Автомобили с роторно поршневым двигателем. Роторный двигатель Mazda возвращается: Вот что о нем нужно знать. Принцип работы роторного двигателя Зуева

Паровые машины и двигатели внутреннего сгорания обладают одним общим недостатком - возвратно-поступательное движение поршня должно быть преобразовано во вращательное движение колёс. Отсюда и заведомо низкий КПД, и высокая изнашиваемость элементов механизма. Многим хотелось построить двигатель внутреннего сгорания так, чтобы все подвижные части в нём только вращались - как это происходит в электромоторах.

Однако задача оказалась не простой, успешно решить её удалось только механику-самоучке, который за всю свою жизнь так и не получил ни высшего образования, ни даже рабочей специальности.

Феликс Генрих Ванкель (Felix Heinrich Wankel, 1902–1988) родился 13 августа 1902 года в небольшом немецком городке Лар. Во время Первой мировой войны погиб отец Феликса, из-за чего будущему изобретателю пришлось бросить гимназию и пойти работать учеником продавца в книжной лавке при издательстве. Благодаря этой работе Ванкель пристрастился к чтению книг, по которым он самостоятельно изучал технические дисциплины, механику и автомобилестроение.
Существует легенда, что решение задачи пришло семнадцатилетнему Феликсу во сне. Правда это или нет - неизвестно. Зато очевидно, что Феликс обладал весьма незаурядными способностями к механике и «незамыленным» взглядом на вещи. Он понял, как все четыре цикла работы обычного двигателя внутреннего сгорания (впрыск, сжатие, сгорание, выхлоп) можно осуществить при вращении.
Довольно быстро Ванкель пришёл к первой конструкции двигателя, и в 1924 году он организовал небольшую мастерскую, которая также служила и импровизированной «лабораторией». Здесь Феликс и начал проводить первые серьёзные исследования в области роторно-поршневых ДВС.
С 1921 года Ванкель был активным членом НСДАП. Он выступал за партийные идеалы, был основателем всегерманского военного юношеского объединения и юнгфюрером различных организаций. В 1932 году он вышел из партии, обвинив одного из своих бывших коллег в политической коррупции. Однако по встречному обвинению ему самому пришлось провести в тюрьме шесть месяцев. Освободившись из заключения благодаря заступничеству Вильгельма Кепплера (Wilhelm Keppler), он продолжил работы над двигателем. В 1934 он создал первый опытный образец и получил на него патент. Он сконструировал новые клапаны и камеры сгорания для своего мотора, создал несколько различных его вариантов, разработал классификацию кинематических схем различных роторно-поршневых машин.

В 1936 году прототип двигателя Ванкеля заинтересовал BMW - Феликс получил деньги и собственную лабораторию в Линдау для разработки опытных авиадвигателей.
Впрочем, до самого разгрома фашистской Германии ни один двигатель Ванкеля в серию не пошёл. Возможно, на доведение конструкции до ума и создания массового производства требовалось слишком много времени.
После войны лаборатория была закрыта, оборудование вывезено во Францию, а Феликс остался без работы (сказалось былое членство в национал-социалистической партии). Однако вскоре Ванкель всё же получил должность инженера-конструктора в компании NSU Motorenwerke AG, являющейся одним из старейших производителей мотоциклов и автомобилей.
В 1957 году совместными усилиями Феликса Ванкеля и ведущего инженера NSU Вальтера Фрёде (Walter Froede) роторно-поршневой двигатель впервые был установлен на автомобиль NSU Prinz. Первоначальная конструкция оказалась далека от совершенства: даже для замены свечей требовалось разбирать почти весь «движок», надёжность оставляла желать лучшего, а про экономичность на данном этапе разработки и вовсе говорить было грешно. В результате испытаний в серию пошёл всё же автомобиль с традиционным ДВС. Тем не менее первый роторно-поршневой двигатель DKM-54 доказал свою принципиальную работоспособность, открыл направления для дальнейшей доводки и продемонстрировал колоссальный потенциал «роторников».
Таким образом, новый тип ДВС получил, наконец, свою путёвку в жизнь. В дальнейшем его ждёт ещё немало усовершенствований и доработок. Но перспективы роторно-поршневого двигателя настолько привлекательны, что инженеров уже ничто не могло остановить в деле доведения конструкции до эксплуатационного совершенства.

Прежде чем разбирать достоинства и недостатки роторно-поршневых ДВС, стоит всё-таки подробней рассмотреть их конструкцию.
В центре ротора проделано круглое отверстие, изнутри покрытое зубцами как у шестерёнки. В это отверстие вставлен вращающийся вал меньшего диаметра, также с зубцами, что обеспечивает отсутствие проскальзывания между ним и ротором. Отношения диаметров отверстия и вала подобраны так, чтобы вершины треугольника двигались по одной и той же замкнутой кривой, которая называется «эпитрохоида», - искусство Ванкеля как инженера заключалось в том, чтобы сначала понять, что это возможно, а потом всё точно рассчитать. В итоге, поршень, имеющий форму треугольника Рело, отсекает в камере, повторяющей форму найденной Ванкелем кривой, три камеры переменного объёма и положения.
Конструкция роторно-поршневого ДВС позволяет реализовать любой четырехтактный цикл без применения специального механизма газораспределения. Благодаря этому факту «роторник» оказывается значительно проще обычного четырёхтактного поршневого двигателя, в котором в среднем почти на тысячу деталей больше.
Герметизация рабочих камер в роторно-поршневом ДВС обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к «цилиндру» ленточными пружинами, а также центробежными силами и давлением газа.
Ещё одна его техническая особенность - это высокая «производительность труда». За один полный оборот ротора (то есть за цикл «впрыск, сжатие, воспламенение, выхлоп»), выходной вал совершает три полных оборота. В обычном поршневом двигателе таких результатов можно добиться только используя шестицилиндровый ДВС.

После первой же успешной демонстрации роторного ДВС в 1957 году крупнейшие автогиганты стали проявлять к разработке повышенный интерес. Сначала лицензию на двигатель, получивший неформальное название «ванкель», купила корпорация Curtiss-Wright, через год, Daimler-Benz, MAN, Friedrich Krupp и Mazda. Всего за весьма короткий промежуток времени лицензии на новую технологию приобрели около ста компаний во всём мире, включая таких монстров как Rolls-Royce, Porsche, BMW и Ford.Такой интерес к «ванкелю» столь крупных игроков автомобильного рынка объясняется его большим потенциалом и значительными достоинствами - в роторно-поршневом двигателе на 40% меньше деталей, он проще в ремонте и производстве.

К тому же «ванкель» почти в два раза компактней и легче традиционного поршневого ДВС, что в свою очередь улучшает управляемость автомобиля, облегчает оптимальное расположение трансмиссии и позволяет сделать более просторный и удобный салон.

Роторно-поршневой двигатель развивает высокую мощность при довольно скромном расходе топлива. Например, современный «ванкель» объёмом всего 1300 смі развивает мощность в 220 л.с., а с турбокомпрессором - все 350. Ещё один пример - миниатюрный двигатель OSMG 1400 весом 335 г (рабочий объем 5 смі) развивает мощность в 1,27 л.с. Фактически, эта кроха на 27% сильнее лошади.
Ещё одно важное преимущество - низкий уровень шумов и вибраций. Роторно-поршневой двигатель отлично уравновешен механически, кроме того масса движущихся частей (и их количество) в нём значительно меньше, благодаря чему «ванкель» работает гораздо тише и не вибрирует.
И, наконец, роторно-поршневой двигатель отличается великолепными динамическими характеристиками. На низкой передаче можно без особой нагрузки на движок разогнать автомобиль до 100 км/ч на высоких оборотах двигателя. Кроме того, сама конструкция «ванкеля» за счёт отсутствия механизма преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, способна выдержать большие обороты, чем традиционный ДВС.

После вышедшего в 1964 году NSU Spyder последовали легендарная модель NSU Ro 80 (в мире до сих пор существует множество клубов владельцев этих машин), Citroen M35 (1970), Mercedes C-111 (1969), Corvette XP (1973). Но единственным массовым производителем стала японская Mazda, выпускавшая с 1967 года порой по 2-3 новые модели с РПД. Роторные двигатели ставили на катера, снегоходы и легкие самолеты. Конец эйфории пришел в 1973 году, в разгар нефтяного кризиса. Тут-то и проявился основной недостаток роторных двигателей - неэкономичность. За исключением Mazda, все автопроизводители свернули роторные программы, а у японской компании продажи по Америке сократились со 104960 проданных машин в 1973 году до 61192 - в 1974-м. Наряду с неоспоримыми достоинствами, «ванкель» также обладал и целым рядом очень серьёзных недостатков. Во-первых, долговечность. Один из первых прототипов роторно-поршневых двигателей на испытаниях выработал свой ресурс всего за два часа. Следующий, более успешный DKM-54 уже выдержал сто часов, но этого для нормальной эксплуатации автомобиля всё равно было недостаточно. Основная проблема крылась в неравномерном износе внутренней поверхности рабочей камеры. На ней в процессе эксплуатации появлялись поперечные борозды, которые получили говорящее имя «метки дьявола».

