По стопам Ванкеля: взлёт и падение роторных моторов ВАЗ
На массовых советских легковушках не было особых технических инноваций — ни дизеля, ни автоматической трансмиссии, ни гидропневматической подвески, ни турбонаддува. В огромной стране были востребованы любые автомобили — и, по разным причинам, серийно выпускались достаточно простые и ремонтопригодные конструкции.
Т ем удивительнее, что «у советских была собственная гордость», да еще какая – спроектированный для легковых машин роторно-поршневой двигатель! Причем «роторная тема» обросла слухами домыслами и легендами еще в начале восьмидесятых годов, и даже появление автомобилей ВАЗ с РПД в свободной продаже в шальные девяностые не расставило все точки над i.
Предтечи: Феликс Генрих Ванкель
Немецкий инженер-самоучка Феликс Ванкель занялся разработкой роторно-поршневого двигателя еще в двадцатые годы, но в предвоенный период ему так и не удалось довести до ума опытные образцы авиадвигателей, несмотря на поддержку компании BMW и министерства авиации. После Второй мировой войны оборудование Ванкеля было демонтировано и вывезено во Францию. Несмотря на это, инженер-конструктор не прекращал работу над собственным РПД — теперь уже при поддержке компании NSU. К середине пятидесятых Ванкель закончил теоретическую часть и в 1957 году изготовил опытный образец, по итогам испытаний которого в конструкцию были внесены необходимые изменения.
Отец ротора – Феликс Ванкель
Работа Ванкеля отнюдь не носила «академический» характер: в 1963 году началось производство первой серийной модели NSU — Prince Spyder, а впоследствии инновационным мотором оснащался и седан бизнес-класса NSU Ro 80.
Когда компании Audi «по наследству» досталась марка NSU и её наработки, она даже выпустила прототип Audi KKM на базе «сотки» второго поколения. В дальнейшем тему моторов Ванкеля в Audi не продолжали.
Однако достаточно быстро особенности РПД помешали ему одержать рыночную победу над традиционными поршневыми ДВС с кривошипно-шатунным механизмом. Тем не менее, в годы серийного производства моторов Ванкеля патент на право производства таких агрегатов приобрели многие крупные автопроизводители, некоторые из которых занялись разработкой «роторной темы» всерьез и надолго. Пожалуй, наиболее известным производителем РПД является японская компания Mazda, создавшая двигатель Renesis.
Сделано в СССР
Как же идея заняться выпуском роторно-поршневых двигателей могла возникнуть на ВАЗе? Над различными альтернативными конструкциями поршневых двигателей в СССР работали еще в середине ХХ века — разумеется, не для автомобилестроения, а для авиации. Потенциально такие моторы могли обеспечить более высокую отдачу, что было особенно ценно в самолётостроении. Непосредственно к теме РПД в Советском Союзе приступили еще в «довазовский» период – по указанию Минавтопрома и Минсельхозмаша три научно-исследовательские институты (НАМИ, НАТИ и ВНИИмотопрома) занялись исследовательскими работами по созданию РПД.
Поэтому разработка Ванкеля и её практическое воплощение на серийных автомобилях в Советском Союзе не осталось незамеченным. Более того, лёгкий и мощный мотор мог стать востребованным для некоторых автомобилей специального назначения — например, так называемых «догонялок» или спортивных автомобилей.
Традиционно для автопрома СССР волевое решение могло быть принято лишь «на самом вверху» — то есть, на уровне министерства.
Однако ротором на ВАЗе занялись по распоряжению Генерального директора Волжского автозавода в 1973 году – казалось бы, по собственному усмотрению. Но не все так просто: до того, как перейти на новый проект – строительство Волжского автогиганта, еще в 1965-м Виктор Николаевич Поляков занимал пост заместителя министра автомобильной промышленности СССР, а в 1975-м он и вовсе вернулся в министерское кресло, возглавив Минавтопром СССР. Таким образом, можно утверждать, что работы по ротору были утверждены «без двух минут» министром автопрома и его же бывшим заместителем в одном лице.
