Роторный двигатель: орел и решка

В 1957 году немецкие инженеры Феликс Ванкель и Вальтер Фройде продемонстрировали первый работоспособный роторный двигатель. Уже через семь лет его усовершенствованная версия заняла место под капотом немецкого спорткара «NSU-Спайдер» — первого серийного автомобиля с таким мотором. На новинку купились многие автомобильные компании — «Мерседес-Бенц», «Ситроен», «Дженерал моторс». Даже ВАЗ многие годы мелкими партиями выпускал машины с двигателями Ванкеля. Но единственной компанией, которая решилась на крупносерийное производство роторных двигателей и не отказывалась от них долгое время, несмотря ни на какие кризисы, стала «Мазда». Ее первая модель с роторным мотором — «Космо Спортс (110S)» — появилась еще в 1967 году.

ЧУЖОЙ СРЕДИ СВОИХ

В чем сходство и отличие роторного двигателя от привычного поршневого собрата? Попробуем разобраться на примере одной из его последних версий 13B-MSP, которую ставили на «Мазду RX‑8».

В поршневом моторе энергия сгорания топливовоздушной смеси сначала преобразуется в возвратно-поступательное движение поршневой группы, а уже затем во вращение коленчатого вала. В роторном же двигателе это происходит без промежуточной ступени, а значит, с меньшими потерями.

rotor1

Есть две версии бензинового 1,3‑литрового атмосферника 13B-MSP с двумя роторами (секциями) — стандартной мощности (192 л.с.) и форсированная (231 л.с.). Конструктивно это бутерброд из пяти корпусов, которые образуют две герметичные камеры. В них под действием энергии сгорания газов вращаются роторы, закрепленные на эксцентриковом валу (подобие коленчатого). Движение это весьма хитрое. Каждый ротор не просто вращается, а обкатывается своей внутренней шестерней вокруг стационарной шестерни, закрепленной по центру одной из боковых стенок камеры. Эксцентриковый вал проходит сквозь весь бутерброд корпусов и стационарные шестерни. Ротор движется таким образом, что на каждый его оборот приходится три оборота эксцентрикового вала.

В роторном моторе осуществляются те же циклы, что и в четырехтактном поршневом агрегате: впуск, сжатие, рабочий такт и выпуск. При этом в нем нет сложного механизма газораспределения — привода ГРМ, распредвалов и клапанов. Все его функции выполняют впускные и выпускные окна в боковых стенках (корпусах) — и сам ротор, который, вращаясь, открывает и закрывает «окна».

Принцип работы роторного двигателя показан на схеме. Для простоты приведен пример мотора с одной секцией — вторая функционирует так же. Каждая боковая сторона ротора образует со стенками корпусов свою рабочую полость. В положении 1 объем полости минимален, и это соответствует началу такта впуска. По мере вращения ротор открывает впускные окна и в камеру всасывается топливовоздушная смесь (позиции 2–4). В положении 5 рабочая полость имеет максимальный объем. Далее ротор закрывает впускные окна и начинается такт сжатия (позиции 6–9). В положении 10, когда объем полости вновь минимален, происходит воспламенение смеси с помощью свечей и начинается рабочий такт. Энергия сгорания газов вращает ротор. Расширение газов идет до положения 13, а максимальный объем рабочей полости соответствует позиции 15. Далее, до положения 18, ротор открывает выпускные окна и выталкивает отработавшие газы. Затем цикл начинается снова.

rotor2

Остальные рабочие полости работают так же. А поскольку полостей три, то за один оборот ротора происходит аж три рабочих такта! А учитывая, что эксцентриковый (коленчатый) вал вращается в три раза быстрее ротора, на выходе получаем по одному рабочему такту (полезная работа) на один оборот вала для односекционного мотора. У четырехтактного поршневого двигателя с одним цилиндром это соотношение в два раза ниже.

По соотношению числа рабочих тактов на оборот выходного вала двухсекционный 13B-MSP похож на привычный четырехцилиндровый поршневой мотор. Но при этом с рабочего объема 1,3 л он выдает примерно столько же мощности и крутящего момента, сколько поршневой с 2,6 л! Секрет в том, что движущихся масс у роторного мотора в несколько раз меньше — вращаются только роторы и эксцентриковый вал, да и то в одну сторону. У поршневого же часть полезной работы уходит на привод сложного механизма ГРМ и вертикальное движение поршней, которое постоянно меняет свое направление. Еще одна особенность роторного мотора — более высокая стойкость к детонации. Именно поэтому он перспективнее для работы на водороде. В роторном двигателе разрушительная энергия аномального сгорания рабочей смеси действует только в направлении вращения ротора — это следствие его конструкции. А у поршневого мотора она направлена в противоход движению поршня, что и вызывает плачевные последствия.