В компании Mazda после приобретения лицензии на «ванкель» был сформирован целый отдел, занимавшийся усовершенствованием роторно-поршневого двигателя. Довольно скоро выяснилось, что при вращении треугольного ротора, заглушки на его вершинах начинают вибрировать, в результате чего и образуются «метки дьявола».
В настоящее время проблему надежности и долговечности окончательно решили, применив высококачественные износостойкие покрытия, в том числе керамические.
Другая серьезная проблема - повышенная токсичность выхлопа «ванкеля». По сравнению с обычным поршневым ДВС «роторник» выделяет в атмосферу меньше окислов азота, но гораздо больше углеводородов, за счёт неполного сгорания топлива. Довольно быстро инженеры Mazda, уверовавшие в блестящее будущее «ванкеля», нашли простое и эффективное решение и этой проблемы. Они создали так называемый термальный реактор, в котором остатки углеводородов в выхлопных газах просто «дожигались». Первым автомобилем, реализовавшим такую схему, стал Mazda R100, также называемый Familia Presto Rotary, выпущенный в 1968 году. Эта машина, одна из немногих, сразу прошла весьма жёсткие экологические требования, выдвинутые США в 1970 году для импортируемых авто.
Следующая проблема роторно-поршневых двигателей частично вытекает из предыдущей. Это экономичность. Расход топлива стандартного «ванкеля» из-за неполного сгорания смеси существенно выше, чем у стандартного ДВС. И снова инженеры Mazda принялись за работу. При помощи целого комплекса мер, включающих переработку термореактора и карбюратора, добавление теплообменника в выхлопную систему, разработку каталитического конвертера и внедрение новой системы зажигания, компания добилась снижения потребления топлива на 40%. В результате этого несомненного успеха в 1978 году был выпущен спортивный автомобиль Mazda RX-7.

Стоит отметить, что в это время во всём мире машины с роторно-поршневыми двигателями выпускала только Mazda и… АвтоВАЗ.
Именно в провальном 1974 году советское правительство создает на Волжском автозаводе специальное конструкторское бюро РПД (СКБ РПД) - социалистическая экономика непредсказуема. В Тольятти начались работы по строительству цехов для серийного производства «ванкелей». Поскольку ВАЗ изначально планировался как простой копировальщик западных технологий (в частности, фиатовских), заводскими специалистами было принято решение воспроизводить двигатель Mazda, напрочь откинув все десятилетние наработки отечественных двигателестроительных институтов.
Советские чиновники довольно долго вели переговоры с Феликсом Ванкелем на предмет покупки лицензий, причем некоторые из них проходили прямо в Москве. Денег, правда, не нашли, и поэтому воспользоваться некоторыми фирменными технологиями не удалось. В 1976 году заработал первый волжский односекционный двигатель ВАЗ-311 мощностью 65 л.с., еще пять лет ушло на доводку конструкции, после чего была выпущена опытная партия в 50 штук роторных «единичек» ВАЗ-21018, мгновенно разошедшихся среди работников ВАЗа. Тут же выяснилось, что двигатель только внешне напоминал японский - сыпаться он стал очень даже по-советски. Руководство завода было вынуждено за полгода заменить все двигатели на серийные поршневые, сократить на половину штат СКБ РПД и приостановить строительство цехов. Спасение отечественного роторного двигателестроения пришло от спецслужб: их не очень интересовал расход топлива и ресурс двигателя, зато сильно - динамические характеристики. Тут же из двух двигателей ВАЗ-311 был сделан двухсекционный РПД мощностью 120 л.с., который стал устанавливаться на «спецединичку» - ВАЗ-21019. Именно этой модели, получившей неофициальное название «Аркан», мы обязаны бесчисленным количеством баек про милицейские «Запорожцы», догоняющие навороченные «Мерседесы», а многие стражи порядка - орденами и медалями. До 90-х годов внешне непритязательный «Аркан» действительно легко догонял все машины. Помимо ВАЗ-21019 на АвтоВАЗе также выпускаются малые партии автомобилей ВАЗ-2105, -2107, -2108, -2109, -21099. Максимальная скорость роторной «восьмерки» составляет около 210 км/ч, а до сотни она разгоняется всего за 8 секунд.
Оживший на спецзаказах СКБ РПД стал делать двигатели для водного и автоспорта, где машины с роторными двигателями стали настолько часто завоевывать призовые места, что спортивные чиновники были вынуждены запретить применение РПД.
В 1987 году умер руководитель СКБ РПД Борис Поспелов и на общем собрании был выбран Владимир Шнякин - человек, пришедший в автомобилестроение из авиации и недолюбливающий наземный транспорт. Главным направлением СКБ РПД становится создание двигателей для авиации. Это была первая стратегическая ошибка: самолетов у нас выпускается несоизмеримо меньше автомобилей, а завод живет с проданных двигателей.
Второй ошибкой стала ориентация в сохранившемся производстве автомобильных РПД на маломощные двигатели ВАЗ-1185 в 42 л.с. для «Оки», хотя более прожорливые, но более динамичные роторные двигатели так и просятся на самые быстроходные отечественные машины - например, на «восьмерки». Те же японцы устанавливают «ванкели» только на спортивные модели. В итоге на российских дорогах оказалось всего несколько роторных микролитражек «Ока». В 1998 году был наконец-то подготовлен гражданский вариант двухцилиндрового роторного 1,3-литрового двигателя ВАЗ-415, который стали устанавливать на ВАЗ-2105, 2107, 2108 и 2109.

В мае 1998 г был омологирован кольцевой ВАЗ-110 «РПД-спорт» (190 л. с., 8500 об/мин, 960 кг, 240 км/ч). Увы, дальше одного-единственного образца, чаще демонстрируемого на выставках, чем стартующего в гонках, дело не пошло. 110-я была самой мощной в пелотоне, но откровенно сырая конструкция всякий раз не давала ей продемонстрировать весь свой потенциал. Однако обидней всего то, что на «ВАЗе» быстро охладели к роторному направлению, а уникальную «Ладу» переделали в ралли-кар с обычным ДВС.

Так почему же все ведущие производители автомобилей ещё не пересели на «ванкели»? Дело в том, что для производства роторно-поршневых двигателей требуется, во-первых, отточенная технология со множеством самых разнообразных нюансов и далеко не каждая компания готова пройти путь той же Mazda, попутно наступая на многочисленные «грабли». А во-вторых, нужны специальные высокоточные станки, способные вытачивать поверхности, описанные такой хитрой кривой как эпитрохоида.

Mazda RX-7 - это один из первых автомобилей, на котором ставился роторно-поршневой двигатель Ванкеля. За всю историю Mazda RX-7 было четыре поколения. Первое поколение с 1978 по 1985 год. Второе поколение - с 1985 по 1991. Третье поколение - с 1992 по 1999. Последнее, четвёртое поколение - с 1999 по 2002 год. Первое поколение RX-7 появилось в 1978 году. Оно имело среднемоторную компоновку и оснащалось роторным двигателем мощностью всего 130 л. с.

В настоящее время только Mazda занимается серьёзными исследованиями в области роторно-поршневых двигателей, постепенно совершенствуя их конструкцию, и большая часть подводных камней в этой области уже пройдена. «Ванкели» вполне соответствуют мировым стандартам по уровню токсичности выхлопа, потреблению топлива и надёжности. Для современных станков поверхности описанные эпитрохоидой не являются проблемой (как не являются проблемой и куда более сложные кривые), новые конструкционные материалы позволяют увеличить срок службы роторно-поршневого двигателя, а его стоимость уже сейчас оказывается ниже, чем у стандартного ДВС за счёт меньшего количества используемых деталей.
Как и NSU, Mazda в 60-е гг. была небольшой компанией с ограниченными техническими и финансовыми ресурсами. Основу ее модельного ряда составляли развозные грузовички да семейные малолитражки. Поэтому нет ничего удивительного, что спорт-купеMazda 110S Cosmo (982 см куб., 110 л. с., 185 км/ч) создавалось более 6 лет и оказалось весьма капризным и дорогим. Да и подпорченная NSU Ro80 репутация не способствовала ажиотажу (в 1967–1972 гг. нашли своих владельцев только 1175 «космосов»), но мировой интерес к 110S способствовал увеличению продаж всей остальной продукции фирмы!
Чтобы доказать, что РПД столь же надежен (его превосходство в мощности уже стало для всех очевидным), Mazda чуть ли не впервые в жизни приняла участие в соревнованиях, причем выбрала самую трудную и продолжительную гонку – 84-часовой Marathon De La Route, проходивший на Нюрбургринге. Как экипажу из Бельгии удалось занять 4-е место (вторая машина сошла с дистанции за три часа до финиша из-за заклинивших тормозов), уступив только «выросшим» на «Нордшляйфе» Porsche 911, похоже, так и останется загадкой.

