Роторный двигатель (РД) считается двигателем внутреннего сгорания, который практически полностью отличается от привычного поршневого агрегата. Как известно, в цилиндре поршневого двигателя выполняется несколько тактов: впуск, сжатие, затем рабочий ход и в заключении – выпуск.

Что касается РД, то он осуществляет все те же такты, при этом они осуществляются в разных частях камеры. Сравнить их можно было бы лишь в том случае, если в поршневом агрегате присутствовал отдельный цилиндр для каждого из тактов и поршень постепенно перемещался бы от цилиндра к цилиндру.

Роторный движок изобрел и сконструировал доктор Феликс Ванкель, поэтому его часто называют двигателем Ванкеля.

Принцип работы

Роторный двигатель использует давление, возникающее во время сгорания топливовоздушной смеси. Такое давление в поршневых двигателях создается в цилиндрах, что привод в движение поршни.

Коленчатый вал и шатуны приводят поршень во вращательное движение и благодаря этому колеса автомобиля начинают вращаться. В данном двигателе, давление при сгорании возникает в камере, которая сформирована частью самого корпуса и закрыта одной из сторон треугольного ротора, выполняющего роль поршней.

В данном видео, вам покажут, как работает роторный двигатель для Mazda RX-8. Приятного просмотра!

Вращения ротора напоминают линию, которая нарисована спирографом. Такая траектория позволяет вершинам ротора контактировать с корпусом движка, что образует при этом три разделенных между собой объема газа.

Когда ротор вращается, эти объемы поочередно расширяются и сжимаются.Именно это обеспечивает поступление в движок топливовоздушной смеси, а также сжатие и выпуск выхлопа. Он обладает системой зажигания и впрыска топлива, которые похожи на используемые системы в поршневых агрегатах.

Его конструкция полностью отличается от поршневого движка. Ротор обладает тремя выпуклыми сторонами, которые исполняют роль поршней. На каждой стороне устройства, присутствует специальное углубление, увеличивающее скорость вращения самого ротора.

Это оставляет для топливовоздушной смеси больше свободного места. На вершине всех граней расположены металлические пластины, которые разделяют все свободное место на камеры. На каждой из сторон ротора присутствуют два кольца из металла, формирующие стенки камер.

В центральной части устройства, находится зубчатое колесо, зубья которого смотрят внутрь. Это колесо сопрягается с шестерней, которая закреплена на корпусе двигателя. Данное сопряжение задает направление и траекторию вращения в корпусе движка.

Особенности роторного двигателя

В данном видео, вам расскажут об истории двигателей, а так же чем они так примечательны.

Корпус двигателя отличается овальной формой.Форма самой камеры сконструирована таким образом, чтобы все вершины ротора контактировали со стеной камеры.

Они образуют три разделенные между собой объемы газа. В корпусе происходит процесс внутреннего сгорания. Свободное пространство корпуса делится на четыре части для впуска, сжатия, рабочего такта и выпуска.

Важно отметить, что порт впуска и выпуска находятся в корпусе. Клапаны в порте отсутствуют. Впускной порт напрямую соединен с дросселем, а выпускной порт – с выхлопной системой.

Выходной вал отличается закругленными выступами-кулачками, которые эксцентрично расположены. С каждым из выступов сопряжен ротор. Выходной вал представляет собой аналог коленчатого вала в поршневом движке.Вращаясь, ротор толкает выступы-кулачки.

Поскольку они расположены несимметрично, ротор давит на них с силой, которая заставляет вращаться выходной вал.

Роторный двигатель собирают слоями.Движок с двумя роторами собирается пятью слоями, которые крепятся длинными болтами, расположенными по кругу.

Через все элементы конструкции проходит охлаждающая жидкость. Два крайних слоя обладают уплотнениями и подшипниками для выходного вала.

Кроме того, они изолируют части корпуса двигателя, в которых находятся роторы. Внутренняя поверхность каждой части является гладкой и это обеспечивает должное уплотнение роторов.

Следует отметить, что впускной порт присутствует в крайних частях. Овальный корпус ротора и выпускной порт расположен в следующем слое. Здесь и установлен ротор.

В центральной части присутствуют впускные порты – для каждого ротора отведен один такой порт.

Роторный движок Mazda RX-8

Центральная часть разделяет между собой роторы, именно поэтому ее поверхность внутри является совершенно гладкой.

Достоинства и недостатки

На роторный двигатель в свое время обратило внимание множество ведущих производителей авто.

Благодаря своей конструкции и принципу работы, он обладал весомыми преимуществами перед поршневыми движками. В первую очередь, роторный агрегат отличается лучшей сбалансированностью и подвергается минимальной вибрации.

Помимо этого, такой двигатель отличается превосходными динамическими характеристиками (на низкой передаче автомобиль с таким движком можно без особых усилий разогнать более чем на 100 км/ч при высоких оборотах).

Данный агрегат гораздо легче и компактнее поршневого движка. В данном двигателе используется меньше узлов, и он отличается высокой мощностью по сравнению с поршневым агрегатом.

Среди недостатков роторного движка следует выделить:

• повышенный расход топлива при низких оборотах;
• сложность производства отдельных деталей, которое требует использования дорогостоящего высокоточного оборудования;
• склонность к перегреву из-за особенной формы камеры сгорания;
• износ уплотнителей, которые расположены между форсунками из-за частых перепадов давления;
• потребность в своевременной и частой смене моторного масла (замена должна производиться каждые 5000 километров).

К эксплуатации роторных агрегатов нужно подходить ответственнее, чем к обслуживанию поршневых агрегатов.

Их капитальный ремонт и техобслуживание важно проводить вовремя.

Особенность двигателей автомобилей Mazda

Компания Mazda начала производство моделей с роторными движками еще в далеком 1963-ом году.

Наиболее успешным авто компании оснащенным роторным агрегатом стала модель RX-7, выпущенная в 1978-ом году. Правда, до нее было выпущено множество машин, автобусов и грузовиков с роторными двигателями. После модели RX-7, производство которой было остановлено в 1995-ом году, роторным двигателем начали снабжать модель RX-8.

