Роторный двигатель — история и перспективы — журнал За рулем
Прошлое роторных двигателей, в том числе советское, очень интересно. А есть ли у этого оборотистого малого будущее?
Феликс был бы доволен
Сегодня обычный двигатель внутреннего сгорания только немцы, да и то лишь иногда, величают мотором Отто. А Феликсу Ванкелю наряду с Рудольфом Дизелем повезло куда больше: в рассказах о роторно-поршневых моторах обязательно хоть раз упоминается его фамилия.
Феликс Ванкель, заваривший всю эту кашу, рядом с серийным купе Mazda RX‑7.Феликс Ванкель, заваривший всю эту кашу, рядом с серийным купе Mazda RX‑7.
Материалы по теме
Правда, злые языки говорили, что Ванкель так и не получил автомобильных прав. Но в историю-то автомобильную он вошел, да и история эта еще не кончилась.
Конструкция роторного двигателя описана множество раз, в том числе в журнале «За рулем» (см., например, ЗР, 2001, № 7). Вкратце: такой мотор — воплощенное торжество геометрии. Блок цилиндров — это статор, который имеет хитрую внутреннюю поверхность, представляющую собой эпитрохоиду. Ротор со специальными уплотнениями движется внутри, выполняя функции поршня и шатуна. В одной камере две свечи — основная и дожигательная. Газообмен происходит через впускные и выпускные окна. Такие секции можно компоновать практически в любых количествах.
Роторный двигатель примерно в полтора раза компактнее и легче аналогичного по характеристикам поршневого. Но есть у него и существенные недостатки. Для смазки уплотнений на роторе масло поступает в топливо. А это означает дополнительный расход масла и сложности с экологией. Для роторного двигателя характерен повышенный расход бензина и относительно низкий ресурс из-за износа тех самых коварных уплотнений. Над решением этих вопросов конструкторы работают много лет, и не без успеха.
| NSU Wankel Spider особой популярности не сниска |
По стопам Ванкеля: взлёт и падение роторных моторов ВАЗ
Тем 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.
Уже на ранних этапах на ВАЗе столкнулись с тем, что при компактности и высокой энерговооруженности легкий и мощный РПД был не слишком экономичным и экологичным, а также отличался частым выходом из строя уплотнений. По сути, с этой проблемой десятилетиями боролись все, кто брался за двигатели конструкции Ванкеля, начиная с самого немецкого инженера – носителя этой фамилии. И, к слову, именно низкая надежность уплотнений и послужила причина быстрого выхода из строя моторов на NSU Ro-80, что вынудило производителя вскоре прекратить выпуск этого автомобиля и «закрыть роторную тему».
Первый опытный образец СКБ РПД под обозначением ВАЗ-301 был готов уже в 1976 году, но о любом запуске в серию ротора в Тольятти было говорить еще рано — конструкция получилась явно «сырой».
Вазовский вариант роторно-поршневого двигателя оценил даже… сам Феликс Ванкель, который специально для этого посетил Волжский автозавод. «Отец ротора» одобрил общую компоновку тольяттинского РПД.
Уже в 1982-м был продемонстрирован ВАЗ-21018 — обычный ВАЗ-21011 с мотором ВАЗ-311 мощностью 70 л.с.
Заказчики настояли, чтобы роторные Жигули внешне ничем не отличались от обычной «копейки» модификации ВАЗ-21011Для того, чтобы выявить недостатки конструкции в условиях реальной эксплуатации, была выпущена партия из 50 двигателей, которые установили на пять десятков Жигулей, но всего через полгода все моторы, кроме одного (!), пришлось заменить на традиционные. Уплотнения и подшипники быстро выходили из строя, а кроме того, мотор оказался плохо сбалансированным и достаточно прожорливым.
На земле и на небе
После первой серьезной неудачи и последовавшим за этим дисциплинарными наказаниями на ВАЗе не прекратили заниматься роторами, но решили окончательно перейти от односекционной конструкции к двухсекционной. Такой мотор потенциально был не только мощнее, но и надежнее.
К тому времени у советского ротора потенциально уже была вполне осязаемая сфера применения — например, для установки на служебные автомобили спецподразделений ГАИ, МВД и КГБ. На ведомственных автомобилях недостатки вроде не лучшей топливной экономичности отходили на второй план, а высокие динамические характеристики имели решающее значение. Очень важно, что при эксплуатации на служебных автомобилях вазовские специалисты могли в виде стандартизованных отчетов получить подробную информацию о недостатках и дефектах, выявленных на практике, но в более-менее одинаковых условиях, что обеспечивало определённую объективность оценки.
Время от времени советская пресса скудно сообщала о моторе необычной конструкции
К 1983 году были разработаны два новых двухсекционных РПД — ВАЗ-411 мощностью 110-120 лошадиных сил и 140-сильный ВАЗ-413. Предполагалось, что роторы будут ставить не только на «родные» для завода Жигули различных моделей, но и на другой автотранспорт силовых структур — в частности, Волги. Разумеется, установка такого силового агрегата на седан горьковского автозавода потребовала соответствующей доработки крепления и некоторых узлов трансмиссии.
В это же время на практически готовые к использованию РПД обратили внимание и авиаторы, которые заказали тольяттинскому бюро разработку варианта для применения на вертолётах и легких самолётах.
