Создатель – Феликс Ванкель
Роторный двигатель
Имеет хождение старая байка, что Ванкель придумал чудо-двигатель в 1919 году. В неё всегда верилось с трудом: как мог 17-летний парень, пусть и талантливый, такое сотворить? Для этого надо пройти обучение где-нибудь в университете, научиться конструировать и рисовать… Гораздо вероятнее сведения о первых эскизах двигателя от 1924 года, которые сделал Ванкель, окончив высшую школу и поступив на работу в издательство технической литературы. Перелопачивая горы макулатуры, можно либо навсегда потерять к технике интерес, либо начать конструировать самому. Видимо, у Феликса душа лежала именно к конструированию.
Он открыл в городе Гейдельберге собственную мастерскую, а в 1927 году появились на свет чертежи «машины с вращающимися поршнями» (на немецком языке сокращенно DKM). Первый патент DRP 507584 Феликс Ванкель получил в 1929 году, а в 1934 году подал заявку на двигатель DKM. Правда, патент он получил через два года. Тогда же, в 1936 году, Ванкель обосновывается в Линдау, где размещает свою лабораторию.
Феликс Ванкель
Потом перспективного конструктора заметила власть, и работы над DKM пришлось оставить. Ванкель работал на BMW, Daimler и DVL, основные авиамоторостроительные предприятия фашистской Германии. Так что не удивительно, что до наступления 1946 года Ванкелю пришлось сидеть в тюрьме, как пособнику режима. Лабораторию в Линдау вывезли французы, и Феликс попросту остался ни с чем.
Лишь в 1951 году Ванкель устраивается на работу в мотоциклетную фирму – уже широко известный тогда NSU. Восстанавливая лабораторию, он заинтересовал Вальтера Фройде, конструктора гоночных мотоциклов своими конструкциями. Вместе Ванкель и Фройде продавили проект в руководстве, и разработка двигателя резко ускорилась. 1 февраля 1957 года заработал первый роторный двигатель DKM-54. Он работал на метаноле, но к июню проработавший 100 часов на стенде двигатель перевели на бензин.
Проблемы устройства и их устранение
Феликсу Ванкелю удалось преодолеть большинство проблем, из-за которых предыдущие роторные устройства терпели неудачу:
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
Это интересно: Обзор Citroen C5 с фото
Принципы работы роторного двигателя
Цикл двигателя Ванкеля
Но тут Фройде предложил новую концепцию роторного двигателя! В двигателе Ванкеля (DKM) ротор вращался вокруг неподвижного вала вместе с камерой сгорания, чем обеспечивалось отсутствие вибраций. Вальтер решил камеру сгорания зафиксировать, а ротор пусть будет приводить в движение вал, то есть использовать принцип двойственности вращения для роторного двигателя. Такой тип роторного двигателя получил обозначение KKM.
Принцип двойственности вращения сам Ванкель запатентовал в 1954, но он всё-таки использовал принцип DKM. Надо сказать, что Ванкелю идея такой инверсии не нравилась, но он ничего не мог поделать – у двигателя его любимого типа DKM обслуживание было трудоёмким, чтобы сменить свечи, требовалась разборка мотора. Так что двигатель типа KKM имел гораздо больше перспектив. Его первый образец закрутился 7 июля 1958 года (правда, на нем ещё в роторе стояли свечи, как на DKM). Впоследствии свечи перенесли на корпус двигателя, и он обрёл свой облик, принципиально не менявшийся до наших дней. Теперь по этой схеме устроены все роторные двигатели. Иногда их называют «ванкелями», в честь разработчика.
В таком двигателе роль поршня играет сам ротор. Цилиндром служит статор, имеющий форму эпитрохоиды, и когда уплотнения ротора двигаются по поверхности статора, образуются камеры, в которых происходит процесс сгорания топлива. За один оборот ротора такой процесс происходит трижды, а благодаря сочетанию форм ротора и статора число тактов такое же, как у обычного ДВС: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Анимацию работы роторного двигателя можно посмотреть здесь.
