Как известно, подавляющее большинство современных автомобилей оснащено двигателями внутреннего сгорания или ДВС. Суть их работы состоит в преобразовании энергии, образующейся при сжигании топливной смеси, во вращение вала, от которого при помощи механического привода движение передается на колеса транспортного средства. В подавляющем большинстве автомобилей сейчас используются ДВС, устроенные по поршневой схеме. Но, есть и другой тип двигателей внутреннего сгорания, а именно — роторные двигатели. О данном типе двигателя мы и расскажем в данной статье.
История роторных двигателей началась в 1957 году, когда немецкими инженерами Феликсом Ванкелем и Вальтером Фройде был продемонстрирован первый работоспособный образец такого силового агрегата. Поначалу новинкой очень серьезно заинтересовались многие ведущие мировые производители автомобилей (в частности, Mercedes-Benz, General Motors, Citroen), однако в итоге только японская Mazda решилась на то, чтобы освоить выпуск роторных двигателей крупными сериями и не отказываться от них в течение весьма длительного времени.
Кстати говоря, даже отечественный ВАЗ в течение целого ряда лет выпускал ограниченными сериями «Жигули» с роторными силовыми агрегатами. «Обычным» покупателям они не поставлялись, а отправлялись эти машины в автопарки КГБ и, в совсем небольших количествах, МВД СССР.
Принцип работы роторного двигателя, также как и обычного поршневого двигателя, базируется на преобразовании энергии сгорания в энергию вращения, однако это преобразование осуществляется немного другим способом. В роторном двигателе вращательное движение совершает непосредственно главный рабочий его элемент - ротор. Именно в этом состоит важнейшее отличие роторного двигателя внутреннего сгорания от поршневого ДВС, в котором главными подвижными рабочими элементами являются поршни, совершающие не вращательное, а возвратно-поступательное движение.
Таким образом, в роторных двигателях в силу их конструкции полностью исключаются достаточно сложные по своей конструкции и требующие периодического обслуживания кривошипно-шатунные механизмы, преобразующие возвратно-поступательное движение во вращательное движение коленчатого вала.
Так же, как и в поршневом, в роторном двигателе используется давление газов, образующихся в результате сгорания топливно-воздушной смеси. Однако оно возникает не в цилиндрах, а в камере, которая образуется той частью корпуса, которая закрыта стороной находящегося внутри нее треугольного ротора. Именно он и используется вместо поршней.
Вращение ротора под воздействием этого давления происходит по траектории, очень напоминающей линию, нарисованную спирографом. Благодаря этому все три вершины треугольного ротора при соприкосновении со внутренними стенками корпуса двигателя образуют герметичные камеры сгорания. По мере вращения ротора каждый из трех этих объемов попеременно то расширяется, то сжимается. Такой режим функционирования роторного ДВС обеспечивает осуществление таких процессов, как:
- Поступление топливно-воздушной смеси;
- Сжатие;
- Полезную работу;
- Выпуск выхлопа.
Таким образом, роторный двигатель точно так же, как и стандартный поршневой двигатель современного автомобиля, является четырехтактным.
Система зажигания и система впрыска топлива в роторных двигателях схожа с аналогичными, используемыми в двигателях поршневых, однако строение этих ДВС совершенно различно. Основными конструктивными элементами роторного двигателя являются:
- Ротор;
- Статор (корпус);
- Выходной вал.
Как уже были сказано выше, ротор располагается внутри статора (корпуса) и имеет три выпуклых стороны. Каждая из них, по сути дела, играет роль поршня и имеет углубление, необходимое для того, чтобы повысить скорость вращения. На каждой из сторон ротора имеется по два металлических кольца, которые формируют необходимые для функционирования этого ДВС камеры сгорания.
Важной составляющей ротора является зубчатое колесо, расположенное в его центре и сопрягаемое с закрепленной на корпусе шестерней. Именно благодаря такому сопряжению задается необходимая траектория и направление, по которым ротор вращается в корпусе.