Впрочем, роторно-поршневым типом двигателя заинтересовались и многие другие предприятия, которые заказали тольяттинцам разработку агрегатов для лодок, амбифий и даже мотоциклов! Эти услуги завод предоставлял по договорам на условиях широко вошедшего в то время в обиход хозрасчета, поэтому деятельность СКБ не была для ВАЗа убыточной. Также опытные образцы авиационных двигателей ВАЗ-416 и ВАЗ-426 были разработаны уже в эпоху функционирования НТЦ ВАЗа в середине девяностых годов.
Различные типы применения РПД дали возможность конструкторам понять, что конструктивные решения автомобильных и авиационных двигателей не могут быть полностью идентичными вследствие существенной разницы в режимах работы моторов на воздушном и автомобильном транспорте.
Поэтому одновременная разработка «единого» ротором лишена практического смысла — скорее, работы можно объединять по технологической и производственной базе, а не по конкретным решениям.
РПД и передний привод
Возникает вопрос: а как же переднеприводные автомобили? Неужто ВАЗ не обратил внимание на собственную «восьмерку»?
Разумеется, обратил: работа над РПД для принципиально нового семейства началась, когда ВАЗ-2108 только готовили к производству – в 1979 году, однако более предметно к теме «переднеприводного ротора» в вернулись в начале перестройки, заключив договор с Запорожским автозаводом. И уже к 1987-му году были разработаны опытные образцы ВАЗ-414 для переднеприводных автомобилей ВАЗ и ЗАЗ, а еще в Тольятти создали вариант своего 40-сильного РПД под индексом 1185 даже для… Оки! Но в дальнейшем руководство отдало предпочтение авиационному направлению, а работы по автомобильным РПД были приостановлены.
Мелкосерийное производство необычной модификации Жигулей на базе «пятерки» продолжалось вплоть до распада СССР, хотя государственные закупки подобных машин силовыми ведомствами были совсем невелики, а «на сторону» автомобили с роторами под капотом не продавались.
Но вскоре заводу стало совсем не до собственных новых разработок — в конце восьмидесятых государственная поддержка автозаводов была свернута, а заводчанам было и без того чем заняться — например, созданием перспективной «десятки» или улучшением Нивы.
Последний автомобильный РПД ВАЗа
К теме роторных автомобильных двигателей на ВАЗе вернулись уже лишь в российский период деятельности завода, найдя возможность даже в непростые девяностые годы «достать из-под сукна» интересную разработку. Ведь в мире в то время давно существовали «подогретые» модификации обычных городских хэтчбеков, с которыми вазовский РПД был вполне сравним по развиваемой мощности.
Наличие такого мотора на автомобилях семейства 2108 могло «взбодрить» покупательский интерес — по крайней мере, в Тольятти на это рассчитывали.
Даже в непростых условиях новый РПД для Самары удалось освоить довольно быстро — благо, двигатель ВАЗ-415 не требовалось разрабатывать с нуля. Некоторые источники утверждают, что доводочные работы при его трансформации в серийное изделие велись достаточно поспешно или не слишком успешно, вследствие чего мотор все равно сохранил ряд недостатков, присущих остальным вазовским РПД. Впрочем, существует и другое мнение, что этот мотор, напротив, вобрал в себя все преимущества былых разработок — как достаточный ресурс, известный еще по 413-му мотору, так и «плотную» компоновку, доставшуюся ему по наследству от ВАЗ-414.
На фото: ВАЗ-415Практически одновременно обновили и классику: в 1992 году на базе «семёрки» начался выпуск модификации Жигулей ВАЗ-21079 со 140-сильным мотором ВАЗ-4132.
Тем не менее, в 1997 году ВАЗ-415 наконец-то получил сертификат, позволявший его установку на обычные товарные авто, которые вскоре появились в автосалонах.
«На гражданке»: став доступным простым смертным, РПД тут же появился на страницах российских автоизданий
Конечно, цена машины увеличивалась на вполне ощутимые по тем временам 2,2-2,5 тысячи долларов, но зато динамика «восьмерки» улучшалась на порядок. Ведь 120-140 «роторных» лошадиных сил позволяли набирать сотню с места за 8-9 секунд, а реальная максимальная скорость вплотную подобралась к заветным 200 км/ч. Расход топлива, конечно, при этом колебался от 8 до 14 литров. Зато компактный роторный моторчик крутился до умопомрачительных 8 тысяч оборотов, обеспечивая «пилоту» ощущения, несравнимые с разгоном обычного «зубила».
РПД-415 под капотом ВАЗ-2108 выглядит вполне органично. Но при этом мотор заметно компактнее родного. Фото: Подзолков Александр
РПД всегда славился своим «горячим характером», поэтому масляный радиатор ему был необходим, как воздух. Или вода. В общем, для охлаждения. Фото: Подзолков Александр
Вид снизу намекает, что это какая-то очень непростая «восьмерка». Фото: Подзолков Александр
Микропроцессорное зажигание можно было встретить и на ВАЗ-2108 с обычным ДВС. Но очень нечасто. Фото: Подзолков Александр
Увы, при этом малопонятный большинству ротор оставался «вещью в себе» — обычным мотористам не была известна технология его ремонта, да и запасные части в любом магазине за углом не продавались.
