Что такое ротерный двигатель

Роторы vs поршни: гонка вооружения

На протяжении всей истории автомобиля не прекращались попытки заменить привычный нам теперь поршневой двигатель каким-либо другим. Когда-то конкуренцию ему пыталась составить паровая машина, время от времени вспыхивало увлечение электромобилями, в конце 60-х некоторые фирмы всерьез обратились к газовой турбине. В ряду этих именитых соперников есть и такой, который все же пробился на автомобильный конвейер — роторный двигатель. Как это былоНадо сказать, что основные принципы работы подобного аппарата появились задолго до воплощения. Еще в 1846 году были определены геометрическая форма рабочей камеры сгорания современных роторных двигателей и принцип работы, основанный на свойствах эпитрохоиды. Это геометрическая линия, создаваемая точкой одной окружности, которая катится без проскальзывания по внешней стороне другой окружности большего диаметра. Джеймс Уатт, изобретатель паровой машины с вращательным движением, также разрабатывал двигатель внутреннего сгорания роторного типа. Идея же воплощения подобного мотора появилась в 20-х годах прошлого столетия, когда конструкция автомобиля до конца не устоялась, и предлагались самые разнообразные решения. В то же время она выглядела вполне своевременной. Но из-за ряда технических сложностей так и не была адекватно воплощена. За последние 150 лет изобретатели предложили множество конструкций роторного двигателя. В 1924 году, когда 22-летний Феликс Ванкель начал создавать свой роторный двигатель, практические результаты еще не были получены. Ванкель исследовал и анализировал возможности различных типов роторного двигателя и нашел оптимальную форму трохоидообразного корпуса. Многолетние совместные исследования и разработки Ванкеля и компании NSU, увенчались в 1957 году созданием первого роторного двигателя — DKM, который доказал, что роторный двигатель — не просто мечта. Однако сложная конструкция — вращался сам трохоидообразный корпус — делала этот роторный двигатель непрактичным. Но спустя год появился двигатель KKM с неподвижным корпусом. Это был прототип современного роторного двигателя. В ноябре 1959 года компания NSU официально объявила о создании роторного двигателя Ванкеля. Президент компании Mazda г-н Цунеджи Мацуда тотчас оценил огромный потенциал этого агрегата и лично заключил договор о сотрудничестве с NSU. В 1963 году созданное подразделение Mazda по исследованию роторных двигателей, возглавляемое г-ном Кеничи Ямамото, приступило к разработке первого в мире роторного двигателя для серийного производства. 30 мая 1967 года Mazda начала продавать первый автомобиль с двухроторным двигателем, Cosmo Sport, оснащенный двигателем Type 10A мощностью 110 л.с. Дальнейшие разработки привели к снижению расхода топлива более чем на 40 процентов и существенному уменьшению количества токсичных выхлопов для соответствия требованиям экологических норм. К 1970 году общее число автомобилей с роторным двигателем достигло 100 тысяч. К 1975 году было собрано 500 тысяч таких автомобилей. К 1978 году — более миллиона. Роторный двигатель пришел в автомобильный мир всерьез и надолго. Эпитрохоиды, статоры, и прочие диковиныДавайте рассмотрим, как работает это чудо технической мысли. Функцию поршня в РПД выполняет трехвершинный ротор, преобразующий силу давления газов во вращательное движение эксцентрикового вала. Движение ротора относительно статора (наружного корпуса) обеспечивается парой шестерен, одна из которых жестко закреплена на роторе, а вторая на боковой крышке статора. Шестерня неподвижно закреплена на корпусе двигателя. С ней в зацеплении находится шестерня ротора. Ротор с зубчатым колесом как бы обкатывается вокруг шестерни. Вал вращается в подшипниках, размещенных на корпусе, и имеет цилиндрический эксцентрик, на котором вращается ротор. Взаимодействие этих шестерен обеспечивает целесообразное 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, а за полный оборот ротора в каждой из камер совершается полный четырехтактный цикл. Газообмен регулируется вершиной ротора при прохождении ее через впускное и выпускное окно. Такая конструкция позволяет осуществлять 4-тактный цикл без применения специального механизма газораспределения. Герметизация камер обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами. Крутящий момент получается в результате действия газовых сил через ротор на эксцентрик вала. Смесеобразование, зажигание, смазка, охлаждение, запуск — принципиально такие же, как и у обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания. Рассмотрим подробнее все фазы работы РПД.