Корпус роторного двигателя внутреннего сгорания имеет овальную форму, которая рассчитана и реализована таким образом, чтобы с его внутренними стенками всегда соприкасались все три вершины ротора. Это необходимо для того, чтобы в любой момент времени внутри этого силового агрегата присутствовали три полностью изолированных друг от друга объема газа. Кроме того, в корпусе располагаются порты впуска и выпуска, причем в них нет клапанов: впускной порт соединяется непосредственно с дросселем, а выпускной - непосредственно с выхлопной системой.
Выходной вал роторного двигателя совсем не похож на коленчатый вал поршневого ДВС. На нем эксцентрично, то есть с некоторым смещением относительно центральной оси располагаются специальные выступы. С каждым из них сопряжен отдельный ротор (их, кстати говоря, в роторном двигателе располагается не один, а несколько). При вращении каждый из роторов толкает «свой» кулачок, в результате чего на валу появляется крутящий момент.
Следует заметить, что все роторные двигатели собираются слоями. У наиболее часто используемых двухроторных их пять, а удерживаются все он при помощи болтов, установленных по кругу. Охлаждение роторных двигателей осуществляется с помощью охлаждающей жидкости, которая походит через все части конструкции. Подшипники и уплотнения для выходного вала располагаются в двух крайних слоях. Они же разделяют между собой части корпуса, в которых располагаются сами роторы. Впускные порты располагаются в центральной части, а выпускные - в каждой из крайних частей.
Преимущества и недостатки роторных двигателей
Основными преимуществами роторных двигателей по сравнению с поршневыми являются:
- Меньшее количество движущихся деталей;
- Более плавная работа;
- Более высокая надежность.
В двухроторном двигателе движется только выходной вал и оба ротора, в то время, как даже в самом простом по конструкции поршневом ДВС движущихся деталей насчитывается не менее сорока. Соответственно, надежность роторного силового агрегаты оказывается существенно более высокой.
В роторных двигателях все движущиеся части вращаются только в одном направлении, что значительно уменьшает вибрации. Для эффективного гашения тех, которые все же возникают, используются противовесы. Следует также отметить, что вращение ротора в роторном двигателе составляет лишь треть от скорости вращения вала. Это также положительно сказывается на надежности силового агрегата.
У роторных двигателей есть и несколько существенных недостатков. Пожалуй, главный из них состоит в том, что по сравнению с поршневыми ДВС они расходуют существенно больше топлива. При этом затраты на их производство значительно выше, поэтому на сегодняшний день большими сериями они не выпускаются.
Видео на тему
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 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.
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.
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.
Корпусы роторов (статоры) изготовлены по технологии вставки листового металла: в корпус из алюминиевого сплава вставлена подложка из специальной стали. Благодаря этому конструкция легкая и прочная. Стальная подложка имеет хромовое покрытие с микроскопическими канавками для лучшего удержания масла. По сути, такой статор напоминает привычный цилиндр с сухой гильзой и хоном на ней.
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.
Главное отличие внутреннего устройства и принципа работы роторного двигателя от ДВС заключается в полном отсутствии двигательной активности, при этом удается добиться высоких оборотов работы мотора. У роторного двигателя или иначе двигателя Ванкеля, есть и ряд других преимуществ, их мы и рассмотрим подробнее.
Общий принцип устройства роторного двигателя
РПД облачен в овальный корпус для оптимального размещения ротора, имеющего треугольную форму. Отличительная особенность ротора в отсутствии шатунов и валов, что значительно упрощает конструкцию. По сути, ключевыми деталями РД являются ротор и статор. Основная двигательная функция в таком типе мотора осуществляется за счет движения ротора, расположенного внутри корпуса, имеющего схожесть с овалом.
Принцип действия основан на высокоскоростном движении ротора по окружности, в результате создаются полости для запуска устройства.
Почему роторные двигатели не пользуются спросом?
Парадокс роторного двигателя заключается в том, что при всей простоте конструкции он не столь востребован, как двигатель внутреннего сгорания, имеющий весьма сложные конструктивные особенности и сложности при осуществлении ремонтных работ.