У роторного двигателя нет системы газораспределения – за газораспределительный механизм работает ротор. Он сам открывает и закрывает окна в нужный момент. Еще ему не нужны балансирные валы, двухсекционный двигатель по уровню вибраций можно сравнить с многоцилиндровыми ДВС. Так что идея роторного двигателя в конце пятидесятых казалась ступенькой для автомобилестроения в светлое будущее.
Смесеобразование
В теории в РПД применяют несколько разновидностей смесеобразования: внешнее и внутреннее, на основе жидких, твердых, газообразных видов топлива. Касательно твердых видов топлива стоит отметить, что их первоначально газифицируют в газогенераторах, так как они приводят к повышенному золообразованию в цилиндрах. Поэтому большее распространение на практике получили газообразные и жидкие топлива. Сам механизм образования смеси в двигателях Ванкеля будет зависеть от вида применяемого топлива. При использовании газообразного топлива его смешение с воздухом происходит в специальном отсеке на входе в двигатель. Горючая смесь в цилиндры поступает в готовом виде.
Из жидкого топлива смесь приготавливается следующим образом:
- Воздух смешивается с жидким топливом перед поступлением в цилиндры, куда поступает горючая смесь.
- В цилиндры двигателя жидкое топливо и воздух поступают по отдельности, и уже внутри цилиндра происходит их смешивание. Рабочая смесь получается при соприкосновении их с остаточными газами.
Соответственно, топливно-воздушная смесь может готовиться вне цилиндров или внутри их. От этого идет разделение двигателей с внутренним или внешним образованием смеси.
В серию!
NSU Spider
Послевоенная Германия начинала потихоньку богатеть, и автомобили расходились всё лучше и лучше. Фирма NSU работала на этом фронте, и ключевым моментом её модельной гаммы должны были быть двигатели Ванкеля. Уже с 1958 года шли работы по созданию автомобиля с роторным двигателем, и в 1960 году он был показан публике на конференции немецких конструкторов в Мюнхене. Машина под названием NSU Spider оснащалась двигателем Ванкеля, развивавшим 54 л.с. Многие усмехнутся, но для маленького спайдера это было в самый раз – он разгонялся до 150 км/ч. Spider производился с 1964 по 1967 год.
NSU Ro-80
Главным автомобилем, принёсшим известность Ванкелю, стал NSU Ro-80, представленный в 1967 году. Уже в его названии зашифрованы претензии на лидерство: «Ro» – это значит «роторный», а 80… Что-то вроде «автомобиль 80х годов». Машина установила новые правила экстерьера седанов: чистые линии, большая степень остекления, багажник выше капота… Влияние дизайна Ro-80 чувствуется в Audi 100. Благодаря малым размерам роторного двигателя переднюю часть машины удалось понизить и сузить, поэтому коэффициент аэродинамического сопротивления по сравнению с одноклассниками снизился на 25%. Оснащался седан двухсекционным двигателем Ванкеля рабочим объёмом 2 x 497,5 см3.
Двигатель развивал мощность 115 л.с., разгоняя новинку до 180 км/ч, а 100 км/ч с места достигались через 12,8 секунды. Успех был колоссальный. Ro80 тут же получил титул «Автомобиль 1967 года», роторный двигатель стал популярной темой на автовыставках. Множество автопроизводителей закупило лицензии на производство двигателей Ванкеля, но…
До серийного производства дело обычно не доходило. Тема оказалась не настолько проста, как казалась. И виной всему…
Дизайн
Одно из главных преимуществ данного агрегата — его компактность и меньший вес относительно классических двигателей равного объема. Компоновка позволяет существенно снизить центр тяжести, а это благоприятно влияет на устойчивость и остроту управления. Данным преимуществом пользовались и пользуются небольшие самолеты, спортивные автомобили и мототехника.
Врождённые недостатки
У перспективнейшей схемы есть серьёзные недостатки, справиться с которыми обойдётся дорого и трудно.
Камера сгорания у роторного двигателя вытянутой формы, словно серпик молодой луны. Естественно, тепловые потери на большей, чем в обычном цилиндре, площади приводят к высокой теплонагруженности двигателя и меньшему КПД. В такой камере сгорания и эффективного перемешивания рабочей смеси не происходит, а тогда – плохая экономичность и экологичность.