Двигатель Ванкеля: НЕ ВСЁ ТАК ПРОСТО

Хотя у роторного мотора и меньше элементов, чем у поршневого, в нем применены более хитрые конструктивные решения и технологии. Но между ними можно провести параллели.

rotor3

Боковые корпусы — из специального чугуна. В каждом есть впускные и выпускные окна. А на крайних (переднем и заднем) закреплены стационарные шестерни. У моторов предыдущих поколений эти окна были в статоре. То есть в новой конструкции увеличили их размер и количество. За счет этого улучшились характеристики впуска и выпуска рабочей смеси, а на выходе — КПД двигателя, его мощность и топливная экономичность. Боковые корпусы в паре с роторами по функционалу можно сравнить с механизмом ГРМ поршневого мотора.

Ротор — по сути, тот же самый поршень и одновременно шатун. Изготовлен из специального чугуна, пустотелый, максимально облегчен. На каждой его стороне есть кюветообразная камера сгорания и, конечно же, уплотнители. Во внутреннюю часть вставлен роторный подшипник — своего рода шатунный вкладыш коленчатого вала.

Если привычный поршень обходится всего тремя кольцами (два компрессионных и одно маслосъемное), то у ротора подобных элементов в несколько раз больше. Так, апексы (уплотнения вершин ротора) играют роль первых компрессионных колец. Они изготовлены из чугуна с электронно-лучевой обработкой — для повышения износостойкости при контакте со стенкой статора.

Апексы состоят из двух элементов — основного уплотнителя и уголка. К стенке статора их прижимает пружина и центробежная сила. Роль вторых компрессионных колец играют боковые и угловые уплотнения. Они обеспечивают газоплотность контакта ротора и боковых корпусов. Как и апексы, к стенкам корпусов они прижимаются своими пружинами. Боковые уплотнители металлокерамические (на них приходится основная нагрузка), а угловые сделаны из специального чугуна. А еще есть изолирующие уплотнения. Они препятствуют перетеканию части отработавших газов во впускные окна через зазор между ротором и боковым корпусом. На обеих сторонах ротора есть и подобие маслосъемных колец — масляные уплотнения. Они задерживают масло, подаваемое в его внутреннюю полость для охлаждения.

Система смазки тоже изощренная. Она имеет минимум один радиатор для охлаждения масла при работе мотора на больших нагрузках и несколько видов масляных форсунок. Одни встроены в эксцентриковый вал и охлаждают роторы (по сути, похожи на форсунки охлаждения поршней). Другие встроены в статоры — по паре на каждый. Форсунки расположены под углом и направлены на стенки боковых корпусов — для лучшей смазки корпусов и боковых уплотнений ротора. Масло попадает в рабочую полость и смешивается с топливовоздушной смесью, обеспечивая смазку остальных элементов, и сгорает вместе с ней. Поэтому важно использовать только минеральные масла или одобренную производителем специальную полусинтетику. Неподходящие виды смазки при сгорании дают большое количество углеродных отложений, а это приводит к детонации, пропускам зажигания и снижению компрессии.

Топливная система довольно проста — за исключением количества и расположения форсунок. Две — перед впускными окнами (по одной на ротор), еще столько же — во впускном коллекторе. В коллекторе форсированного мотора на две форсунки больше.

Камеры сгорания очень длинные, и, чтобы сгорание рабочей смеси было эффективным, пришлось применить по две свечи на каждый ротор. Они отличаются друг от друга длиной и электродами. Во избежание неправильной установки на провода и свечи нанесены цветные метки.

НА ДЕЛЕ

Ресурс мотора 13B-MSP составляет примерно 100 000 км. Как ни странно, он страдает теми же проблемами, что и поршневой.

Первым слабым звеном кажутся уплотнения ротора, которые испытывают сильный нагрев и высокие нагрузки. Это действительно так, но прежде естественного износа их прикончат детонация и выработка подшипников эксцентрикового вала и роторов. Причем страдают только торцевые уплотнения (апексы), а боковые изнашиваются крайне редко.

Детонация деформирует апексы и их посадочные места на роторе. В результате вдобавок к снижению компрессии уголки уплотнений могут вывалиться и повредить поверхность статора, который не подлежит обработке. Расточка бесполезна: во‑первых, сложно найти нужное оборудование, а во‑вторых, запчастей под увеличенный размер просто нет. Не подлежат ремонту и роторы при повреждении пазов под апексы. Как водится, корень беды — в качестве топлива. Честный 98‑й бензин найти не так уж просто.

