Что такое роторный двигатель и как он работает

Безраздельное властвование в автомобилестроении поршневых ДВС, характеризующихся наличием механизма обратно-поступательного движения поршня, отнюдь не связано с техническим совершенством их устройства. Более того, такие силовые агрегаты обладают большим количеством конструкционных недостатков, которые в принципе непреодолимы. И никакие ухищрения, основанные на достижениях технического прогресса последних десятилетий, не способны искоренить эти недостатки.

Но поскольку техническую мысль невозможно ни замедлить, ни тем более остановить, ведущие инженеры и целые конструкторские бюро на протяжении последних ста лет усиленно работали над поиском достойной альтернативы ПДВС.

Следует отметить, что в этом направлении уже достигнуты немалые успехи, даже если не принимать во внимание силовые агрегаты с реактивной тягой. В частности, в сфере двигателей, у которых момент движения передается на вал вращения, классический поршневой мотор уже достаточно давно в разных областях применения начал сдавать свои позиции.

Так, в среде стационарных установок вне конкуренции находится электромотор, в авиастроении предпочтение отдают газотурбинным силовым агрегатам, паровые турбины эффективно используется в судостроении и в энергетических силовых установках типа электростанций.

Отметим, что все указанные разновидности моторов относятся к категории роторных машин, поскольку у всех их основной рабочий орган — вращательный, без наличия возвратно-поступательных компонентов. Если рассматривать такую конструкцию с точки зрения термодинамики и классической механики, то она оказывается наиболее эффективной, передающий момент движения с минимальными потерями.

Что такое роторная силовая установка

Роторный двигатель внутреннего сгорания представляет собой разновидность тепловых моторов, у которых в общем элементом является ротор. Принципиальное отличие от поршневых ДВС заключается в том, что такие агрегаты не нуждаются в конструктивных элементах, занимающихся преобразованием возвратно-поступательного движения во вращение основного вала.

Теоретически такой агрегат должен обладать более высоким КПД. Но на практике реализация таких схем оказалось технически достаточно сложной, несмотря на отсутствие такой промежуточной системы, как коленвал. Выяснилось, что роторный мотор обладает некоторыми недостатками, которые настолько существенны, что из-за них этот тип двигателей конкретно в автомобилестроении так и не получил массового распространения. Почему так произошло, мы расскажем чуть позже.

Если обратиться к истории, то 1 роторный двигатель был продемонстрирован инженерами Ванкелем и Фройде в 1957 году. Именно тогда немецкие изобретатели сумели воплотить в жизнь свои задумки. Презентация нового типа автомобильных двигателей оказалась настолько успешной, что многие автопроизводители мирового масштаба серьёзно заинтересовались этой разработкой. Достаточно назвать такие бренды, как Citroen, General Motors, Mercedes-Benz. Но после многолетних исследовательских и испытательных работ все они признали бесперспективность роторных силовых агрегатов. Но не японский автоконцерн Mazda. Инженеры этой компании всё же сумели вывести в серию роторные двигатели, которые выпускались автоконцерном достаточно долго.

Следует отметить, что даже АвтоВАЗ на протяжении ряда лет оснащал ограниченные серии своих моделей роторными двигателями. Правда, такие машины не поступали в розничную сеть — ими комплектовались автопарки силовых органов (МВД и КГБ).

Поскольку роторный силовой агрегат относится к категории ДВС, принцип его работы, как и поршневого аналога, заключается в преобразовании тепловой энергии сгорания горючего в энергию вращения. Разумеется, такое преобразование осуществляется принципиально иным, более простым способом. Дело в том, что в роторном моторе основной рабочий орган — это ротор, который жестко связан с приводным валом. В классическом двигателе внутреннего сгорания движущей силой является поршень, двигающийся поступательно вверх-вниз. Для преобразования такого движения во вращательное требуется использование достаточно сложного механизма — кривошипно-шатунного, составной частью которого является коленчатый вал.

Именно в этом и заключается разница между роторным двигателем и обычным поршневым ДВС.

Классификация роторных двигателей

Было бы наивным предполагать, что усилия армии инженеров были сосредоточены исключительно на конструирование альтернативы поршневому мотору. Ещё в шестидесятых годах прошлого столетия были продемонстрированы разработки роторных силовых агрегатов с концептуально разными схемами реализации.