Данный двигатель считался лучшим агрегатом в 2003-ом году. Данный движок с двумя роторами производил 250 лошадиных сил. Однако в 2008-ом году компания прекратила продажу Mazda RX-8 в Европе из-за выбросов ее движка, которые не соответствовали европейским стандартам.

Однако разработчики компании решили на этом не останавливаться и создали современный роторный двигатель Renesis 16X, соответствующий международным и европейским стандартам.

Система впрыска была значительно переработана, благодаря чему топливо расходуется гораздо экономнее.

Помимо этого, корпус движка изготовлен из современного алюминиевого сплава. Компания также выпустила роторный агрегат, который может работать на водороде. Последней разработкой производителя с роторным двигателем на данный момент является модель Premacy Hydrogen RE Hybrid.

Двигатели Ванкеля, известные как роторно-поршневые двигатели РПД, когда-то считались моторами будущего. Поговорим про достоинства двигателя Ванкеля и разберем принцип работы РПД.

Достоинства и недостатки РПД

Достоинства:

• меньшие габариты и масса;
• меньшее количество деталей (даже в сравнении с двухтактным поршневым ДВС);
• вдвое большая мощность при тех же габаритах, что и традиционные ДВС;
• плавность работы в результате отсутствия возвратно-поступательно движущихся частей;
• возможность потребления низкооктанового бензина.

Недостатки:

• неэффективный процесс сгорания, а значит - повышение расхода топлива и токсичности отработанных газов;
• смазка "на прогар", что влечет за собой высокий расход масла;
• невозможность производства на площадях, предназначенных для выпуска традиционных ДВС;
• переход на выпуск РПД требует замены подавляющего большинства оборудования.

Роторно-поршневой двигатель покоряет своей простотой: корпус, вал, сам ротор - и все. Правда, существуют проблемы с уплотнениями роторов. На их решение ушли десятилетия, и в конце концов срок службы уплотнений удалось довести до ресурса поршневых колец в ДВС.

К недостаткам следует отнести непривычность двигателя Ванкеля как для ремонтников, так и для владельцев. Этот мотор требует изменения многих привычек. Так, тормозить РПД бесполезно, штурмовать подъемы "внатяг" - тем более. Компактный ротор имеет малую инерцию, в отличие от массивных деталей традиционного ДВС. Частые запуски-выключения "забрасывают" свечи. Непривычен и звук мотора, хотя многие это считают преимуществом.

Куда серьезнее органические недостатки, присущие РПД. Во-первых, это низкая эластичность характеристики и повышенный расход топлива . Последнее объясняется высокими потерями тепла через стенки камеры, далекой от оптимальной. Во-вторых, особенно велик расход масла. Ресурс такого мотора также ниже, чем у традиционного, из-за быстрого износа уплотнений ротора.

Немаловажную роль играет и жесткость внешней характеристики РПД, требующей более частых манипуляций рычагом КПП - на практике это выражается в более "коротком" передаточном ряде , а значит, увеличенным числом передач. Идеальной была бы установка вариатора , но на спортивных машинах "автоматы" не прижились, а на семейноv авто увидеть РПД странно - хотя бы по причине недостаточной экономичности.

Недостатки роторно-поршневых двигателей те же, что и у двухтактных поршневых моторов. И "лечатся" многие из них аналогично. Повышенный "аппетит" - непосредственным впрыском топлива, недостаточная эластичность - изменяемыми фазами и конфигурацией трубопроводов.

Принцип работы

Функцию поршня в РПД выполняет трехгранный ротор, преобразующий силу давления газов во вращательное движение эксцентрикового вала. Движение ротора относительно статора обеспечивается парой шестерен, одна из которых закреплена на роторе, а вторая - на боковой крышке статора.

Конфигурация рабочих поверхностей ротора и статора - эпитрохоидальная. Рабочая поверхность статора имеет износостойкое покрытие. В вершинах ротора установлены специальные уплотнения, на рабочих поверхностях - выемки, выполняющие роль камер сгорания. Вал вращается в подшипниках, размещенных на корпусе, и имеет цилиндрический эксцентрик, на котором вращается ротор.

Шестерня неподвижно закреплена на корпусе двигателя. С ней в зацеплении находится шестерня ротора. Взаимодействие этих шестерен обеспечивает орбитальное движение ротора относительно корпуса, в результате которого образуются три разобщенных камеры переменного объема. Передаточное отношение шестерен 2:3, поэтому за один оборот эксцентрикового вала ротор поворачивается на 120 градусов . За полный оборот ротора в каждой из камер совершается полный четырехтактный цикл. Крутящий момент получается в результате действия газовых сил через ротор на эксцентрик вала.

Между статором и ротором образуются три камеры, аналогичные надпоршневому пространству ДВС. Процесс впуска начинается, когда вершина ротора пересекает кромку впускного окна, после чего объем камеры возрастает и туда поступает горючая смесь. Когда следующая вершина ротора перекрывает впускное окно, смесь начинает сжиматься, и в момент наибольшего сжатия подается искра - начинается рабочий ход. Затем открывается выпускное окно и отработавшие газы покидают пространство камеры.

Таким образом за один оборот ротора в двигателе происходят три цикла, что делает ненужным использование уравновешивающих устройств, особенно в двухсекционных конструкциях, получивших подавляющее распространение.

В рабочем процессе два слабых звена: высокая нагрузка на уплотнения и избыточная величина динамического перекрытия фаз. Кроме того, конфигурация камеры сгорания далека от оптимальной. Но есть большой плюс. При повышении оборотов скорость распространения пламени растет быстрее скорости перетекания смеси. В результате требования РПД к октановому числу топлива ниже, чем у поршневых моторов.

Основные типы двигателей внутреннего сгорания и паровые машины имеют один общий недостаток. Он состоит в том, что возвратно-поступательное перемещение требует преобразования во вращательное движение. Это, в свою очередь, обуславливает низкую производительность, а также достаточно высокую изнашиваемость деталей механизма, включенных в различные типы двигателей.