Разумеется, роторный двигатель не лишен недостатков, иначе он бы нашел широкое применение в современном автопроме, а возможно мы бы и не узнали про существование ДВС, ведь роторный был сконструирован значительно раньше. Так зачем же так усложнять конструкцию, попытаемся разобраться.
Явными недочетами роторного мотора можно считать отсутствие надежной герметизации в камере сгорания. Это легко объяснить конструктивными особенностями и условиями работы мотора. В ходе интенсивного трения ротора со стенками цилиндра происходит неравномерный нагрев корпуса и, как следствие, металл корпуса расширяется от нагрева лишь частично, что и приводит к выраженным нарушениям герметизации корпуса.
Для усиления герметичных свойств, особенно при условии выраженной разницы температурных режимов между камерой и системой впуска или выпуска, сам цилиндр изготавливают из разных металлов и размещают их в разных частях цилиндра, для улучшения герметичности.
Для запуска мотора используют всего две свечи, это связано с конструктивными особенностями мотора, позволяющими выдавать на 20% больше КПД, в сравнении с двигателем внутреннего сгорания, за одинаковый промежуток времени.
Роторный двигатель Желтышева — принцип работы:
Преимущества роторного двигателя
При малых габаритах он способен развивать высокую скорость, однако есть в этом нюансе и большой минус. Несмотря на малые габариты, именно роторный двигатель потребляет огромное количество горючего, а вот ресурс работы мотора составляет всего 65 000 км. Так, двигатель всего в 1,3 л потребляет до 20 л. топлива на 100 км. Возможно, это и стало основной причиной отсутствия популярности данного вида моторов для массового потребления.
Цена на бензин во все времена считается актуальной проблемой человечества, учитывая, что мировые запасы нефти расположены на Ближнем востоке, в зоне постоянных боевых конфликтов, цены на бензин остаются достаточно высокими, и в ближайшей перспективе нет тенденций для их снижения. Это приводит к поиску решений по минимальному потреблению ресурсов не в ущерб мощности, в чем и заключается главный довод в пользу ДВС.
Все это в совокупности определило положение роторных двигателей, как подходящий вариант для спорткаров. Однако известный по всему миру производитель авто «Мазда», продолжил дело изобретателя Ванкеля. Японские инженеры всегда стараются извлекать из невостребованных моделей максимум пользы путем модернизации и применения инновационных технологий, что позволяет сохранять лидирующие позиции на мировом автомобильном рынке.
Принцип работы роторного двигателя Ахриевых на видео:
Новая модель «Мазда», оснащенная роторным двигателем, по мощности не уступает передовым немецким моделям, выдавая до 350 лошадиных сил. При этом расход топлива был несравнимо высоким. Инженерам-конструкторам «Мазда» пришлось уменьшить мощность до 200 лошадиных сил, что позволило нормализовать потребление топлива, однако компактные размеры двигателя позволили наделить авто дополнительными преимуществами и составить достойную конкуренцию европейским моделям авто.
В нашей стране роторные двигатели не прижились. Были попытки установить их на транспорт специализированных служб, но этот проект не был профинансирован в должном объеме. Поэтому все успешные разработки в данном направлении принадлежат японским инженерам из компании «Мазда», намеренной в ближайшее время показать новую модель авто с модернизированным двигателем.
Как работает роторный мотор Ванкеля на видео
Принцип работы роторного двигателя
РПД работает за счет вращения ротора, так идет передача мощности на коробку передач через сцепление. Преобразующий момент заключается в передаче энергии топлива колесам за счет вращения ротора, изготовленного из легированной стали.
Механизм работы роторного-поршневого двигателя:
- сжатие горючего;
- впрыск топлива;
- обогащение кислородом;
- горение смеси;
- выпуск продуктов сгорания топлива.
Как работает роторный двигатель показано на видео:
Ротор закреплен на специальном устройстве, при вращении он образует независимые друг от друга полости. В первой камере происходит наполнение воздушно-топливной смесью. В дальнейшем она тщательно перемешивается.