Мастерская Ванкеля в Линдау

Хотя с тех пор японские «роторники» стали завсегдатаями гоночных трасс, крупного успеха в Европе им пришлось ждать 16 лет. В 1984-м британцы на RX-7 выиграли престижную суточную гонку в Спа-Франкошамп. А вот в США, на главном рынке «семерки», ее гоночная карьера складывалась куда успешнее: с момента дебюта в чемпионате IMSA GT в 1978 году и по 1992-й она выиграла в своем классе более сотни этапов, причем с 1982 по 1992 гг. первенствовала в главной гонке серии – 24 hours of Daytona.
В ралли у «Мазд» все шло не так гладко. Как это часто бывало с японскими командами (Toyota, Datsun, Mitsubishi), они выступали только на отдельных этапах раллийного чемпионата мира (Новая Зеландия, Великобритания, Греция, Швеция), интересующих в первую очередь маркетинговые отделы концернов. Национальных титулов хватало: так, в 1975–1980 гг. Род Миллен выиграл целых пять в Новой Зеландии и США. А вот в WRC успехи были исключительно локальными: лучшее, что показали RX-7, – 3-е и 6-е места в греческом «Акрополисе» 1985 года.
Ну а самым громким успехом Mazda вообще и РПД в частности стала победа ее спортпрототипа 787B (2612 см куб., 700 л. с., 607 Нм, 377 км/ч) в Ле Мане в 1991 году. Причем одолеть заводскиеPorsche, Peugeot и Jaguar помогли не только быстрые пилоты и конкурентоспособная техника: свою роль сыграла и настойчивость японских менеджеров, регулярно «выбивавших» для роторников всевозможные послабления в регламенте. Так, накануне победы 787-го организаторы гонки согласились компенсировать прожорливость «роторников» 170-килограммовым (830 против 1000) снижением массы. Парадокс заключался в том, что, в отличие от бензиновых моторов, «аппетит» РПД при дальнейшей форсировке рос куда более скромными темпами, чем у обычных поршневых моторов, и 787-й оказался экономичней своих основных конкурентов!

Это был шок. Mercedes, который журнал Stern за консерватизм называл не иначе как «производитель авто для 50-летних господ в шляпах», в 1969 году презентовал супер-кар, поражавший воображение даже цветом. Вызывающая ярко-оранжевая окраска, подчеркнуто клиновидная форма, среднемоторная компоновка, двери «крыло чайки» и сверхмощный трехсекционный РПД (3600 см куб., 280 л. с., 260 км/час) – для консервативного Mercedes это было нечто!

А поскольку в компании не строили концептов, все считали, что у С111 только один путь: мелкосерийная (омологационная) сборка и большое гоночное будущее, ведь с 1966 года ФИА допустила РПД к официальным соревнованиям. И в штаб-квартиру Mercedes посыпались чеки с просьбой вписать нужную сумму за право обладать С111. Штутгартцы же еще больше подогрели интерес к «эске», в 1970 г. представив вторую генерацию купе с еще более фантастическим дизайном, 4-секционным ротором и умопомрачительными характеристиками (4800 см куб., 350 л. с., 300 км/час). Для доводки Mercedes построил пять макетов, которые дневали и ночевали на Хокенхаймринге и Нюрбургринге, готовясь установить серию рекордов скорости. Пресса смаковала предстоящую «битву титанов» между роторным Mercedes, атмосферным Ferrari и наддувным Porsche в чемпионате мира по гонкам на выносливость. Увы, возвращение в большой спорт не состоялось. Во-первых, С111 был очень дорогим даже для Mercedes, во- вторых, немцы не могли пустить в продажу столь сырую конструкцию. А после карибского нефтяного кризиса они вообще прикрыли проект, сосредоточившись на дизельных двигателях. Ими и оборудовали последние версии C111, установившие несколько мировых рекордов.

Не имеющий законченного технического образования, под конец жизни Феликс Ванкель достиг мирового признания в области двигателестроения и уплотнительной техники, завоевав массу наград и титулов. Его именем названы улицы и площади немецких городов (Felix-Wankel-Strasse, Felix-Wankel-Ring). Помимо двигателей, Ванкель разработал новую концепцию скоростных судов и самостоятельно построил несколько лодок.

Самое интересное, что роторный двигатель, который сделал его миллионером и принес ему всемирную славу, Ванкель не любил, считая его «гадким утенком». Реальные работающие РПД были сделаны по так называемой «концепции ККМ», предусматривающей планетарное вращение ротора и требующей введения внешних противовесов. Немалую роль сыграл и тот факт, что эту схему предложил не Ванкель, а инженер NSU Вальтер Фройде. Сам же Ванкель до последних дней считал идеальной схему двигателя «с вращающимися поршнями без неравномерно вращающихся частей» (Drehkolbenmasine - DKM), концептуально гораздо более красивую, но технически сложную, требующую, в частности, установки свечей зажигания на вращающемся роторе. Тем не менее, роторные двигатели во всем мире связывают именно с именем Ванкеля, поскольку все, кто близко знал изобрателя, в один голос утверждают, что что без неуемной энергии немецкого инженера мир так и не увидел бы этого удивительного устройства. Фелик Ванкель ушел из жизни в 1988 году.
Любопытна история с Mercedes 350 SL. Ванкель очень хотел иметь роторный Mercedes С-111. Но фирма Mercedes не пошла ему навстречу. Тогда изобретатель взял серийный 350 SL, выкинул оттуда «родной» двигатель и установил ротор от С-111, который был легче прежнего 8-цилиндрового на 60 кг, но развивал существенно большую мощность (320 л.с. при 6500 об/мин). В 1972 году, когда инженерный гений закончил работу над своим очередным чудом, он мог бы сидеть за рулем самого быстрого на тот момент «Мерседеса» SL-класса. Ирония заключалась в том, что водительские права Ванкель до конца жизни так и не получил.

Возрождением интереса к РПД мы обязаны новому двигателю Mazda Renesis (от RE - Rotary Engine - и Genesis). За прошедшее десятилетие японским инженерам удалось решить все основные проблемы РПД - токсичность выхлопа и неэкономичность. По сравнению с предшественником, удалось сократить потребление масла на 50%, бензина на 40% и довести выброс вредных окисей до норм, соответствующих Euro IV. Двухцилиндровый двигатель объемом всего 1,3 л выдает мощность в 250 л.с. и занимает гораздо меньше места в двигательном отсеке.
Специально под новый двигатель был разработан автомобиль Mazda RX-8, который, по словам брэнд-менеджера Mazda Motor Europe Мартина Бринка, создавался по новой концепции - автомобиль «строился» вокруг двигателя. В итоге развесовка по осям RX-8 идеальна - 50 на 50. Использование уникальной формы и маленьких размеров двигателя позволило поместить центр тяжести очень низко. «RX-8 не явяляется гоночным монстром, но это лучшая в управлении машина, которую я когда-либо водил», - с восторгом рассказывал Popular Mechanics Мартин Бринк.
Бочка меда…
Вне всяких сомнений, с первого взгляда роторно-поршневой двигатель имеет массу преимуществ перед традиционными двигателями внутреннего сгорания:
- Меньшим на 30-40% количеством деталей;
- Меньшими в 2-3 раза габаритами и массой, по сравнению с соответствующим по мощности стандартным ДВС;
- Плавная характеристика крутящего момента во всем диапазоне оборотов;
- Отсутствие кривошипно-шатунного механизма, а, следовательно, гораздо меньший уровень вибрации и шума;
- Высокий уровень оборотов (до 15000 об/мин!).
Ложка дегтя…
Казалось бы, если «Ванкель» имеет такие превосходства над поршневым двигателем, то кому нужны эти громоздкие, тяжелые, гремящие и вибрирующие поршневые двигатели? Но, как это часто бывает, на практике все далеко не так шоколадно. Ни одно гениальное изобретение, выйдя за порог лаборатории, отправлялось в корзину с пометкой «для мусора». Серийное производство нашло не на один камень, а на целую россыпь гранита:
- Отработка процесса сгорания в камере неблагоприятной формы;
- Обеспечение герметичности уплотнений;
- Обеспечение работы без коробления корпуса в условиях неравномерного нагрева;
- Низкий термический КПД ввиду того, что камера сгорания РПД намного больше, чем у традиционного ДВС;
- Высокий расход топлива;
- Высокая токсичность газообразных продуктов сгорания;
- Узкая зона температур для работы РПД: при низких температурах мощность двигателя резко падает, при высоких - быстрый износ уплотнений ротора.