Довольно много людей задумывались о том, чтобы создать такой мотор, в котором подвижные элементы только вращались. Однако решить эту задачу удалось только одному человеку. Феликс Ванкель - механик-самоучка - стал изобретателем роторно-поршневого двигателя. За свою жизнь этот человек не получил ни какой-либо специальности, ни высшего образования. Рассмотрим далее подробнее роторно-поршневой двигатель Ванкеля.

Краткая биография изобретателя

Феликс Г. Ванкель родился в 1902 году, 13 августа, в небольшом городке Лар (Германия). В Первую Мировую отец будущего изобретателя погиб. Из-за этого Ванкелю пришлось бросить учебу в гимназии и устроиться помощником продавца в лавке по продаже книг при издательстве. Благодаря этому он пристрастился к чтению. Феликс изучал технические характеристики двигателей, автомобилестроение, механику самостоятельно. Знания он черпал из книг, которые продавались в лавке. Считается, что реализованная позднее схема двигателя Ванкеля (точнее, идея ее создания) посетила во сне. Неизвестно, правда это или нет, но точно можно сказать, что изобретатель обладал незаурядными способностями, тягой к механике и своеобразным взглядом на многие вещи.

Первые типы двигателей

Изобретатель, поняв, как можно осуществить все 4 цикла обычного мотора при вращении, приступил к конструированию. В 1924 году Ванкель создал небольшую мастерскую. Она также выполняла роль лаборатории. Именно здесь Феликс Ванкель стал изучать роторно-поршневые системы. В 1936 году модель, собранная изобретателем, заинтересовала компанию "БМВ". Ванкель получил деньги, ему была предоставлена собственная лаборатория в Линдау.

Там он должен был разрабатывать опытные образцы авиамоторов. Однако до самого конца Второй мировой ни один роторный двигатель Ванкеля не был отправлен в серийное производство. Вероятно, это было вызвано тем, что доведение конструкции до пригодного к эксплуатации состояния и наладка массового производства требовали достаточно много времени

Послевоенные годы

После разгрома фашизма лаборатория была закрыта, а все оборудование, которое там находилось, было переправлено во Францию. В итоге Ванкель остался без работы. Этому поспособствовало его бывшее членство в национальной социалистической партии. Но спустя небольшой период времени Феликса пригласили в компанию NSU в качестве инженера-конструктора. Это предприятие на тот момент считалось старейшим производителем автомобилей и мотоциклов.

Опытный образец

В 1957 году, благодаря поддержке Вальтера Фреде (ведущего инженера в компании NSU), роторно-поршневой двигатель был впервые поставлен на автомобиль. Мотор был установлен на NSU Prinz. Однако первоначальная конструкция была очень далека от совершенства. Она была настолько сложной, что даже для замены свечей нужно было разобрать почти весь мотор. Кроме этого, конструкция была очень ненадежна, неэкономична и имела очень низкий КПД. Двигатель Ванкеля в связи с этим не пошел в серию. Автомобили отправились на конвейер с традиционным ДВС. Тем не менее роторно-поршневой двигатель доказал не только право на свое существование, но и продемонстрировал впечатляющий для того времени потенциал. Перспективы его использования были настолько привлекательны, что инженеров-конструкторов ничего не смогло остановить. Сам изобретатель понимал, что его детище требует усовершенствования, он стремился к тому, чтобы и функционирование, и ремонт двигателя вызывали как можно меньше затруднений. С этого момента началась активная деятельность по доведению мотора до эксплуатационного совершенства.

Двигатель Ванкеля: конструкция

Что собой представляет мотор? В центре ротора имеется круглое отверстие. Оно изнутри покрыто зубцами, как на шестеренке. В отверстие вставляется вал с меньшим диаметром. На нем также есть зубцы. Они препятствуют проскальзыванию вала. Отношения диаметров подбираются таким образом, чтобы перемещение вершин треугольников осуществлялось по одной замкнутой кривой. Она именуется "эпитрохоида". Задача Ванкеля состояла в том, чтобы для начала понять, что работа такого механизма возможна. Затем ему нужно было все точно и верно рассчитать. В результате поршень, выполненный в форме треугольника Рело, отсекает три камеры переменного положения и объема.

Особенности

Конструктивная характеристика двигателя значительно выигрывает в сравнении с обычными моторами. В частности, герметизация камер обеспечивается за счет торцевых и радиальных уплотнительных пластин. Они прижимаются к "цилиндру" с помощью ленточных пружин, давления газа и центробежных сил. Особого внимания заслуживает и характеристика двигателя с точки зрения производительности. За весь цикл вал совершает 3 полных оборота. В обычном поршневом моторе такого результата можно добиться при использовании шести цилиндров.

Внедрение в промышленность

После проведения первой успешной демонстрации в 1957 году двигатель Ванкеля заинтересовал крупнейших автогигантов того времени. Так, первой компанией, выкупившей лицензию, стала Curtiss-Wright. Спустя год изобретение стали использовать такие известные предприятия, как Mazda, Friedrich Krupp, MAN и Daimler-Benz. За достаточно непродолжительный период лицензии приобрело порядка ста компаний, в том числе с мировым именем: Ford, BMW, Porsche, Rolls-Royce.

Преимущества

Какие достоинства имеет двигатель Ванкеля? Принцип работы мотора заключается в том, что реализация любого четырехтактного цикла осуществляется без использования механизма газораспределения. Благодаря этому значительно упрощается конструкция мотора. В обычном 4-тактном поршневом моторе примерно на тысячу элементов больше. Огромный интерес крупнейших автомобильных предприятий был вызван потенциалом конструкции. Несомненными преимуществами является простота производства, несложный ремонт двигателя, компактность и небольшой вес. Все это способствует улучшению управляемости машины, облегчает расположение трансмиссии.

