Как работает роторно-поршневой двигатель в машине?

На момент создания роторно-поршневого двигателя его концепция казалась идеальной. К тому же были очевидными недостатки других типов двигателя. Компания Мазда верила в идеальность концепции вплоть до 2012 года. Затем иллюзии развеялись, и они сняли с производства свою последнюю модель с таким типом мотора — RX-8. В этой статье мы расскажем о принципе работы роторно-поршневого двигателя, и ты поймешь, почему он так нравился именитому автопроизводителю. Также мы расскажем об истории создания, преимуществах и недостатках, об автомобилях, которые работают на моторе такого типа.

Роторный мотор можно назвать аналогом дизеля, он обозначается РПД и имеет второе название — ванкель. Изобретение долгое время приписывали Феликсу Ванкелю, на эту тему есть трогательная легенда, как изобретатель шел к поставленной цели в те времена, пока Гитлер стремился к его цели. Но если исходить из исторических фактов, а не из легенд, то все будет иначе.

История создания

Выдающийся инженер и разработчик Феликс Ванкель действительно в тот период работал над созданием нового двигателя. Он хотел сделать простую систему, работающую по принципу внутреннего сгорания. Но создал он не совсем РПД, а мотор, который работает за счет синхронного кругового движения роторов. Когда завершилась вторая мировая, Ванкеля привлекли к разработкам германского объединения NSU, они специализировались на мотоциклах. Ванкель вошел в группу, которая трудилась над роторным мотором.

Вклад Ванкеля значительный, он провел обширные исследования уплотнений клапанов, у него даже был патент на роторное вращение. Но сама концепция принадлежит руководителю этой рабочей группы — инженеру Фройде.

Первый созданный прототип представлял собой статичный элемент, ротора, и подвижные камеры. Быстро стали очевидными неудобства. В 1958 их поменяли местами, так родилась первая в мире конструкция с вращающимся ротором. Она не сильно отличается от современных потомков, разве что расположением свечей, теперь они находятся на корпусе. Совсем скоро компания заявила, что изобрела самый современный двигатель новейшего типа. Лицензии на эту установку закупили сотни компаний, примерно треть из них приходится на японских автопроизводителей.

Что сделали в Советском Союзе

Союз не стал приобретать лицензию, вместо этого было решено разработать свой уникальный мотор роторного типа. Сначала советским ученым привези авто, произведенное немецким NSU. Машину разобрали и начали изучать, работы начались в 1967. Прошло 7 лет, и при концерне ВАЗ открылось конструкторское бюро, оно проектировало и производило РПД. Так был создан ВАЗ-311, похвастаться им не получилось, машину доделывали еще 6 лет.

Модель с таким типом мотора для серийного производства — ВАЗ 21018, его представили в 1982. И это тоже привело к неудаче, у всех пробных авто отказали двигатели, последовал год доработок. Затем вышли ВАЗ 411 и 413, они использовались силовыми ведомствами страны. То, что получилось, пришлось кстати для сотрудников охраны правопорядка. Им были нужны неприметные авто, которые обладают достаточной мощностью, чтобы догнать иномарку. К тому же в ведомствах особенно не беспокоились о высоком расходе топлива и небольшом ресурсе двигателя. Рядового автомобилиста такое конечно же не устроило бы.

Что сделали на Западе и Востоке?

Там тоже шли работы, но перспектива сделать РПД не стала фурором. Работы завершились с началом топливного кризиса, в 1973 бензин очень сильно подорожал. Тогда автолюбители начали проявлять интерес к экономичным двигателям, к ним РПД конечно же не относился. Он потреблял до двадцати л на сто километров, поэтому абсолютно не пользовался спросом.

Но на востоке осталась страна, которая не разочаровалась, это Япония. С течением времени многие японские производители отказались от столь непопулярного двигателя. В итоге его сторонником осталась лишь Мазда.

Для Советского Союза топливный кризис прошел незаметно. Поэтому машины с роторным двигателем производили, это продолжилось и после распада СССР. В результате ВАЗ использовал такую концепцию до 2004 года, Мазда продержалась за нее дольше — до 2012.

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.

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.

Плюсы и минусы

Есть ряд преимуществ:

• меньшее количество деталей, как минимум на 35% меньше относительно поршневого. Меньше деталей — меньше поломок;
• если сопоставить с конкурентом такой же мощности, то РПД будет в 2 раза меньше по размеру;
• отсутствие высокой нагрузки даже на больших оборотах и если на низких передачах разогнаться сильнее сотни километров в час;
• меньше весит, поэтому машину проще уравновесить, она становится более устойчивой;
• нет проблемы вибрации даже у самых легких авто. Поршневой вибрирует гораздо сильнее, ввиду чего роторный лучше сбалансирован.

