Говорят, что Феликс Ванкель придумал роторный двигатель, будучи 17-летним юнцом. Тем не менее, первые чертежи двигателя были представлены Ванкелем лишь в 1924 году, когда он закончил школу и начал работать в издательстве технической литературы. Позднее он открыл свою собственную мастерскую и в 1927 году представил первый двигатель с вращающимися поршнями. С этого момента его двигатель начинает свой долгий путь по подкапотным пространствам автомобилей многих марок.
NSU Spider
К сожалению, во время Второй мировой роторный двигатель был никому не нужен, так как не прошел достаточную «обкатку» в автомобильном сообществе и лишь после ее окончания чудо-мотор начинает «выбиваться в люди». В послевоенной Германии первой компанией, которая обратила внимание на интересный агрегат, была NSU. Именно двигатель Ванкеля должен был стать ключевой «фишкой» модели. В 1958 году начались разработки первого проекта, а в 1960 уже готовый автомобиль был показан на конференции немецких конструкторов.
NSU Spider сначала вызвал у конструкторов лишь смех и легкое недоумение. По заявленным характеристикам двигатель Ванкеля развивал всего 54 л.с. и многие усмехались над этим, пока не узнали, что разгон до 100км/ч у этой 700-килограммовой малютки составляет 14,7 секунды, а максимальная скорость - 150 километров в час. Такие характеристики повергли многих разработчиков автомобилей в шок. Определенно двигатель произвел фурор в автомобильной среде, но Ванкель не остановился на достигнутом.
NSU Ro-80
Интересно, что не NSU Spider принес Феликсу Ванкелю популярность, а его второй автомобиль - NSU Ro-80. Его представили в 1967 году, сразу после прекращения выпуска предыдущей модели. В компании решили не медлить и как можно быстрее развивать «роторный рынок». Седан оснастили 1,0-литровым мотором, который развивал мощность в 115 лошадиных сил. Автомобиль, который весил всего 1,2 тонны разгонялся до «сотни» за 12,8 секунды и имел максимальную скорость в 180 км/ч. Сразу же после выхода машина получила статус «Авто года», о роторном двигателе стали говорить, как о моторе будущего, и огромное множество автопроизводителей купили лицензии на производство роторных двигателей Феликса Ванкеля.
Впрочем, сам NSU Ro-80 обладал рядом отрицательных качеств, которые были без преувеличения масштабны. Расход топлива у Ro-80 составлял от 15 до 17,5 литров на 100 км, и в период топливного кризиса это было просто ужасно. Мало того, неопытные водители очень часто «убивали» эти хрупкие двигатели настолько быстро, что даже не успевали проехать и двух тысяч километров. Но, даже не смотря на это, автомобиль пользовался бешеной популярностью, и роторный двигатель укреплял свои позиции.
Mercedes C111
В 1970 году на Женевском автошоу «Мерседес» представили модель С111 с роторным двигателем. Правда, анонсировали его годом ранее, но то был лишь опытный образец, который, впрочем, имел просто заоблачные характеристики. Автомобиль оснащался трехсекционным двигателем объемом 1,8 литра и мощностью в 280 лошадиных сил. Mercedes C111 разгонялся до 100км/ч за 5 секунд и имел максимальную скорость 275 км/ч.
Представленная в Женеве версия даже превысила эти показатели: максимальная скорость составляла 300 километров в час, а добраться до отметки в 100 км/ч можно было за 4,8 секунды. При этом роторный двигатель выдавал аж 370 лошадиных сил. Этот автомобиль был по своей природе уникален и имел просто колоссальную популярность среди автолюбителей, но в Mercedes не собирались пускать C111 на конвейер опять же из-за сверх прожорливого мотора. К сожалению, автомобиль так и остался на стадии опытного образца, тем самым почти похоронив роторный двигатель.