С изобретением двигателя внутреннего сгорания прогресс в развитии автомобилестроения шагнул далеко вперед. Несмотря на то, что общее устройство ДВС оставалось одинаковым, данные агрегаты постоянно усовершенствовались. Наряду с этими моторами появлялись более прогрессивные агрегаты роторного типа. Но почему они так и не получили широкого распространения в автомобильном мире? Ответ на этот вопрос мы рассмотрим в статье.

История возникновения агрегата

Двигатель роторного типа был сконструирован и испытан разработчиками Феликсом Ванкелем и Вальтером Фройде в 1957 году. Первый автомобиль, на который был установлен данный агрегат, - спорткар NSU «Спайдер». Исследования показали, что при мощности мотора в 57 лошадиных сил данная машина имела возможность разогнаться до колоссальных 150 километров в час. Производство автомобилей «Спайдер» в комплектации с 57-сильным роторным двигателем длилось около 3-х лет.

После этого данным типом двигателей стали оснащать автомобиль NSU Ro-80. Впоследствии роторные моторы устанавливались на «Ситроены», «Мерседесы», ВАЗы и «Шевроле».

Одним из самых распространенных автомобилей с роторным двигателем является японский спорткар «Мазда» модели Cosmo Sport. Также японцы стали оснащать данным мотором модель RX. Принцип работы роторного двигателя («Мазда» RX) заключался в постоянном вращении ротора с переменой тактов работы. Но об этом немного позже.

В нынешнее время японский автопроизводитель не занимается серийным выпуском машин с роторными двигателями. Последней моделью, на которую ставился такой мотор, стала «Мазда» RX8 модификации Spirit R. Однако в 2012 году производство данной версии автомобиля было прекращено.

Устройство и принцип работы

Какой имеет роторный двигатель принцип функционирования? Данный тип моторов отличается 4-тактным циклом действия, как и на классическом ДВС. Однако принцип работы роторно-поршневого двигателя немного отличается от такового у обычных поршневых.

В чем главная особенность данного мотора? Роторный двигатель Стирлинга имеет в своей конструкции не 2, не 4 и не 8 поршней, а всего один. Называется он ротором. Вращается данный элемент в цилиндре специальной формы. Ротор насаживается на вал и соединяется с зубчатым колесом. Последнее имеет шестеренчатое сцепление со стартером. Вращение элемента происходит по эпитрохоидальной кривой. То есть лопасти ротора попеременно перекрывают камеру цилиндра. В последней происходит сгорание топлива. Принцип работы роторного двигателя («Мазда» Cosmo Sport в том числе) заключается в том, что за один оборот механизм толкает три лепестка жестких кругов. В то время как деталь вращается в корпусе, три отсека внутри меняют свой размер. Благодаря изменению размеров в камерах создается определенное давление.

Фазы работы

Как действует роторный двигатель? Принцип работы (gif-изображения и схему РПД вы можете увидеть ниже) данного мотора заключается в следующем. Функционирование двигателя состоит из четырех повторяющихся циклов, а именно:

1. Подачи топлива. Это первая фаза работы двигателя. Она происходит в тот момент, когда вершина ротора находится на уровне отверстия подачи. Когда камера открыта для основного отсека, ее объем приближается к минимуму. Как только ротор вращается мимо нее, в отсек попадает топливно-воздушная смесь. После этого камера снова становится закрытой.
2. Сжатия . Когда ротор продолжает свое движение, пространство в отсеке уменьшается. Таким образом, происходит сжатие смеси из воздуха и топлива. Как только механизм проходит отсек со свечей зажигания, объем камеры снова уменьшается. В этот момент происходит воспламенение смеси.
3. Воспламенения . Зачастую роторный двигатель (ВАЗ-21018 в том числе) имеет несколько свечей зажигания. Это обусловлено большой длиной камеры сгорания. Как только свеча воспламеняет горючую смесь, уровень давления внутри увеличивается в десятки раз. Таким образом, ротор снова приводится в действие. Далее давление в камере и количество газов продолжают расти. В этот момент происходит перемещение ротора и создание крутящего момента. Так продолжается до тех пор, пока механизм не пройдет выхлопной отсек.
4. Выпуска газов. Когда ротор проходит данный отсек, газ под высоким давлением начинает свободно перемещаться в выхлопную трубу. При этом движение механизма не прекращается. Ротор стабильно вращается до тех пор, пока объем камеры сгорания снова не упадет до минимума. К этому времени из мотора выдавится оставшееся количество отработавших газов.

Именно такой имеет роторный двигатель принцип работы. ВАЗ-2108, на который также монтировался РПД, как и японская «Мазда», отличался тихой работой мотора и высокими динамическими характеристиками. Но в серийное производство данная модификация так и не была запущена. Итак, мы выяснили, какой имеет роторный двигатель принцип работы.

Недостатки и преимущества

Не зря данный мотор привлек внимание столь многих автопроизводителей. Его особый принцип работы и конструкция имеют целый ряд преимуществ по сравнению с другими типами ДВС.

Итак, какие имеет роторный двигатель плюсы и минусы? Начнем с явных преимуществ. 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.

Ну и, конечно же, простора конструкции. Несмотря на то же самое количество тактов работы, устройство данного двигателя гораздо проще, чем у поршневого аналога. Для создания роторного мотора требовалось минимальное количество узлов и механизмов.

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.

Теперь о недостатках. Их оказалось намного больше, чем преимуществ. Основная причина, по которой производители отказывались покупать такие моторы, заключалась в их высоком расходе топлива. В среднем на сто километров такой агрегат тратил до 20 литров горючего, а это, согласитесь, немалый расход по сегодняшним меркам.

Сложность производства деталей

Кроме того, стоит отметить высокую стоимость производства деталей данного двигателя, которая объяснялась сложностью изготовления ротора. Для того чтобы данный механизм правильно прошел эпитрохоидальную кривую, нужна высокая геометрическая точность (для цилиндра в том числе). Поэтому при изготовлении роторных двигателей невозможно обойтись без специализированного дорогостоящего оборудования и особых знаний в технической области. Соответственно, все эти затраты заранее закладываются в цену автомобиля.

Перегревы и высокие нагрузки

Также из-за особой конструкции данный агрегат был часто подвержен перегреву. Вся проблема заключалась в линзовидной форме камеры сгорания.

В отличие от нее, классические ДВС имеют сферическую конструкцию камеры. Топливо, которое сгорает в линзовидном механизме, превращается в тепловую энергию, расходуемую не только на рабочий ход, но и на нагрев самого цилиндра. В конечном итоге частое «закипание» агрегата приводит к быстрому износу и выходу его из строя.

Ресурс

Не только цилиндр терпит большие нагрузки. Исследования показали, что при работе ротора значительная часть нагрузок ложится на уплотнители, расположенные между форсунками механизмов. Они подвергаются постоянному перепаду давления, потому максимальный ресурс двигателя составляет не более 100-150 тысяч километров.

После этого мотору требуется капитальный ремонт, стоимость которого порой равносильна покупке нового агрегата.

Расход масла

Также роторный двигатель очень требователен к обслуживанию.

Расход масла у него составляет более 500 миллилитров на 1 тысячу километров, что заставляет заливать жидкость каждые 4-5 тыс. километров пробега. Если вовремя не произвести замену, мотор попросту выйдет из строя. То есть к вопросу обслуживания роторного двигателя нужно подходить более ответственно, иначе малейшая ошибка чревата дорогостоящим ремонтом агрегата.

Разновидности

На данный момент существует пять разновидностей данных типов агрегатов:

Роторный двигатель (ВАЗ-21018-2108)

История создание ВАЗовских роторных ДВС датируется 1974 годом. Именно тогда было создано первое конструкторское бюро РПД. Однако первый разработанный нашими инженерами двигатель имел схожую конструкцию с мотором Ванкеля, который укомплектовывался на импортные седаны NSU Ro80. Советский аналог получил название ВАЗ-311. Это самый первый советский роторный двигатель. Принцип работы на ВАЗовских автомобилях данного мотора имеет одинаковый алгоритм действия РПД Ванкеля.

Первым автомобилем, на который стали устанавливать данные двигатели, стал ВАЗ модификации 21018. Машина практически ничем не отличалась от своего «предка» - модели 2101 - за исключением используемого ДВС. Под капотом новинки стоял односекционный РПД мощностью в 70 лошадиных сил. Однако в результате исследований на всех 50 образцах моделей были обнаружены многочисленные поломки мотора, которые заставили Волжский завод отказаться от применения данного типа ДВС на своих автомобилях на ближайшие несколько лет.