Компактность мотора позволяет создать удобный и довольно просторный салон. Усовершенствованные модели двигателя способны развивать высокую мощность при достаточно экономном расходе топлива. К примеру, современный мотор при объеме 1300 см 3 обладает 220 л. с. Если оснастить двигатель Ванкеля турбокомпрессором, то можно получить мощность до 350 л. с. Еще одним достоинством конструкции является очень низкий уровень вибраций и шумов. Двигатель Ванкеля отличается механической уравновешенностью. Снижение уровня шумов и вибрации достигается небольшим количеством деталей (их на 40% меньше, чем в традиционных моторах). Стоит также отметить и динамические характеристики мотора. На низкой передаче без особенной нагрузки можно разогнать машину до 100 км/ч при высоких оборотах. В конструкции мотора отсутствует механизм, преобразовывающий возвратно-поступательное перемещение во вращательное. За счет этого двигатель Ванкеля может выдерживать большие обороты в сравнении с традиционными ДВС.

Завершение эйфории

В 1964-м вышел автомобиль NSU Spyder, а после него была выпущена легендарная модель Ro 80. И в настоящее время в мире достаточно много существует клубов любителей этих машин. Затем с конвейера сошли такие модели, как Corvette XP, Mercedes C-111, Citroen M35. Однако единственной компанией, которая занялась массовым производством, стала Mazda. С 1967 года она выпускала по 2-3 новых автомобиля с РПД. Двигатель Ванкеля ставили на легкие самолеты, снегоходы, катеры. В 1973 году наступил конец эйфории. В то время нефтяной кризис был в разгаре. Именно в этот период проявился основной недостаток РПД - неэкономичность. Кроме компании Mazda, все производители свернули программы по выпуску автомобилей с роторными двигателями. Однако только Mazda продолжала выпуск таких машин. У компании значительно сократились продажи в Америке.

Недостатки РПД: недолговечность и ненадежность

Наряду с достоинствами, роторные двигатели обладали и существенными минусами. В первую очередь, они были очень недолговечными. Так, одна из первых моделей РПД в ходе испытаний выработала весь ресурс за 2 часа. Более успешный прототип смог выдержать 100 часов. Однако это не обеспечивало нормальной эксплуатации машины. Главная проблема состояла в неравномерности износа внутренней поверхности камеры. В ходе работы на ней образовывались поперечные борозды. Они получили весьма красноречивое название: "метки дьявола". После получения лицензии компания Mazda сформировала специальный отдел, который занимался усовершенствованием мотора. Вскоре выяснилось, что в процессе вращения ротора заглушки, расположенные на его вершинах, начинают вибрировать. Из-за этого и появляются эти борозды. Сегодня проблема долговечности и надежности решена. Для этого в производстве используется высококачественное покрытие, в том числе и керамическое.

Высокая токсичность выхлопов

Это еще один недостаток РПД. В сравнении с традиционными моторами, двигатель Ванкеля выделяет меньшее количество окислов азота, но во много раз больше углеводородов, что обусловлено неполным сгоранием топлива. Инженеры Mazda достаточно быстро нашли эффективное решение проблемы. Специалисты создали "термальный реактор". В нем происходит "дожигание" углеводородов. Mazda R 100 стала первым автомобилем, в котором был применен этот элемент. В 1968 была выпущена еще одна модель с "термальным реактором" - Familia Presto Rotary. Это авто, одно из немногих, сразу прошло достаточно жесткую экологическую проверку, выдвинутую США в 1970-м для импортируемых ТС.

Экономичность

Это еще одна проблема РПД. Частично она вытекает из описанной выше. Расход топлива в стандартном РПД значительно выше, чем у ДВС. Эта проблема снова была решена специалистами Mazda. Внедрив комплекс мер, в числе которых переработка карбюратора и термореактора, добавление в выхлопную систему теплообменника, создание нового зажигания и разработка каталитического конвектора, инженеры добились снижения расхода на 40%. Это позволило выпустить в 1978 году модель RX-7.

Отечественное производство

Кроме компании Mazda, автомобили с РПД выпускал и "АвтоВАЗ". В 1974-м на заводе было сформировано специальное конструкторское бюро. В Тольятти началось строительство цехов для серийного выпуска РПД. В связи с тем, что первоначально предполагалось, что ВАЗ будет просто копировать западную технологию, было решено наладить воспроизводство двигателя Mazda. При этом совершенно не учитывались многолетние наработки отечественных институтов моторостроения.

Достаточно долго велись переговоры между Ванкелем и советскими чиновниками. Некоторые встречи проходили непосредственно в Москве. Денег, однако, было недостаточно, поэтому использовать некоторые технологии так и не удалось. В 1976-м был выпущен первый односекционный мотор ВАЗ-311. Его мощность составила 65 л. с. В течение последующих пяти лет проводилась доводка конструкции. После этого завод выпустил 50 опытных автомобилей с двигателем Ванкеля. Они мгновенно разошлись среди сотрудников предприятия. Однако вскоре выяснилось, что мотор в машинах только внешне был похож на японский. Конструкция его была крайне ненадежна. В течение полугода все двигатели были заменены, а штат конструкторского бюро был сокращен.

Однако отечественное производство мотора было спасено спецслужбами. Их не слишком беспокоил ресурс конструкции и расход топлива. Больше их привлекали динамические характеристики двигателя. В короткое время из двух моторов ВАЗ-311 был собран один двухсекционный. Его мощность увеличилась почти вдвое - до 120 л. с. Двигатель стали ставить на специальную единицу - ВАЗ-21019. Эта модель получила неофициальное наименование "Аркан".

Перепрофилирование

Спецзаказы вдохнули вторую жизнь в конструкторское бюро. На ВАЗе стали выпускать двигатели для авто- и водного спорта. Машины стали часто завоевывать первые места. Спортивные чиновники, в свою очередь, были вынуждены запретить использование РПД. В 1987 на смену Поспелову (руководителю конструкторского бюро) пришел Шнякин. Он недолюбливал наземный транспорт, тяготея больше к авиации. С начала его руководства СКБ перепрофилировало свою деятельность на выпуск двигателей для воздушных машин. Это была неверная стратегия, поскольку самолетов в стране выпускается намного меньше, чем автомобилей. Завод же получал прибыль преимущественно с продажи автомоторов.