Вдобавок на обычных вазовских моторах к тому времени уже набирал обороты распределённый впрыск, а на РПД питанием по-прежнему заведовал архаичный карбюратор Солекс.
Смесь РПД готовил привычный «Солекс», но со своими регулировками. «Сектор газа» имел дополнительный рычаг для привода дозирующего масляного насоса — лубрикатора. Фото: Подзолков Александр
Вид сверху на ВАЗ-415 с демонтированным карбюратором. Фото: Подзолков Александр
И, несмотря на наличие микропроцессорной системы зажигания (МПСЗ), ротор не мог похвастать покладистостью и (главное!) долговечностью обычного поршневого ДВС. Ведь при заявленном ресурсе в 125 000 км многие моторы начинали быстро «умирать» уже после 50 000 км, чему способствовало применение «неправильного» масла. Как и у японских автомобилей Mazda с РПД, при этом резко ухудшался пуск двигателя и увеличивался расход масла на угар, а в дальнейшем мотор мог и вовсе выйти из строя.
Герметичность уплотнений – больное место любого РПД, не только ВАЗ-415. Фото: Подзолков Александр
Многочисленные тюнинговые фирмы, появившиеся в Тольятти и около него словно грибы после дождя, в тот период предлагали различные по бюджету и степени вмешательства программы тюнинга обычных моторов которые позволяли без заметной потери ресурса снимать практически ту же мощность, что и у ротора. А ведь РПД при традиционной системе питания было невозможно втиснуть в грядущие экологические нормы Евро 2, которым без проблем соответствовал только что освоенный вазовский же впрыск.
В силу немассовости производства в дальнейшем ни работы, ни само производство РПД ВАЗу были не очень-то интересны, поскольку они, как и в истории Mazda, могли быть продиктованы разве что имиджевыми соображениями. Что в случае с тольяттинским автозаводом было недостаточно веским аргументом…
По ряду перечисленных причин уже в начале двухтысячных годов вазовский ротор стал резко терять обороты. Да, ВАЗ-415 успели примерить даже «десятка» и «пятнашка» в модификациях 2110-91 и 2115-91 соответственно, однако вскоре производство роторных двигателей на ВАЗе было прекращено, а само СКБ РПД, разработавшее свой последний продукт в 2001 году, было перерегистрировано.
Почти четыре десятка разработок за 26 лет – конструкторы СКБ РПД немало поработали над роторной темой
После 2004 года деятельность КБ в рамках работы над двигателями РПД была окончательно прекращена, а примерно в 2007-м оборудование частично вывезено и утилизировано. Похоже, на этом в истории советско-российского ротора была поставлена окончательная точка.
Опрос
Жалеете ли вы о том, что роторные ВАЗы так и не получились?
Всего голосов:
Автомобили с роторным двигателем – стоят ли они внимания? + видео » АвтоНоватор
Обычно «сердце» машины представляет собой цилидро-поршневую систему, то есть основано на возвратно-поступательном движении, однако есть и другой вариант – автомобили с роторным двигателем.
Автомобили с роторным двигателем – главное отличие
Основная сложность в работе ДВС с классическими цилиндрами – преобразование возвратно-поступательного движения поршней в крутящий момент, без которого колеса не будут вращаться. Именно поэтому с того момента, как был создан первый двигатель внутреннего сгорания, ученые и механики-самоучки ломали головы над тем, как сделать мотор с исключительно вращающимися узлами. Удалось это германскому технику-самородку Ванкелю.
Первые эскизы были им разработаны в 1927 году, по окончании высшей школы. В дальнейшем механик купил небольшую мастерскую и вплотную занялся своей идеей. Итогом многолетней работы стала рабочая модель роторного ДВС, созданная совместно с инженером Вальтером Фройде. Механизм оказался похожим на электромотор, то есть основой его стал вал с трехгранным ротором, очень похожим на треугольник Рело, который был заключен в камеру овальной формы. Углы упираются в стенки, создавая с ними герметичный подвижный контакт.
Полость статора (корпуса) делится сердечником на соответствующее числу его сторон количество камер, причем за один оборот ротора отрабатываются три основных такта: впрыск топлива, воспламенение, выброс отработанных газов. На деле их, конечно, 5, но два промежуточных, сжатие топлива и расширение газов, можно не принимать во внимание. За один полный цикл происходит 3 оборота вала, а если учесть, что обычно устанавливаются два ротора в противофазе, автомобили с роторным двигателем имеют мощность в 3 раза больше, чем классические цилиндро-поршневые системы.
Насколько популярен роторный дизельный двигатель?
Первыми машинами, на которых был установлен ДВС Ванкеля, стали легковушки NSU Spider 1964 года выпуска, мощностью в 54 л.с., что позволяло разгонять транспортные средства до 150 км/ч. Далее, в 1967 году, был создан стендовый вариант седана NSU Ro-80, красивый и даже элегантный, с суженым капотом и несколько более высоким багажником. В серийное производство он так и не вышел. Впрочем, именно этот автомобиль подтолкнул многие компании покупать лицензии на роторный дизельный двигатель. В их число вошли Toyota, Citroen, GM, Mazda. Нигде новинка не прижилась. Почему? Тому причиной были серьезные ее недостатки.