Впуск.В трех рабочих полостях отдельные фазы рабочего процесса сдвинуты друг относительно друга на 120 градусов угла поворота ротора. Фазы начала и конца каждого такта определяются положением вершин ротора относительно впускного и выпускного окон. В отличие от поршневого двухтактного двигателя окна в корпусе роторно-поршневого двигателя все время открыты и соединяют соответствующие каналы с какой-либо полостью. Вследствие этого отдельные фазы рабочих процессов в смежных полостях роторно-поршневого двигателя частично перекрываются. Центральный угол поворота вектора равен углу поворота ротора относительно корпуса. Учитывая, что эксцентриковый вал вращается в 3 раза быстрее ротора, все углы поворота ротора необходимо помножать на 3, чтобы определить углы поворота эксцентрикового вала. Во время начальной стадии процесса наполнения возможна продувка полости, в которой заканчивается расширение. Процесс наполнения начинается с момента открытия вершиной треугольного ротора впускного окна. При прохождении вершиной ротора зоны впускного окна выпускное окно все время полностью открыто. Продувка заканчивается в момент отсечки выпускного окна вершиной B ротора. Угол поворота ротора, соответствующий продувке, составляет около 40о и определяется положением внутренних кромок впускного и выпускного окон. После отсечки вершиной ротора выпускного окна начинается наполнение при увеличении объема полости. В конце этого периода, занимающего примерно 100о угла поворота ротора, скорость изменения объема полости уменьшается. Так как в этот момент впускные окна еще открыты, а скорость смеси во впускном трубопроводе достаточно велика, происходит дозарядка рабочего объема. Использование динамических явлений во впускном трубопроводе позволяется получать достаточно высокий коэффициент наполнения даже при высоком числе оборотов ротора. СжатиеСжатие рабочей смеси начинается после перекрытия вершиной ротора впускного окна и заканчивается при достижении минимального объема. Процесс сжатия характеризуется несколько большими утечками рабочего тепла через уплотнения ротора, чем в поршневом двигателе, и меньшей теплоотдачей в стенки. По экспериментальными данным показатель политропы сжатия в роторно-поршневых двигателях n1= 1.36−1.39, несколько больше, чем в поршневом двигателе с внешним смесообразованием. Сжатие смеси соответствует примерно 80о угла поворота ротора. В конце процесса сжатия в течение времени, соответствующего примерно 10о угла поворота ротора, одновременно с уменьшением объема полости происходит первая фаза сгорания смеси. В роторно-поршневых двигателях, изменяя форму ротора и параметр формы эпитрохоиды, можно получить степень сжатия до 11 — 12. Однако при таком увеличении степени сжатия значительно ухудшается форма камеры сгорания и соответственно снижается экономичность. Практически степень сжатия выбирают в пределах 8,5 — 10 СгораниеПроцесс сгорания в роторно-поршневых двигателях начинается за 10−15о угла поворота ротора до момента достижения минимального объема камеры сгорания. При достижении минимального объема камера сгорания представляет собой узкую щель с двумя клинообразными окончаниями, сжатую в средней части выступом эпитрохоидальногр профиля корпуса двигателя. При движении ротора отношение объемов двух частей камеры сгорания изменяется и рабочее тело перетекает из одной части в другую. Для уменьшения потерь при перетекании в теле ротора имеется выемка. Воспламенение смеси производится одной или двумя свечами зажигания. В случае одной свечи зажигания ее устанавливают в части камеры сгорания, расположенной ближе к выпускным окнам двигателя. Фронт пламени движется навстречу потоку смеси, вытесняемой из уменьшающейся части камеры сгорания. При использовании двух свечей зажигания одну из них устанавливают в одной части камеры сгорания, а другую — в другой. Как показывают эксперименты, роторно-поршневые двигатели могут работать на низкооктановых топливах (с октановым числом 66 или 72) без детонации при степени сжатия 9. Зона корпуса двигателя, в которой происходит сгорание смеси, не омывается холодными газами при наполнении, поэтому температура стенки корпуса в этом месте выше, чем у поршневого двигателя. Количество теплоты, отводимой от стенки за период сгорания, несмотря на увеличение времени сгорания, возрастает сравнительно мало из-за высоких температур стенки