На сегодня можно перечислить следующие виды роторных моторов:

• двигатели с разнонаправленным движением рабочих элементов. Их отличительной особенностью является не вращательное, а возвратно-поступательное движение (качание по эллипсоидной дуге вокруг продольно оси). В таких моторах процесс сгорания ТВС, сопровождающийся фазами сжатия/расширения отработанных газов, реализуется в полостях между жёстко укреплёнными лопатками статора, что и определяет замысловатую траекторию движения ротора, отличающуюся от вращения вокруг оси. Таким образом, конструктивно это действительно роторный агрегат, но по принципу передачи движения он является промежуточным решением между поршневым и вращательным способами передачи момента движения на приводной вал. Более того, некоторые склонны причислять такие моторы к поршневым ДВС, ведь у них существует и своеобразный аналог кривошипного механизма, преобразующий колебания ротора во вращательное движение. Такое усложнение конструкции оказалось не слишком оправданным, так что РДВС данного типа не получили сколь-нибудь заметного распространения. К тому же у этой конструкции имеется очень серьёзный недостаток – относительно высокая вероятность столкновений лопастей, что во время работы двигателя грозит очень серьёзными неприятностями;
• роторные моторы с однонаправленным движением рабочих элементов. У этой разновидности силовых агрегатов имеется два ротора, заключённых в единый корпус. Они вращаются со сдвигом по временной фазе, как бы догоняя во время работы мотора друг друга. Такой тип вращения ротора принято называть пульсирующе-вращательным. Здесь рабочие такты сгорания ТВС происходят в кавернах, образующихся между лопастями смежных роторов на фазах их максимального сближения/удаления. Схема рабочая, но характеризующаяся существенным недостатком: оба головных вала вращаются рывками, равномерное движение отсутствует. Для выравнивания импульсного момента требуется использовать очень сложные устройства и механизмы, позволяющие преобразовывать знакопеременные нагрузки с целью выравнивания скоростей обеих валов. Отметим, что, как и в предыдущей разновидности роторных агрегатов, здесь также не исключены ударные столкновения параллельных лопастей в фазе их сближения;
• роторные моторы с уплотнительными заслонками. Эта разновидность двигателей оказалась более удачной и широко применяется и в настоящее время, преимущественно в пневматических силовых агрегатах. Но в этом случае в качестве движущей силы выступает уже не горючее, а сжатый воздух. Здесь лопасти ротора выступают в качестве заслонок, а сам вал также движется не прямолинейно, совершая качающиеся либо возвратно-поступательные движения. Как правило, лопасти в таких моторах закреплены на шарнирах, что позволяет им в нужный момент отклоняться. К сожалению, создать такой же эффективный мотор для ДВС так и не удалось, поскольку здесь для реализации задуманного необходимо обеспечить гораздо боле герметичную схему, чем при использовании пневматики. Оказалось, что в условиях больших значений рабочего давления и температур хорошо получается что-либо одно: или обеспечение надлежащей герметичности, либо обеспечение требуемой подвижности роторных лопастей. Добиться приемлемых показателей одновременно не получается. К тому же имеются объективные сложности, касающиеся обеспечения непрерывного движения лопастей. Это можно сделать, используя отдельный специализированный привод, или с помощью комбинации действия пружин и центробежной силы вращения. Оба варианта реализовать чрезвычайно сложно, поэтому в автомобилестроении данная разновидность роторных моторов так и не смогла оказать достойную конкуренцию классическим ДВС;
• двигатели роторного типа с подвижными уплотнительными заслонками. Схожесть с моторами предыдущего типа очевидна. Разница заключается в том, что здесь лопатки, являющиеся также заслонками, не являются частью ротора – они прикреплены к внутренней стенке корпуса, в нужный момент выдвигаясь внутрь. У ротора также имеются лопасти, но довольно экзотической формы. Именно на них и приходится основная часть нагрузки в виде давления отработанных газов. Задача роторных лопаток – отсекать в определённые моменты лопасти-заслонки от камеры сгорания. Технически всё это реализовать тоже очень непросто, и перечень недостатков такой конструкции схож с предыдущим;
• моторы с простым вращательным движением роторного вала. В силу простоты конструкции такие агрегаты можно назвать самыми совершенными и очень перспективными. Здесь просто отсутствуют механизмы, совершающие любые виды движения, кроме вращательного. Неудивительно, что достижение скоростей вращения порядка десятков тысяч об/мин для них – не проблема. Отметим, что первые подобные двигатели были сконструированы ещё в конце XIX, продемонстрировав более высокие эксплуатационные характеристики, чем тогдашние поршневые двигатели. Отметим, что в то время основной движущей силой был пар, а не бензин. Но со временем поршневые силовые установки перевели на углеводородное топливо, а вот с роторными аналогами случилась загвоздка;
• роторные силовые агрегаты с планетарным механизмом вращения. Это – так называемые двигатели Ванкеля, немецкого инженера-конструктора, впервые предложившего такой мотор. Именно они и легли в основу всех попыток создать конкурентоспособный ДВС на роторной тяге. В дальнейшем мы будем вести речь именно об этой разновидности роторных силовых агрегатов.