Итак, после выхода соответствующего приказа Генерального директора было создано специальное конструкторское бюро, в задачу которого входила не только разработка моторов собственной конструкции, но и устранение «родовых недостатков» мотора Ванкеля, о которых советские конструкторы уже были осведомлены.
В отличие от западных коллег, под «собственной конструкцией» в СССР подразумевалась действительно разработка своего варианта, а не покупка патента или готовой лицензии. Как и в случае с автоматической трансмиссией для ГАЗ-13 Чайка, советские инженеры за неимением вариантов были вынуждены изготовить свой вариант односекционного мотора Ванкеля, разобрав для этого один японский РПД. Однако предварительно для «натурных испытаний» двигатель, снятый со специально приобретённой для работы над ротором Mazda RX-2, был установлен на Жигули третьей модели.
Роторный двигатель на «Ладах». От «Копейки» до «Десятки»
Внешне эти машины ничем не отличаются от обычных, производства ВАЗ, как классических моделей, так и «зубил». Лишь звук работы мотора несколько иной, отличался от звука обычных «жигулевских» движков. Но если нужно было, то роторная «Лада» с лёгкостью могла догнать любую машину, встречавшуюся на дорогах СССР.
Роторно-поршневой двигатель серийно на советские машины никогда не устанавливался и обычным покупателям был недоступен. Небольшие партии автомобилей, с установленным на них РПД предназначались для спецслужб, это так называемые «догонялки».
Бытует мнение, что разработкой роторно-поршневых двигателей в СССР впервые занялись на ВАЗе, изучив конструкцию мотора серийной японской Мазды. Эта японская компания уже в 1970-х серийно производила автомобили с двигателем Ванкеля.
В этой версии правда смешалась с мифом. Исследованиями на тему роторных двигателей в СССР занимались задолго до того, как был заложен первый камень в фундамент Волжского автогиганта. Разработки велись и в НАМИ, правда, основной сферой применения таких моторов видели всё же авиацию. Но и за «железный занавес» посматривали с интересом, ведь на Западе то и дело появлялись любопытные решения, наподобие германского NSU Ro-80.
Поэтому первопроходцем в теме разработки РПД в СССР Волжский автозавод не был, но он действительно первым установил такой двигатель на советскую легковую машину. Да, и правда насчет Мазды, но о прямом копировании там речи не идет. В ходе испытаний мотора выяснилась масса слабых мест, устраняя которые, наши конструкторы внесли столько корректировок, что по итогу получился совсем другой мотор.
Основоположником концепции РПД является талантливый немецкий изобретатель Генрих Ванкель. Работы над своим детищем он начал еще в 1920-х годах. Мотором заинтересовалась BMW, оказывала финансовую поддержку исследователю, но до коммерческого продукта дело тогда так и не дошло, а там и вовсе смутные времена в Европе наступили…
Продолжил Ванкель свои исследования уже после войны, и при поддержке компании NSU, на автомобили которой предполагалась установка РПД.
На этот раз почти получилось. В 1963 году появилась роторная версия знаменитого NSU Prince, вскоре подобным мотором обзавелся и полноразмерный седан NSU Ro-80, завоевавший в 1968 году почетный титул Автомобиля года в Европе.
Несмотря на столь высокое достижение, автомобили разочаровали владельцев низким ресурсом капризного мотора и его высокой прожорливостью. Спрос на них был невысок, за 10 лет производства собрали всего 37 тыс. экземпляров.
Опыт западных коллег, в том числе и негативный, помог советским инженерам выработать саму концепцию применения будущего мотора – автоспорт, и различные «догонялки», где такие факторы как ресурс мотора и его экономичность были, по сути, не важны.
Большую роль в появлении «советского Ванкеля» сыграл В.Н.Поляков, фактически, под свою ответственность распорядившийся начать работы по разработке двигателя уже конкретно для применения его на автомобилях ВАЗ.
Опытные образцы односекционного РПД были готовы в 1976 году, но испытания показали, что на машины их ставить пока рано, слишком они были «сырыми». Процесс доводки занял несколько лет, на завод даже сам Ванкель приезжал, делился своим опытом.