Быстрее всего изнашиваются коренные вкладыши эксцентрикового вала. Видимо, из-за того, что он вращается в три раза быстрее роторов. В результате роторы получают смещение относительно стенок статора. А вершины роторов должны быть равноудалены от них. Рано или поздно уголки апексов выпадают и задирают поверхность статора. Эту беду никак не предугадать — в отличие от поршневого мотора, роторный практически не стучит даже при износе вкладышей.

У форсированных наддувных моторов бывают случаи, когда из-за очень бедной смеси апекс перегревается. Пружина под ним выгибает его — в результате компрессия значительно падает.

Вторая слабинка — неравномерный нагрев корпуса. Верхняя часть (здесь протекают такты впуска и сжатия) холоднее, чем нижняя (такты сгорания и выпуска). Однако корпус деформируется только у форсированных наддувных моторов мощностью более 500 л.с.

Как и следовало ожидать, мотор очень чувствителен к типу масла. Практика показала, что синтетические масла, пусть и специальные, образуют при сгорании очень много нагара. Он накапливается на апексах и снижает компрессию. Нужно использовать минеральное масло — оно сгорает почти бесследно. Сервисмены рекомендуют менять его через каждые 5000 км.

Масляные форсунки в статоре выходят из строя в основном из-за попадания грязи во внутренние клапаны. Атмосферный воздух проникает в них через воздушный фильтр, и несвоевременная замена фильтра ведет к проблемам. Клапаны форсунок промывке не поддаются.

Проблемы с холодным пуском мотора, особенно в зимнее время, обусловлены потерей компрессии вследствие износа апексов и появления отложений на электродах свечей из-за некачественного бензина.

Свечей хватает в среднем на 15 000–20 000 км.

Вопреки расхожему мнению, производитель рекомендует глушить мотор как обычно, а не на средних оборотах. «Знатоки» уверены, что при выключении зажигания в рабочем режиме сгорают все остатки топлива и это облегчает последующий холодный пуск. По мнению сервисменов, толку от подобных ухищрений ноль. А вот действительно полезным для мотора будет хотя бы небольшой прогрев перед началом движения. С теплым маслом (не ниже 50º) его износ будет меньше.

При качественной дефектовке роторного двигателя и последующем ремонте он отходит еще 100 000 км. Чаще всего требуется замена статоров и всех уплотнений роторов — за это придется выложить не менее 175 000 рублей.

Несмотря на вышеперечисленные проблемы, в России хватает поклонников роторных машин — что уж говорить о других странах! Хотя сама «Мазда» сняла роторную «восьмерку» с производства и с ее наследницей пока не спешит.

Mazda RX-8: ТЕСТ НА ВЫНОСЛИВОСТЬ

В 1991 году «Мазда‑787В» с роторным мотором победила в гонке «24 часа Ле-Мана». Это была первая и единственная победа автомобиля с таким двигателем. Кстати, сейчас далеко не все поршневые моторы доживают до финиша в «длинных» гонках на выносливость.

Принцип работы роторного двигателя: плюсы и минусы

Чтобы понять, почему промышленники прекратили оснащение автомобилей силовыми агрегатами этого типа, полезно ознакомиться с принципом работы роторного двигателя. Зная основные характеристики, конструкцию, достоинства и недостатки, изучив разновидности РПД, можно оценить перспективы и вероятность последующего серийного выпуска таких моделей машин.

Принцип работы роторного двигателя

Роторный мотор работает по схеме, отличающейся от технологии, характерной для стандартного ДВС с поршнями в качестве основного подвижного элемента. Кроме того, силовые агрегаты имеют различную конструкцию.

По аналогии с поршневым двигателем принцип действия РПД базируется на преобразовании энергии, получаемой в результате сгорания воздушно-топливной смеси. В первом случае давление, создаваемое в цилиндрах при сжигании горючего, вынуждает поршни двигаться. Возвратно-поступательные движения шатун и коленчатый вал преобразуют во вращательные, которые заставляют крутиться колеса.

Ротор движется во внутренней полости овальной капсулы, передавая мощность сцеплению и коробке передач. Благодаря треугольной форме, он выдавливает энергию топлива, направляя через трансмиссию на колесную систему. Обязательное условие – в качестве материала используется легированная сталь.

Внутри цилиндра, где располагается ротор, происходят следующие процессы:

1. воздушно-топливная смесь сжимается;
2. впрыскивается очередная доза горючего;
3. поступает кислород;
4. топливо воспламеняется;
5. сгоревшие элементы направляются в выпускное отверстие.