Итак, пришла пора ознакомиться с устройством и принципом работы роторно-поршневых двигателей.

Конструкция роторного двигателя

Поскольку РПД и классический поршневой мотор являются двигателями внутреннего сгорания, было бы логичным предположить, что и система впрыска ТВС, а также система зажигания у них схожи. Так оно и есть, но строение самих силовых агрегатов кардинально разное.

Устройство роторного двигателя включает следующие основные конструктивные элементы:

• собственно ротор;
• статор, в роли которого выступает корпус мотора;
• приводной (выходной) вал.

Здесь используется классическая компоновка: вращающийся ротор находится внутри статора. Геометрия ротора предполагает наличие трёх выпуклостей, которые, по существу, являются аналогами поршня. Углубление в этих выпуклостях способствует повышению скорости вращения за счёт формирования завихрений отработанных газов. Каждая выпуклость комплектуется двумя кольцами, внутри которых формируются полости, представляющие собой камеры сгорания.

Одной из самых важных элементов ротора считается расположенное примерно посередине вала зубчатое колесо. Оно входит в зацепление с шестерней, располагаемой напротив на корпусе мотора. Эта зубчатая пара и является той компонентой, которая формирует направление и, разумеется, траекторию движения самого ротора.

Корпус РДВС выполнен в виде овала, что резко контрастирует с внешностью традиционного поршневого двигателя. Сделано это для того, чтобы все вершины ротора (напомним, их всего три) постоянно контактировали со стенками статора. Посредством такой экзотической геометрии достигается формирование в любой момент времени трёх камер сгорания, полностью герметичных и целиком изолированных от влияния соседний полостей. Впускная система также необычна: вместо клапанного механизма используются специальные порты впуска/выпуска, первый из которых непосредственно ведёт к дросселю, второй – к выхлопной системе, тоже напрямую, без каких-либо промежуточных конструктивных элементов.

Выходной вал ротора абсолютно не похож на коленвал поршневого ДВС. Да, на нём присутствуют эксцентрики в виде выступов специальной формы, расположенных на валу с определённым смещением относительно осевой линии. Но они служат для сопряжения с роторами (их у двигателя бывает несколько). Каждый отдельный ротор, вращаясь, воздействует на свой кулачковый эксцентрик, усиливая крутящий момент выходного вала.

Вот так необычно устроен роторный двигатель. Следует упомянуть ещё об одной его конструктивной особенности: он собирается в заводских условиях послойно. Наиболее распространены двухроторные силовые агрегаты, у которых имеется пять таких слоёв. В качестве крепёжных элементов используются болтовые соединения, располагаемые по кругу каждой секции.

Система охлаждения роторных силовых агрегатов устроена таким образом, что ОЖ доставляется во все активные элементы конструкции. Подшипники с сальниками расположены в противоположных крайних секциях, во внутренних сегментах установлены роторы. В центральных сегментах расположены впускные порты, выпускные же размещены с обоих краёв корпуса.

Принцип работы

Принцип действия роторного двигателя, как и его конструкция, радикальным образом отличается от поршневого автомобильного аналога. Именно ротор, вращаясь, передает крутящий момент на трансмиссию и, в конечном итоге, – на колёса. Сгорание топливно-воздушной смеси происходит не в цилиндрах, а полостях, образуемых сторонами ротора, представляющего собой равнобедренный треугольник с немного выпуклыми сторонами. Он изготавливается только из высококачественной легированной стали.

Корпус, играющий роль статора – вторая важная компонента роторного силового агрегата. В разрезе он имеет вид продолговатого овала, между стенками которого и сторонами ротора формируются динамические камеры сгорания и происходят все стандартные фазы сгорания ТВС: впрыск смеси, сжатие, воспламенение, выпуск отработанных газов.