Mazda Cosmo Sport
Казалось бы, роторный двигатель канул в небытие и окончательно пропал из виду, если бы не японцы, который пристально наблюдали за детищем Ванкеля. Mazda Cosmo Sport стал первым авто компании из Страны восходящего солнца, который оснащался этим чудо-мотором. В 1967 году началось серийное производство этого автомобиля, и оно не увенчалось успехом – свет увидели всего 343 машины. Всему виной ошибки в проектировке автомобиля: изначально Cosmo Sport имел 1,3–литровый двигатель мощностью в 110 лошадиных сил, разгонялся до 185 км/ч при помощи 4-ступенчатой ручной коробки передач, но имел обычную тормозную систему и, как казалось разработчикам, слишком короткую колесную базу.
В 1968 году японцы выпускают вторую серию Mazda Cosmo Sport, которая получает 128-сильный роторный двигатель, 5-ступенчатую ручную коробку передач, улучшенные 15-дюймовые тормоза и увеличенную колесную базу. Теперь автомобиль лучше чувствовал себя на дороге, разгонялся до 190 км/ч и имел неплохие продажи. Всего же было выпущено порядка 1200 машин.
Mazda Parkway Rotary 26
«Мазде» настолько понравился двигатель Феликса Ванкеля, что в 1974 году на свет появилась модель Parkway Rotary 26 – единственный в мире автобус с роторным двигателем. Он оснащался 1,3–литровым агрегатом, который выдавал 135 л. с. и, что немаловажно, обладал низким уровнем содержания вредных веществ в выхлопных газах.
Вместе с 4-ступенчатой ручной коробкой передач 3-тонный автобус мог легко набрать скорость в 160 км/ч и имел достаточно вместительный салон. Число 26 в названии означало количество посадочных мест в автобусе, но имелась также и люксовая версия на 13 человек. Модель отличалась низким уровнем вибраций и тишиной в салоне, что было обеспечено гладкостью работы роторного двигателя. Производство модели было завершено в 1976 году, но, к слову, автомобиль был довольно популярен.
Mazda RX-8
С производством автомобилей с роторным двигателем «Мазда» не унималась вплоть до XXI века. А спортивное четырехместное заднеприводное купе с распашными дверями без стойки Mazda RX-8 и вовсе стал настоящей иконой для автолюбителей. Последняя версия автомобиля оснащалась 1,3-литровым двигателем мощностью 215 л. с. и 6-ступенчатым автоматом, а также 1,3-литровым мотором мощностью 231 л. с. с крутящим моментом в 211 Нм и 6-ступенчатой механикой. Кроме того, это бесспорно самый красивый представитель роторного семейства.
Казалось, что пришедшая на смену RX-7 единственная серийная модель с роторным двигателем будет оставаться живым символом этого изобретения, но начиная с 2004 года продажи купе начали падать. Да так, что к 2010 году сократилить с 25 000 машин до 1500 в год. «Мазда» пыталась спасти положение, но инженеры компании не смогли устранить все проблемы - улучшить экологичность, снизить вес, уменьшить расход топлива и улучшить крутящий момент. К тому же грянувший кризис заставил японцев отказаться от вложения денег в не приносящий отдачи проект. Поэтому в августе 2011 года было объявлено о снятии Mazda RX-8 с производства.
«ВАЗ-2109-90»
Когда-то ходила байка: мол, на скорости в 200 км/ч «девятка» ДПС догоняет летящий «Мерседес». И многие воспринимали эту историю, как шутку. Но в каждой шутке есть доля правды. И определенно в этой смешной истории правды гораздо больше, чем лжи. В России тоже производили автомобили с роторным двигателем. В 1996 году был разработан опытный образец «ВАЗ-2109-90» с роторно-поршневым двигателем повышенной мощности. Указывалось, что по динамическим и скоростным качествам автомобиль должен превосходить все модели автомобилей отечественного производства. И действительно, под капот «девятки» установили 140-сильный роторный двигатель, который разгонял машину до 100 км/ч всего за 8 секунд и имел максимальную скорость 200 км/ч. Вдобавок ко всему в багажник устанавливали топливный бак емкостью 39 литра, ибо расход бензина был огромный. Благодаря этому без дозаправки можно было доехать из Москвы в Смоленск и обратно.