Затем смесь переходит в другую камеру, где происходит сжатие и воспламенение, благодаря наличию двух свечей. В дальнейшем смесь перемещается в следующую камеру, из нее вытесняются части переработанного топлива, которые выходят из системы.
Так происходит полный цикл работы роторного-поршневого двигателя, основанного на трех тактах работы за всего лишь один оборот ротора. Именно японским разработчикам удалось существенно модернизировать роторный двигатель и установить в нем сразу три ротора, что позволяет значительно увеличить мощность.
Принцип работы роторного двигателя Зуева:
На сегодня, усовершенствованный двухроторный двигатель сравним с двигателем внутреннего сгорания с шестью цилиндрами, а трехроторный по мощности не уступает 12-ти цилиндровому двигателю внутреннего сгорания.
Не стоит забывать и про компактный размер двигателя и простоту устройства, позволяющую при необходимости осуществлять ремонт или полную замену основных агрегатов мотора. Таким образом, инженерам компании «Мазда» удалось подарить вторую жизнь этого простого и производительного устройства.
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.
1 / 4
2 / 4
3 / 4
4 / 4
1 / 2
2 / 2
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.
1 / 8
2 / 8
Mazda сразу стала оснащать мотором необычной конструкции свои спортивные купе
3 / 8
Mazda сразу стала оснащать мотором необычной конструкции свои спортивные купе
4 / 8
Mazda сразу стала оснащать мотором необычной конструкции свои спортивные купе
5 / 8
Mazda сразу стала оснащать мотором необычной конструкции свои спортивные купе
6 / 8
Mazda сразу стала оснащать мотором необычной конструкции свои спортивные купе
7 / 8
Mazda сразу стала оснащать мотором необычной конструкции свои спортивные купе
8 / 8
Mazda сразу стала оснащать мотором необычной конструкции свои спортивные купе
1 / 2
2 / 2
Mazda Roadpacer – под таким названием японцы продавали в США австралийский седан Holden со своим РПД!
1 / 3
2 / 3
За десятилетия производства именно японская компания Mazda «довела до ума» ротор – конечно, насколько это было вообще возможно
3 / 3
За десятилетия производства именно японская компания Mazda «довела до ума» ротор – конечно, насколько это было вообще возможно
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.
Статьи / История
Важная птица: история разработки ГАЗ-13 Чайка
Кстати, развенчавший культ личности Сталина Никита Сергеевич Хрущев тоже использовал в качестве транспортного средства американскую технику. В личном пользовании будущего Первого секретаря ЦК КПСС с 1944 по 1949 годы был...
13936 2 21 09.12.2016
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 , 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.
1 / 4
2 / 4
Mazda RX-2 стала для ВАЗа донором как конструкции, так и самого первого РПД, установленного на Жигули
3 / 4
Mazda RX-2 стала для ВАЗа донором как конструкции, так и самого первого РПД, установленного на Жигули
4 / 4
Mazda RX-2 стала для ВАЗа донором как конструкции, так и самого первого РПД, установленного на Жигули
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.
Для 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.
1 / 3
2 / 3
ВАЗ-21059 – роторная «пятерка». По-прежнему никаких отличий от обычной снаружи.
3 / 3
ВАЗ-21059 – роторная «пятерка». По-прежнему никаких отличий от обычной снаружи.
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.
Статьи / История
Сложные роды «антилопы»: история создания ВАЗ-2110
Еще задолго до выхода трехдверного хэтчбека 2108 разработчикам стало ясно, что на смену откровенно устаревшим Жигулям нужен новый седан. Мнения разделились: часть конструкторов придерживалась мнения, что...
50282 11 10 20.12.2015
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 или .
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.
Практически одновременно обновили и классику: в 1992 году на базе «семёрки» начался выпуск модификации Жигулей ВАЗ-21079 со 140-сильным мотором ВАЗ-4132.
1 / 3
2 / 3
Седьмая модель стала последними Жигулями с РПД
3 / 3
Седьмая модель стала последними Жигулями с РПД
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 , 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.
Жалеете ли вы о том, что роторные ВАЗы так и не получились?
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 , 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 : 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.
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.