Основная причина неисправностей отечественного РПД заключалась в ненадежных уплотнениях. Однако советские конструкторы решили спасти данный проект, презентовав миру новый 2-секционный роторный двигатель ВАЗ-411. Впоследствии был разработан ДВС марки ВАЗ-413. Основные их различия заключались в мощности. Первый экземпляр развивал до 120 лошадиных сил, второй - порядка 140. Однако в серию данные агрегаты снова не вошли. Завод принял решение ставить их только на служебные автомобили, использовавшиеся в ГАИ и КГБ.

Моторы для авиации, «восьмерок» и «девяток»

В последующие годы разработчики пытались создать роторный мотор для отечественной малой авиации, однако все попытки оказались безрезультатными. В итоге конструкторы снова занялись разработкой двигателей для легковых (теперь уже переднеприводных) автомобилей ВАЗ серии 8 и 9. В отличие от своих предшественников новоразработанные моторы ВАЗ-414 и 415 являлись универсальными и могли использоваться на заднеприводных моделях авто типа «Волга», «Москвич» и так далее.

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.

Сегодняшняя ситуация с РПД на Волжском автозаводе

Все вышеописанные двигатели не получили большой популярности, и вскоре их производство было свернуто. В дальнейшем Волжский автозавод пока не планирует возрождать разработку роторных двигателей. Так что РПД ВАЗ-414 так и останется скомканным клочком бумаги в истории отечественного машиностроения.

Итак, мы выяснили, какой имеет роторный двигатель принцип работы и устройство.

Как известно, принцип работы роторного двигателя основан на высоких оборотах и отсутствии движений, которыми отличается ДВС. Это и отличает агрегат от обычного поршневого двигателя. РПД называют ещё двигателем Ванкеля, и сегодня мы рассмотрим его работу и явные достоинства.

Ротор такого двигателя находится в цилиндре. Сам корпус не круглого типа, а овального, чтобы ротор треугольной геометрии нормально в нём помещался. У РПД не бывает коленчатого вала и шатунов, а также отсутствуют в нём другие детали, что делает его конструкцию намного проще. Если говорить другими словами, то примерно около тысячи деталей обычного двигателя внутреннего сгорания в РПД нет.

Работа классического РПД основана на простом движении ротора внутри овального корпуса. В процессе движения ротора по окружности статора создаются свободные полости, в которых и происходят процессы запуска агрегата.

Удивительно, но роторный агрегат представляет собой некий парадокс. В чём он заключается? А в том, что он имеет гениально простую конструкцию, которая почему-то не прижилась. А вот более сложный поршневой вариант стал популярным и повсюду используется.

Строение и принцип работы роторного двигателя

Схема работы роторного двигателя представляет собой нечто совершенно иное, чем обычный ДВС. Во-первых, следует оставить в прошлом конструкцию двигателя внутреннего сгорания, известную нам. А во-вторых, попытаться впитать в себя новые знания и понятия.

Как и поршневой, роторный двигатель использует давление которое создается при сжигании смеси воздуха и топлива. В поршневых двигателях, это давление создается в цилиндрах, и двигает поршни вперед и назад. Шатуны и коленчатый вал преобразуют возвратно-поступательные движения поршня во вращательное движение, которое может быть использовано для вращения колес автомобиля.

РПД назван так из-за ротора, то есть такой части мотора, которая движется. Благодаря этому движению мощность передаётся на сцепление и КПП. По сути, ротор выталкивает энергию топлива, которая затем передаётся колёсам через трансмиссию. Сам ротор выполнен обязательно из легированной стали и имеет, как и говорилось выше, форму треугольника.

Капсула, где находится ротор, - это своеобразная матрица, центр вселенной, где все процессы и происходят. Другими словами, именно в этом овальном корпусе происходит:

• сжатие смеси;
• топливный впрыск;
• поступление кислорода;
• зажигание смеси;
• отдача сгоревших элементов в выпуск.

Одним словом, шесть в одном, если хотите.

Сам ротор крепится на специальном механизме и не вращается вокруг одной оси, а как бы бегает. Таким образом, создаются изолированные друг от друга полости внутри овального корпуса, в каждой из которых и происходит какой-либо из процессов. Так как ротор треугольный, то полостей получается всего три.

Всё начинается следующим образом: в первой образующейся полости происходит всасывание, то есть камера наполняется воздушно-топливной смесью, которая здесь же перемешивается. После этого ротор вращается и толкает эту перемешанную смесь в другую камеру. Здесь смесь сжимается и воспламеняется при помощи двух свечей.

Смесь после этого идёт в третью полость, где и происходит вытеснение частей использованного топлива в систему выхлопа.

Это и есть полный цикл работы РПД. Но не всё так просто. Это мы рассмотрели схему РПД только с одной стороны. А действия эти проходят постоянно. Если говорить иначе, процессы возникают сразу с трёх сторон ротора. В итоге всего за единственный оборот агрегата повторяется три такта.

Опять же, производительность - это не одно достоинство РПД. Их у него много. Как и было сказано выше, роторный двигатель очень компактный и в нём используется на целых тысячу деталей меньше, чем в том же ДВС. В РПД всего две основные детали - ротор и статор, а проще этого ничего не придумаешь.

Принцип работы роторного двигателя

Принцип работы роторно-поршневого двигателя заставил в своё время многих талантливых инженеров удивлённо вскинуть бровями. И сегодня талантливые инженеры компании Мазда заслуживают всяческих похвал и одобрения. Шутка ли, поверить в производительность, казалось бы, похороненного двигателя и дать ему вторую жизнь, да ещё какую!

Ротор имеет три выпуклых стороны, каждая из которых действует как поршень. Каждая сторона ротора имеет углубление в ней, что повышает скорость вращения ротора в целом, предоставляя больше пространства для топливо-воздушной смеси. На вершине каждой грани находится по металлической пластине, которые и формируют камеры, в которых происходят такты двигателя. Два металлических кольца на каждой стороне ротора формируют стенки этих камер. В середине ротора находится круг, в котором имеется множество зубьев. Они соединены с приводом, который крепится к выходному валу. Это соединение определяет путь и направление, по которому ротор движется внутри камеры.

Камера двигателя приблизительно овальной формы (но если быть точным — это Эпитрохоида, которая в свою очередь представляет собой удлиненную или укороченную эпициклоиду, которая является плоской кривой, образуемой фиксированной точкой окружности, катящейся по другой окружности). Форма камеры разработана так, чтобы три вершины ротора всегда находились в контакте со стенкой камеры, образуя три закрытых объемах газа. В каждой части камеры происходит один из четырех тактов:

• Впуск
• Сжатие
• Сгорание
• Выпуск

Отверстия для впуска и выпуска находятся в стенках камеры, и на них отсутствуют клапаны. Выхлопное отверстие соединено непосредственно с выхлопной трубой, а впускное напрямую подключено к газу.

Выходной вал имеет полукруглые выступы-кулачки, размещенные несимметрично относительно центра, что означает, что они смещены от осевой линии вала. Каждый ротор надевается на один из этих выступов. Выходной вал является аналогом коленчатого вала в поршневых двигателях. Каждый ротор движется внутри камеры и толкает свой кулачок.

Так как кулачки установлены несимметрично, сила с которой ротор на него давит, создает крутящий момент на выходном валу, заставляя его вращаться.

Строение роторного двигателя

Роторный двигатель состоит из слоев. Двухроторный двигателя состоят из пяти основных слоев, которые удерживаются вместе благодаря длинным болтам, расположенным по кругу. Охлаждающая жидкость протекает через все части конструкции.

Следующий слой содержит в себе непосредственно сам ротор и выхлопную часть.

Центр состоит из двух камер подачи топлива, по одной для каждого ротора. Он также разделяет эти два ротора, поэтому его внешняя поверхность очень гладкая.

В центре каждого ротора крепится две большие шестерни, которые вращаются вокруг более маленьких шестерней и крепятся к корпусу двигателя. Это и является орбитой для вращения ротора.

Конечно же, если бы у роторного мотора не было недостатков, то он обязательно бы применялся на современных автомобилях. Возможно даже, что, если бы роторный двигатель был безгрешен, мы и не узнали бы про двигатель поршневой, ведь роторный создали раньше. Затем человеческий гений, пытаясь усовершенствовать агрегат, и создал современный поршневой вариант мотора.

Но к сожалению, минусы у роторного двигателя имеются. К таким вот явным ляпам этого агрегата можно отнести герметизацию камеры сгорания. А в частности, это объясняется недостаточно хорошим контактом самого ротора со стенками цилиндра. При трении со стенками цилиндра металл ротора нагревается и в результате этого расширяется. И сам овальный цилиндр тоже нагревается, и того хуже - нагревание происходит неравномерно.