Позднее были представлены еще 2 «заряженные» модификации «девятки»: роторный двигатель, развивающий 150 лошадиных сил и форсированный вариант с 250 «кобылами». Но из-за такой избыточной мощности агрегаты очень быстро приходили в негодность – всего 40 тысяч километров пробега. Правда, такой вид автомобилей в России не прижился из-за высокой цены на автомобиль, высокого потребления топлива и высокой стоимости на содержание.
Концепция роторного двигателя весьма интересна. Такие крупнейшие концерны, как Mazda, Citroen, Mersedes-Benz и General Motors, выпускали автомобили с роторными двигателями, однако позднее от них отказались. В этой статье мы рассмотрим принцип работы роторного ДВС, а также преимущества и недостатки этой конструкции.
Что такое роторный двигатель
Роторно-поршневой двигатель (РПД) - это класс тепловых двигателей, объединённых типом движения рабочего элемента, или ротора. В частном случае такого устройства можно выделить роторные двигатели внутреннего сгорания (роторные ДВС).
Такой тип двигателя не нуждается в элементах, которые преобразуют поступательные движения во вращательные. Соответственно, при работе роторного ДВС значительно меньше потерь, нежели поршневого, весь отсутствует промежуточное звено, такое как коленчатый вал.
На первый взгляд, этот агрегат отлично решает поставленную перед ним задачу и имеет более высокий КПД. Однако такая конструкция не получила большого распространения, и даже автомобильному концерну Mazda, который долго выпускал автомобили с таким типом двигателя, в частности модель RX-8, пришлось в конце концов отказаться от роторных систем.
Это обусловлено некоторыми недостатками в работе системы, о которых пойдёт речь далее в статье.
Немного истории возникновения агрегата
Знаете ли вы? В первой версии конструкции Ванкеля имелась подвижная камера и зафиксированный ротор, однако в итоге схему поменяли местами.
В этом тандеме Ванкель провёл исследования уплотнений вращающихся клапанов, а базовую схему и инженерную концепцию сформулировал Фройде. Сейчас роторный ДВС часто называют двигателем Ванкеля.
Впервые данная модель «сердца автомобиля» была испытана на NSU Spider, мощность мотора которого составила 57 лошадиных сил. При этом он легко разгонялся до скорости 150 км/ч.
Первым массовым авто с роторной системой стал NSU Ro-80 - второй по счёту автомобиль во всей линейке компании. В отечественном автопроме данная модель двигателя использовалась на ВАЗ 21079, которая была служебной машиной, часто милицейской.
А самой массовой серией машин с роторным ДВС по праву считается Mazda RX (Rotor-eXperiment), которая производилась вплоть до середины 2012 года, хотя и сейчас ещё не до конца распроданы выпущенные автомобили.
Конструкция роторного двигателя
Подвижный элемент этой конструкции устанавливается на валу и соединяется с шестерёнкой, которая соединена со статором и образует так называемую «неподвижную шестерню». Диаметр статора по размерам значительно меньше диаметра ротора, вращающегося вокруг шестерни вместе с зубчатым колесом.
Ротор имеет трёхгранную форму и движется по поверхности цилиндра. В процессе движения он поочерёдно закрывает объёмы камер при помощи уплотнений, находящихся в вершинах ротора. Во время работы конструкции не требуется специального газораспределения.
1 и 2 - части впускной системы двигателя; 3 - задняя часть корпуса двигателя; 4 и 6 - цилиндры (корпус ротора); 5 - средняя часть корпуса двигателя; 7 - передняя часть корпуса двигателя; 8 - корпус дроссельной заслонки; 9 и 11 - стационарные (неподвижные) шестерни на фланцах; 10 - ротор с внутренним зубчатым венцом в сборе; 12 - эксцентриковый вал роторов; 13 - приёмный выпускной коллектор.
Благодаря действию давления газа и центробежных сил пластины, которые выполняют роль уплотнителя, прижимаются к внутренней поверхности устройства, и в результате происходит герметизация камеры.