Следующей ошибкой стала переориентация на маломощные двигатели. Японцы устанавливают РПД на спортивные машины. А ВАЗ выпускал мололитражные модели "Ока", несмотря на то что динамичные моторы целесообразнее было бы ставить на более быстроходные авто. Так или иначе, на отечественных дорогах оказалось несколько микролитражек "Ока" с РПД. К 1998 году, наконец, завершилась подготовка гражданского варианта двухцилиндрового 1.3-литрового роторного мотора. Его устанавливали на модели ВАЗ 2107-2109 и 2105.

В заключение

Почему же ведущие производители мира все еще не перешли окончательно на выпуск машин с РПД? Дело в том, что для изготовления таких моторов необходима, в первую очередь, очень точная технология, включающая в себя множество разнообразных нюансов. Не каждая, даже крупная компания, может пойти по пути Mazda. Кроме того, дело в оборудовании. Для выпуска двигателя Ванкеля необходимы высокоточные станки для вытачивания поверхностей с эпитрохоидой. Для оборудования, которое используется сегодня на заводах, такая работа вполне выполнима. Сегодня серьезными исследованиями РПД занимается только Mazda. Инженеры компании постоянно совершенствуют конструкцию, решают множество различных проблем. Выпускаемые в Японии роторные двигатели соответствуют принятым в мире стандартам по надежности, расходу топлива и экологичности.

Когда автомобили с поршневыми двигателями внутреннего сгорания уже широко распространились по всему миру, некоторые инженеры попытались разработать роторные двигатели, такие же эффективные и мощные. Существенных успехов добились специалисты из Германии, что неудивительно, ведь именно в этой стране изобрели автомобиль.

Немного истории

В 1957 году свет увидел первый роторно-поршневой двигатель. Впоследствии он был назван именем одного из разработчиков - Феликса Ванкеля. Второй человек, Вальтер Фройде, участвующий в процессе изобретения, незаслуженно попал в тень соавтора. Оба инженера были представителями немецкой компании NSU, производившей авто и мототехнику.

Годом позднее выпустили первый автомобиль с РПД. К сожалению, даже главных конструкторов модель новой машины не удовлетворила. Дви́гатель доработали, и в конце 60-х годов на свет появился седан, получивший звание «Авто года». Это был Ro-80 той же компании NSU. До 100 км он разгонялся всего за 12,8 с, развивал скорость до 180 км/ч, а весил немногим больше тонны. По тем временам это были грандиозные показатели. Лицензию на производство стали сразу же приобретать одна автомобильная компания за другой.

Неизвестно, как сложилась бы судьба изобретения Ванкеля, если бы в 1973 году не начался энергетический кризис, и цены на нефть резко повысились. внутреннего сгорания съедал слишком много топлива, поэтому от его применения начали отказываться.

В конце 90-х авто с моторами Ванкеля выпускали только Россия и Япония. Российские автомобили ВАЗ, оснащенные РПД, малоизвестны, а вот японским моделям удалось добиться мировой популярности.

В настоящее время автомобили с роторными двигателями производит лишь компания Mazda. Японским специалистам удалось усовершенствовать автомобильный мотор до такой степени, что он стал потреблять в 2 раза меньше масла и на 40% меньше топлива. Токсичность выхлопов также сократилась, и двигатель теперь соответствует европейским экологическим стандартам. Новым витком в развитии РПД стало применение водорода в качестве топлива.

Основы устройства роторного двигателя

Чтобы понять, как работает роторный двигатель, надо разобраться с его устройством. Две важные детали РПД - ротор и статор. Ротор, установленный на валу, вращается вокруг неподвижной шестерни - статора. Соединение с шестерней происходит посредством зубчатого колеса. Делают ротор из легированной стали и помещают в цилиндрический корпус.

Ротор двигателя в поперечном срезе имеет треугольную форму, его грани выпуклые, а три вершины постоянно контактируют с внутренней поверхностью корпуса. Таким образом, пространство цилиндра разделяется на три камеры. В результате вращения объем камер меняется. В определенный момент, из-за особенностей формы профиля корпуса, камер становится четыре.

• На первом этапе в одну из камер через отверстие (впускное окно) запускается топливо.
• Далее объем камеры с топливом уменьшается, впускное окно полностью закрывается и начинается сжатие топлива.
• На следующем этапе образуется четыре камеры, срабатывают свечи (их две), происходит возгорание топлива, и совершается полезная работа мотора.
• При дальнейшем вращении ротора открывается выпускное окно, в которое выходят продукты горения (выхлопные газы).

Как только выпускное окно закрывается, открывается впускное отверстие и цикл повторяется.

Один рабочий цикл совершается за один полный оборот вала. Чтобы поршневой двигатель совершил такую же работу, он должен быть двухцилиндровым.

Для обеспечения герметичности на вершинах ротора устанавливают уплотнительные пластины. К цилиндру их придавливают пружины и центробежная сила, добавляется также давление газа.

Чтобы лучше понять, как устроен роторный двигатель, и что это такое вообще, необходимо изучить схему. На ней представлено поперечное сечение агрегата и процессы, происходящие при движении ротора. Схема роторного мотора показывает, какие этапы проходит ротор, играющий роль поршня.

Типы роторных двигателей

Древнейшие роторные двигатели - это водяные мельницы, в которых колесо вращается от действия воды и передает энергию валу. Устройство современно роторного двигателя, работающего на топливе, значительно сложнее. В нем камера может быть:

• герметично закрыта;
• постоянно контактировать с внешней средой.

Первый тип устройств применяют на средствах передвижения, а второй в газовых турбинах. Двигатели с закрытой камерой в свою очередь разделяются на несколько видов. Классификация следующая.

1. Ротор вращается попеременно то в одну, то в другую сторону, его движение неравномерно.
2. Вращение происходит в одну сторону, но скорость меняется, движение пульсирующее.
3. Двигатели с уплотнительными заслонками, сделанными в виде лопастей.
4. Равномерно вращающийся ротор с заслонками, которые движутся вместе с ротором и выполняют функцию уплотнителя.
5. Двигатели с ротором, совершающим планетарное движение.