Но есть и недостатки:

• главный минус — небольшой ресурс, это издержка простой конструкции. Рабочий угол уплотнителей постоянно меняется, из-за чего они быстро изнашиваются. Износ усиливается и от того, что через каждый такт меняется температура. Вдобавок давление, оказываемое на трущиеся поверхности, от этого есть только одно средство — впрыскивание масла в коллектор;
• при износе уплотнителей образуются утечки между камерами. Разница в давлении очень большая, от этого страдает КПД. Вред для экологии усиливается;
• из-за серповидной конфигурации камер топливо сгорает не полностью. Из-за небольшой длины рабочего хода и скорости вращения ротора выталкиваются несгоревшие газы высокой температуры. Выделяются не только продукты сгорания бензина, но и масло, ввиду чего окружающая среда подвергается крайне негативному влиянию. Поршневые двигатели не настолько вредные для экологии;
• про высокий расход топлива уже было сказано, но это касается не только бензина, но и масла. Такой двигатель съедает до литра на тысячу километров. Если забыть про масло, то можно столкнуться с необходимостью дорогого ремонта или вовсе замены мотора;
• высокая себестоимость. Требуются качественные дорогие материалы и высокотехнологичное оборудование.

У роторного двигателя достаточно недостатков, но и его конкурент не совершенный. Поэтому соревнование между ними длилось достаточно долго. Сейчас гонка окончена, но никто не может сказать, навсегда или нет.

Машины на РПД

Автомобили с таким типом двигателя используются по сей день.

Mazda RX 8

В Мазде не просто слепо верили в перспективу такого двигателя, они его постоянно совершенствовали. И делали это довольно успешно, им удалось добиться, чтобы двигатель объемом всего 1,3 литра выдавал мощность на 215 лошадиных сил. С таким же объемом был еще более мощный вариант — на 231 лошадку. Но продажи таких автомобилей начали падать, поэтому в конце 2011 года производить RX-8 перестали.

Ваз 2109-90

На момент создания возможности этого авто на роторном двигателе впечатляли. Его устанавливали на полицейские экипажи, чтобы они были быстрыми и мощными. Показатель мощности — 140 лошадиных сил, разгон до сотни километров в час составлял 8 секунд, максимальная скорость — две сотни километров в час. Такие машины не стали популярными, они обходились дорого и не были достаточно надежными. Их использование было выгодным только в виду высокий скоростных характеристик, они обгоняли любой советский автомобиль и многие иномарки.

Mercedes C111

Его презентовали в 1970 году, в него установлен роторный двигатель на три секции объемом 1,8 литра. Мощность — 280 лошадиных сил. Максимальная скорость — 275 километров в час, причем до первой сотни разгоняется за пять секунд.

Ваз 21019 Аркан

Если бегло глянуть на эту машину, то можно перепутать его с ВАЗом 21011. Если судить по тому, что внутри, то это скорее ВАЗ-411. Это роторный мотор из двух секций, благодаря которому авто может развивать мощность до 120 лошадок. Разогнаться он может до 160 километров в час, это в теории, на практики удавалось разогнать и до более высоких скоростей. В советские времена это был один из самых скоростных автомобилей, ни одна другая отечественная машина не могла его обогнать. Превзойти Аркан могли бы, пожалуй, только иностранные авто из спортивного класса, в которых все рассчитано на скорость.

Подведем итоги

Моторы роторно-поршневого типа превосходно показывают себя в гонках. У них есть для этого высокая мощность, большое количество оборотов. Немаловажно, что машины на нем очень легкие относительно других, так как двигатель меньше и легче. Ресурс двигателя для гонок — не самый важный показатель, как и прожорливость. Но в обычной жизни нельзя этого не учитывать.

Вне недостатки обусловлены строением и принципом работы роторно-поршневого двигателя. Их нельзя отнести к недоработкам, скорее, это особенности. Но в теории есть способ вновь начать пользоваться РПД. Для этого нужно сделать его более экологичным, повысить ресурс и сделать его более экономичным.

Роторно-поршневой двигатель

Ро́торно-поршнево́й дви́гатель (РПД, двигатель Ва́нкеля) — роторный двигатель внутреннего сгорания, конструкция которого разработана в 1957 году инженером компании NSU Вальтером Фройде. Ему же принадлежала идея этой конструкции. Двигатель разрабатывался в соавторстве с Феликсом Ванкелем, работавшим над другой конструкцией роторно-поршневого двигателя [1] .