С точки зрения технолога, роторный двигатель далеко не подарок. В отличие от обычных поршневых двигателей, у которых процесс сгорания топлива происходит попеременно в разных цилиндрах, а в промежутках камера сгорания охлаждается на такте впуска рабочей смесью, роторный двигатель имеет только одну камеру сгорания, работающую постоянно. Поэтому ротор должен быть стойким к температурным изменениям, когда нагревшуюся поверхность начинает охлаждать рабочая смесь через такт.
Еще одна проблема – уплотнения. В поршневом ДВС кольца работают под одним и тем же рабочим углом. В роторном двигателе, когда ротор скользит углами по поверхности статора, уплотнениям приходится работать под разными углами. Естественно, трение приходится уменьшать, впрыскивая масло прямо в коллектор. Экологичность ещё больше страдает…
Ну и для заметки: роторный двигатель просто не может работать на солярке. Он не вынесет таких нагрузок, какие свойственны дизелю.
РПД на Западе
На Западе роторный двигатель не произвел бума, а конец его разработкам в США и Европе положил топливный кризис 1973 года, когда цены на бензин резко взлетели, и покупатели машин стали прицениваться к моделям с экономным расходованием топлива.
Если учесть, что роторный двигатель съедал до 20 литров бензина на сотню км, продажи его во время кризиса упали до предела.
Единственной страной на Востоке, не утратившей веру, стала Япония. Но и там производители довольно быстро охладели к двигателю, который никак не желал совершенствоваться. И в конце концов там остался один стойкий оловянный солдатик — компания Mazda. В СССР топливный кризис не ощущался. Производство машин с РПД продолжалось и после распада Союза. ВАЗ прекратил заниматься РПД только в 2004 году. Mazda смирилась только в 2012.
Машины с двигателем Ванкеля
NSU Ro-80
С самого начала работ над роторным двигателем фирма NSU не делала из этого тайны. Любая автофирма могла купить лицензию на производство нового мотора, и покупатели сразу нашлись. Daimler Benz, GM, Mazda, Citroen, Toyota… Многие из них хотели получить дешёвый и мощный двигатель, но, сталкиваясь с проблемами надёжности и эксплуатации, прекращали разработку. Да и сама NSU погорела именно на эксплуатации. Неопытные покупатели просто-напросто палили двигатели, перекручивая их сверх всяких норм. Надёжность двигателя в таких условиях была слишком низкой. А тут еще топливные кризисы! Расход топлива для Ro-80 составлял от 15 до 17,5 литров на 100 км…
Финансовые проблемы загнали NSU в яму, откуда ей не суждено было выбраться: в 1969 году её со всеми потрохами поглотил Volkswagen. Этим закончилось серийное производство роторных автомобилей в Германии.
Но опытные машины были. Mercedes Benz работал над суперкаром с роторным двигателем. Опытный образец появился в 1969 году и оснащался трёхсекционным роторным двигателем с объёмом каждой секции в 600 см3 и мощностью в 280 лошадиных сил. Лёгкий автомобиль с пластмассовым кузовом разгонялся до 257,5 км/ч, а до «сотни» за пять секунд.
Mercedes C111
Через год на Женевском Моторшоу публике представили С111 второго поколения. Автомобиль имел сверхобтекаемый по тем временам кузов, его Сх был в пределах 0,325. Двигатель получил ещё одну секцию и теперь развивал 350 л.с. Водитель такого автомобиля мог ездить на скорости 300 км/ч, а благодаря переработанному и укреплённому каркасу кузова он получал удовольствие от поведения машины в поворотах. Разгонялся второй образец до 100 км/ч ещё быстрее – за 4,8 секунды оранжевый клиновидный автомобиль достигал магической отметки и продолжал набирать скорость.
Поклонники «Gulfwing» уже выстраивались в очередь за новым «Крылом», но Mercedes не собирался тогда производить римейки своей легенды. Эти машины были нужны для обкатки нового мотора, но даже MB так и не смог справиться с основной проблемой роторного двигателя – его прожорливость была колоссальной. Так нефтяные кризисы погубили германское направление разработки «ванкелей».