Существует также еще два вида типа роторных двигателей, в которых главный элемент равномерно вращается. Они отличаются организацией рабочей камеры и конструкцией уплотнителей. относится к пятому пункту из представленного выше списка.

Преимущества РПД

Рассмотрев устройство роторного двигателя и принцип работы, можно понять, что он полностью отличается от поршневого. Роторный двигатель внутреннего сгорания более компактный, состоит из меньшего количества деталей, а его удельная мощность больше, чем у поршневого мотора.

РПД легче уравновесить, чтобы свести вибрации к минимуму. Это позволяет устанавливать его на легкий транспорт, например, микроавтомобили.

Количество деталей меньше, чем у поршневого двигателя почти в 2 раза. Размеры тоже значительно меньше, и такое преимущество упрощает развесовку по осям, позволяет добиться большей устойчивости на дороге.

Традиционный поршневой двигатель совершает полезную работу только за два оборота вала, а в роторном двигателе полезная работа совершается за один оборот ротора. Это является причиной быстрого разгона автомобилей с РПД.

Высокий расход топлива РПД

Устройство и на удивление просты, понятны и остроумны. Почему же он не получил распространения подобно поршневому ДВС? Не последнее место здесь занимает экономичность.

Роторный двигатель внутреннего сгорания потребляет слишком много топлива. При объеме всего 1,3 литра на каждые 100 км уходит почти 20 литров бензина. По этой причине запускать массовое производство автомобилей с РПД решились не многие компании.

В свете последних событий на Ближнем Востоке, когда за ресурсы ведется ожесточенная война, а цены на нефть и газ остаются по-прежнему довольно высокими, ограниченное применение РПД вполне понятно.

Другие важные недостатки

Следующим недостатком роторно-поршневого двигателя является быстрый износ уплотнителей, расположенных по ребрам ротора. Износ этот происходит по причине быстрого вращения, и как следствие, трения ребер о стенки камеры.

В дополнение к этому усложняется система смазки ребер. Компания Мазда сделала форсунки, которые впрыскивают масло в камеру сгорания. В связи с этим требования к качеству масла повысились. Постоянной обильной смазки также требует главный вал, вокруг которого происходит движение.

Техническое решение вопросов смазки требовало особого подхода, и справиться с задачей смогли только японские инженеры после долгих лет экспериментов.

Температура выхлопных газов у РПД выше, чем у поршневого двигателя. Это связано с относительно малой длиной рабочего хода грани ротора. Процесс горения едва успевает закончиться, как грань уже переместилась настолько, что открывается выпускное окно. В результате в выхлопную трубу выходят газы, которые полностью не передали давление ротору, и температура их высока. В атмосферу также попадает небольшая часть недогоревшей топливной смеси, что отрицательно сказывается на окружающей среде.

В роторном двигателе сложно обеспечить герметичность камеры сгорания. В процессе работы стенки статора неравномерно разогреваются и расширяются. В результате возможны утечки газа. Особенно нагревается та часть, в которой происходит сгорание. Чтобы справить с этой проблемой, различные части делают из разных сплавов. Это в свою очередь усложняет и удорожает процесс производства двигателей.

На стоимость производства роторно-поршневых двигателей Ванкеля не лучшим образом влияет сложная форма камеры. На самом деле у цилиндра не овальное сечение, как иногда говорят. Сечение имеет форму эпитрохоида и требует высокоточного исполнения.

Итак, становится понятно, что у роторного двигателя есть плюсы и минусы. Их можно свести в следующую таблицу.

Из-за быстрого износа деталей ресурс роторного двигателя составляет около 65 тыс. км. Для сравнения ресурс традиционного двигателя внутреннего сгорания в 2, а то и в 3 раза больше. Обслуживание роторно-поршневых двигателей требует большей ответственности, поэтому они привлекают внимание преимущественно профессионалов. Частично инженерам удалось устранить недостатки автомобилей с РПД, но некоторые из них все же остались.

Роторно-поршневые двигатели Мазды

В то время как другие мировые производители отказались от производства роторных двигателей, корпорация Mazda продолжила работу над ними. Ее специалисты усовершенствовали конструкцию и получили мощный мотор, способный конкурировать с лучшими европейскими агрегатами.

Работать с роторно-поршневым двигателем японцы начали еще в 1963 году. Они выпустили несколько моделей автобусов, грузовиков и легковых авто.

С 1978 по 2003 год компания производила знаменитый спорткар RX-7. Его приемником стала модель RX-8, получившая более 30 наград на международных моторных выставках.

На RX-8 был установлен двигатель Renesis (Rotary Engine Genesis). В разной комплектации автомобиль продавался по всему миру. Самые мощные модели (250 л. с., 8,5 тыс. оборотов в минуту) продавали в Северной Америке и Японии. В 2007 годы в Токио на автосалоне представили концепт кар с мотором Renesis II мощность 300 л. с.

В 2009 году автомобили Мазда с роторным мотором были запрещены в Европе, поскольку выброс углекислого газа превышал существующие на тот момент нормы. В 2102 году массовое производство японских автомобилей с роторными двигателями было прекращено. На данный момент РПД от компании Mazda устанавливают только на спортивные гоночные автомобили.

Принцип работы РПД основан на давлении расширения газов, которое создаётся при сжигании топлива. Главное отличие и положительный момент РПД - отсутствие масс с возвратно-поступательными движениями. Все движение деталей происходит по кругу без резких остановок. В обычном поршневом ДВС происходит полная остановка поршня и шатуна в верхней и нижней мертвых точках, что создает значительные силы инерции и требует применения высокопрочных материалов.