Если в камере сгорания температура бывает выше, чем в системе впуска/выпуска, цилиндр должен быть выполнен из высокотехнологичного материала, устанавливаемого в разных местах корпуса.

Для того чтобы такой двигатель запустился, используются всего две свечи зажигания. Больше не рекомендуется ввиду особенностей камеры сгорания. РПД наделён бывает совершенно иной камерой сгорания и выдаёт мощность три четверти рабочего времени ДВС, а коэффициент полезного действия составляет целых сорок процентов. По сравнению: у поршневого мотора этот же показатель составляет 20%.

Преимущества роторного двигателя

Меньше движущихся частей

Роторный двигатель имеет намного меньше частей, чем скажем 4-х цилиндровый поршневой движок. Двух роторный двигатель имеет три главные движущиеся части: два ротора и выходной вал. Даже самый простой 4-х цилиндровый поршневой двигатель имеет как минимум 40 движущихся частей, включая поршни, шатуны, стержень, клапаны, рокеры, клапанные пружины, зубчатые ремни и коленчатый вал. Минимизация движущихся частей позволяет получить роторным двигателям более высокую надежность. Именно поэтому некоторые производители самолетов (к примеру Skycar) используют роторные двигатели вместо поршневых.

Мягкость

Все части в роторном двигателе непрерывно вращаются в одном направлении, в отличие от постоянно изменяющих направление поршней в обычном двигателе. Роторный движок использует сбалансированные крутящиеся противовесы, служащие для подавления любых вибраций. Подача мощности в роторном двигателе также более мягкая. Каждый цикл сгорания происходит за одни оборот ротора в 90 градусов, выходной вал прокручивается три раза на каждое прокручивание ротора, каждый цикл сгорания проходит за 270 градусов за которые проворачивается выходной вал. Это значит, что одно роторный двигатель вырабатывает мощность в три четверти. Если сравнивать с одно-цилиндровым поршневым двигателем, в котором сгорание происходит каждые 180 градусов каждого оборота, или только четверти оборота коленчатого вала.

Неспешность

В связи с тем, что роторы вращаются на одну треть вращения выходного вала, основные части двигателя вращаются медленней, чем части в обычном поршневом двигателе. Это также помогает и в надежности.

Малые габариты + высокая мощность

Компактность системы вместе с высоким КПД (сравнительно с обычным ДВС) позволяет из миниатюрного 1,3-литрового мотора выдавать порядка 200-250 л.с. Правда, вместе с главным недостатком конструкции в виде высокого расхода топлива.

Недостатки роторных моторов

Самые главные проблемы при производстве роторных двигателей:

• Достаточно сложно (но не невозможно) подстроиться под регламент выброса CO2 в окружающую среду, особенно в США.
• Производство может стоить намного дороже, в большинстве случаев из-за небольшого серийного производства, по сравнению с поршневыми двигателями.
• Они потребляют больше топлива, так как термодинамическое КПД поршневого двигателя снижается в длинной камере сгорания, а также благодаря низкой степени сжатия.
• Роторные двигатели в силу конструкции ограничены в ресурсе — в среднем это порядка 60-80 тыс. км

Такая ситуация просто вынуждает причислять роторные двигатели к спортивным моделям автомобилей. Да и не только. Приверженцы роторного двигателя сегодня нашлись. Это известный автопроизводитель Мазда, вставший на путь самурая и продолживший исследования мастера Ванкеля. Если вспомнить ту же ситуацию с Субару, то становится понятен успех японских производителей, цепляющихся, казалось бы, за всё старое и отброшенное западниками как ненужное. А на деле японцам удаётся создавать новое из старого. То же тогда произошло с оппозитными двигателями, являющимися на сегодняшний день «фишкой» Субару. В те же времена использование подобных двигателей считалось чуть ли не преступлением.

Работа роторного двигателя также заинтересовала японских инженеров, которые на этот раз взялись за усовершенствование Мазды. Они создали роторный двигатель 13b-REW и наделили его системой твин-турбо. Теперь Мазда могла спокойно поспорить с немецкими моделями, так как открывала целых 350 лошадок, но грешила опять же большим расходом топлива.

Удивительно, но РПД пытались ввести в работу и у нас в стране. Такой двигатель был разработан для установки его на ВАЗ 21079, предназначенный как транспортное средство для спецслужб, однако проект, к сожалению, не прижился. Как всегда, не хватило бюджетных денег государства, которые чудесным образом из казны выкачиваются.

Зато это удалось сделать японцам. И они на достигнутом результате останавливаться не желают. По последним данным, производитель Мазда усовершенствует двигатель и в скором времени выйдет новая Мазда, уже с совершенно другим агрегатом.

Разные конструкции и разработки роторных двигателей

Двигатель Ванкеля

Двигатель Желтышева

Двигатель Зуева

В отличие от более распространённых поршневых конструкций, двигатель Ванкеля (Wankel) обеспечивает преимущества - простоту, плавность, компактность, высокие обороты в минуту и большое отношение мощности к весу. Это связано прежде всего с тем, что производятся три импульса мощности на один оборот ротора Ванкеля по сравнению с одним оборотом в двухтактном поршневом двигателе и по одному на два оборота в четырёхтактном двигателе.

РПД обычно называют вращающимся двигателем. Хотя это название также относится и к другим конструкциям, прежде всего к авиационным двигателям с их цилиндрами, расположенными вокруг коленчатого вала.

Четырёхступенчатый цикл впуска, сжатия, зажигания и выхлопа происходит в каждый оборот на каждом из трёх наконечников ротора, перемещающихся внутри овально — подобранного корпуса с перфорацией, что позволяет использовать в три раза больше импульсов на один оборот ротора. Ротор похож по форме на треугольник Реуле, а стороны его более плоские.

Конструктивные особенности двигателя Ванкеля

Теоретическая форма ротора РПД Ванкеля между фиксированными углами является итогом уменьшения объёма геометрической камеры сгорания и увеличения степени сжатия. Симметричная кривая, соединяющая две произвольные вершины ротора, максимальна в направлении внутренней формы корпуса.

Центральный приводной вал, называемый «эксцентриковый» или «E-вал», проходит через центр ротора и поддерживается неподвижными подшипниками. Ролики движутся на эксцентриках (аналогично шатунам), встроенным в эксцентриковый вал (аналогично коленчатому). Роторы вращаются вокруг эксцентриков и совершают орбитальные обороты вокруг эксцентрикового вала.

Вращательное движение каждого ротора на собственной оси вызвано и регулируется парой синхронизирующих передач. Фиксированная шестерня, установленная на одной стороне корпуса ротора, входит в кольцевую шестерню, прикреплённую к ротору, и обеспечивает то, что ротор движется ровно на 1/3 оборота для каждого оборота эксцентрикового вала. Выходная мощность двигателя не передаётся через синхронизаторы. Сила давления газа на роторе (в первом приближении) идёт прямо в центр эксцентриковой части выходного вала.

РПД Ванкеля фактически представляет собой систему прогрессивных полостей переменного объёма. Таким образом, на корпусе имеется три полости, все повторяющие один и тот же цикл. Когда ротор вращается орбитально, каждая его сторона приближается, а затем удаляется от стенки корпуса, сжимая и расширяя камеру сгорания, подобно ходу поршня в двигателе. Вектор мощности ступени сгорания проходит через центр смещённой лопасти.

Двигатели Wankel, как правило, способны достичь гораздо более высоких оборотов, чем те, что с аналогичной выходной мощностью. Это связано с гладкостью, присущей круговому движению, и отсутствием сильно напряжённых частей, таких, как коленчатые и распределительные валы, или шатуны. Эксцентриковые валы не имеют ориентированных по напряжению контуров коленчатых.