Chevrolet Corvette
За океаном также присматривались к двигателю Ванкеля. Chevrolet получил лицензию на производство роторных двигателей и в 1970 году принялся за разработку Корветов с двух- и четырёхсекционными двигателями. Фиберглассовая модель с двигателем в базе получила одобрение президента GM Эда Коула в июне 1971 года. Спустя год, в июне 1972 года, Corvette со стальным кузовом и с двухсекционным роторным двигателем был представлен правлению GM, и получил обозначение XP-987GT.
К январю 1973 года был собран и Корвет с двигателем с четырьмя секциями, в апреле он продувался в аэродинамической трубе в Калифорнии. Corvette с двухсекционным ротором мощностью 266 л.с. выставлен на обозрение публики 13 сентября 1973 года во Франкфурте, а его собрат с четырёхсекционным сердцем и мощностью 390 л.с. показался на Парижском салоне 4 октября того же года. Но 24 сентября 1974 года Эд Коул отложил разработку Corvette с двигателем Ванкеля из-за трудностей с выпуском.
Немецкую идею восприняли и в соседней Франции. Сотрудничать с NSU французы начали в 1964 году, образовав с немецким партнером компанию Comotor. В 1973 году Citroen завершил разработку роторного двигателя и в 1974 в производство пошел Citroen GS Birotor.
Citroen GS Birotor
Автомобиль оснащался двухсекционным роторным двигателем объёмом 2 х 498 см3, развивающим 107 лошадиных сил при 5500 об/мин. Рабочую смесь ванкелю поставляли два карбюратора Solex. Машины также оснащены полуавтоматом и гидравлической подвеской. Когда запущен двигатель, Birotor поднимается над землей (традиция Citroen) и выглядит при этом почти как полноприводник. Салон отделывался тканью и винилом, как дополнительное оснащение устанавливались радио, тонированные стёкла и люк в крыше.
С марта по август 1974 года завод покинули 750 Ситроенов с роторным двигателем. До конца 1974 года сделали еще 93 машины, а в 1975 только 31 GS Birotor съехал с конвейера. Всего, как не трудно подсчитать, было сделано 874 Citroen GS Birotor. В 1977 году завод отозвал роторные машины, чтобы их ликвидировать. Однако порядка 200 машин могли уцелеть, но большинство нигде не зарегистрированы. Вероятность обнаружить живой Birotor больше всего во Франции, а вообще они продавались в Швеции, Великобритании, Германии, Дании и Нидерландах.
Но самого верного и последовательного поклонника идея Ванкеля приобрела в далёкой Японии, где фирме Mazda позарез требовалась свежая идея, чтобы выделяться среди остальных. Тогда правительству самураев пришла в голову идея объединить весь автопром. Но от неё отказались, и правильно сделали!
Mazda Cosmo Sport
Первым автомобилем Mazda с роторным двигателем стало купе Mazda Cosmo Sport, первый образец которой был показан на Токийском автосалоне в 1964 году. В 1965 была произведена первая партия из 60 Космосов, но серийное производство началось только в 1967 году.
Космос серии 1 оснащался двухсекционным двигателем Ванкеля 10A 0810 объёмом 2 x 491 см3 с двумя карбюраторами Hitachi. Такая силовая установка развивала мощность в 110 л.с. и разгоняла немаленький автомобиль до 185 километров в час. Управлять машиной помогала 4-скоростная ручная коробка передач и передняя независимая подвеска. Производилась первая серия с мая 1967 года по июль 1968, сделано 343 машины.
С июля 1968 года производилась вторая серия Cosmo Sport. Машина получила двигатель 10A 0813 мощностью 128 лошадиных сил, пятискоростную коробку передач, более мощные тормоза и 15-дюймовые тормоза (на предыдущей серии стояли 14-дюймовые). Теперь Космос мог достичь скорости 120 миль в час (или 193 км/ч), а четырёхсотметровую дистанцию проехать при старте с места за 15,8 секунды. Внешне обновлённую модель можно было отличить по увеличившейся «пасти» и по чуть увеличенной базе. До июля 1972 года сделали 1176 машин, что относительно неплохо при ручной сборке и норме выпуска одна машина в день.