корпуса и ротора двигателя, а следовательно, уменьшается теплоотвод под ним. РасширениеКогда сгорание в основном закончилось, начинается расширение рабочего тела. Период расширения газов соответствует примерно 90о угла поворота ротора. Затем открывается выпускное окно и во время поворота ротора примерно 20о происходит свободный выпуск газов. ВыпускВыпуск газов можно разбить на четыре периода: первый — от момента открытия выпускного окна до достижения максимального объема полости; второй — принудительный выпуск, протекает при уменьшающемся объеме полости до момента открытия впускного окна (примерно 60о угла поворота ротора); третий — выпуск, совмещенный с предварением впуска, происходит при уменьшающемся объеме полости, но при наличии продувки; четвертый — окончание выпуска, совмещен со свободным выпуском из следующей полости (продолжительность этого периода соответствует примерно 10о угла поворота ротора). Общая продолжительность процесса выпуска около 120о угла поворота ротора. Затем все повторяется. Серийные РПДБолее 30 лет разные автопроизводители пытались совладать с многообещающим, но капризным творением Ванкеля. Опустили руки все, кроме Mazda и … ВАЗ, где роторные двигатели мелкими сериями еще делают. Создавалось впечатление, что сдастся и Mazda, преуспевшая больше остальных… Но в 2002 году в Токио Mazda представила новый автомобиль следующего поколения — концепт RX-Evolv с атмосферным роторным двигателем Renesis (комбинация слов renaissance — «возрождение» и genesis — «начало») объемом 2 л, который развивает 280 л.с. при 8000 об. в мин. Это рекордная литровая мощность для безнаддувных двигателей. Это был легендарный RX -8. ВАЗ тоже делает успехи в этом направлении. Во времена бывшего СССР существование отечественных машин с двигателями Ванкеля не афишировалось. Ими пользовались наши спецслужбы. В последнее время ВАЗ стал предлагать «восьмерки» и «десятки» с двухсекционными моторами ВАЗ-415. Каждая секция имеет объем 654 см³, что позволяет достичь мощности 140 л.с. (6500 об. в мин.) и крутящего момента 186 Нм (4500 об. в. мин.). А 200 км/ч для «десятки» — совсем неплохо… Но по конструкции ВАЗовский мотор уступает японским. При этом случаи полной выработки ресурса практически неизвестны. Мотора ВАЗ-415 хватает на 80−100 тыс. км, а в некоторых случаях и 150 тыс.км., после чего требуется его переборка. Гарантированный пробег японских двигателей — 300 тыс.км. Обслуживание самое обычное — замена эксплуатационных жидкостей. Строго рекомендуется применять только высококачественное минеральное масло, так как «синтетика», сгорая в двигателе, закоксовывает уплотнения ротора. Расход 500 граммов масла на 1000 км пробега — норма для этого двигателя, ведь часть масла специальным насосом впрыскивается прямо во впускной коллектор для дополнительной смазки трущихся поверхностей. Но из-за постоянных доливов масло требуется менять не чаще, чем через 10−12 тыс. км, и обязательно после зимней эксплуатации. Этому мотору все равно на каком бензине работать, нужно только соответствующим образом настроить систему зажигания. Кроме того, этот двигатель с легкостью проходит все тесты на экологичность. Плюсы и минусыНастало время поговорить о плюсах и минусах РПД. Распространенное мнение о недолговечности, ненадежности и проблемах при эксплуатации роторных двигателей не соответствует действительности. Все зависит от правильного и своевременного обслуживания роторного автомобиля. Запас мощности в РПД — более, чем достаточный. Кроме того, ремонтируется он даже легче, чем обычный — деталей-то в несколько раз меньше. Меньшая массаИз-за отсутствия необходимости в поршнях, шатунах и коленвале основной блок роторного двигателя имеет меньшие размеры и массу при лучших динамических характеристиках и управляемости. Меньшие размерыРоторный двигатель существенно меньше традиционного двигателя такой же мощности. Новый двигатель RENESIS примерно равен по размерам небольшому обычному четырехцилиндровому рядному двигателю. Небольшие размеры роторного двигателя выгодны не только тем, что уменьшают массу — они также улучшают управляемость, облегчают оптимальное расположение трансмиссии и позволяют сделать автомобиль более просторным для водителя и пассажиров. Меньший уровень вибрацииВсе части роторного двигателя непрерывно вращаются в одном направлении, а не изменяют направление своего движения так, как поршни обычного двигателя. Роторные двигатели внутренне сбалансированы, что снижает уровень вибрации.