Поскольку ось, на которой расположен ротор, расположена не по центру, вращением это назвать сложно. Да и сама геометрия внешних сторон корпуса и ротора далека от симметрии. Однако именно это позволяет в каждый момент времени формировать три полости, в каждой из которых в конкретный момент времени происходит один из четырёх вышеназванных циклов.

Опишем схематически, как работает роторный двигатель, на примере одной отдельно взятой стороны ротора.

На фазе впуска в начинающую расширяться полость всасывается топливная смесь, причём происходит это самотёком, за счёт создаваемого в полости разрежения. В этой же фазе происходит и смешивание ТВС. За счет силы инерции (ведь таких полостей в двигателе три, и одна из оставшихся как раз и толкает ротор в нужном направлении) полость смещается, точки максимального объема и затем начиная опять сжиматься. Максимум этого процесса приходится на нижнюю мёртвую точку, в которой смесь сжимается до такой степени, что готова отдать всю энергию. Именно в этот момент и происходит воспламенение ТВС свечой зажигания, после чего в результате сгорания и резкого расширения продуктов горения струя газов, пытаясь вырваться наружу, толкает ротор, пока он опять не подойдёт к верхней точке траектории. А здесь уже газам есть куда выйти через выпускной клапан. Таким образом, цикл завершается, а весь процесс происходить непрерывно. Важно понять, что в каждый момент времени в каждой из камер происходит один из процессов, аналогичных вышеописанным.

Другими словами, один полный оборот выходного вала соответствует трём тактам работы мотора.

Если учесть, что современные роторные двигатели оснащаются двумя или тремя роторами, для каждого из которых имеется свой статор, то бишь корпус, то картина получается впечатляющая. К слову, в настоящее время производством таких автомобильных силовых агрегатов занимается только автоконцерн Mazda.

Как видим, конструкции и принцип работы роторного двигателя достаточно прост, дополнительных узлов и механизмов требуется минимум, не в пример меньше, чем у поршневого собрата. Это позволяет при сравнимых габаритах обеспечить намного большую производительность. Так, по выходной мощности двухроторный мотор сопоставим с шестицилиндровым поршневым силовым агрегатом, трёхроторный выдает столько же лошадиных сил, как двенадцатицилиндровый поршневой двигатель.

Следует отметить, что повышенная производительность – далеко не единственный конёк этого типа моторов, но есть у него, разумеется, и ряд недостатков, которые и не позволяют (надеемся – пока) сделать его массовым продуктом. Но об этом – в следующей главе.

Преимущества и недостатки РДВС

С момента своей презентации роторно-поршневой силовой агрегат постоянно был в центре внимания специалистов, а многие солидные автопроизводители начали инвестировать в исследования, посвящённые разработке этого типа мотора, громадные суммы. И неспроста: конструкция такого агрегата на порядок проще классического двигателя. Собственно говоря, основными в нём являются две детали: корпус и ротор. Куда уж проще!

http://www.youtube.com/watch?v=qZKxvoCYGUU

Перечислим преимущества, которые сулит использование роторного привода:

• простота конструкции – фактор, способствующий достижению практически идеальной сбалансированности двигателя: минимум деталей позволил свести вибрационные процессы, характерные для ПДВС, практически на нет;
• даже не слишком удачные реализации роторного силового агрегата позволяли получать великолепную динамику без увеличения нагрузки на сам мотор. Это наглядно демонстрируют и последние модели Мазда. К примеру, RX-8 с роторным двигателем разгоняется до сотни примерно за такое же время, но без перехода на самую высокую передачу, просто за счёт высоких оборотов;
• хотя несколько роторов требуют относительно большого объема для размещения, за счёт отсутствия множества дополнительных узлов и агрегатов такой двигатель получается заметно компактнее поршневого, и намного легче. Для конструкторов это идеальный вариант, предоставляющий возможность выполнить идеальную межосевую развесовку. А это, кстати, фактор, существенно улучшающий устойчивость транспортного средства во время выполнения скоростных манёвров;
• минимизация узлов существенно упрощает обслуживание такого агрегата, увеличивается его надёжность и безотказность;
• наконец, роторный ДВС характеризуется отменной удельной мощностью, недостижимой для своих классических собратьев.