Впервые РПД мощностью 70 л.с. под капотом «копейки» оказался в 1982 году. Машина получила индекс ВАЗ-21018 и одно из неофициальных названий «волк в овечьей шкуре». Учитывая специфику будущего применения, информации о машине в прессе было мало, а те скромные крупицы, что просачивались в советскую прессу, обрастали впоследствии массой мифов и догадок.
В ходе испытаний двигатели ВАЗ-311 один за одним выходили из строя, менее чем за год они все вышли из строя. По результатам очередной масштабной работы над ошибками, уже через год появился двухсекционный двигатель ВАЗ-411 мощностью 120 л.с.
Этот двигатель, а так же его более мощная (140 л.с.) версия ВАЗ-413 нашел применение в машинах КГБ. В основной состав кортежей они не входили, статус ведь не тот, но, как говорят, всегда были где-то неподалёку, под видом обычных гражданских машин. Но большая часть машин шла на службу МВД, в особенности – ГАИ.
Внешне эти «заряженные» версии ничем не отличались от обычных патрульных машин. Ели очень уж хорошо присмотреться к передней части, то за радиаторной решеткой можно рассмотреть, помимо обычного, еще и масляный радиатор, которого на обычных «Жигулях» никогда не было. Роторный двигатель при работе сильно греется.
Чаще всего, советский «Ванкель» ассоциируется именно с «копейкой», иногда еще вспоминают «пятерку», имевшую индекс ВАЗ-21058.
Небольшие партии выпускались до 1991 года, в свободную продажу они не поступали, и даже после распада СССР, с выходом роторной ВАЗ-21079, всё было не так просто. Отсутствовали необходимые документы, разрешающие её реализацию населению, ведь необходимыми сертификатами для свободной, коммерческой реализации машин с таким двигателем завод не обзавелся, учитывая узкую специфику применения в СССР, сертификаты для розницы просто были не нужны.
Шли годы, и лишь в 1997 году любой желающий мог купить новый отечественный автомобиль с двигателем Ванкеля. Желающих, правда, было немного. О плюсах, и тем более минусах таких моторов автолюбители, в основной своей массе, уже знали.
Для любителей «светофорных гонок» и прочего стритрейсинга способность «восьмерки» набирать сотню за 8 секунд было большим плюсом, скорость под 200 км/час тоже являлась важным преимуществом (с нарушением ПДД, естественно), но масса проблем тоже имела вес.
Низкий ресурс, постоянно текущие сальники, повышенный расход бензина и капризность не нового мотора не вызывали оптимизма у потенциальных покупателей из категории тех, кому автомобиль нужен просто что бы ездить.
В принципе, эти же проблемы преследовали и зарубежные машины с РПД, из-за чего те и не получили массового развития, так что в данном случае упрекать ВАЗ особо не в чем, сама конструкция мотора очень уж специфична.
Кстати, в 90-х и начале 2000-х появились роторные модификации ВАЗ 2110 и 2115, к которым добавлен индекс 91, но большого распространения они тоже не получили, и в 2004 году работы над совершенствованием РПД на ВАЗе были свернуты окончательно.
Благодарю Вас за внимание, спасибо за лайк, не забудьте подписаться на этот канал и порекомендовать его друзьям.
Фото и иллюстрации взяты из общедоступных источников и принадлежат их авторам.
АвтоВАЗ: Перемены на роторном фронте
Сегодня мы расскажем о нашем знакомстве с новым автомобилем, оснащенным роторнопоршневым двигателем Ванкеля. На московском автосалоне эта машина была представлена в полицейской форме. Впрочем, речь пойдет не только о ней, но и о новом поколении роторных двигателей, разработанных специальным конструкторским бюро АвтоВАЗа. Но сначала — самое главное: новое семейство «роторов», в отличие от предыдущего, предназначено теперь не только для «вооружения» автомобилей всевозможных спецслужб, но и для «обычных» автомобилистов.
НОВОЕ СЕМЕЙСТВО РОТОРНЫХ МОТОРОВ
Итак, новое семейство роторно-поршневых двигателей. Его основа — двигатель ВАЗ-415, который, в отличие от предшественников, можно назвать универсальным. То есть его установка возможна на любую вазовскую машину — переднеприводные Самары, заднеприводные Жигули и полноприводные Нивы. Кроме того, его можно будет применять на автомобилях АЗЛК, а в трехсекционном варианте — и на Волгах. А еще — на самолетах малой авиации.