Как работает роторный двигатель

Если мы говорим о роторном двигателе, то должны понимать, что он совершенно не похож на двигатель внутреннего сгорания ни конструктивно ни принципом работы. Более того, в РПД нет доброй сотни всех тех деталей, которые есть и постоянно ломаются в ДВС. Роторный двигатель гораздо проще конструктивно.

Однако, как и любой другой механизм, он имеет свои положительные и отрицательные стороны. Сегодня мы поговорим об одном и о другом.

Если в двух словах, то РПД состоит из овальной формы статора и треугольного ротора. У такого двигателя нет ни коленчатого вала, ни поршней, ни чего такого, что мы знаем из конструкции ДВС. Весь процесс замыкается на вращении треугольного ротора и создания трех областей, в которых собственно и происходят все процессы.

Почему РПД уступил первенство ДВС

Ниже мы рассмотрим детальнее принцип работы роторного двигателя. Но даже из упрощенного описания можно сделать вывод, что РПД должен быть выгоднее поршневого ДВС. Почему же он не прижился? Оказывается, у него есть и существенные минусы.

Дело в том, что процессы, происходящие внутри роторного двигателя, требуют от него четкого взаимодействия между тем же статором и ротором. Работают детали на достаточно высоких температурах. А сжатие должно быть достаточным. Значит приходится применять более дорогостоящие детали из специальных сплавов.

Еще один, как по мне, серьезный минус — это большой расход топлива. Если взять к примеру двигатель 1,3 л , то он будет потреблять все литров двадцать на сто километров! А это много.

Но раз уж мы заговорили о РПД, значит не все так сумрачно. Есть у этих двигателей и громадные плюсы. Вот к примеру тот же двигатель 1,3 л будет иметь мощность около 250 л.с. А вот это уже серьезно! Малые габариты и высокая мощность, такому двигателю можно найти применение в том же гоночном спорте.

Японские умельцы

Но все же нашлись среди производителей популярных марок автомобилей пионеры-первопроходцы, которые поверили в перспективность роторного двигателя. Этими пионерами оказались конструкторы из компании Мазда.

Они взяли за основу роторный двигатель и вышли на уровень в 350 л.с. , существенно опережая немецких конкурентов при том же объеме двигателя. Конечно проигрывая по расходу топлива.

Современные модели с применением новых конструкторских решений при объеме двигателя 1,3 л выдают 200 л.с. и потребляют топливо на уровне и ниже поршневых конкурентов.

Что же у него внутри

Работа роторного двигателя делится на три основных этапа:

— впрыск и смешивание топливной смеси;

— сжатие и воспламенение;

— вытеснение и сброс выхлопа.

Т.е. треугольная форма ротора собственно и определяет все основные процессы. Воспламенение происходит при помощи двух свечей.

Однако японские конструкторы не привыкли сидеть на месте. И вот они уже дают жизнь двух и трех роторным двигателям. Т.е. при компактности конструкции, растет общая мощность, а потребление топлива идет на спад.

Из выше изложенного можно сделать вывод, что при правильном подходе можно добиться и производительности, и невысокого расхода топлива. Плюс ко всему простота конструкции, а значит и ремонта.

» ЧЕРЕЗ ТЕРНИИ – К ЗВЁЗДАМ

• Русский
  • American
  • Čeština
  • Deutsch
  • UK
  • Español
  • Français
  • Italiano
  • 简体中文
  • Global Edition

ЧЕРЕЗ ТЕРНИИ – К ЗВЁЗДАМ

Компания MISTRAL Engines разработала новый мультитопливный роторный двигатель с жидкостным охлаждением и электронным управлением, отвечающий запросам гражданской авиации XXI века.