Основной частью конструкции является ротор, превращающий давление в круговое движение. Ротор в простейшем случае имеет форму треугольника с выпуклыми гранями (т.н. треугольник Рёло) и находится/вращается в овальном корпусе специального профиля, поверхность которого выполнена по эпитрохоиде (возможны варианты с другой формой ротора и корпуса). В полостях между ротором и корпусом, полностью изолированных друг от друга и меняющих свой объем по ходу вращения ротора, происходит ряд процессов (тактов) — подача воздуха, впрыск топлива, сжатие смеси, создание искры, вывод отработанных газов:

• в первую полость через впускное окно поступает и перемешивается воздушно-топливная смесь (открытие и закрытие окна выполняется гранью ротора, аналогично двухтактному поршневому двигателю);
• ротор перемещает полученную субстанцию во вторую полость, где проходит сжатие и воспламенение;
• в третьей полости происходит расширение смеси и удаление отработанных газов через выпускное окно (также открывается и закрывается гранью ротора).

Ключевой момент заключается в том, что эти процессы происходят не последовательно, а одновременно и параллельно, т.е. за один оборот ротора происходят все три такта.

Вращение ротора происходит на эксцентрике — паре шестерен, большая из которых находится на внутренней поверхности ротора, а меньшая, опорная, жестко прикреплена к внутренней поверхности боковой крышки двигателя. Вращательное движение ротора передается на эксцентриковый вал, установленный на подшипниках и передающий вращающий момент на механизмы трансмиссии. Таким образом в РПД одновременно работают две механические пары: первая — регулирующая движение ротора и состоящая из пары шестерен; и вторая — преобразующая круговое движение ротора во вращение эксцентрикового вала. Передаточное соотношение шестерен ротора и статора 2:3, поэтому за один полный оборот эксцентрикового вала ротор успевает провернуться на 120 градусов. В свою очередь за один полный оборот ротора в каждой из трех образуемых его гранями камер производится полный четырехтактный цикл двигателя внутреннего сгорания.

Для обеспечения балансировки (особенно на холостых оборотах) нужно минимум два ротора, хотя применяются и однороторная конструкция. Двигатели Mazda имеют до трёх роторов (секций).

Общий КПД роторного двигателя Ванкеля (термический и механический КПД) составляет около 40-45%. Для сравнения, обычные поршневые ДВС имеют 25% КПД (по другим данным — 34%), а современные турбодизеля до 40% (по другим данным — 50%).

[свернуть]

Классификация роторных ДВС

Раскрыть...

Классификация роторных двигателей происходит по типу работы камеры сгорания - запирается она на время герметично, или имеет постоянную связь с атмосферой. К последнему типу относятся газовые турбины, камеры сгорания которых отделены от выхлопного сопла (от атмосферы) лишь густым «частоколом» лопастей роторной крыльчатки.

Роторные ДВС с герметично запираемыми камерами сгорания делятся на 7 различных конструкционных компоновок:

1. Роторные двигатели с неравномерным разнонаправленным (возвратно-вращательным) движением главного рабочего элемента. Ротор здесь не вращается, а как бы качается вокруг своей оси. Процесс сжатия происходит между лопатками мотора.
2. Роторные двигатели с неравномерным однонаправленным (пульсирующе-вращательным) движением главного рабочего элемента. Внутри корпуса два ротора. Сжатие проходит между лопастями этих двух элементов, когда они сближаются и удаляются.
3. Роторные двигатели с простым и равномерным вращательным движением главного рабочего элемента и с уплотнительными заслонками-лопастями, движущимися в роторе. Данная конструкция до сих пор широко задействуется в пневматических моторах. Для роторных двигателей внутреннего сгорания существенно переделывается камера, в которой проходит воспламенение.
4. Частный случай - с заслонками-лопастями, отклоняющимися на шарнирах на роторе.
5. Роторные двигатели с простым и равномерным вращательным движением главного рабочего элемента и с уплотнительными заслонками, движущимися в корпусе.
6. Роторные двигатели с простым и равномерным вращательным движением главного рабочего элемента и с использованием такого же простого вращательного движения уплотнительных элементов.
7. Роторные двигатели с простым вращательным движением главного рабочего элемента, без применения отдельных уплотнительных элементов и спиральной организацией формы рабочих камер. Считаются наиболее технически совершенными за счет отсутствия деталей, совершающих возвратно-поступательные движения. Именно они являются РПД («двигателем Ванкеля») в классическом современном понимании. РПД такого типа легко достигают 10000 об/мин.
8. Роторные двигатели с планетарным вращательным движением главного рабочего элемента и без применения отдельных уплотнительных элементов. Самая первая модификация, изобретённая Фройде и Ванкелем.

Достоинства РПД

Раскрыть...

• Конструкция РПД сравнительно мала (в 1,5-2 раза меньше классического ДВС такой же мощности) и имеет малый вес, что улучшает управляемость машины, облегчает оптимальное расположение трансмиссии (развесовка) и высвобождает больше внутреннего компоновочного пространства.
• За счёт отсутствия преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и связанных с этим сил инерции, РПД выдерживает гораздо большие обороты по сравнению с традиционными двигателями. Как следствие — отличные динамические качества (высокая удельная мощность — двигатель рабочим объемом 1,3 литра выдает 220лс, а с турбонаддувом — 350лс!), высокие предельные обороты (до 10000 об/мин), отличная приёмистость и ровная кривая крутящего момента.
• Выдача мощности с каждой секции в течение 3/4 оборота выходного вала (однопоршневой ДВС выдает мощность только на 1/4 оборота).
• Минимум вибраций, прекрасная балансировка (особенно в двухроторных двигателях).
• На 35-40% меньше деталей в конструкции вообще и движущихся масс в частности (отсутствуют поршни, шатуны, коленчатый вал, в «классическом варианте» — газораспределительный механизм), гораздо меньшая масса движущихся частей.
• В простейшем варианте РПД отсутствует отдельная система смазки — масло добавляется в топливо, как при эксплуатации двухтактных мотоциклетных моторов. Смазка пар трения (прежде всего ротора и рабочей поверхности камеры сгорания) в таком варианте производится самой топливо-воздушной смесью.

[свернуть]

Недостатки РПД

Раскрыть...