Образуемая стенками статора и ротора камера значительно превышает объем классического цилиндра, топливно-воздушная смесь получается неравномерной. Из-за чего даже с применением синхронного разряда двух свечей не обеспечивается полное сгорание топлива. Как следствие – ДВС неэкономичен и неэкологичен. Именно поэтому, когда разразился топливный кризис, NSU, сделавшая ставку на роторные двигатели, была вынуждена слиться с Volkswagen, где от дискредитировавших себя «ванкелей» отказались.
Компанией Mercedes-Benz было выпущено лишь два автомобиля с ротором – С111 первого (280 л.с., 257.5 км/ч, 100 км/ч за 5 сек) и второго (350 л.с., 300 км/ч, 100 км/ч за 4.8 сек) поколения. Компанией Chevrolet также были выпущены две пробные машины Corvette, с двухсекционным двигателем на 266 л.с. и с четырехсекционным на 390 л.с., но все ограничилось их демонстрацией. За 2 года, начиная с 1974, компанией Citroen были выпущены с конвейера 874 автомобиля Citroen GS Birotor мощностью в 107 л.с., затем их отозвали для ликвидации, однако около 200 так и остались у автолюбителей. А значит, есть вероятность встретить их сегодня на дорогах Германии, Дании или Швейцарии, если, конечно, их владельцам дался капитальный ремонт роторного двигателя.
Наиболее стабильное производство смогла наладить компания Mazda, с 1967 по 1972 годы было выпущено 1519 автомобилей марки Cosmo, воплощенные в двух сериях по 343 и 1176 машин. За тот же период было выпущено в массовое производство купе Luce R130. «Ванкели» начали ставить на все без исключения модели Mazda с 1970 года, в том числе и на автобус Parkway Rotary 26, развивающий скорость до 120 км/ч при массе 2835 кг. Приблизительно в то же время началось производство роторных двигателей в СССР, правда, без лицензии, а, следовательно, до всего доходили своим умом на примере разобранного «ванкеля» с NSU Ro-80.
Разработка осуществлялась на заводе ВАЗ. В 1976 году был качественно изменен двигатель Ваз-311, а через шесть лет массово стала выпускаться марка Ваз-21018 с ротором мощностью 70 л.с. Правда, на всей серии вскоре был установлен поршневой ДВС, поскольку все «ванкели» сломались при обкатке, и потребовалась замена роторного двигателя. С 1983 года с конвейера стали съезжать модели Ваз-411 и Ваз-413 на 120 и 140 л.с. соответственно. Ими были оснащены отряды ГАИ, МВД и КГБ. В настоящее время роторами занимается исключительно компания Mazda.
Возможен ли ремонт роторного двигателя своими руками?
Самостоятельно что-либо сделать с ДВС Ванкеля довольно сложно. Наиболее доступное действие – замена свечей. На первых моделях они были вмонтированы непосредственно в неподвижный вал, вокруг которого вращался не только ротор, но и сам корпус. В дальнейшем, наоборот, статор сделали неподвижным, установив в его стенке 2 свечи напротив клапанов впрыска топлива и выпуска отработанных газов. Любые другие ремонтные работы, если вы привыкли к классическим поршневым ДВС, практически невозможны.
В двигателе Ванкеля деталей на 40 % меньше, чем в стандартном ДВС, работа которого основана на ЦПГ (цилиндро-поршневой группе).
Опорные вкладыши вала меняются в том случае, если начала проглядывать медь, для этого снимаем шестерни, осуществляем замену и снова напрессовываем зубчатые колеса. Затем осматриваем сальники и, если необходимо, меняем их тоже. Осуществляя ремонт роторного двигателя своими руками, будьте внимательны при снятии и установке пружин маслосъемных колец, передние и задние различаются по форме. Торцевые пластины тоже при необходимости подвергаются замене, причем устанавливать их нужно согласно буквенной маркировке.
Угловые уплотнения в первую очередь монтируются с передней стороны ротора, желательно их сажать на зеленую кастроловскую смазку, чтобы зафиксировать на время сборки механизма. После установки вала ставятся тыльные угловые уплотнения. Накладывая на статор прокладки, смажьте их герметиком. Апексы с пружинами в угловые уплотнители вставляются уже после того, как ротор помещен в корпус статора. В последнюю очередь смазываются герметиком прокладки передней и задней секций перед крепежом крышек.
Вот что о нем нужно знать
Что такое роторный двигатель Mazda, как он работает и зачем его возрождают
Вращающиеся треугольники Рёло от Мазда возвращаются в массы, но явно под другим соусом…
Еще в марте Мартин тен Бринк, вице-президент «Mazda Motor Europe» по продажам и обслуживанию клиентов активировал энтузиастов по всему миру одним лишь своим заявлением, что роторный двигатель Ванкеля вернется в производство.
В частности, тен Бринк заявил, что роторный ДВС может стать элементом для расширения диапазона движения электрического автомобиля 2019 модельного года, но на тот момент это был просто слух. «Mazda не анонсировала никаких конкретных продуктов с роторным двигателем в то время. Однако Mazda по-прежнему привержена работе над технологиями роторных двигателей», –рассуждали на тему комментария вице-президента Мазда в Mazda Motor of America.