Тогда же, с 1968 по 1973 год производилась роторная модификация модели Familia. Двухдверное купе использовало шасси обычной Фамилии, но под капотом у нее жил двигатель Ванкеля мощностью 100 л.с. от Космоса. Меньшая по сравнению с Cosmo мощность двигателя 10А 0820 объясняется малыми размерами карбюратора. Для недорогой машины использовались недорогие материалы – в частности, алюминий заменялся чугуном. Но вес двигателя увеличился ненамного, на 20 кг, и достиг всего 122 кг. Familia R100 участвовала в гонках 24 часа Спа и Ле-Мана, где она проигрывала только 911-ым и BMW.
Mazda Luce R130
Третьей моделью стало заднеприводное купе Luce люкс-класса. Переднемоторная машина с дизайном от Джуджаро оснащалось двигателем модели 13А объёмом 2 x 655 см3, развивавшим 126 лошадиных сил. Четверть мили при разгоне с места Luce R130 мог проехать за 16,9 секунд. Эта машина не поставлялась на американский рынок. Производилась модель с 1969 по 1972 год.
В 70-х годах прошлого века двигатель Ванкеля ставился японцами практически на любую свою новую модель, от Capella до пикапа и микроавтобуса. Именно в это десятилетие родился бренд «RX», значащий для Мазды то же самое, что и «GTI» для Фольксвагена. Роторный двигатель обходил конкурентов по всем статьям, но неожиданные финансовые потери заставили руководство фирмы. В 1970 появилась смена Familia R100. Новая модель Mazda RX2 основывалась на шасси модели Capella с обычным поршневым двигателем. RX2 предлагалась покупателям с кузовами «седан» и «купе», представлявшими собой лишь модификации таких же версий модели Капелла, и отличаясь от них внешне лишь шильдиками. Основные изменения скрывались под капотом.
RX2 оснащалась двигателем модификации 12А, имеющим две секции общим объёмом 1146 кубических сантиметров. «Ванкель» развивал мощность 130 л.с., что для весящей 1050 кг машины означало хорошую динамику даже по сегодняшним меркам. Такая «горячесть» модели обеспечивало ей любовь поклонников. В 1974 году Mazda RX2 получила чуть улучшенный двигатель, то позволило ей продержаться в производстве до 1978 года.
С октября 1972 года Mazda производила большой автомобиль Luce Rotary, пришедший на замену Luce R130. Три кузова – купе, седан и универсал, ручная 4-ступенчатая коробка передач и 3-ступенчатый автомат производили впечатление. Автомобиль продавался с двигателем 12А, выдававшим 130 л.с., но на экспорт в Америку с 1974 года он поставлялся оснащённым мотором серии 13В и под новым названием RX-4. Этот роторный двигатель поглощал меньше топлива и соответствовал американским нормам по чистоте выхлопа.
13В выдавал мощность 110 л.с., что обеспечивало купе или седану снаряжённой массой около 1190 кг неплохую динамику. Универсал участвовал в тестах журнала Road&Truck в 1974 году и показал вполне сносные результаты, несмотря на массу, возросшую до 1330 кг. Разгоняясь до 60 миль в час за 11,7 секунд, он 400 метров преодолел за 18 секунд, показав в конце мерного отрезка 124,5 км/ч. Журнал отметил и возросшую экономичность модели, внеся её в десятку «Лучших Покупок в диапазоне цен 3500-6000$». Сама машина стоила 4250 долларов, но за опции в виде кондиционера (395$) или «автомата» (270$) приходилось доплачивать. Производилась модель ровно пять лет, претерпев в 1976 году обновление кузова.
Mazda Rotary Pickup
С 1974 года на американском и канадском авторынках стал продаваться первый и пока единственный роторный пикап. Mazda продавала его исключительно на заокеанском рынке, на внутреннем он не был представлен. От пикапов серии B и родственных им Ford Courier роторная модель отличалась внешним видом – увеличившимися бамперами, другими линиями, хромированной передней решёткой радиатора и круглыми задними фонарями.