Особенность двигателя — применение трёхгранного ротора (поршня), имеющего вид треугольника Рёло, вращающегося внутри цилиндра специального профиля, поверхность которого выполнена по эпитрохоиде (возможны и другие формы ротора и цилиндра [2] ).

Содержание

Конструкция

Установленный на валу ротор жёстко соединён с зубчатым колесом, которое входит в зацепление с неподвижной шестернёй — статором. Диаметр ротора намного превышает диаметр статора, несмотря на это ротор с зубчатым колесом обкатывается вокруг шестерни. Каждая из вершин трёхгранного ротора совершает движение по эпитрохоидальной поверхности цилиндра и отсекают переменные объёмы камер в цилиндре с помощью трёх радиальных уплотнений.

Такая конструкция позволяет осуществить любой 4-тактный цикл Дизеля, Стирлинга или Отто без применения специального механизма газораспределения. Герметизация камер обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами. Отсутствие механизма газораспределения делает двигатель значительно проще четырехтактного поршневого, а отсутствие сопряжения (картерное пространство, коленвал и шатуны) между отдельными рабочими камерами обеспечивают необычайную компактность и высокую удельную мощность. За один оборот эксцентрикового вала двигатель выполняет один рабочий цикл, что эквивалентно работе двухцилиндрового поршневого двигателя. За один оборот ротора эксцентриковый вал выполняет 3 оборота и 9 рабочих ходов, что приводит к ошибочным сравнениям роторного двигателя с шестицилиндровым поршневым двигателем.

Смесеобразование, зажигание, смазка, охлаждение, запуск принципиально такие же, как и у обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Практическое применение получили двигатели с трёхгранными роторами, с отношением радиусов шестерни и зубчатого колеса: R:r = 2:3, которые устанавливают на автомобилях, лодках и т. п.

Автомобили с РПД потребляют от 7 до 20 литров топлива на 100 км, в зависимости от режима движения, масла — от 0,4 л до 1 л на 1000 км.

Рабочий цикл

Двигатель Ванкеля использует четырехтактный цикл:

• такт A: Топливно-воздушная смесь через впускное окно поступает в камеру двигателя
• такт B: Ротор вращается и сжимает смесь, смесь воспламеняется электрической искрой
• такт C: Продукты горения давят на поверхность ротора, передавая усилия на цилиндрический эксцентрик
• такт D: Ротор, вращающийся вытесняет отработанные газы в выпускное окно

Преимущества и недостатки

Преимущества перед поршневыми двигателями:

• низкий уровень вибраций: двигатель полностью механически уравновешен, что позволяет повысить комфортность лёгких транспортных средств типа микроавтомобилей, мотокаров и юникаров;
• высокие динамические характеристики: на низкой передаче возможно без излишней нагрузки на двигатель разогнать машину выше 100 км/ч на более высоких оборотах двигателя (8000 об/мин и более);
• высокая удельная мощность (л. с./кг) в силу того, что:

• масса движущихся частей в РПД гораздо меньше, чем в аналогичных по мощности поршневых двигателях, так как в его конструкции отсутствуют коленчатый вал и шатуны;
• однороторный двигатель выдаёт мощность в течение трёх четвертей каждого оборота выходного вала. В отличие от четырёхтактного поршневого двигателя, который выдаёт мощность только в течение одной четверти каждого оборота выходного вала (современный серийный РПД с объёмом рабочей камеры 1300 см³ имеет мощность 220 л. с., а с турбокомпрессором — 350 л. с.);

• меньшие в 1,5—2 раза габаритные размеры;
• меньшее число деталей (два-три десятка вместо нескольких сотен).

За счёт отсутствия преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное двигатель Ванкеля способен выдерживать гораздо большие обороты по сравнению с традиционными двигателями. Роторно-поршневые двигатели обладают более высокой мощностью при небольшом объёме камеры сгорания, сама же конструкция двигателя сравнительно мала и содержит меньше деталей. Небольшие размеры улучшают управляемость, облегчают оптимальное расположение трансмиссии (развесовка) и позволяют сделать автомобиль более просторным для водителя и пассажиров.