Смотрите также: Один из немногих мотоциклов с роторным двигателем: История
Итак, что же такого особенного в этом легендарном двигателе, который так взволновал всех своим возвращением? И почему на этот раз все может быть по-другому?
Как он работает
Элементы системы двигателя
Нажать для увеличения
Роторный двигатель внутреннего сгорания по форме напоминает бочку. На нем и в нем вы не найдете многих компонентов, к которым привыкли в стандартном поршневом моторе. Во-первых, в нем нет поршней, ходящих вверх и вниз. Вместо них полезную работу совершает необычной формы треугольный поршень с округлыми краями (треугольник Рёло). Их количество может варьироваться от одного до трех в одном двигателе, но чаще всего используется схема с двумя поршнями, вращающимися вокруг вала посредством эксцентриковой полой центральной части.
Топливо и воздух нагнетаются в пространство между сторонами роторов и внутренними стенками короба, где смесь воспламеняется. Быстрое, взрывное расширение газов поворачивает ротор, который таким образом производит мощность. Роторы выполняют ту же задачу, что и поршни в поршневом двигателе, но с гораздо меньшим количеством движущихся частей, что делает роторный двигатель более легким и компактным, чем поршневой двигатель эквивалентного объема.
Учитывая, что карбюратор/впуск находится в левой нижней части изображения, источник зажигания – справа, а выхлоп – справа вверху, можно составить визуальную схему, показывающую процесс работы ДВС, начиная с впуска топливо-воздушной смеси:
Затем ротор проворачивает эксцентриковый вал и повышает давление в камере сгорания:
Источник зажигания (или две свечи, как в случае с многими двигателями Ванкеля) начинает процесс возгорания:
Это сгорание топлива и воздуха закручивает ротор во время рабочего такта:
И наконец, двигатель выплевывает газы и остатки несгоревшего топлива наружу:
Мало кто знает, но роторный мотор был изначально придуман почти 100 лет назад, а не в 50-е годы XX века. Первоначально принцип работы мотора был проработан Феликсом Ванкелем, немецким инженером, который придумал свой принцип действия двигателя внутреннего сгорания.
Преимущество №1: Роторный двигатель легче и компактней обычного поршневого мотора
Война, поднявшая одних инженеров, например Фердинанда Порше, другим не дала никакой возможности развиться. Не нужны были в опасные времена мирные двигатели Ванкеля, поэтому изобретателю пришлось ждать аж до 1951 года, когда он получил приглашение от автопроизводителя NSU для разработки прототипа. Немецкая компания решила с помощью хитрости выяснить, так ли хорош оригинальный двигатель, параллельно дав возможность продемонстрировать силы другому инженеру – Ханнсу Дитеру Пашке.
Сложная конструкция Ванкеля фактически проиграла простому прототипу, разработанному инженером Ханнсом Дитером Пашке, который всего-навсего убрал из оригинальной конструкции все лишнее, сделав ее производство экономически выгодным.
Так в Германии был изобретен и опробован новый двигатель Mazda, который на протяжении долгих десятилетий был одним из немногих роторно-поршневых серийных моторов и единственным в 21-м веке.
Современный двигатель Ванкеля не совсем двигатель Ванкеля.
Да, основа роторного двигателя от Ванкеля стала самой успешной конструкцией данного двигателя в мире и единственной, которая смогла сложными путями дойти до серийного производства.
Еще в начале 60-х годов у NSU и Mazda проводился дружеский совместный конкурс на производство и продажу первого автомобиля с двигателем типа Ванкеля, когда они работали над сырым продуктом, пытаясь создать из него качественный товар.
NSU стал первым на рынке в 1964 году. Но немецкой компании не повезло: она разрушила свою репутацию в течение следующего десятилетия ненадлежащим качеством продукции. Частые отказы двигателя снова и снова посылали владельцев к дилеру и в магазин за запчастями. Вскоре нередко можно было обнаружить модели NSU Spider или Ro 80, в которых было поменяно три и более роторных двигателей Ванкеля.
Проблема заключалась в уплотнениях вершины ротора – тонких полосках металла между наконечниками вращающихся роторов и корпусами роторов. NSU сделал их из трех слоев, что вызывало неравномерный износ. Это была бомба замедленного действия не только для автомобилей фирмы, но и самого автопроизводителя. Мазда решила проблему уплотнения (крайне важного элемента мотора, без которого он просто не был способен работать из-за отсутствия давления), сделав их однослойными. Силовой агрегат начали устанавливать в 1967 году на спортивные люксовые модели Cosmo…
В начале 70-х годов Mazda представила целую линейку автомобилей с двигателем Ванкеля – мечта, которая была разбита нефтяным кризисом 1973 года. Пришлось поубавить аппетит и оставить мотор там, где в нем больше всего нуждались – в легком спортивном купе Mazda RX-7. С 1978 по 2002 год было выпущено более 800 тыс. этих легендарных спорткаров с необычным двигателем, у которого больше не было аналогов.
Из Германии в Японию, из Японии в СССР – вот путь двигателя, разработанного в 20-х годах XX века Ванкелем
Любим и ненавидим
Фанаты техники любят роторные двигатели потому, что они другие. Многие автолюбители, хорошо разбиравшиеся в технике, питали определенную слабость к такому странному двигателю, работающему на обычном топливе, но при этом не выглядевшему как стандартный набор поршней, клапанов и других неотъемлемых элементов обычного поршневого мотора.