Под капотом Rotary Pickup располагался знакомый уже мотор 13B, который придавал пикапу изрядную толику спортивности. Было изготовлено 15 000 машин, большинство из которых продано в 1974 году, перед энергетическим кризисом. Из-за кризиса продажи резко упали, автомобилей 1976 модельного года было сделано всего около 700. Mazda изменила дизайн для машин 1977 модельного года, обновила электронику, заменила коробку передач на 5-скоростную, даже удлинила кабину на 10 см для пущего комфорта, но всё было напрасно. В 1977 году модель была снята с производства.
Mazda Parkway Rotary 26
C июля 1974 производилась еще одна редчайшая модель Parkway Rotary 26 – единственный в мире автобус с роторным двигателем. Оснащён он был мотором модели 13B рабочим объёмом 2 x 654 см3, развивавшим уже 135 л.с. и обладавшим низким уровнем содержания вредных веществ в выхлопных газах. Управлялся этот силовой агрегат с помощью четырёхступенчатой ручной коробки передач. Немаленький автобус (габариты 6195 x 1980 x 2295 мм, снаряжённая масса 2835 кг) легко разгонялся до крейсерской скорости 120 км/ч.
Прозвище «двадцать шесть» Парквэй получил за вместимость – в стандартной комплектации DX он имел на борту 26 пассажирских мест, что было отражено и в его названии. Имелась и роскошная версия Super DX, вмещавшая только тринадцать человек. Модель отличалась низким уровнем вибраций и тишиной в салоне, что было обеспечено гладкостью работы роторного двигателя. По заказу Parkway можно было оснастить системой вентиляции. Производство завершено в 1976 году.
В 1975 году австралийское отделение Holden концерна Ford поставило своим японским коллегам машину представительского класса Premier для выпуска под брэндом Mazda. Производство машин было успешно освоено, но Holden не дал японцам двигателей, подходящих для машины весом 1575 кг, и они приспособили под капот большого седана Mazda RoadPacer роторный двигатель модели 13B. Поскольку он был мощнее, чем те моторы, что имелись у Холдена, то максимальная скорость достигла 166 км/ч, но вот крутящего момента ему явно не хватало. Разгон был очень слабым, а расход топлива и так не отличающегося плохим аппетитом мотора зашкалил за 26 литров бензина на 100 км. Первоначально планировавшийся как представительский, автомобиль попал в продажу во время топливного кризиса и успеха на рынке закономерно не получил. Сняли неудачливого RoadPacer’а с производства через три года.
Mazda RX-7
Последнее, третье поколение RX-7 было полнокровным японским спортивным автомобилем. Под капот ставился роторный двигатель модели 13B-REW, оснащавшийся двумя турбинами, стоящими друг за другом. Система работы двух турбин была разработана вместе с фирмой Хитачи и обкатана на модели Cosmo, продававшейся на внутреннем рынке. Первая турбина была маленькой и работать начинала на малых оборотах двигателя (примерно с 1800 об/мин), чтобы на них не возникала «турбояма». Вторая турбина была побольше и включалась в работу с 4000 об/мин. Их совместная работа была отлажена настолько, что крутящего момента «хватало» всегда.
Платформа FD была оценена как разработка мирового класса. Длительная работа над улучшением ходовых качеств, отточенное шасси, низкий центр тяжести и равномерное распределение веса по осям привели к появлению очень серьёзного «драйверского» автомобиля.
Особенности
Ключевой элемент конструкции — треугольник Рёло, это ротор треугольной конфигурации с выпуклостью на гранях. Он вращается вокруг оси, представленной статором. Верхняя часть рисует эпитрохоиду, кривую определенной формы. По данной кривой создается оболочка для ротора.
Главный конкурент роторного мотора — это поршневой. И у того, и у другого рабочий цикл делится на четыре такта. У РПД между капсулой и гранями треугольника образуются капсулы переменной серповидной формы. Эта особенность породила некоторые недостатки. Чтобы изолировать камеры, используют разные типы уплотнителя.
Основная разница с поршневым — трехкратное происхождение хода за каждый оборот, и вращение выходного вала в три раза быстрее ротора.
Система газораспределения сделала конструкцию проще. Также стоит выделить высокую для таких небольших габаритов мощность. Отказ от коленвала сделал конструкцию легкой, также отсутствуют межкамерные сопряжения, они бы тоже добавили веса.