Треугольный ротор закрепляется на особом механизме. При запуске двигателя он выполняет специфические движения, не вращаясь, а как бы бегая внутри овальной капсулы.

Благодаря своей форме, он образует в корпусе 3 изолированные камеры.

В них наблюдаются такие процессы:

• в первую полость через впускное окно подается горючее и всасывается кислород, при перемешивании образующие воздушно-топливную смесь;
• во втором отсеке происходит сжатие и воспламенение;
• продукты сгорания вытесняются в выпускное отверстие из третьей камеры.

Схема устройства РПД

В конструкцию РПД входят следующие элементы:

1. Ротор с 3 выпуклыми гранями, выполняющими функции поршня. За счет углублений увеличивается скорость вращения, образуется больше пространства для воздушно-топливной смеси.
2. Пластины из металла, закрепленные на вершинах каждой из сторон. Их предназначение – формирование полостей в корпусе, где происходят рабочие процессы силовой установки.
3. 2 металлических кольца на гранях ротора служат для образования камерных стенок.
4. В центре конструкции располагаются 2 больших колеса с большим количеством зубьев, вращающихся вокруг шестерней меньшего диаметра. Зубчатая передача соединена с приводным устройством, закрепленном на выходном валу. Направление и траектория движения внутри камеры зависят от этого соединения.
5. Корпус ротора. Изготавливается в форме условного овала. Такая конфигурация обеспечивает постоянный контакт вершин треугольника со стенками капсулы, создавая 3 изолированных объема газа.
6. Окна впрыска и выхлопа. Клапанов не имеют. Впускное отверстие соединено с системой подачи топлива, а выпускное – с выхлопной трубой.
7. Выходной вал с эксцентриковой конструкцией. На нем расположены особые кулачки, смещенные относительно осевой линии. На каждый из этих выступов надевается отдельный ротор. Благодаря несимметричной установке, происходит неравномерное распределение силы давления. Это приводит к образованию крутящего момента, вызывающего стабильную работу силовой установки, основанную на оборотах вала.

5 основных слоев, скрепленных по окружности длинными шурупами, составляют стандартную конструкцию двухроторного двигателя. При этом создаются условия для свободной циркуляции охлаждающей жидкости внутри системы. Движущиеся части, представленные 2 роторами и эксцентриковым выходным валом, располагаются между 2 стационарными участками.

Мощность и ресурс

По сравнению со стандартным ДВС, роторный агрегат характеризуется большей удельной мощностью, которая измеряется в л.с./кг. Это объясняется меньшей массой подвижных деталей, составляющих конструкцию РПД. Обоснование – отсутствие газораспределительного механизма, клапанной системы, коленчатого вала и шатунов.

Кроме того, однороторный двигатель преобразует энергию сгорания топлива во вращательное движение на протяжении ¾ тактов рабочего цикла. Для поршневых моторов этот показатель снижен до ¼.

В результате при вместимости цилиндров 1,3 л современный РПД серийного производства развивает мощность до 220 л.с. А если базовая конструкция дополнена турбинным надувом, то до 350 л.с.

До 2011 г. только японские промышленники концерна «Мазда» выпускали автомобили с двигателями роторного типа. А потом и они сняли агрегат с производства. Вероятная причина – заниженный ресурс силовой установки. До первого капитального ремонта транспортные средства проезжают всего 100 тыс. км. При аккуратном стиле вождения и бережном отношении пробег увеличивается до 200 тыс. км.

Уязвимое звено – уплотнители ротора, страдающие от перегрева и высоких нагрузок. Кроме этих факторов на них оказывают негативное влияние детонация и износ подшипников, расположенных на эксцентриковом валу.

Достоинства и недостатки роторного двигателя

Впервые машина с роторным силовым агрегатом вышла на трассу для тестирования в 1958 г. У истоков его создания стоит Феликс Ванкель, именем которого часто называют РПД.

Игнорируя достоинства изобретения немецкого инженера, работавшего над ним совместно с коллегой-единомышленником Вальтером Фройде, многие автопромышленники не рискнули устанавливать новинку на серийные модели своих автомобилей.

К их числу не относятся производители Mazda, выпустившие первую версию транспортного средства с роторной силовой установкой в 1967 г.