Вы спросите, почему же при таком количестве впечатляющих достоинств роторные моторы не вытеснили поршневые?

Всё очень просто: минусы роторного двигателя перевешивают плюсы, а современное автомобилестроение – это, прежде всего, целесообразность. Даже если речь идёт об экологичных машинах, учтите, что их производство в значительной степени субсидируется на государственном уровне. О роторных установках этого не скажешь.

Так в чём же заключаются их недостатки? Судите сами:

• главным, и самым существенным минусом этого типа двигателей считается очень высокий расход горючего, особенно на невысоких скоростях и низких оборотах. Типичный показатель – 20 и более литров на 100 километров. При нынешнем уровне цен на топливо это, конечно неприемлемо. Особенно если сравнивать с аналогичными по мощности бензиновыми ДВС, у которых расход постоянно снижается и уже частично преодолел знаковую отметку в 5 л/100 км.;
• отсутствие симметрии – другой существенный недостаток таких двигателей. Чтобы идеально скомпоновать ротор и статор, чтобы прохождение эпитрохоидальной кривой было максимально правильным, требуется использование дорогостоящего специализированного и высокоточного оборудования. Без него добиться геометрически безупречной подгонки деталей невозможно. Разумеется, это тоже влияет на стоимость машины, и отнюдь не в сторону снижения;
• поскольку камера сгорания у роторных агрегатов имеет не круглое, а линзовидное сечение, это негативным образом сказывается на тепловых характеристиках мотора. Другими словами, при сгорании значительная часть энергии из-за специфической формы ротора и статора расходуется не на проталкивание ротора, а на его нагрев. Так что борьба с перегревом – очередное слабое место двигателей данного типа;
• производителям так и не удалось справиться с проблемой быстрого износа уплотнителей, устанавливаемых между форсунками. Значительные перепады давления, характерные для камер сгорания, разрушают уплотнители, и в результате после 100, максимум 150 тысяч км пробега роторному двигателю требуется капремонт. А это – большая проблема, и даже не из-за высокой стоимости: таких специалистов и автосервисов нужно ещё поискать;
• наконец, РДВС расход моторного масла гораздо выше: на каждые 1000 километров расходуется примерно 600 мл смазывающей жидкости, и это при новом и неизношенном моторе. Поэтому процедура замены масла производится намного чаще (каждые 5 тысяч километров), что, безусловно, увеличивает стоимость владения таким автомобилем. Но критично не это: если вы забыли вовремя долить/сменить ММ, поломки мотора не заставят себя долго ждать. Так что с точки зрения техобслуживания роторный двигатель, несмотря на свою простоту, не позволит автовладельцу расслабиться.

Разумеется, инженеры Мазда работают над устранением этих проблем, но у главной из них, снижения расхода топлива, похоже, приемлемого решения нет и не предвидится.

На каких авто можно встретить роторный силовой агрегат

Если обратиться к истории, то первым мелкосерийным авто с мотором Ванкеля стал NSU Spider. Его начали выпускать в 1964 году. При развиваемой мощности 54 л.с. этот автомобиль разгонялся до 145-150 км/час. Для первенца, согласитесь, очень неплохие результаты!

Через три года была презентована стендовая модификация NSU Ro-80 – презентабельного четырёхдверного седана, однако до крупносерийного производства дело не дошло. Но именно эта модель подтолкнула многих автопроизводителей к приобретению лицензии на дизельный РДВС (можно упомянуть Citroen, Toyota, GM и, конечно же, Mazda).

К сожалению, попытки создать действительно конкурентный автомобиль не увенчались успехом. О причинах мы уже упоминали: из-за огромного объёма камеры сгорания идеального смешивания ТВС не происходит, в результате даже двухсвечный разряд не позволял эффективно сжигать топливную смесь. А значит, расход топлива возрастает, а выхлоп становится более грязным.

Именно в это время мир накрыл топливный кризис, и компания NSU, практически целиком перешедшая на роторные двигатели, вынуждена была свернуть разработки и в результате была поглощена автоконцерном Volkswagen, где двигатели Ванкеля посчитали бесперспективными.

У Mercedes-Benz, купившей лицензию, дела пошли не лучше – было сконструировано всего две модели с роторным агрегатом. С111 первого поколения при 280 «лошадях» развивала 259 км/час, разгоняясь до сотни ровно за пять секунд. У второго поколения показатели существенно улучшились: 350, 300 и 4.8 соответственно. После этого данное направление было закрыто.