Схема в итоге оказалась куда проще и компактнее, чем поршневые устройства, в том числе за счёт отсутствия картерного пространства, шатунов и коленвала. Чаще всего при изготовлении конструкции применяется соотношение радиуса шестерни к зубчатому колесу 2:3.
Принцип работы
Роторный двигатель не производит возвратно-поступательные движения, как обычный поршневой ДВС. Принцип работы основан на вращении поршня. В работе нет точек замирания, как у поршневого устройства, то есть он работает более плавно, без импульсов.
РПД использует избыточное давление, которое возникает в процессе сгорания смеси топлива и воздуха. С помощью шатуна и коленчатого вала приводится в движение поршень. Давление возникает в камерах, которые формируются самой конструкцией цилиндра и корпусом ротора, играющего роль поршня.
Траектория работы ротора похожа на линию спирографа. Когда происходит соприкосновение вершин движущего элемента и стенок самого ДВС, создаются непроницаемые камеры сгорания.
Вращающийся ротор позволяет осуществлять следующие процессы:
- поступление воздушно-топливной смеси;
- её сжатие;
- воспламенение;
- выпуск выхлопа.
При поступлении воздуха в камеру одновременно впрыскивается топливо. При вращении ротора в этой камере смесь сжимается. Вращаясь, ротор перемещает камеру со смесью к свечам зажигания, после чего происходит воспламенение топлива и расширение.
На следующем повороте смесь выходит в выхлопную трубу, и процесс повторяется. Такой процесс работы ничем не отличается от работы четырёхтактного поршневого ДВС.
Видео: как работает роторный двигатель
Плюсы и минусы
К преимуществам роторного двигателя можно отнести:
- отсутствие пульсирующих импульсных нагрузок;
- КПД такого двигателя составляет 40 %, в отличие от 20 % поршневого ДВС;
- его мощность значительно выше, к тому же работает он намного тише, что позволяет использовать топливо с низким октановым числом;
- он сделан из гораздо меньшего количества металла, а значит, более лёгкий;
- конструкция содержит меньшее число агрегатов и узлов.
Недостатки:
- Герметизация камеры сгорания и впуска-выпуска.
- Для разработки нужны точные расчёты, ведь в при трении металл в результате нагрева расширяется. Точные расчёты позволяют сохранить компрессию и КПД.
- В процессе работы такой двигатель имеет склонность к перегревам, чем и уступает поршневым ДВС.
- Из-за конструкции самого устройства зоны нагрева распределены неравномерно, поскольку в камере сгорания температура выше, чем в камере впуска-выпуска. Следовательно, и цилиндр нагревается неравномерно. Для устранения такого дефекта конструкции необходимо в процессе производства цилиндра использовать различные материалы.
- Износостойкость у данного типа значительно ниже, чем у поршневых ДВС, так как роторный работает на больших оборотах.
- Из-за больших оборотов значительно увеличивается расход топлива и масла.
- Поскольку в процессе работы роторного ДВС топливо не успевает полностью сгореть, выхлопные газы являются более токсичными, нежели у поршневого.
- При использовании роторного двигателя нужно регулярно производить замену масла и чётко следить за выполнением этой процедуры.
Роторный двигатель хоть и не получил такого же распространения, как поршневой ДВС, однако тоже нашёл свою нишу в автомобильной промышленности.
Важно! В автомобилях с таким двигателем необходимо масло заменять каждые 5000 км. Если своевременно не выполнять замену, то вероятность поломок значительно увеличивается, что влечёт за собой дорогостоящий ремонт.
Например, его часто устанавливают в машины, которые участвуют в гонках. Несмотря на существенные недостатки, этот двигатель обладает и несомненными достоинствами, поэтому по-прежнему считается серьёзной альтернативой поршневым ДВС.
Обычно «сердце» машины представляет собой цилидро-поршневую систему, то есть основано на возвратно-поступательном движении, однако есть и другой вариант – автомобили с роторным двигателем .