Достоинства РПД

1. Высокий КПД, достигающий 40%. Обоснование – на 1 оборот эксцентрикового вала приходится 3 рабочих цикла.
2. Упрощенная конструкция. В ней отсутствуют многие узлы, характерные для поршневых ДВС, в т.ч. газораспределительный механизм, шатуны, клапаны и т.п.
3. Высокие обороты. Двигатель на базе треугольного роторного элемента раскручивается до 10 тыс. об/минуту.
4. Плавная работа при полном отсутствии вибраций. Объяснение – стабильная ориентация движения ротора в одном направлении.
5. Устойчивость перед детонацией. Это позволяет в процессе эксплуатации применять водород.
6. Компактные размеры. По сравнению с поршневыми агрегатами габариты РПД в 2 раза меньше. Следствие этого – небольшой вес полностью укомплектованной конструкции и наличие свободного пространства для комфортного расположения водителя и пассажиров.
7. Отсутствие дополнительных нагрузок при увеличении количества оборотов. С учетом указанного фактора можно разгонять транспортное средство до 100 км/ч на низкой передаче.
8. Сбалансированность. Позволяет эффективнее уравновесить автомобиль, создавая стабильную устойчивость на любом дорожном покрытии.

Недостатки РПД

Конструкторы, разработавшие роторную силовую установку, так и не смогли устранить недостатки:

1. Основной недоработкой создателей автомобилисты считают ограниченный ресурс двигателя, обоснованный особенностями конструкции. Постоянные изменения рабочего угла апексов вызывают их ускоренный износ.
2. Срок службы заканчивается быстрее из-за перепадов температур, сопровождающих каждый такт. В комбинации с нагрузками, которым подвергаются трущиеся детали, они наносят непоправимый вред функциональным узлам и материалам. Проблему можно решить прямым впрыскиванием минеральной смазки в коллектор.
3. Поскольку внутренние полости камер имеют серповидную форму, топливо в них сжигается не полностью. Ротор, вращаясь на скорости при ограниченной длине рабочего хода, выталкивает раскаленные газы в выхлопное отверстие. Присутствие фрагментов масла в продуктах сгорания приводит к токсичности выброса.
4. Недостаточная герметичность конструкции, вызванная износом уплотнителей – причина утечки между отсеками с большими перепадами давления между отделениями. Результат – снижение КПД и повышение вреда окружающей природе.
5. Высокий расход ГСМ. По сравнению с поршневым двигателем, роторный агрегат потребляет намного больше топлива (20 л на 100 км) и масла (1 л на 1 тыс. км). Забывчивость водителя, пропустившего очередную заправку смазкой, приводит к незапланированному капитальному ремонту или полной замене мотора.
6. Для производства РПД применяется высокоточное оборудование. К качеству материалов также предъявляются повышенные требования. В результате конечная стоимость роторного двигателя увеличивается.

Машины с роторным двигателем

В разработке усовершенствованных концепций силового агрегата с базовым элементом конструкции в виде подвижного ротора участвовали и российские конструкторы, включая Зуева, Желтышева, ингушских изобретателей братьев Ахриевых.

Игнорируя инновации, на автомобили по-прежнему устанавливают двигатели Ванкеля.

В число моделей с РПД входят:

1. Мазда RX-8. Конструкторское бюро японского концерна достигло прогресса в усовершенствовании. Их последняя разработка вместимостью 1,3 л развивает мощность 215 л.с. Более поздняя версия с аналогичным объемом выдает 231 л.с. Производство прекращено с августа 2011 г. в результате снижения спроса.
2. ВАЗ 2109-90. Такими машинами пользовались в служебных целях сотрудники российских правоохранительных органов. Милицейские автомобили за 8 секунд могли разогнаться до 100 км/ч и развивали скорость 200 км/ч, легко догоняя преступников. Производились и агрегаты с большей мощностью. Но большая цена и малый ресурс не позволили прижиться РПД, и полицейским пришлось пересесть на транспортные средства с поршневыми моторами.
3. Мерседес С-111. Впервые был представлен автолюбителям на женевском автосалоне в 1970 г. Спортивный автомобиль оснащался трехкамерным двигателем Ванкеля. Максимальная скорость составляла 275 км/ч. На разгон до первой сотни уходило 5 секунд.
4. ВАЗ 21019 Аркан. Модель также закупалась для нужд МВД. Советских милиционеров на таких машинах догнать было невозможно и, тем более, уйти от погони. Большинство преследований завершалось поимкой преступников. Объяснение тому – способность служебного транспорта развивать предельную скорость 160 км/ч. Трехсекционный мотор в 1,3 л выдавал 120 л.с.

В заключение

Двигатель роторного типа – отличный вариант для спортивных и гоночных автомобилей, где не требуется большой ресурс. Высокие скоростные и мощностные показатели позволяют надеяться, что промышленники обратят на него внимание и с небольшими доработками снова начнут выпускать машины с моторами Ванкеля.