Chevrolet отметился тоже двумя роторными машинами: Corvette оснащался двухсекционным (267 л.с.) и четырёхсекционным (390 л.с.) силовым агрегатом, но дальше прототипа дело не пошло. Citroen сумел довести до серии GS Birotor (108 л.с.), однако впоследствии все машины были отозваны и утилизированы (за исключением порядка 200 экземпляров, обладатели которых не захотели расставаться с уникальными авто). Так что вероятность повстречать эту модель на европейских трассах не равна нулю и сегодня.

Дольше всех держалась Mazda, на протяжении 1967-1972 годов концерн выпустил 1519 автомобилей с роторным двигателем. Примерно в то же время был запущено в серию Luce R130 в форме купе. Дальше – больше: с 1970 года РДВС устанавливали практически на все модели, включая среднегабаритный автобус Parkway Rotary 26. Он весил всего 2.83 тонны и разгонялся до 120 км/час.

В 70-х годах роторные моторы (нелицензированные) начали производить и в СССР. В качестве прототипа взяли классический мотор от Ro-80.

Занимались доводкой автовазовцы, сумевшие в 1976 году довести до ума СА Ваз-311. Но до серии пришлось ждать ещё 6 лет, когда появилась модель Ваз-21018 , оснащаемая роторным мотором мощностью 70 «лошадей». Впрочем, обкатку не прошёл ни один автомобиль, так что эксперимент закончился установкой штатных поршневых моторов. Но в 1983 году ситуация была исправлена, однако модели Ваз-411/413 в розницу не попали: их поставляли исключительно в силовые структуры.

На данный момент Mazda осталась единственной компанией, которая продолжает заниматься данным направлением.

Возможен ли самостоятельный ремонт роторного мотора

Ответ, безусловно, будет скорее отрицательный. И дело не в том, что таких автомобилей в мире очень мало – их конструкция настолько уникальна, что что-либо менять внутри самому не представляется возможным.

Конечно, с заменой свечей дела обстоят не так плохо, однако не для первых моделей. У них свечи оказались спрятанными в стационарный вал (подвижными были не только ротор, но и корпус двигателя). Со временем конструкторы перешли к более простому варианту, а свечи начали устанавливать на стенки неподвижного статора, напротив портов впрыска/выпуска.

Большинство других ремонтных работ самостоятельно произвести практически нереально.

Отметим, что классический мотор Ванкеля имеет примерно на 40% меньше комплектующих, чем поршневой двигатель, но это детали, не имеющие аналогов.

Что ещё можно сделать своими руками? Например, поменять вкладыши приводного вала. Эту операцию выполняют, когда они стерлись настолько, что местами проступает медь. Для этого нужно демонтировать шестерни, поменять вкладыши и напрессовать зубчатые колёса на штатное место. Одновременно можно проверить состояние сальников и при необходимости установить новые.

Если при выполнении ремонтных работ демонтаж пружин маслосъемных колец, следует запомнить, где какие стоят, поскольку по форме передние не совпадают с задними. При необходимости можно выполнить замену торцевых пластин, которые тоже не совместимы друг с другом и имеют соответствующую маркировку.

При замене угловых уплотнителей начинать нужно с передней части ротора. Рекомендуется использовать смазку зелёного цвета от Castrol – это поможет зафиксировать уплотнители, пока вы будете заниматься сборкой остальных деталей. Тыльные угловые уплотнители меняются уже после установки приводного вала. При установке прокладок не забудьте смазать их подходящим герметиком. Апексы следует устанавливать в уплотнители после того, как поместите ротор в корпусе. Последнее, что нужно сделать – смазать прокладки тыловой и фронтальной крышек статора перед их установкой.

почему Mazda возвращается к роторным моторам :: Autonews

Капризный Ванкель: почему Mazda возвращается к роторным моторам

Mazda – единственный автопроизводитель, кто не утратил интерес к роторно-поршневым двигателям (РПД). Японцы собираются представить на Токийском автосалоне концептуальное купе с такой силовой установкой. Несмотря на то, что выпуск единственной модели с РПД был прекращен еще три года назад, инженеры компании продолжили развивать это направление, и в 2013 году представили гибридно-роторный концепт.