• Невысокая эффективность уплотнений зазора между ротором и камерой сгорания. Имеющий сложную форму ротор РПД требует надежных уплотнений не только по граням (а их четыре у каждой поверхности — две по вершинным, две по боковым граням), но и по боковой поверхности, соприкасающейся с крышками двигателя. При этом уплотнения выполнены в виде подпружиненных полосок из высоколегированной стали с особо точной обработкой как рабочих поверхностей, так и торцов. Заложенные в конструкцию уплотнений допуски на расширение металла от нагрева ухудшают их характеристики — избежать прорыва газов у торцевых участков уплотнительных пластин практически невозможно (в поршневых двигателях используют лабиринтовый эффект, устанавливая уплотнительные кольца зазорами в разные стороны).
• Сложная система уплотнений ротора требует сложной и эффективной смазки трущихся поверхностей. РПД потребляет больше масла, чем четырехтактный поршневой двигатель (от 400-1200 мл на 1000 км, замена каждые 5000 км). Владельцы автомобилей с РПД рекомендуют проверять уровень масла каждое утро. При этом масло сгорает вместе с топливом, что резко ухудшает экологию РПД.
• Особые требования к качеству масла — в силу склонности к повышенному износу (из-за большой площади соприкасающихся деталей — ротора и внутренней камеры двигателя) и перегрева (из-за повышенного трения и небольших размеров самого двигателя). Для РПД смертельно опасны нерегулярная смена масла (абразивные частицы в старом масле резко увеличивают износ) и переохлаждение мотора. Запуск холодного двигателя и недостаточный его прогрев приводят к тому, что в зоне контакта уплотнений ротора с поверхностью камеры сгорания и боковыми крышками оказывается мало смазки. Если поршневой двигатель чаще всего заклинивает при перегреве, то РПД — во время запуска холодного двигателя или работе в холодную погоду, когда охлаждение избыточно.
• Высокий расход топлива на низких оборотах (и вообще). Теоретически может устраняться отключением части секций на низких оборотах, что заодно снижает температурную нагрузку.
• Высокие требования к геометрической точности изготовления деталей и как следствие высокая сложность производства. Требуется применение высокотехнологичного и высокоточного оборудования: станков, способных перемещать инструмент по сложной траектории эпитрохоидальной поверхности камеры объёмного вытеснения.
• Соединение ротора с выходным валом через эксцентриковый механизм (характерная особенность РПД Ванкеля) вызывает давление между трущимися поверхностями, что в сочетании с высокой температурой приводит к дополнительному износу и нагреву двигателя.
• Высокие перепады давления между камерами ротора при очень небольшой площади пятна контакта. Как следствие — быстрый износ уплотнителей и очень высокие требования к ним, в целом — малый ресурс двигателя (ключевая проблема РПД — высокие утечки между камерами, падение КПД и рост токсичности выхлопа). Так, для Mazda RX-8 ресурс двигателя составляет около 100-150 тысяч км пробега при правильном и своевременном ТО, после чего идет капитальный ремонт с заменой уплотнителей. Частично проблема быстрого износа уплотнителей на высокой скорости вращения вала была решена применением высоколегированной стали.
• Меньшая эластичность относительно классических поршневых ДВС — РПД выдает оптимальную мощность только на высоких оборотах, что требует усложнения трансмиссии.
• Плохая геометрия камеры сгорания, которая в РПД имеет линзовидную форму, т.е. относительно большую площадь при маленьком объёме. При горении рабочей смеси основные потери энергии идут через излучение, поэтому идеальная форма камеры сгорания - сферическая. Тепловые потери не только снижают эффективность преобразования химической энергии в механическую, но и ведут к сильному перегреву двигателя (т.е. более высокому тепловому режиму), а также плохому сгоранию топливно-воздушной смеси и склонности к детонации. Частично эта проблема решается установкой двух свечей в разных зонах на одну камеру сгорания.
• Малый ресурс свечей зажигания, их перегрев, необходимость замены каждые 10000 км.

[свернуть]

[свернуть]

Устройство РПД

Раскрыть...

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

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

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

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

[свернуть]

Применение

Раскрыть...

Первым серийным автомобилем с роторным двигателем стал NSU Spider, который был выпущен в 1964 году. NSU - немецкая компания, основанная в 1873 году, которая выпускала автомобили и мотоциклы. До 1969 года просуществовала как отдельная компания, далее была куплена концерном Volkswagen Group.

Первой массовой (37204 экземпляра) стала модель NSU Ro-80, настоящий прорыв благодаря правильному маркетингу. Однако ставка на «революционную технологию» РПД, еще не отлаженную в реальных условиях, стала серьезной ошибкой. Ресурс двигателя составил не более 50 тыс. километров, а зачастую и сильно меньше. РПД часто заменяли на поршневой L4 «Essex» фирмы Ford.

Также РПД устанавливались на автомобили:

• Citroen GS Birotor (проект Citroën M35)
• Mercedes-Benz С111
• Chevrolet Corvette
• ВАЗ 21018 (1976 год), 21079 и 2110 (модификации для спецслужб)
• Mazda (с 1978 года, Cosmo Sport и серия Rotor-eXperiment, широко известная как RX)

Серия RX завершена в 2008 году на модели RX-8. Всего в серии выпущено более миллиона машин с РПД. Всего на пике популярности патент на двигатель Ванкеля был куплен 11 ведущими автопроизводителями мира.

Интересно, что автомобили Mazda с буквами RE в наименовании (первые буквы от названия «Renesis») могут использовать в качестве топлива как бензин, так и водород (так как менее чувствителен к детонации, чем обычный двигатель, использующий возвратно-поступательное движение поршня).

Также РПД применяются на мотоциклах (мелкими сериями) и в авиационном моделизме.

Интересно, что получив патент на РПД в 1936 году, Феликс Ванкель стал изобретателем не только двигателя внутреннего сгорания, но еще и роторно-поршневых насоса и компрессора. И эти устройства можно встретить гораздо чаще, чем РПД — на производстве, в ремонтных мастерских, в быту. Например, портативные электрические компрессоры для автомобилистов очень часто устроены по принципу роторно-поршневого насоса.