РЕЗЮМЕ

Компания MISTRAL Engines SA основана в 2001 г., штаб-квартира находится в Женеве, Швейцария. В компании имеются конструкторские бюро, испытательная лаборатория и сборочный цех.
В компании работают 22 человека в Женеве и еще двое в MISTRAL Engines USA Inc. – 100-процентном дочернем предприятии, которое находится в городке ДеЛэнд, штат Флорида. Компания находится в частном владении группы пилотов и других лиц.
Главный исполнительный директор Филипп Дюрр – сам энтузиаст и опытный летчик-любитель.

Компания MISTRAL Engines разработала новый мультитопливный роторный двигатель с жидкостным охлаждением и электронным управлением, отвечающий запросам гражданской авиации XXI века.

Демонстрация мотора, работающего без вибраций, была убедительной: Ян Оливье поставил бокал с вином на двигатель и дал газ. Частота вращения увеличивалась до 3000, 4000, 5000 об/мин и выше. Выхлопная труба раскалилась сначала докрасна, а потом добела. Но бокал не сдвинулся с места, лишь небольшая рябь была едва заметна на поверхности вина. «Попробуйте проделать такое с любым другим возвратно-поступательным поршневым двигателем, – говорит Оливье. – Бокал мгновенно упадет».

Оливье работает менеджером по системам силовых установок в MISTRAL Engines SA – швейцарской компании, чей коллектив разработал инновационный роторно-поршневой двигатель для воздушных судов гражданской авиации (ГА), обладающий множеством преимуществ по сравнению с возвратно-поступательными поршневыми моторами.

Рынок ГА – это воздушные суда невоенного назначения. В мире насчитывается примерно 300 тыс. воздушных судов ГА, в основном малого и среднего размера. Возвратно-поступательные поршневые двигатели всегда доминировали на рынке ГА. Но такая конструкция с поршнями, которые меняют направление своего движения на противоположное тысячи раз за минуту, имеет ограничения в силу самой своей природы. В 2001 г. группа пилотов-любителей и владельцев воздушных судов в Швейцарии основала компанию для создания нового вида двигателя на основе схемы Ванкеля.

Феликс Ванкель разработал роторно-поршневой двигатель в Германии в 1950-е гг. В двигателе такого типа почти треугольный ротор вращается в почти овальном корпусе. Топливо сгорает в пространстве между ротором и корпусом. При отсутствии деталей, которые совершают возвратно-поступательные движения и подвержены высоким механическим напряжениям, роторно-поршневые двигатели обладают надежностью, долговечностью, компактностью, имеют низкие издержки на техническое обслуживание, высокую удельную мощность на единицу массы и могут работать на разных видах топлива.

Роторно-поршневыедвигатели устанавливаются на многих транспортных средствах и устройствах различного назначения, включая автомобили, беспилотные летательные аппараты, карты (малолитражные гоночные автомобили), гидроциклы, бензопилы и вспомогательные силовые установки.

Наиболее широко они применяются в автомобилях японской компании Mazda. В 1991 г. автомобиль Mazda с двигателем Ванкеля выиграл 24-часовую гонку в Ле-Мане во Франции. На следующий год правила изменились, и таким автомобилям запретили участвовать в гонке.

«Двигатель Ванкеля – проверенная технология, – говорит Филипп Дюрр, главный исполнительный директор компании MISTRAL. – В прошлом его недостатком было высокое потребление топлива. Теперь наша передовая система управления двигателем сократила потребление топлива до уровня, сравнимого с обычными авиационными двигателями. Наш филиал MISTRAL Engines USA Inc. работает над получением сертификации в Федеральной авиационной администрации, США».

Рынок гражданскойавиации (ГА) формируют заказчики трех типов: «умельцы», собирающие летательные аппараты своими руками по «экспериментальным» чертежам; изготовители авиационного оборудования (OEM), такие как Cessna и Piper, которые устанавливают сертифицированные двигатели в воздушные суда своей разработки; и те, кто занимается модернизацией имеющегося парка воздушных судов. «Сегмент OEM – самый крупный, но рынок модернизации тоже важен, – поясняет Дюрр. – В среднем срок службы воздушного судна – 35 лет, а авиационного двигателя – 12 лет, так что самолет за свою «жизнь» меняет три двигателя. При 300 тыс. воздушных судов по всему миру это означает огромные возможности для модернизации двигателей».