Русская страница этой истории
ВАЗ 21018
Первое упоминание о роторном двигателе в Советском Союзе относится к 60-м годам: некий умелец собрал и установил на свой мотоцикл в качестве эксперимента двигатель Ванкеля. Промышленное производство началось в 1974 году на ВАЗе с создания Специального конструкторского бюро роторно-поршневых двигателей (СКБ РПД). Поскольку лицензию купить не было возможности, был разобран и скопирован серийный «ванкель» от NSU Ro80. На этой основе разработали и собрали двигатель Ваз-311, а произошло это знаменательное событие в 1976 году. Доработка конструкции тянулась почти шесть лет. И на выставке НТТМ-82 ВАЗ наконец-то представил свой первый серийный автомобиль с роторным двигателем под капотом – Ваз-21018. Машина практически по конструкции не отличалась от своих обычных «поршневых» собратьев, но под капотом стоял односекционный роторный двигатель мощностью 70 л.с. Длительность разработки не помешала случиться конфузу: на всех 50 машинах опытной серии при эксплуатации возникли поломки мотора, заставившие завод установить на его место обычный поршневой.
Установив, что причиной неполадок являлись вибрации механизмов и ненадёжность уплотнений, конструкторы начали спасать тонущий проект. Уже в 83-ем появились двухсекционные Ваз-411 и Ваз-413 (мощностью, соответственно, 120 и 140 л.с.). Несмотря на низкую экономичность и малый ресурс, сфера применения роторного двигателя всё-таки нашлась – ГАИ, КГБ и МВД требовались мощные и незаметные машины. Оснащённые роторными двигателями «Жигули» и «Волги» легко догоняли иномарки.
ВАЗ 21079
А затем СКБ был увлечён новой темой – роторные двигатели стали пробовать применить в малой авиации. Безрезультатное отвлечение от темы привело к тому, что для переднеприводных машин роторный двигатель Ваз-414 создаётся лишь к 1992 году, да ещё три года доводится. В 1995 году Ваз-415 был представлен к сертификации. В отличие от предшественников он универсален, и может устанавливаться под капотом как заднеприводных («классика» и ГАЗ), так и переднеприводных машин (ВАЗ, Москвич). Двухсекционный «ванкель» имеет рабочий объём 1308 см3 и развивает мощность 135 л.с. при 6000об/мин. «Девяносто девятую» он ускоряет до сотни за 9 секунд.
К сожалению, одно из самых перспективных направлений в нашем автомобилестроении было свёрнуто.
Составные элементы и принцип работы
Устройство двигателя типа РПД предельно проста и компактна. На ось агрегата устанавливается ротор, который крепко соединяется с шестерней. Последняя сцепляется со статором. Ротор, имеющий три грани, двигается по эпитрохоидальной цилиндрической плоскости. В результате чего сменяющиеся объемы рабочих камер цилиндра отсекаются с помощью трех клапанов. Уплотнительные пластины (торцевого и радиального типа) прижимаются к цилиндру под действием газа и за счет действия центростремительных сил и ленточных пружин. Получаются 3 изолированные камеры разные по объемным размерам. Здесь осуществляются процессы сжимания поступившей смеси горючего и воздуха, расширения газов, оказывающих давление на рабочую поверхность ротора и очищающих камеру сгорания от газов. На эксцентриковую ось передается круговое движение ротора. Сама ось находится на подшипниках и передает момент вращения на механизмы трансмиссии. В этих моторах осуществляется одновременная работа двух механических пар. Одна, которая состоит из шестерен, регулирует движение самого ротора. Другая — преобразует вращающиеся движение поршня во вращающиеся движения эксцентриковой оси.
Детали Роторно-поршневого двигателя
Принцип работы двигателя Ванкеля
На примере двигателей, установленных на автомобилях ВАЗ, можно назвать следующие технические характеристики: — 1,308 см3 – рабочий объем камеры РПД; — 103 кВт/6000 мин-1 – номинальная мощность; — 130 кг масса двигателя; — 125000 км – ресурс двигателя до первого полного его ремонта.