В зависимости от специфики мотора ротор линейно поставляет мощность до 7.000-8.000 об/мин – бесперебойно, практически на одном уровне крутящего момента. Эта ровная полка момента как раз и отличает его от подавляющего большинства поршневых ДВС, в которых наблюдается много мощности на высоких оборотах и ее нехватка при низких.
Автопроизводителям также понравился роторный двигатель благодаря плавности его работы. Роторы, вращаясь вокруг центральной оси, не создают никакой вибрации по сравнению с поршневыми двигателями, у которых верхняя и нижняя точки хождения поршня отчетливо прослеживаются даже внутри салона автомобиля.
Но необычный двигатель – это словно необъезженная лошадь, своенравное животное, поэтому в противовес обожателям идеи Ванкеля концепция также внушает свою долю ненависти в среде автомобильных фанатов и механиков. И, казалось бы, почему?
Ведь у двигателя простой дизайн: отсутствует ремень ГРМ, отсутствует распределительный вал, нет привычной системы клапанов. Но за простоту приходится платить большой точностью производства деталей. Они должны быть сделаны безукоризненно, что поднимает их стоимость в разы, по сравнению с запчастями для обычных поршневых двигателей. Второе – этих запчастей мало в природе. И в-третьих, в мире почти нет специалистов, которые занимались бы починкой роторных моторов. В Москве, говорят, есть пара, но очередь к ним – на год вперед.
Из минусов еще можно назвать своеобразную работу роторного силового агрегата. Конструкция подразумевает сгорание масла в цилиндрах мотора, куда нагнетаются небольшие количества моторного масла прямо в камеры сгорания. Делается это для того, чтобы смазывать прилегающие площади роторов, вращающихся на бешеной скорости. Сизоватый дым, иногда выходящий из выхлопной трубы, – это признак беды, он отпугивает незнающих людей от моделей вроде RX-7 или 8.
Роторные моторы также предпочитают минеральные масла синтетическим, а их дизайн означает, что вы должны время от времени подливать масло в этот ненасытный агрегат, чтобы оно не закончилось.
Ну и наконец, те уплотнения вершины ротора, которые не удалось сделать NSU, все же недостаточно долговечны. Раз в 130-160 тыс. км мотору требуется капитальная переборка. А это удовольствие, как вы уже понимаете, дорогое. Да и что такое 130.000 км? Пять-шесть лет эксплуатации? Маловато будет!
Современные водители также наиболее чувствительны к другим недостаткам роторных движков: высоким выбросам вредных веществ в атмосферу (этим, скорей, обеспокоены в Greenpeace) и экономии топлива из-за тенденции двигателя не полностью сжигать топливно-воздушную смесь перед отправкой ее восвояси (здесь, конечно, удар наносится по карману автовладельца). Да, роторные двигатели имеют отменный «аппетит».
Для RX-8 Mazda частично решила эти проблемы, разместив выпускные отверстия по бокам камер сгорания. Но сейчас борьба за экологию обострилась и предложенных улучшений оказалось недостаточно. Это явилось еще одной причиной, по которой RX-8 стал последним автомобилем с двигателем Ванкеля под капотом. Он продавался 10 лет, с 2002 по 2012 год, но его убила экология.
Время для повторного возвращения
Вернемся к слухам Mazda о том, что компания может использовать какой-то роторный двигатель в качестве «расширителя» диапазона для своего будущего электрического автомобиля. Эта штука имела бы смысл.
Еще в 2012 году Mazda арендовала в Японии 100 электромобилей Demio EV, они были хороши, но напрягал небольшой диапазон без подзарядки – менее 200 км.
Изучив дело, в 2013 году Mazda создала прототип, который получил небольшой роторный моторчик, тот самый «расширитель» диапазона, который почти удвоил этот диапазон. Модель назвали «Mazda2 RE Range Extender».
Колеса прототипа приводились в движение с помощью электрического двигателя, а 0,33-литровый 38-сильный роторный моторчик работал для того, чтобы перезаряжать батареи электрического двигателя, если они разряжались и поблизости не было места для перезарядки.
Поскольку роторный двигатель не мог отправлять мощность на колеса, Mazda2 RE не был гибридом, как Volt или Prius. Силовой агрегат Ванкеля, скорее, был бортовым генератором, который добавлял энергии аккумуляторам.
Смотрите также: Mazda официально подтвердила возвращение роторных двигателей в 2019 году
Такая же компактность и легкий вес, которые сделали ротор Ванкеля отличным двигателем для спортивного автомобиля, такого как RX-7, также делают его идеальным в новом качестве – расширяющего диапазон генератора на автомобиле, особенно том, который уже имеет электродвигатели и батареи, конкурирующие за пространство, и не может позволить себе много «лишнего» веса.
Роторные двигатели Мазда сделали себе репутацию в основном как моторы для спортивного автомобиля. В былые времена слухи об уникальных возможностях такого рода силовых агрегатов преодолели даже железный занавес СССР, где уже наши инженеры вносили и успешно интегрировали диковинные моторы в отечественные автомобили.
Наверное, будет не совсем правильно делать из такого легендарного двигателя всего лишь генератор для электромобиля. Но такова сегодняшняя реальность: время роторных моторов прошло, и его не получится вернуть обратно.