Ассортимент продукции MISTRAL включает безнаддувные двух- и трехроторные двигатели для самолетов и вертолетов со взлетной мощностью 148 кВт (200 л.с.) и 220 кВт (300 л.с.). Варианты с турбонаддувом имеют мощность 170 кВт (230 л.с.) и 265 кВт (360 л.с.) соответственно и пока еще находятся в разработке. Эти двигатели работают на большинстве марок автомобильного и авиационного горючего, этилированного и неэтилированного, и смесях, содержащих до 15 % этанола. В планах на будущее – двигатели, которые будут использовать топливо для реактивных двигателей (JET-A1).

Двигатели MISTRAL исключительно просты. Силовой модуль мощностью 75 кВт (100 л.с.) состоит из трех деталей: корпуса, ротора и вала, а силовой модуль мощностью 37 кВт (50 л.с.) возвратно-поступательного поршневого двигателя требует более 30 деталей. Детали двигателей MISTRAL совершают только вращательные движения, поэтому они испытывают меньшие механические напряжения. В результате ремонт требуется реже и стоимость его ниже.

Двигатель MISTRAL имеет низкий вес (132 кг в модели мощностью 148 кВт, 177 кг в модели мощностью 220 кВт), поэтому воздушное судно может взять на борт больший вес, а его площадь лобовой поверхности меньше, чем у эквивалентного возвратно-поступательного двигателя, что позволяет добиться более обтекаемой аэродинамической формы.

Двигатель MISTRAL имеет жидкостное охлаждение (обычно двигатели легких самолетов имеют воздушное охлаждение), поэтому он работает при постоянной температуре и не имеет проблем с термоударами, которые в противном случае могут иметь место при быстром снижении на низких скоростях работы двигателя.

Несмотря на то,что двигатель MISTRAL работает на относительно высоких частотах, более 6 000 об/мин, встроенный редуктор с передаточным соотношением 2,8-1 понижает скорость вращения винта до 2 100 – 2 200 об/мин. Это вместе с плавностью хода, присущей двигателю, снижает уровень шума примерно на 10 дБ как внутри кабины, так и снаружи.

И если в возвратно-поступательной конструкции любая поломка носит катастрофический характер, то падение мощности в роторно-поршневом происходит постепенно, что очень важно для безопасности полета.

На вопрос о стоимости двигателя MISTRAL Дюрр отвечает следующее: «Цена покупки MISTRAL несколько выше, но более высокая надежность, больший срок службы, меньшие расходы на техническое обслуживание и способность работать на разном топливе означают, что общие расходы владельца будут ниже».

Что сулит компании будущее? «MISTRAL – частная компания, и мы готовы к тому, что путь на рынок будет долгим, – говорит Дюрр. – Мы должны быть очень осторожны в выборе поставщиков. Если мы меняем поставщика подшипников, например, мы вынуждены заново проходить процедуру сертификации в ФАА. Вот почему мы остановили свой выбор на SKF».

SKF поставляет подшипники для пропеллерных валов и другие элементы двигателей для MISTRAL Engines, включая шарикоподшипники с четырехточечным контактом, радиальные шарикоподшипники и фторопластовые уплотнения, стойкие к воздействию масел и высоких температур. Подшипники изготавливаются дочерней компанией SKF – Somecat SpA, расположенной в городке Пьянецца, Италия.

Завод изготавливает специальные шариковые и цилиндрические роликовые подшипники для авиакосмической промышленности и других областей, где предъявляются высокие требования к эксплуатационным характеристикам. Каждый подшипник для авиакосмической отрасли изготавливается из материалов высочайшего качества и имеет индивидуальный шифр и обозначение для обеспечения полной прослеживаемости изделия.

Роторный двигатель: орел и решка

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

ЧУЖОЙ СРЕДИ СВОИХ

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

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

rotor1

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

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

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

rotor2

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

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

Двигатель Ванкеля: НЕ ВСЁ ТАК ПРОСТО

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

rotor3

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

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

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

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

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

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

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

НА ДЕЛЕ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Mazda RX-8: ТЕСТ НА ВЫНОСЛИВОСТЬ

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