Этот мотор соединил в себе достоинства двух моделей, выпускаемых ранее. Напомним, что это были за двигатели. Во-первых, ВАЗ413 (для Волги), в основе конструкции которого лежала концепция надежности. Он «вырос» в свою очередь из первого, еще односекционного, «ротора» BA3-311, которым в свое время комплектовались машины ВАЗ-21018. Во-вторых, ВАЗ-414 (для переднеприводных ВАЗов), где главными задачами были вопросы компоновки. Новичок должен был унаследовать от BA3-413 достаточный ресурс (его пробег на Волгах достигал 300—320 тыс. км без разборки), а от мотора ВАЗ-414 — возможность установки на разных моделях автомобилей.
А принципиальные отличия новой конструкции таковы:
— компоновочные решения, позволяющие собирать двух-трехсекционные двигатели, причем и автомобильные, и авиационные, на одной технологической базе;
— оптимизация конструкции по тепловому состоянию;
— совместимость с системами впрыска топлива, что позволит в перспективе уложиться в международные требования по расходам и токсичности.
Заметим, что изготовление деталей для «роторов» не связано напрямую с достижениями военно-промышленного комплекса, а возможно на уровне общего машиностроения. При этом стоимость роторно-поршневого двигателя (РПД) предполагается удержать в районе 2500 долларов США — на уровне известного мотора Volkswagen мощностью 150 л. с.
Новые моторы рассчитаны на российские горючесмазочные материалы, в частности, на «жигулевское» моторное масло и бензин Аи-93 или А-92. Есть вариант, рассчитанный на бензин А-76, и даже двигатель, где октановое число бензина будет выбираться положением специального переключателя в салоне машины.
Двигатели могут быть оснащены распределенным впрыском топлива. Система впрыска представляет собой гибрид из комплектующих фирмы Bosch и отечественного блока управления. Возможно оборудование системой дожита и нейтрализации отработавших газов с учетом европейских и американских норм.
Расход масла «на угар» (0,4—0,5% от расхода топлива) находится на уровне поршневых двигателей, а расход топлива составляет 190—195 грамм на одну лошадиную силу в час, что в пересчете на привычные значения означает увеличение эксплуатационных расходов в пределах одного литра на 100 км по сравнению с обычным мотором такой же мощности.
Итак, базовый двухсекционный двигатель ВАЗ-415. Максимальная мощность — до 150 л. с. при 6000 об/мин, а максимальный крутящий момент — 19— 19,5 кгм при 4000 об/мин. При этом есть возможность закладывать различные характеристики кривой момента с помощью настройки системы впуска. Все зависит от места расположения впускного канала. Так, «радиальный» впуск позволяет получить спортивные и авиационные моторы с хорошим «верхом», а «торцевой» впрыск обеспечивает хорошую тяговитость «на низах».
ВАЗ-416 — это тоже двухсекционный двигатель, но уже повышенной мощности (свыше 150 л. е.), причем имеет форсированную модификацию, способную выдавать до 240—250 л. с.
И, наконец, ВАЗ-426 — это трехсекционный двигатель для авиации мощностью до 250 л. с.
Переоборудование автомобилей под «роторы» нового поколения максимально упрощено. Дело в том, что точки крепления этих моторов готовятся в нескольких вариантах, так, чтобы их можно было легко установить на стандартные посадочные места и ВАЗ2108, и ВАЗ-2110. и Жигулей, и Нивы.
Роторный двигатель по размерам близок к «восьмой» коробке передач, и его едва видно за воздушным фильтром
Правда, поскольку такой лихой мотор позволит автомобилю разгоняться до 210—215 км/ч (время разгона до 100 км/ч составит 8— 8,5 секунды), то после его установки потребуется значительная доработка подвески и тормозов, чтобы обеспечить надежность управления на высоких скоростях и максимальный ресурс агрегатов ходовой части.
Сначала пройдут работы с переднеприводными автомобилями, но вскоре это будет сделано и с «классикой», если, конечно, заднеприводные Жигули продержатся на производстве еще несколько лет.