роторный двигатель — читайте материалы с тегом роторный двигатель — сайт «За рулем» www.zr.ru
Компания подала два патента на рассмотрение.
31780 просмотров
У Мазды есть отличные новости, касающиеся роторных двигателей. Ротор вернется и будет крутить не только генератор, но и колеса.
13214 просмотра
Генеральный директор компании Акира Марумото заявил, что созданию преемника RX-8 мешает бизнес-среда.
7974 просмотра
Современные спортбайки «крутятся» до 9000 об/мин, но неужели ИЖ 80-х годов мог так же? В очередной галерее ЗР рассказывает о роторно-поршневом двигателе, который в далеких 1960-х наши инженеры начали разрабатывать для установки на мотоцикл.
71398 просмотров
Японцы официально признались в том, что работают над роторным двигателем нового поколения. Но все не так просто.
11181 просмотр
На нашем форуме поднимаются самые злободневные темы, будь то эксплуатация автомобиля или правовые аспекты автомобильной жизни. В дискуссиях участвуют авторы ЗР. Если у вас есть вопросы, пишите на [email protected].
32863 просмотра
Прошлое роторных двигателей, в том числе советское, очень интересно. А есть ли у этого оборотистого малого будущее?
49141 просмотр
Новое роторное купе, анонсированное в прошлом году в виде концепта Mazda RX-Vision Concept, в ближайшие годы не появится. Его разработка требует больших финансовых ресурсов, а их еще нужно заработать.
1692 просмотра
Уже известный нашим читателям умелец выложил на youtube видео сборки и запуска миниатюрного РПД. Прежде ему удалось сделать из бумаги поршневой двигатель V8.
2862 просмотра
К 50-летию роторных технологий японская марка Mazda представила на мотор-шоу в Токио концептуальный предвестник заднеприводного переднемоторного купе — RX-Vision. Оно же станет прообразом будущих автомобилей марки с точки зрения дизайна.
9399 просмотров
Устройство автомобиля. Роторно-поршневой двигатель. Конец истории?
Автомобили с роторно-поршневыми двигателями впору заносить в Красную книгу: в 2011 году закончился выпуск последней в этом ряду модели Mazda RX-8. А ведь полвека назад за подобными моторами видели будущее – большая литровая мощность, высокие обороты, компактные размеры… Что же пошло не так?
Заглянув под капот роторного автомобиля впервые, недоумеваешь: а мотор-то где? Сквозь дебри навесных агрегатов виднеется лишь непонятный цилиндр. По своей конструкции роторно-поршневой двигатель (РПД) и вправду кардинально отличается от привычных нам поршневых моторов, хотя в обоих случаях осуществляется один и тот же четырехтактный цикл – впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Разница лишь в том, что у роторного двигателя нет ни поршней с шатунами, ни системы газораспределения. Вместо них – треугольный ротор, совершающий сложное планетарное движение.
Плюсы и минусы
Вращаясь одновременно вокруг собственной оси и вокруг центральной шестерни, ротор своими вершинами описывает хитрую поверхность корпуса, образуя три отдельные камеры сгорания. Объем каждой из них, ограниченный корпусом и гранью ротора, за один оборот меняется от максимального к минимальному четыре раза, позволяя реализовать четырехтактный цикл. Функции же газораспределения осуществляются путем перекрывания впускных и выпускных окон самим ротором – подобно двухтактным поршневым моторам. И никаких распредвалов, клапанов и цепей! Отсюда и поразительная компактность роторных агрегатов: при сопоставимой мощности они оказываются примерно вдвое короче и настолько же легче поршневых, упрощая задачу компоновки автомобиля.
Не доставляют проблем и вибрации – единственная центробежная сила уравновешивается двумя противовесами на валу. Вспышки, правда, происходят не часто: поскольку выходной вал вращается в три раза быстрее ротора, то одному обороту вала соответствует одна вспышка или один рабочий ход, что эквивалентно двухцилиндровому поршневому двигателю. Но двухсекционные РПД, то есть фактически сдвоенные моторы, работающие на общий вал, имеют уже две вспышки на оборот, как четырехцилиндровый двигатель. При этом пульсации крутящего момента оказываются даже меньше, поскольку рабочий ход у РПД длится в течение 270° поворота вала против 180° у поршневого. В результате по плавности работы двухсекционный мотор близок к рядной «шестерке».
А вот с мощностью все уже не так однозначно. Конструкция РПД позволяет добиться отличного наполнения камер сгорания: на торцевой или боковой поверхности можно разместить сразу несколько впускных окон, снижая общее сопротивление впускного тракта – в моторе Mazda RX-8 таких окон аж пять штук на секцию! Причем открываются они очень быстро, что способствует проявлению эффекта динамического напора, дополнительно улучшающего наполнение на определенных оборотах.
Две стороны медали
Роторные двигатели часто нахваливают за хорошую за оборотистость – та же Mazda RX-8 способна загонять стрелку тахометра к 9000 об/мин. Однако мало кто вспоминает, что с такой скоростью вращается лишь выходной вал, а сам ротор крутится в три раза медленнее – всего 3000 об/мин. В поршневом же двигателе на каждый оборот коленвала приходится движение поршней вверх-вниз, а потому даже привычные 6000–7000 об/мин оказываются гораздо большим достижением, нежели 9000 об/мин роторного мотора.