Проблемы устройства и их устранение

Феликсу Ванкелю удалось преодолеть большинство проблем, из-за которых предыдущие роторные устройства терпели неудачу:

1. У вращающихся РПД есть проблема, не встречающаяся в четырёхтактных устройствах с поршнями, в которых корпус блока имеет впуск, сжатие, сгорание и выхлопные газы, проходящие в фиксированных местах вокруг корпуса. Использование тепловых труб в воздушном охлаждении роторного двигателя Ванкеля было предложено Университетом Флориды для преодоления неравномерного нагрева блока корпуса. Предварительный нагрев некоторых корпусных секций выхлопными газами улучшил производительность и экономию топлива, а также уменьшил износ и выбросы.
2. Проблемы также возникли во время исследований в 50-х и 60-х годах. Некоторое время инженеры сталкивались с тем, что они называли «царапиной дьявола» на внутренней поверхности эпитрохоиды. Они обнаружили, что причиной были точечные уплотнения, достигающие резонансной вибрации. Эта проблема была решена за счёт уменьшения толщины и веса торцевых уплотнений. Царапины исчезли после введения более совместимых материалов для уплотнений и покрытий.
3. Ещё одна ранняя проблема заключалась в наращивании трещин на поверхности статора вблизи отверстия пробки, которое было устранено путём установки свечей зажигания в отдельной металлической вставке, медной втулке в корпусе вместо вилки, ввинчиваемой непосредственно в корпус блока.
4. Четырёхтактные поршневые устройства не очень подходят для использования с водородным топливом. Другая проблема связана с гидратацией на смазочной плёнке в поршневых конструкциях. В ДВС Ванкеля эту проблему можно обойти, используя керамическое торцевое уплотнение на такой же поверхности, так что нет никакой масляной плёнки, чтобы страдать от гидратации. Поршневую раковину необходимо смазать и охладить маслом. Это существенно увеличивает расход смазочного масла в четырёхтактном водородном ДВС.

Материалы для изготовления ДВС

В отличие от поршневого агрегата, в котором цилиндр нагревается процессом горения, а затем охлаждается входящим зарядом, корпуса ротора Wankel постоянно накаляются с одной стороны и остывают с другой, что приводит к высоким локальным температурам и неравному тепловому расширению. Хотя это предъявляет большие требования к используемым материалам, простота Ванкеля облегчает употребление в изготовлении таких веществ, как экзотические сплавы и керамика.

Среди сплавов, предназначенных для использования в Ванкеле, используются A-132, Inconel 625 и 356 с твердостью Т6. Для покрытия рабочей поверхности корпуса используется несколько высокопрочных материалов. Для вала предпочтительны стальные сплавы с малой деформацией при нагрузке, для этого предложено использование массивной стали.

Преимущества двигателя

Основными преимуществами РПД Ванкеля являются:

1. Более высокое отношение мощности к весу, чем у поршневого двигателя.
2. Легче размещать в небольших машинных пространствах, чем эквивалентный двигательный механизм.
3. Нет поршневых деталей.
4. Способность достигать более высоких оборотов в минуту, чем обычный двигатель.
5. Работа практически без вибрации.
6. Не подвержен двигательному удару.
7. Дешевле в производстве, потому что двигатель содержит меньше деталей
8. Широкий диапазон скоростей, обеспечивающий большую адаптивность.
9. Он может использовать топливо с более высоким октановым числом.

ДВС Ванкеля значительно легче и проще, с гораздо меньшим количеством движущихся частей, чем поршневые двигатели эквивалентной выходной мощности. Поскольку ротор перемещается непосредственно на большой подшипник на выходном валу, нет шатунов и коленчатого вала. Устранение возвратно-поступательной силы и наиболее сильно нагруженных и разрушаемых деталей обеспечивает высокую надёжность Wankel.

В дополнение к удалению внутренних возвратно-поступательных напряжений при полном удалении возвратно-поступательных внутренних деталей, учтановленных в поршневом двигателе, двигатель Ванкеля выполнен с железным ротором в корпусе из алюминия, который имеет больший коэффициент теплового расширения. Это гарантирует, что даже сильно перегретый агрегат Ванкеля не может «захватить», как это может произойти в аналогичном поршневом устройстве. Это существенное преимущество в плане безопасности при использовании в самолётах. Кроме того, отсутствие клапанов повышает безопасность.

Дополнительным преимуществом РПД Ванкеля для использования в самолётах является то, что он обычно имеет меньшую фронтальную область, чем поршневые агрегаты эквивалентной мощности, что позволяет создать более аэродинамический конус вокруг двигателя. Каскадное преимущество заключается в том, что меньший размер и вес ДВС Ванкеля позволяет сэкономить затраты на строительство летательного аппарата по сравнению с поршневыми двигателями сопоставимой мощности.

Роторно-поршневые ДВС Ванкеля, работающие в соответствии с их первоначальными проектными параметрами, почти не подвержены катастрофическим отказам. РПД Ванкеля, который теряет компрессию, или охлаждение, или давление масла, потеряет большое количество, но всё-таки будет продолжать производить некоторую мощность, позволяя более безопасную посадку при использовании в самолётах. Поршневые устройства при тех же обстоятельствах подвержены захвату или разрушению деталей, что почти наверняка приведёт к катастрофическому сбою двигателя и мгновенной потере всей мощности.

По этой причине роторно-поршневые двигатели Ванкеля очень хорошо подходят для снегоходов, которые часто используются в отдалённых местах, где отказ двигателя может привести к обморожению или смерти, а также к самолётам, где резкий сбой может привести к крушению или вынужденной посадке в удалённых местах.

Конструкционные недостатки

Хотя многие из недостатков являются предметом текущих исследований, нынешние недочёты устройства Ванкеля в производстве заключаются в следующем:

1. Уплотнение ротора. Это всё ещё незначительная проблема, так как корпус двигателя имеет очень разные температуры в каждой отдельной секции камеры. Различные коэффициенты расширения материалов приводят к несовершенной герметизации. Кроме того, обе стороны уплотнений подвергаются воздействию топлива, и конструкция не позволяет точно контролировать смазку роторов. Роторные агрегаты, как правило, смазываются при всех оборотах и нагрузках двигателя и имеют относительно высокий расход масла и другие проблемы, возникающие в результате избыточного количества смазки в зонах сгорания двигателя, таких, как образование углерода и чрезмерные выбросы от сжигания масла.
2. Для преодоления проблемы различий в температурах между различными областями корпуса и боковых и промежуточных пластин, а также связанных с ними неравновесных температурных дилатаций, тепловая труба используется для транспортировки нагретого газа от горячей к холодной части двигателя. «Тепловые трубы» эффективно направляют горячий выхлопной газ на более холодные части двигателя, что приводит к снижению эффективности и производительности.
3. Медленное горение. Сжигание топлива происходит медленно, поскольку камера сгорания длинная, тонкая и движущаяся. Движение пламени происходит почти исключительно в направлении движения ротора, и завершается тушением, которое является основным источником несгоревших углеводородов при высоких оборотах. Задняя сторона камеры сгорания, естественно, создаёт «сжатый поток», который препятствует достижению пламени к задней кромке камеры. Впрыск топлива, при котором оно поступает к передней кромке камеры сгорания, может минимизировать количество несгоревшего горючего в выхлопе.
4. Плохая экономия топлива. Это связано с утечками уплотнений и формой камеры сгорания. Это приводит к плохому сгоранию и среднему эффективному давлению при частичной нагрузке, малой скорости вращения. В соответствии с требованиями, предъявляемыми по выбросам, иногда требуется соотношение топлива и воздуха, которое не способствует хорошей экономии топлива. Ускорение и замедление в средних условиях движения также влияют на экономию топлива. Однако работа двигателя с постоянной скоростью и нагрузкой исключает избыточный расход топлива.

Таким образом, у этого вида двигателя есть свои недостатки и преимущества.

Автомобильная индустрия постоянно развивается. Неудивительно, что появляются альтернативные технологии, которые тем мне менее редко появляются в массовом производстве. Именно к таким можно причислить роторные двигатели.

Важно! Бурный толчок в развитии автомобилестроения дало изобретение двигателя внутреннего сгорания. Как результат машины стали ездить на жидком топливе, и началась бензиновая эра.

Машины с роторным двигателем

Роторно-поршневой двигатель был изобретён компанией NSU. Создателем аппарата стал Вальтер Фройде. Тем не менее данное устройство в научных кругах носит имя другого учёного, а именно Ванкеля.

Дело в том что над этим проектом работал дуэт инженеров. Но основная роль в создании устройства принадлежала именно Фройде. В то время как он трудился над роторной технологией, Ванкель работал над другим проектом, который закончился ничем.

Тем не менее в результате подковёрных игр теперь мы все знаем этот аппарат как роторный двигатель Ванкеля. Первая рабочая модель была собрана в 1957 году. Автомобилем первоиспытателем стал NSU Spider. В то время он смог развить скорость в сто пятьдесят километров. Мощность мотора «Паука» составляла 57 л. с.

«Паук» с роторным двигателем выпускался с 1964 по 1967 год. Но массовым так и не стал. Тем не менее автопроизводители не поставили крест на этой технологии. Мало того, они выпустили ещё одну модель — NSU Ro-80, и она стала настоящим прорывом. Большую роль сыграл правильный маркетинг.

Обратите внимание на название. Уже в нём содержится указание на то, что машина оснащена роторным двигателем. Пожалуй, результатом этого успеха стала установка данных моторов, на такие известные автомобили, как:

• Citroen GS Birotor,
• Mercedes-Benz С111,
• Chevrolet Corvette,
• ВАЗ 21018.