Например, на Самары планируется устанавливать 14-дюймовые колеса и вентилируемые 14-дюймовые передние тормозные диски (от ВАЗ-2112), газонаполненные амортизаторы и т. д.
Первый этап работ будет посвящен автомобилям специального назначения (в народе — «кагэбэшным машинам»). В 1997 году планируется выпустить первые 500 автомобилей. Пока такая техника будет оснащаться серийными узлами трансмиссии.
А вот второй этап — это уже автомобили общего назначения, их начнут выпускать в 1998 году по несколько тысяч в год.
На нашем тесте побывал тот самый «полицейский» ВАЗ-2109-90, который и был представлен на автосалоне. Боевая раскраска, мигалки. Все, как положено. И ничто не намекает на то, что на этой машине установлен РПД.
Открываем капот. Вот оно! Двухсекционный роторный двигатель ВАЗ-415. Мощность — 135 л. е., момент — 18 кгм.
На вид сам двигатель чуть побольше «восьмой» коробки передач. Он укомплектован карбюратором Solex, система зажигания сдвоенная: два коммутатора, две катушки, по две свечи на каждой секции (основная и дожигающая).
Все навесное оборудование — генератор, бензонасос, масляный и водяной насосы — сгруппировано в зоне правого брызговика и легкодоступно для замены.
Машина пока имеет серийную (от «восьмерки») систему выпуска и ходовая часть — тоже серийная. Так что оценивать нам придется не специально подготовленный «роторный» автомобиль, а практически стандартную «девятку» с установленным на нее РПД.
В «гнезде» запаски автомобиля появился дополнительный топливный бак емкостью 60 литров.
Запускаем двигатель. И сразу отмечаем два момента. Необычный дребезжаще-звенящий «голос» системы выпуска. Это разговаривают перегородки серийных глушителей. Дело в том, что РПД имеет высокое давление выхлопных газов, а «восьмая» система выпуска оказывает им приличное сопротивление, «съедая» часть мощности. Специальный глушитель, который позволит «снять» с ротора ВАЗ-415 максимальную мощность.
уже разрабатывают, а сейчас приходится слушать этот комарино-шмелиный «зуммер». Кстати, он прослушивается, пока двигатель не наберет тысячи три—четыре оборотов, а далее это подзванивание превращается в шум обычного выхлопа.
Второй момент — отсутствие вибраций. Руль и рычаг КПП совершенно «чистые», совсем не зудят.
И, держа в голове невесть откуда взявшееся мнение, что, дескать, у «ротора» совсем нет «низов», трогаемся.
Сначала — в спокойной манере. Трогание с места довольно легкое, хотя и жестковатое, примерно как с серийным «восемьдесят третьим» мотором. Вторая, третья передачи. Добираемся до четвертой, где-то на шестидесяти включаем пятую. По впечатлениям, под капотом совершенно обычный мотор. Хотя нет, отличие все-таки нашлось. Торможение двигателем заметно менее эффективно, чем на серийном моторе.
Теперь попробуем динамичный стиль. Больше газу, резко бросаем сцепление. Машина не двигается с места, с визгом проворачивая колеса на сухом асфальте. Для того, чтобы она пошла, газ приходится чуть отпустить. Теперь нужна ювелирная работа акселератором, чтобы колеса если и проскальзывали, то незначительно.
На первой легко набираем 60 км/ч и переключаемся на вторую. Переключаемся скорее по привычке, стереотипно, так как по ощущениям двигатель этого еще не «просит». Спокойный, ровный «подхват» на второй и легкая, без надрыва, раскрутка до 120, 130, 135. Хватит, включаем третью. На ней машина без проблем «рисует» на спидометре 180 и продолжает ускорение. Но ведь у нас еще не использованы четвертая и пятая!
Обращает на себя внимание ровный разгон во всем диапазоне оборотов. Впечатление такое, что характеристика момента расположена почти горизонтально — никаких явных пиков. Машина по ощущениям очень напоминает электромобиль.