Однако сам процесс сгорания протекает крайне плохо. Сильно вытянутая серповидная камера обладает значительными потерями тепла и не обеспечивает полного сгорания топлива по краям. Частично улучшить воспламенение помогает установка двух свечей зажигания, но за это приходится расплачиваться повышенным прорывом газов в соседнюю камеру в момент пересечения торцом ротора свечных отверстий. Иными словами, роторный мотор способен втянуть большое количество топливно-воздушной смеси, но эффективно извлечь из нее полезную энергию не может.
Одни головоломки
Получается, что за счет отличного наполнения РПД оказывается все-таки сопоставим по литровой мощности с поршневым мотором, одновременно сильно уступая ему в экономичности. Тем не менее в равенство литровой мощности поначалу трудно поверить. Какой поршневой агрегат сравнится c ротором Mazda RX-8, выдающим 230 л.с. с двух секций общим объемом 1,3 л.? Это же 176 «лошадей» с литра!
Так-то оно так, но нужно помнить, что за один оборот вала роторный двигатель отрабатывает весь рабочий объем, а поршневой – только половину, причем и тот и другой способны выдать за этот оборот полную мощность. Таким образом, при сравнении удельной мощности объем поршневого двигателя справедливо делить на два. Возьмем, например, Nissan 350Z – одного из конкурентов RX-8. Его 300-сильный V6 имеет объем 3,5 л, то есть 1,75 л на одном обороте и 171 «лошадку» с литра. Практически как у RX-8! При этом, несмотря на 30-процентное преимущество в мощности и чуть более тяжелый кузов, он расходует столько же топлива в смешанном цикле, сколько и RX-8.
Пытаясь как-то снизить расход топлива в роторе, инженеры пробовали применить непосредственный впрыск, но неудачная форма камеры сгорания мешала организовать вихревое смесеобразование, лишая возможности работы на обедненной смеси. Задумывались и о дизельном топливе, но успеха это направление тоже не принесло: слишком велики нагрузки на ротор, да и уплотнение рабочих камер организовать труднее, ведь степень сжатия должна быть почти в два раза больше.
А уплотнения и без того, отдельная головная боль. Если в поршневом двигателе кольца всегда находятся под одним и тем же углом к поверхности трения, то в роторном рабочий угол радиальных пластин постоянно меняется. Меняется и усилие их прижима к поверхности корпуса – оно определяется центробежной силой, а потому сильно зависит от оборотов. А как организовать их смазку? Только впрыскиванием масла в рабочую камеру подобно двухтактным поршневым моторам. Но это влечет значительный расход масла на угар (около 1 л на 1000 км) и повышает риск закоксовывания уплотнений. Достаточно сказать, что именно из-за того, что оказалось невозможно хорошо герметизировать рабочие камеры, было отброшено множество других более замысловатых роторных конструкций, обладавших рядом преимуществ. В привычном же нам РПД задачу удалось до некоторой степени решить, хотя уплотнения все же остаются слабым местом мотора.
Автора!
Создателем известного нам РПД принято считать Феликса Ванкеля, однако сам он предлагал несколько иную конструкцию: в его двигателе ротор и корпус вращались вокруг неподвижного вала. Такая схема упрощала работу уплотнительных соединений камер сгорания и не требовала противовесов для уравновешивания, хотя при этом возникали огромные проблемы с подводом впускных и выпускных каналов, а также с передачей напряжения на вращающие свечи. Поэтому в серию пошел РПД, предложенный Вальтером Фройде, в то время как Ванкель сосредоточился на исследованиях механических уплотнений.
Проблемы доставляет и очень неравномерный нагрев корпуса. Это в поршневом двигателе вспышки чередуются по цилиндрам, а после рабочего хода камера охлаждается на такте впуска. В роторном же вспышки происходят только в одной части двигателя, причем происходят постоянно, в то время как противоположная часть непрерывно охлаждается всасываемым воздухом. Такой перепад температур деформирует картер двигателя, заставляя еще на этапе проектирования учитывать это отклонение формы в процессе прогрева. Разумеется, все это не способствует лучшей работе уплотнительных соединений и долговечности материалов. В итоге преимущества конструктивной простоты РПД нивелируются его малым ресурсом – пробег до капремонта редко превышает 100 тыс. км.
Окончательным же приговором роторным двигателям стала экология. Низкая экономичность означает большие выбросы CO2, а неоптимальный процесс сгорания повышает уровни токсичных соединений, к которым подмешиваются еще и продукты горения масла. И все это на фоне повального стремления к экологической чистоте, на что автопроизводители расходуют огромные средства. В результате даже Mazda, потратившая немало усилий на раскрутку роторной идеологии, была вынуждена от нее отказаться.
Конец истории? Видимо, да. Но окончательно прощаться с роторными моторами все же рано: пускай им уже и не занять основное место под капотом, они вполне могут быть востребованы в качестве резервного генератора для подзарядки батарей электромобиля. Впрочем, все ДВС со временем ожидает та же участь.
- Автор
- Олег Карелов, эксперт по подбору автомобилей AutoTechnic.su
- Издание
- Автопанорама №4 2015