Скорее всего, гибридная силовая установка будет стоять и под капотом токийского концепта, который в итоге превратится в серийный автомобиль. Когда – неизвестно, но Mazda уже зарезервировала название RX-9 для новой машины. Японский автопроизводитель далеко не первым увлекся роторными моторами, но впоследствии стал самым преданным поклонником этой схемы.

NSU Spider

Работы над роторно-поршневым двигателем инженер Феликс Ванкель начал в 1951 году и дальше эта схема совершенствовалась специалистами немецкой компании NSU. Первый рабочий прототип завели только спустя 6 лет. В 1964 году NSU продемонстрировала свой первый роторный автомобиль – кабриолет Spider. Размещенный над задней осью силовой агрегат развивал 50 л.с. и разгонял машину до 100 км/ч за 14,5 секунды. Кабриолет оказался достаточно дорогим и за три года было выпущено чуть больше 2000 машин.

NSU Ro-80

В 1967 году NSU прекратила производство кабриолета и запустила новую роторную модель – изящный четырехместный седан Ro-80. Это был инновационный для того времени автомобиль c дисковыми тормозами, полуавтоматической трансмиссией с вакуумным приводом сцепления, блок-фарами и двухсекционным роторным мотором, приводящим в движение передние колеса. Двигатель при рабочем объеме в 1 литр развивал 115 л.с. и 162 Нм и разгонял довольно легкий (1210 кг) седан до 180 километров в час. В 1968 году Ro-80 получил титул «Автомобиль года», однако экзотический мотор оказался крайне ненадежным. А из-за нефтяного кризиса популярность прожорливого седана упала окончательно. Концерн VW, частью которого NSU стала в 1969 году, пытался доработать капризный мотор, но в 1977 году свернул выпуск модели и роторные разработки.

Как устроен роторный двигатель

Главная деталь в роторно-поршневом моторе – трехгранный ротор, который движется внутри цилиндра сложной формы и своими гранями отсекает изолированные объемы, где происходит сжатие, сгорание, расширение топливно-воздушной смеси и выпуск отработавших газов.

РПД устроен намного проще, чем обычный поршневой мотор. Он компактнее и легче, хорошо уравновешен и у него более высокая удельная мощностью. При этом роторно-поршневой мотор не обладает высоким ресурсом, требователен к качеству масла и склонен к перегреву. Он расходует больше топлива и менее экологичен.

Citroen GS Birotor

Когда недостатки двигателей Ванкеля еще не стали очевидны, многие компании заинтересовались тихим и компактным мотором. Citroen создал вместе с NSU компанию Comotor, занявшуюся выпуском РПД. Первым роторным «Ситроеном» стало купе M35 – небольшую партию этих автомобилей с гидропневматической подвеской передали лояльным клиентам для опытной эксплуатации. Вторая модель GS Birotor (или GZ) со 107-сильным двухроторным мотором пошла в серию в 1973 году. Однако ее продажи оказались низкими: роторный GS стоил на 70% больше стандартной модели и даже оказался дороже флагманского DS. При этом в условиях разразившегося нефтяного кризиса он расходовал слишком много топлива. Удрученный неудачей французский производитель выкупил обратно все GS Birotor и отправил их на слом, так что до наших дней сохранилось всего несколько машин.

Mercedes-Benz C111

Свой роторный прототип компания Mercedes-Benz представила во Франкфурте в 1969 году. Стеклопластиковое купе с дверями типа «крыло чайки» многим виделось как новая интерпретация легендарной модели 300SL. Однако автопроизводитель решил использовать прототипы этой серии для экспериментов с новыми типами силовых агрегатов. Первый автомобиль серии C111 c трехсекционным мотором развивал 280 лошадиных сил. Вторая машина с четырехсекционным агрегатом мощностью 350 л.с. уже могла разгоняться до 300 километров в час. Испытатели отмечали низкий уровень шума, однако инженерам так и не удалось справиться с перегревом и грязным выхлопом РПД. В итоге следующие С111 оснащались дизельными моторами.

Aerovette XP-895

General Motors также заинтересовался роторными двигателями и даже установил их ради эксперимента на компактную модель Vega. В 1972 году Джон ДеЛореан, возглавлявший Chevrolet, решил вернуться к идее среднемоторного суперкара, которую он до этого забраковал. Для концепта XP-895 два двухсекционных роторных мотора соединили вместе, получив четырехсекционный силовой агрегат мощностью 420 лошадиных сил. Кроме того, был создан еще вариант спорткара с двухсекционным мотором. Однако из-за нефтяного кризиса и невысокой надежности роторных двигателей работы по ним были свернуты. Спустя несколько лет среднемоторный суперкар, получивший имя Aerovette, снова собрались запустить в серию, но уже с обычным мотором V8.