Автомобили с роторным двигателем – главное отличие
Основная сложность в работе ДВС с классическими цилиндрами – преобразование возвратно-поступательного движения поршней в крутящий момент, без которого колеса не будут вращаться . Именно поэтому с того момента, как был создан первый , ученые и механики-самоучки ломали головы над тем, как сделать мотор с исключительно вращающимися узлами. Удалось это германскому технику-самородку Ванкелю.
Первые эскизы были им разработаны в 1927 году, по окончании высшей школы. В дальнейшем механик купил небольшую мастерскую и вплотную занялся своей идеей. Итогом многолетней работы стала рабочая модель роторного ДВС, созданная совместно с инженером Вальтером Фройде. Механизм оказался похожим на электромотор, то есть основой его стал вал с трехгранным ротором, очень похожим на треугольник Рело, который был заключен в камеру овальной формы. Углы упираются в стенки, создавая с ними герметичный подвижный контакт.
Полость статора (корпуса) делится сердечником на соответствующее числу его сторон количество камер, причем за один оборот ротора отрабатываются : впрыск топлива, воспламенение, выброс отработанных газов. На деле их, конечно, 5, но два промежуточных, сжатие топлива и расширение газов, можно не принимать во внимание. За один полный цикл происходит 3 оборота вала, а если учесть, что обычно устанавливаются два ротора в противофазе, автомобили с роторным двигателем имеют мощность в 3 раза больше, чем классические цилиндро-поршневые системы.
Насколько популярен роторный дизельный двигатель?
Первыми машинами, на которых был установлен ДВС Ванкеля, стали легковушки NSU Spider 1964 года выпуска, мощностью в 54 л.с., что позволяло разгонять транспортные средства до 150 км/ч. Далее, в 1967 году, был создан стендовый вариант седана NSU Ro-80, красивый и даже элегантный, с суженым капотом и несколько более высоким багажником. В серийное производство он так и не вышел. Впрочем, именно этот автомобиль подтолкнул многие компании покупать лицензии на роторный дизельный двигатель. В их число вошли Toyota, Citroen, GM, Mazda. Нигде новинка не прижилась. Почему? Тому причиной были серьезные ее недостатки.
Образуемая стенками статора и ротора камера значительно превышает объем классического цилиндра, топливно-воздушная смесь получается неравномерной . Из-за чего даже с применением синхронного разряда двух свечей не обеспечивается полное сгорание топлива. Как следствие – ДВС неэкономичен и неэкологичен. Именно поэтому, когда разразился топливный кризис, NSU, сделавшая ставку на роторные двигатели, была вынуждена слиться с Volkswagen, где от дискредитировавших себя «ванкелей» отказались.
Компанией Mercedes-Benz было выпущено лишь два автомобиля с ротором – С111 первого (280 л.с., 257.5 км/ч, 100 км/ч за 5 сек) и второго (350 л.с., 300 км/ч, 100 км/ч за 4.8 сек) поколения. Компанией Chevrolet также были выпущены две пробные машины Corvette, с двухсекционным двигателем на 266 л.с. и с четырехсекционным на 390 л.с., но все ограничилось их демонстрацией. За 2 года, начиная с 1974, компанией Citroen были выпущены с конвейера 874 автомобиля Citroen GS Birotor мощностью в 107 л.с., затем их отозвали для ликвидации, однако около 200 так и остались у автолюбителей. А значит, есть вероятность встретить их сегодня на дорогах Германии, Дании или Швейцарии, если, конечно, их владельцам дался капитальный ремонт роторного двигателя.
Наиболее стабильное производство смогла наладить компания Mazda, с 1967 по 1972 годы было выпущено 1519 автомобилей марки Cosmo, воплощенные в двух сериях по 343 и 1176 машин. За тот же период было выпущено в массовое производство купе Luce R130. «Ванкели» начали ставить на все без исключения модели Mazda с 1970 года, в том числе и на автобус Parkway Rotary 26, развивающий скорость до 120 км/ч при массе 2835 кг. Приблизительно в то же время началось производство роторных двигателей в СССР, правда, без лицензии, а, следовательно, до всего доходили своим умом на примере разобранного «ванкеля» с NSU Ro-80.