Больше всего популярности роторные двигатели получили в стране «Восходящего солнца». Японская компания Mazda пошла на рисковый по тем временам шаг и стала производить автомобили с использованием данной технологии.

Первой ласточкой от компании «Мазда» стала машина Cosmo Sport. Нельзя сказать, что она снискала огромную популярность, но свою аудиторию она нашла. Тем не менее это был лишь первый шаг выхода роторных двигателей на японский рынок, а вскоре, и на мировой.

Японские инженеры не просто не отчаялись, а наоборот, стали работать с утроенной силой. Результатом их трудов стала серия, которую с благоговением вспоминают все уличные гонщика в любой стране мира — Rotor-eXperiment или сокращённо RX.

В рамках этой серии было выпущено несколько легендарных моделей, среди которых Mazda RX-7. Сказать, что эта машина с роторным двигателем была популярна, всё равно что промолчать. Миллионы фанатов уличных гонок начинали именно с неё. При относительно низкой цене, она имела просто невероятные технические характеристики:

• разгон до сотни — 5,3 секунды;
• максимальная скорость — 250 километров в час;
• мощность — 250—280 лошадиных сил в зависимости от модификации.

Машина является настоящим произведением искусства, она легка и манёвренна, а её двигатель вызывает восхищение. При описанных выше характеристиках он имеет объём всего в 1,3 литра. В нём две секции, а рабочее напряжение 13В.

Внимание! Mazda RX-7 выпускалась с 1978 по 2002. За это время было произведено около миллиона машин с роторными двигателями.

К сожалению, последняя модель этой серии была выпущена в 2008 году. Mazda RX8 завершила легендарную линейку. Собственно на этом историю роторного двигателя в массовом производстве можно считать завершённой.

Принцип работы

Многие автомобильные эксперты считают, что конструкцию обычного поршневого аппарата нужно оставить в далёком прошлом. Тем не менее миллионам машин нужна достойная замена, может ли им стать роторный двигатель, давайте разберёмся.

Принцип работы роторного двигателя базируется на давлении, которое создаётся при сжигании топлива. Основной частью конструкции является ротор, который отвечает за создание движений нужной частоты. В результате энергия передаётся на сцепление. Ротор выталкивает её, передавая на колёса.

Ротор имеет форму треугольника. Материалом конструкции служит легированная сталь. Деталь находится в овальном корпусе, в котором, собственно, и происходит вращение, а также ряд важных для выработки энергии процессов:

• сжатие смеси,
• впрыск топлива,
• создание искры,
• подача кислорода,
• слив отработанного сырья.

Главная особенность устройства роторного двигателя заключается в том, что ротор имеет крайне необычную схему передвижения. Результатом подобного конструкторского решения являются три полностью изолированные друг от друга ячейки.

Внимание! В каждой ячейки происходит определённый процесс.

В первую ячейку поступает воздушно-топливная смесь. В полости происходит перемешивание. Дальше ротор перемещает полученную субстанцию в следующий отсек. Именно здесь проходит сжатие и воспламенение.

В третьей ячейке удаляется использованное топливо. Слаженная работа трёх отсеков как раз и даёт ту удивительную производительность, которая была продемонстрирована на примере автомобилей из серии RX.

Но главный секрет устройства кроется совсем в другом. Дело в том, что эти процессы не возникают один за другим, они происходят моментально. Как результат всего за один оборот проходит три такта.

Выше была представлена схема работы базового роторного мотора. Многие производители стараются модернизировать технологию, чтобы добиться больше производительности. Некоторым это удаётся, другие же терпят поражение.

Японским инженерам удалось добиться успеха. Уже упомянутые выше двигатели «Мазда» имеют до трёх роторов. Во сколько в таком случае возрастёт производительность, вы можете себе представить.

Приведём наглядный пример. Возьмём обычный мотор РПД с двумя роторами и найдём ближайший аналог — шестицилиндровый двигатель внутреннего сгорания. Если же добавить в конструкцию ещё одни ротор, то разрыв будет и вовсе колоссальным — 12 цилиндров.

Виды роторных двигателей

Множество автокомпаний бралось за производство роторных двигателей. Неудивительно, что было создано много модификаций, каждая из которых имеет свои особенности:

1. Роторный двигатель с разнонаправленным движением. Ротор здесь не вращается, а как бы качается вокруг своей оси. Процесс сжатия происходит между лопатками мотора.
2. Пульсирующе-вращательный роторный двигатель. Внутри корпуса два ротора. Сжатие проходит между лопастями этих двух элементов, когда они сближаются и удаляются.
3. Роторный двигатель с уплотнительной заслонкой — данная конструкция до сих пор широко задействуется в пневматических моторах. Для роторных двигателей внутреннего сгорания существенно переделывается камера, в которой проходит воспламенение.
4. Роторный двигатель, работающий за счёт вращательных движений. Считается, что именно эта конструкция является наиболее технически совершенной. Здесь нет деталей, которые совершают возвратно-поступательные движения. Поэтому роторные двигатели такого типа легко достигают 10 000 оборотов в минуту.
5. Планетарно-вращательный роторный двигатель — самая первая модификация, изобретённая двумя инженерами.

Как видите, наука не стоит на месте, немалое количество видов роторных моторов позволят надеяться на дальнейшее развитие технологии в отдалённом будущем.

Достоинства и недостатки роторного двигателя

Как видите, роторные моторы пользовались определённой популярностью в своё время. Мало того, действительно, легендарные машины были оснащены моторами такого класса. Чтобы понять, почему данный аппарат устанавливался на передовые модели японских машин, нужно узнать все его достоинства и недостатки.

Достоинства

С предыстории, представленной ранее, вы уже знаете, что роторный двигатель в своё время привлёк большое внимание производителей моторов, на то было несколько причин:

1. Повышенная компактность конструкции.
2. Малый вес.
3. РПД хорошо сбалансирован и создаёт при работе минимум вибраций.
4. Количество запчастей в моторе на порядок меньше, чем в поршневом аналоге.
5. РПД обладает высокими динамическими качествами

Самое же главное достоинство РПД — высокая удельная мощность. Авто с роторным двигателем может разогнаться до 100 километров без переключения на высокие передачи при сохранении большого количества оборотов.

Важно! Использование роторного двигателя позволяет добиться повышенной устойчивости автомобиля на дороге благодаря идеальной развесовке.

Недостатки

Вот и пришло время больше узнать, почему, несмотря на все преимущества, большинство производителей перестали устанавливать роторные двигатели на свои автомобили. К недостаткам РПД причисляют:

1. Повышенный расход топлива при работе на низких оборотах. В самых требовательных к ресурсам машинам он может достигать 20—25 литров на 100 километров пробега.
2. Сложность в изготовлении. На первый взгляд конструкция роторного двигателя намного проще, чем у поршневого. Но дьявол кроется именно в деталях. Их изготовить крайне непросто. Геометрическая точность каждой запчасти должна быть на идеальном уровне, иначе ротор не сможет пройти эпитрохоидальную кривую с должным результатом. РПД требует при своём изготовлении высокоточное оборудование, которое стоит немалых денег.
3. Роторный двигатель часто перегревается. Это связано с необычным строением камеры сгорания. К сожалению, даже спустя много лет инженерам не удалось исправить данный дефект. Избыток энергии, вырабатываемой при сгорании топлива нагревает цилиндр. Это сильно изнашивает мотор и сокращает срок его эксплуатации.
4. Также роторный двигатель страдает перепадами давления. Результат подобного эффекта быстрый износ уплотнителей. Ресурс работы одного качественно собранного РПД лежит в диапазоне от 100 до 150 тысяч километров пробега. После прохождения данного рубежа без капитального ремонта уже не обойтись.
5. Сложная процедура смены масла. Потребление роторным двигателем масла на 1000 километров составляет 600 миллилитров. Чтобы детали получали надлежащую смазку масло необходимо менять один раз на 5000 км. Если же этого не сделать, то становится крайне вероятным серьёзное повреждение ключевых узлов агрегата.

Как видите, несмотря на выдающиеся преимущества РПД имеет ряд весомых недостатков. Тем не менее конструкторские подразделения в ведущих автомобильных фирмах до сих пор пытаются модернизировать эту технологию, и кто знает, возможно, однажды, у них это получится.

Итоги

Роторные двигатели имеют множество весомых преимуществ, они хорошо сбалансированы, позволяют быстро наращивать обороты и обеспечивают набор скорости до 100 км за 4—7 секунд. Но есть у роторных моторов и недостатки, главный из которых маленький срок эксплуатации.

Главная » Кузовные работы » Автомобили с роторно поршневым двигателем. Роторный двигатель Mazda возвращается: Вот что о нем нужно знать. Принцип работы роторного двигателя Зуева