Дальнейшие перспективы роторных двигателей
Сейчас серийно выпускается только Mazda RX-8. У неё потрясающие управляемость и динамика: максимальная скорость 235 км/ч и разгон до сотни за 6,4 секунды. Двигатель нового поколения Renesis выдаёт 250 л.с. при 9000 об/мин без турбонаддува с двух секций общим объёмом 1598 см3, и расходует на удивление мало бензина.
Но для новой RX-8 свойственны некоторые отличия от легендарных машин прошлого. Экологические требования привели к отказу от применения турбонаддува, который придавал прежним моторам невероятную мощь. Кроме того, японские тюнингеры разгоняли их до 1000 л.с., повышая давление наддува, а с новым мотором этого не выйдет. Он форсирован по-другому, методом повышения максимальных оборотов. Видимо, это плата за существование двигателя Ванкеля в новом, странном и непонятном, но экологичном мире.
Мощность и рабочий такт
При работе мотора Ванкеля используется стандартный 4–тактный цикл, газораспределение осуществляется кромками ротора. Поступающий поток имеет сниженную турбулентность, что приводит к неравномерному сгоранию смеси и выбросу части топлива с потоком отработавших газов. За один рабочий цикл ротора соединенный с ним эксцентриковый вал выполнит 3 оборота.
При вращении происходит изменение объема камер, что позволяет отказаться от установки клапанного механизма с принудительным приводом.
История не закончена…
В настоящее время разработку роторных двигателей официально ведёт только Mazda, накопившая в этой области гигантский опыт. Именно ей принадлежит идея заставить роторный двигатель работать на водородном топливе, таким образом, исключая выбросы вообще. Правда, роторный двигатель Renesis на водороде работает с неохотой, выдавая всего 109 лошадей. Но для упорных японцев это не проблема. Пока RX-8 Hydrogene возит на борту два бака – один для бензина, другой для водорода. На трассе Мазда ездит на бензине, а в городе на водороде – переключение между видами топлива происходит с водительского места простым нажатием кнопки.
Так что история роторного двигателя на этом не заканчивается. Возможно, в будущем к двигателю, работающему на чистом водороде, японцы приспособят турбонаддув…
КПД роторно-поршневой конструкции
Не смотря на ряд недоработок, проведенные исследования показали, что общий КПД двигателя Ванкеля довольно-таки высокий по современным меркам. Его значение составляет 40 – 45%. Для сравнения, у поршневых двигателей внутреннего сгорания КПД составляет 25%, у современных турбодизелей – около 40%. Самый высокий КПД у поршневых дизельных двигателей составляет 50%. До настоящего времени ученые продолжают работу по изысканию резервов для повышения КПД двигателей.
Итоговый КПД работы мотора состоит из трех основных частей:
- Топливная эффективность (показатель, характеризующий рациональное использование горючего в моторе).
Исследования в этой области показывают, что только 75% горючего сгорает в полном объеме. Есть мнение, что данная проблема решается путем разделения процессов сгорания и расширения газов. Необходимо предусмотреть обустройство специальных камер при оптимальных условиях. Горение должно происходить в замкнутом объеме, при условии нарастания температурных показателей и давления, расширительный процесс должен происходить при невысоких показателях температур.
- КПД механический (характеризует работу, результатом которой стало образование переданного потребителю крутящего момента главной оси).
Порядка 10% работы мотора расходуется на приведение в движение вспомогательных узлов и механизмов. Исправить данную недоработку можно путем внесения изменений в устройство двигателя: когда главный движущийся рабочий элемент не прикасается к неподвижному корпусу. Постоянное плечо крутящего момента должно присутствовать на всем пути следования основного рабочего элемента.
- Термическая эффективность (показатель, отражающий количество тепловой энергии, образованной от сжигания горючего, преобразующейся в полезную работу).
На практике 65% полученной тепловой энергии улетучивается с отработанными газами во внешнюю среду. Ряд исследований показал, что можно добиться повышения показателей термической эффективности в том случае, когда конструкция мотора позволяла бы осуществлять сгорание горючего в теплоизолированной камере, чтобы с самого начала достигались максимальные показатели температуры, а в конце эта температура понижалась до минимальных значений путем включения паровой фазы.
