжатие.

Сжатие.

При продолжении движения ротора объем камеры уменьшается и горючая смесь становится сжатой. К моменту, когда ротор повернулся к электродам свечи зажигания, объем камеры снова близок к минимальному. С этого момента начинается фаза сгорания.

Сгорание.

Большинство роторных двигателей имеет две свечи зажигания. Камера сгорания длинная, поэтому пламя будет распространяться достаточно медленно, если будет стоять только одна свеча. Когда свечи зажигания воспламеняют горючую смесь, давление быстро нарастает, заставляя ротор двигаться.

Давление от горения вынуждает ротор двигаться в направлении, в котором объем камеры увеличивается. Газы от горения продолжают расширяться, двигая ротор и вырабатывая мощность, до тех пор, пока вершина ротора на пройдет выпускной канал.

Выхлоп.

Как только вершина ротора пройдет выпускной канал, газы от горения, находящиеся под высоким давлением, свободно удаляются. Так как ротор продолжает двигаться, камера начинает уменьшаться, выдавливая оставшиеся газы через канал. К тому времени, когда объем камеры близок к минимальному, вершина ротора пройдет впускной канал и весь цикл начнется заново.

Интересная вещь о роторном двигателе то, что каждая из трех поверхностей ротора участвует в цикле – при одном полном повороте ротора проходит три фазы горения. Необходимо помнить, что распределительный вал поворачивается три раза при одном полном повороте ротора, это говорит о том, что одной фазе сгорания соответствует один поворот распределительного вала.

Различия и требования.

Есть несколько характеристик, которые отличают роторный двигатель от поршневого.

Меньше подвижных частей.

В роторном двигателе гораздо меньше подвижных частей, чем в четырехтактном поршневом двигателе. Двухроторный двигатель имеет три главных подвижных части: два ротора и коленчатый вал. Даже обычный четырехцилиндровый двигатель имеет около 40 подвижных частей.

Такая минимизация подвижных частей приводит к большей надежности роторного двигателя. Именно поэтому некоторые производители летательных аппаратов предпочитают роторные двигатели взамен поршневым.

Все части роторного двигателя двигаются в одном направлении, вместо кардинального изменения направления движения в обычном двигателе. Роторные двигатели сбалансированы при помощи противовесов, подавляющие любые вибрации.

Использование мощности роторным двигателем также экономично. Поскольку каждая следующая фаза сгорания происходит через каждые 90 градусов поворота ротора, и распределительный вал совершает три оборота за один полный оборот ротора, и фаза сгорания происходит через каждые 270 градусов оборота коленчатого вала. Это значит, что однороторный двигатель вырабатывает три четвертых мощности за каждый поворот коленчатого вала. Сравнивая с одноцилиндровым двигателем, в котором фаза сгорания происходит через 180 градусов оборота поршня, или только четверть поворота коленчатого вала.

Медленнее.

Так как ротор двигается со скорость в одну треть скорости вала, то и все основные подвижные части двигаются медленнее, чем в поршневом двигателе.

Требования.

Существует несколько требований при проектировании роторных двигателей.

Обычно самым сложным (но не невозможным) является создание двигателя, соответствующего американским стандартам.

Производство таких двигателей может стоить намного выше, главным образом из-за того, что число выпускаемых роторных двигателей меньше, чем число поршневых двигателей.

Они обычно потребляют больше топлива, чем поршневой двигатель, из-за того, что термодинамическая эффективность двигателя снижена за счет вытянутой формы камеры сгорания и низкого коэффициента сжатия.

В роторном двигателе есть система зажигания и топливная система, такие же, как и в поршневом двигателе.

Ротор имеет три выпуклых стороны, каждая из которых работает как поршень. На каждой стороне имеется небольшой карман, который увеличивает площадь двигателя, предоставляя больше места для горючей смеси.

На конце каждой из сторон имеется металлическое лезвие, которое герметизирует камеру сгорания. На каждой стороне имеются металлические кольца, которые обеспечивают плотное прилегание сторон камеры сгорания.
Dictionary

internal combustion engine – двигатель внутреннего сгорания

piston engine – поршневой двигатель

cylinder – цилиндр

intake – впуск

compression – сжатие

combustion – расширение

exhaust – выхлоп

crankshaft – коленчатый вал

reciprocating motion – движение поршня

rotational motion – вращательное движение

triangular rotor – треугольный ротор

compression ratio – коэффициент сжатия

higher-octane gasoline – высоко октановый бензин

turbocharger – турбокомпрессор

intercooler – интеркулер

valve – клапан

fuel injection – впрыск топлива

reliability – надежность

revolution – оборот

single-rotor engine – двигатель с одним поршнем