Разработка осуществлялась на заводе ВАЗ. В 1976 году был качественно изменен двигатель Ваз-311, а через шесть лет массово стала выпускаться марка Ваз-21018 с ротором мощностью 70 л.с. Правда, на всей серии вскоре был установлен поршневой ДВС, поскольку все «ванкели» сломались при обкатке, и потребовалась замена роторного двигателя. С 1983 года с конвейера стали съезжать модели Ваз-411 и Ваз-413 на 120 и 140 л.с. соответственно. Ими были оснащены отряды ГАИ, МВД и КГБ. В настоящее время роторами занимается исключительно компания Mazda.
Самостоятельно что-либо сделать с ДВС Ванкеля довольно сложно. Наиболее доступное действие – замена свечей. На первых моделях они были вмонтированы непосредственно в неподвижный вал, вокруг которого вращался не только ротор, но и сам корпус. В дальнейшем, наоборот, статор сделали неподвижным, установив в его стенке 2 свечи напротив клапанов впрыска топлива и выпуска отработанных газов. Любые другие ремонтные работы, если вы привыкли к классическим поршневым ДВС, практически невозможны.
В двигателе Ванкеля деталей на 40 % меньше, чем в стандартном ДВС, работа которого основана на ЦПГ (цилиндро-поршневой группе).
Опорные вкладыши вала меняются в том случае, если начала проглядывать медь, для этого снимаем шестерни, осуществляем замену и снова напрессовываем зубчатые колеса. Затем осматриваем сальники и, если необходимо, меняем их тоже. Осуществляя ремонт роторного двигателя своими руками, будьте внимательны при снятии и установке пружин маслосъемных колец, передние и задние различаются по форме. Торцевые пластины тоже при необходимости подвергаются замене, причем устанавливать их нужно согласно буквенной маркировке.
Угловые уплотнения в первую очередь монтируются с передней стороны ротора, желательно их сажать на зеленую кастроловскую смазку, чтобы зафиксировать на время сборки механизма. После установки вала ставятся тыльные угловые уплотнения. Накладывая на статор прокладки, смажьте их герметиком. Апексы с пружинами в угловые уплотнители вставляются уже после того, как ротор помещен в корпус статора. В последнюю очередь смазываются герметиком прокладки передней и задней секций перед крепежом крышек.
Роторно-поршневой двигатель(РПД), или двигатель Ванкеля. Двигатель внутреннего сгорания, разработанный Феликсом Ванкелем в 1957 году в соавторстве с Вальтером Фройде. В РПД функцию поршня выполняет трехвершинный (трехгранный) ротор, совершающий вращательные движения внутри полости сложной формы. После волны экспериментальных моделей автомобилей и мотоциклов, пришедшейся на 60-е и 70-е годы ХХ века, интерес к РПД снизился, хотя ряд компаний по-прежнему работает над совершенствованием конструкции двигателя Ванкеля. В настоящее время РПД оснащаются легковые автомобили компании Mazda. Роторно-поршневой двигатель находит применение в моделизме.
Принцип работы
Сила давления газов от сгоревшей топливо-воздушной смеси приводит в движение ротор, насаженный через подшипники на эксцентриковый вал. Движение ротора относительно корпуса двигателя (статора) производится через пару шестерен, одна из которых, большего размера, закреплена на внутренней поверхности ротора, вторая, опорная, меньшего размера, жестко прикреплена к внутренней поверхности боковой крышки двигателя. Взаимодействие шестерен приводит к тому, что ротор совершает круговые эксцентричные движения, соприкасаясь гранями с внутренней поверхностью камеры сгорания. В результате между ротором и корпусом двигателя образуются три изолированные камеры переменного объема, в которых происходят процессы сжатия топливо-воздушной смеси, ее сгорания, расширения газов, оказывающих давление на рабочую поверхность ротора и очищения камеры сгорания от отработанных газов.
Вращательное движение ротора передается на эксцентриковый вал, установленный на подшипниках и передающий вращающий момент на механизмы трансмиссии. Таким образом в РПД одновременно работают две механические пары: первая - регулирующая движение ротора и состоящая из пары шестерен; и вторая - преобразующая круговое движение ротора во вращение эксцентрикового вала.