• Соединение ротора с выходным валом через эксцентриковый механизм, являясь характерной особенностью РПД, вызывает давление между трущимися поверхностями, что в сочетании с высокой температурой приводит к дополнительному износу и нагреву двигателя. В связи с этим возникает повышенное требование к периодической замене масла. При правильной эксплуатации периодически производится капитальный ремонт, включающий в себя замену уплотнителей. Ресурс при правильной эксплуатации достаточно велик, но не заменённое вовремя масло неизбежно приводит к необратимым последствиям, и двигатель выходит из строя.
• Состояние уплотнителей. Площадь пятна контакта очень невелика, а перепад давления очень высокий. Следствием износа уплотнителей являются высокие утечки между камерами и, как следствие, падение КПД и токсичность выхлопа. Проблема быстрого износа уплотнителей на высокой скорости вращения вала была решена применением высоколегированной стали.
• Склонность к перегреву. Камера сгорания имеет линзовидную форму, то есть при маленьком объёме у неё относительно большая площадь. При температуре горения рабочей смеси основные потери энергии идут через излучение, интенсивность которого пропорциональна четвёртой степени температуры; с точки зрения снижения удельной поверхности и за счёт этого потерь теплоты идеальная форма камеры сгорания — сферическая. Лучистая энергия не только бесполезно покидает камеру сгорания, но и приводит к перегреву рабочего цилиндра.
• Меньшая экономичность на низких оборотах по сравнению с поршневыми ДВС. Устраняется отключением работы каждого n-го поршня, что также влечёт снижение температурной нагрузки.
• Высокие требования к геометрической точности изготовления деталей двигателя делают его сложным в производстве — требуется применение высокотехнологичного и высокоточного оборудования: станков, способных перемещать инструмент по сложной траектории эпитрохоидальной поверхности камеры объёмного вытеснения.

Применение

Двигатель разрабатывался изначально именно для применения на автотранспорте. Первый серийный автомобиль с роторным двигателем — немецкий спорткар NSU Spider.

Первый массовый (37204 экземпляра) — немецкий седан бизнес-класса NSU Ro 80. Автомобиль имел достаточно инноваций и помимо двигателя, в частности, кузов с рекордно низким аэродинамическим сопротивлением, полуавтоматическую коробку передач с гидротрансформатором, блок-фары, и так далее. Ro 80 отличалась не только уникальной конструкцией, но и передовым дизайном, который оказался непонятен публике середины шестидесятых (см. NSU Ro 80); через десять лет именно он был положен в основу стиля моделей «Ауди» 100 и 200 поколения C2.

К сожалению, ресурс двигателя оказался весьма мал (ремонт требовался уже после пробега порядка 50 тыс. км), поэтому автомобиль заслужил плохую репутацию и стал скандально известен. На многих сохранившихся автомобилях оригинальный двигатель заменён на поршневой L4 «Essex» фирмы Ford.

Citroën также экспериментировал с РПД — проект Citroën M35.

После этого серийное и мелкосерийное производство роторно-поршневых двигателей Ванкеля производились только фирмами Mazda (Япония) и ВАЗ (СССР) [3] .

Современное состояние

Инженерам фирмы Mazda, создавшим роторно-поршневой двигатель «Renesis» (производное от слов (англ. Rotary Engine:роторный двигатель и Genesis:процесс становления , название говорящее о появлении нового класса двигателей), удалось решить основные проблемы таких двигателей — токсичность выхлопа и неэкономичность. По сравнению с двигателями-предшественниками, удалось сократить потребление масла на 50 %, бензина на 40 % и довести выброс вредных окисей до норм, соответствующих Euro IV. Двухкамерный двигатель «Renesis» объёмом всего 1,3 л выдаёт мощность в 250 л. с. и занимает немного места в моторном отсеке. Следующая модель двигателя Renesis 2 16X имеет объём 1,6 литра, и при большей мощности, нагревается меньше.

Автомобили марки Mazda с буквами RE в наименовании (первые буквы от названия «Renesis») могут использовать в качестве топлива как бензин, так и водород (так как менее чувствителен к детонации, чем обычный двигатель, использующий возвратно-поступательное движение поршня). Это явилось вторым витком роста внимания к РПД со стороны разработчиков.

Авиационные двигатели

В начале 1950-х годов была создана серия авиадвигателей ВП-760, ВП-1300, ВП-2650 — пятилучевых двухтактных звёзд мощностью от 40 до 130 л. с. и весом от 25 до 100 кг, сотрудника Пермского моторостроительного завода 19, авиационного инженера Валентина Валентиновича Полякова (поршневики; вращающийся золотниковый ГРМ и двухступенчатые поршни, совмещённые с нагнетательными, никакого отношения к Ванкелю не имеют) созданных для лёгкой авиационной техники и прошедших успешные испытания в небольшой серии в ДОСААФ. [4] Позднее, в 1990-х годах, в Научно-техническом центре ВАЗ были созданы ВАЗ-416, ВАЗ-426, ВАЗ-526.

Несмотря на ряд попыток установки двигателя Ванкеля на самолетах (опытные образцы испытывались в разных странах с 1950-х годов), он не нашел широкого применения в авиации. В настоящее время (2011) двигатель Ванкеля устанавливается на некоторые модели мотопланеров Schleicher.