Здесь необычно «длинный» газ — вроде бы и нажал уже прилично, и раскрутил моторчик здорово, ан нет, можно еще дожать педаль и мотор будет раскручиваться еще и еще. При этом, как объяснили специалисты, двигатель легко крутится до 8000 оборотов. Правда, злоупотреблять этим не стоит.
Теперь попробуем «потянуть» моторчик. На четвертой сбрасываем скрость до сорока. Едет! До тридцати. Едет!
А теперь утопим акселератор в пол. Никакой детонации, никаких провалов. Только звук, издаваемый двигателем, становится похож на глухое ворчание. Разгон не впечатляет. Но как только стрелка спидометра заходит за цифру 40, ворчание стихает. К 50 км/ч звук двигателя уже становится обычным, ускорение более интенсивным. И дальше, если газ так и держать, можно загнать стрелку спидометра на «второй круг». Поражает при этом легкость и какая-то обыденность в работе мотора, отсутствие даже намека на напряжение или надрыв.
А если попробовать тронуться со второй? При попытке плавно отпустить сцепление на холостых оборотах, ротор явно намеревается заглохнуть. Больше газа! Колеса с визгом проворачиваются, и машина буквально прыгает вперед. А если после второй включить сразу пятую? И это проглотила, едет без всяких проблем.
Да, теперь и мы на собственном опыте убедились, что ряд передаточных чисел в коробке для такого движка должен быть новым. И тормоза должны быть более эффективными, и с подвеской автомобиля нужно поработать.
А теперь нам остается только ждать весны следущего года, когда для АРтеста будет предоставлен настоящий роторный автомобиль, который будет отличаться от серийного не только двигателем. Тогдато мы и займемся этой машиной более серьезно, в первую очередь — исследованиями динамических характеристик и управляемости.
Там, где «по штату» положено было быть «запаске», теперь установлен дополнительный бензобак. В итоге, с учетом милицейского специнструмента и перекочевавшей со своего места «запаски», емкость багажника практически свелась к нулю
Как работает двигатель Ванкеля
Роторно-поршневой двигатель ВАЗ411 состоит из двух секций, каждая из которых работает следующим образом (см. схему).
Во внутренней полости двигателя расположен трехгранный ротор-поршень 2, совершающий при рабочем цикле сложное вращательное движение одновременно вокруг двух осей: собственной продольной и оси вала отбора мощности — на ней ротор установлен с эксцентриситетом, а возможность взаимного вращения обеспечивают шарикоподшипники (на рисунках эксцентриковый вал не показан, поскольку расположен с другой стороны ротора).
Зависимость вращений такова. За один оборот вокруг своей оси ротор совершает три оборота на эксцентриковом валу, причем кинематическая зависимость этих вращений задается зубчатой планетарной парой: шестерня (3) с внешним зацеплением закреплена на корпусе двигателя 1 неподвижно, а роль сопрягаемой с ней детали выполняет внутренний зубчатый венец 4 самого ротора.
Площади граней ротора воспринимают силы давления газов и передают их на эксцентриковый вал, вызывая его вращение.
Когда ротор находится в положении, показанном на позиции I, в объеме 1, ограниченном гранью ВС ротора, происходит сгорание смеси и расширение газов, то есть совершается рабочий ход.
При дальнейшем вращении ротора его грань СА перекрывает выпускной и впускной каналы, и в объеме 2 заканчивается выпуск. При этом начинается процесс впуска в объеме 3 , а в объеме 4, ограниченном гранью АВ, происходит сжатие смеси.
На позиции II показано положение ротора, при котором в объеме [5] заканчивается расширение продуктов сгорания и начинается выпуск. Когда ротор проходит положение, показанное на позиции III, его вершина С находится между выпускным и впускным каналами, и электрическая искра, проскакивающая между электродами свечей, воспламеняет смесь, сжатую в объеме [6], ограниченном гранью ВА.
На позиции IV показано положение ротора, соответствующее началу рабочего хода в объеме [7].
Таким образом, в роторно-поршневом двигателе с треугольным ротором в каждой из трех его рабочих камер последовательно происходит впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Все эти процессы совершаются за один оборот ротора.
Газораспределение в двигателе осуществляется путем перекрытия ротором выпускного и впускного каналов каждой секции двигателя.