Передаточное соотношение шестерен ротора и статора 2:3, поэтому за один полный оборот эксцентрикового вала ротор успевает провернуться на 120 градусов. В свою очередь за один полный оборот ротора в каждой из трех образуемых его гранями камер производится полный четырехтактный цикл двигателя внутреннего сгорания.
схема РПД
1 - впускное окно; 2 выпускное окно; 3 - корпус; 4 - камера сгорания; 5 – неподвижная шестерня; 6 - ротор; 7 – зубчатое колесо; 8 - вал; 9 – свеча зажигания
Достоинства РПД
Главным достоинством роторно-поршневого двигателя является простота конструкции. В РПД на 35-40 процентов меньше деталей, чем в поршневом четырехтактном двигателе. В РПД отсутствуют поршни, шатуны, коленчатый вал. В «классическом» варианте РПД нет и газораспределительного механизма. Топливо-воздушная смесь поступает в рабочую полость двигателя через впускное окно, которое открывает грань ротора. Отработанные газы выбрасываются через выпускное окно, которое пересекает, опять же, грань ротора (это напоминает устройство газораспределения двухтактного поршневого двигателя).
Отдельного упоминания заслуживает система смазки, которая в простейшем варианте РПД практически отсутствует. Масло добавляется в топливо - как при эксплуатации двухтактных мотоциклетных моторов. Смазка пар трения (прежде всего ротора и рабочей поверхности камеры сгорания) производится самой топливо-воздушной смесью.
Поскольку масса ротора невелика и легко уравновешивается массой противовесов эксцентрикового вала, РПД отличается небольшим уровнем вибраций и хорошей равномерностью работы. В автомобилях с РПД легче уравновесить двигатель, добившись минимального уровня вибраций, что хорошо сказывается на комфортабельности машины в целом. Особой плавностью хода отличаются двухроторные двигатели, в которых роторы сами являются снижающими уровень вибраций балансирами.
Еще одно привлекательное качество РПД - высокая удельная мощность при высоких оборотах эксцентрикового вала. Это позволяет добиться от автомобиля с РПД отличных скоростных характеристик при относительно небольшом расходе топлива. Малая инерционность ротора и повышенная по сравнению с поршневыми двигателями внутреннего сгорания удельная мощность позволяют улучшить динамику автомобиля.
Наконец, немаловажным достоинством РПД являются небольшие размеры. Роторный двигатель меньше поршневого четырехтактного мотора той же мощности примерно вдвое. И это позволяет рациональней использовать пространство моторного отсека, более точно рассчитывать расположение узлов трансмиссии и нагрузку на переднюю и заднюю ось.
Недостатки РПД
Главный недостаток роторно-поршневого двигателя - невысокая эффективность уплотнений зазора между ротором и камерой сгорания.
Имеющий сложную форму ротор РПД требует надежных уплотнений не только по граням (а их четыре у каждой поверхности - две по вершинным, две по боковым граням), но и по боковой поверхности, соприкасающейся с крышками двигателя. При этом уплотнения выполнены в виде подпружиненных полосок из высоколегированной стали с особо точной обработкой как рабочих поверхностей, так и торцов. Заложенные в конструкцию уплотнений допуски на расширение металла от нагрева ухудшают их характеристики - избежать прорыва газов у торцевых участков уплотнительных пластин практически невозможно (в поршневых двигателях используют лабиринтовый эффект, устанавливая уплотнительные кольца зазорами в разные стороны).
В последние годы надежность уплотнений резко возросла. Конструкторы нашли новые материалы для уплотнений. Однако, говорить о каком-то прорыве пока не приходится. Уплотнения до сих пор остаются самым узким местом РПД.
Сложная система уплотнений ротора требует эффективной смазки трущихся поверхностей. РПД потребляет больше масла, чем четырехтактный поршневой двигатель (от 400 граммов до 1 килограмма на 1000 километров). При этом масло сгорает вместе с топливом, что плохо сказывается на экологичности моторов. В выхлопных газах РПД опасных для здоровья людей веществ больше, чем в выхлопных газах поршневых двигателей.
Особые требования предъявляются и к качеству масел, используемых в РПД. Это связано, во-первых, со склонностью к повышенному износу (из-за большой площади соприкасающихся деталей - ротора и внутренней камеры двигателя), во-вторых, к перегреву (опять же из-за повышенного трения и из-за небольших размеров самого двигателя). Для РПД смертельно опасны нерегулярная смена масла - поскольку абразивные частицы в старом масле резко увеличивают износ двигателя, и переохлаждение мотора. Запуск холодного двигателя и недостаточный его прогрев приводят к тому, что в зоне контакта уплотнений ротора с поверхностью камеры сгорания и боковыми крышками оказывается мало смазки. Если поршневой двигатель заклинивает при перегреве, то РПД чаще всего - во время запуска холодного двигателя (или при движении в холодную погоду, когда охлаждение оказывается избыточным).
В целом рабочая температура РПД выше, чем у поршневых двигателей. Самая термонапряженная область - камера сгорания, которая имеет небольшой объем и, соответственно, повышенную температуру, что затрудняет процесс поджига топливо-воздушной смеси (РПД из-за протяженной формы камеры сгорания склонны к детонации, что тоже можно отнести к недостаткам этого типа двигателей). Отсюда требовательность РПД к качеству свечей. Обычно их устанавливают в эти двигатели попарно.
Роторно-поршневые двигатели при великолепных мощностных и скоростных характеристиках оказываются менее гибкими (или менее эластичными), чем поршневые. Они выдают оптимальную мощность только на достаточно высоких оборотах, что вынуждает конструкторов использовать РПД в паре с многоступенчатыми КП и усложняет конструкцию автоматических коробок передач.
В конечном итоге РПД оказываются не такими экономичными, какими должны быть в теории.
Практическое применение в автопромышленности
Наибольшее распространение РПД получили в конце 60-х и начале 70-х годов прошлого столетия, когда патент на двигатель Ванкеля был куплен 11 ведущими автопроизводителями мира.
В 1967 году немецкая компания NSU выпустила серийный легковой автомобиль бизнес-класса NSU Ro 80 . Эта модель выпускалась в течение 10 лет и разошлась по миру в количестве 37204 экземпляров. Автомобиль пользовался популярностью, но недостатки установленного в нем РПД, в конце концов, испортили репутацию этой замечательной машины. На фоне долговечных конкурентов модель NSU Ro 80 выглядела «бледно» - пробег до капитального ремонта двигателя при заявленных 100 тысячах километров не превышал 50 тысяч.
С РПД экспериментировали концерн Citroen , Mazda , ВАЗ . Наибольших успехов добилась Mazda, которая выпустила свой легковой автомобиль с РПД еще в 1963 году, на четыре года раньше появления NSU Ro 80.
Сегодня концерн Mazda оснащает РПД спорткары серии RX. Современные автомобили Mazda RX-8 избавлены от многих недостатков РПД Феликса Ванкеля. Они вполне экологичны и надежны, хотя среди автовладельцев и специалистов по ремонту считаются «капризными».
Практическое применение в мотопромышленности
В 70-е и 80-е годы с РПД экспериментировали некоторые производители мотоциклов - Hercules, Suzuki и другие. В настоящее время мелкосерийное производство «роторных» мотоциклов налажено только в компании Norton, выпускающей модель NRV588 и готовящей к серийному выпуску мотоцикл NRV700.
Norton NRV588 - спортбайк, оснащенный двухроторным двигателем общим объемом в 588 кубических сантиметров и развивающим мощность в 170 лошадиных сил. При сухом весе мотоцикла в 130 кг энерговооруженность спортбайка выглядит в буквальном смысле запредельной. Двигатель этой машины оснащен системами впускного тракта переменной величины и электронного впрыска топлива. О модели NRV700 известно лишь то, что мощность РПД у этого спортбайка будет достигать 210 л.с.
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:
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