Mazda Cosmo Sport

Компания Mazda дальше других продвинулась в применении роторных моторов — с ними связана и важная спортивная победа компании в Ле-Мане в 1991 году. Первый РПД на основе силового агрегата NSU был создан японцами 1963 году, а два года спустя компания запустила в серию купе Cosmo c двухсекционным 110-сильным двигателем. В последующие годы Mazda выпустила множество различных автомобилей с РПД, в число которых входили даже пикапы и автобусы. В основном у них был задний привод и только у мелоксерийного купе Luce R130 — передний.

Mazda RX-7

Изначально под индексом RX выпускались роторные версии обычных моделей Mazda, но с номера 7 он был зарезервирован под отдельную спортивную модель с РПД. Модель RX-7 производилась c 1978 года на протяжении 24 лет, сменила три поколения и разошлась тиражом более 800 000 машин. За счет увеличения рабочего объема, а также использования наддува сначала с одной, а потом и с двумя турбинами мощность моторов выросла со 100 до 280 лошадиных сил. RX-7 третьего поколения выступил в фильме «Форсаж» в качестве боевой машины Доминика (герой Вин Дизеля).

Mazda Eunos Cosmo JC

В 1990 году Mazda начала производство люксового купе Eunos Cosmo с трехсекционным роторным мотором. Благодаря двойному турбонаддуву, появившемуся на этой модели даже раньше, чем на купе RX-7, удалось снять с двух литров 300 лошадиных сил и добиться максимальной скорости свыше 250 километров в час. Кроме того, существовала и менее мощная версия с двухсекционным роторным мотором. Помимо передового двигателя, новшеством стала и спутниковая навигация. Однако несмотря на все достоинства, разработка Eunos Cosmo JC обошлась компании в астрономическую сумму.

Mazda RX-8

Новое роторное купе, представленное в 2003 году, отличалось необычным кузовом с дополнительными распашными створками, облегчающими посадку на задний ряд. На этот раз японская компания отказалась от турбонаддува, зато смогла снизить расход бензина и масла нового роторного мотора Renesis и вписать его в экологический класс Евро-4. Тем не менее, силовой агрегат мощностью 192 или 240 л.с. обеспечивал легкой машине неплохое ускорение. В 2003 году новый РПД был удостоен звания «Двигатель года». Однако после ужесточения экологических норм Mazda была вынуждена прекратить продажи этой модели в Европе, а без европейского рынка производство RX-8 становилось нерентабельным. Тем не менее, компания продолжила опыты с РПД.

ВАЗ-415

Волжский автозавод стал одной из немногих автомобильных компаний, серийно выпускавших автомобили с РПД. С начала 1990-х моторы, разработанные специальным конструкторским бюро тольяттинского предприятия, ставились по заказу МВД и ФСБ на передне- и заднеприводные ВАЗы, «Москвичи» и «Волги». Внешне эти автомобили были ничем не приметны, зато легко могли догнать обычный автомобиль с поршневым мотором. Например, «восьмерка» с РПД мощностью 134 л.с. разгонялась до 100 км/ч всего за 8,5 секунды. Позже роторные машины мог приобрести любой желающий у официального дилера ВАЗа, однако спрос оказался небольшим – автомобили были дорогими и требовали частого обслуживания.

Hercules Wankel

Устанавливались роторные моторы и на мотоциклы, первой в 1974 году стала компания Hercules. Мотор байка W-2000 с воздушным охлаждением развивал 27 лошадиных сил. Роторные мотоциклы с жидкостным охлаждением выпускали серийно компании Norton и Suzuki, а компания Van Veen использовала для своей эксклюзивной модели автомобильный РПД производство Comotor. А в СССР ограничились экспериментами с двигателями Ванкеля на тяжелых мотоциклах.

Правила жизни роторных двигателей

Алексей Вуль, инженер, разработчик бесшатунных двигателей, участвовал в калибровке роторно-поршневых моторов ВАЗа:

• Роторно-поршневые моторы сыграли определенную роль в те временя, когда людей не так сильно волновали экологические показатели.
• Любой двигатель внутреннего сгорания представляет собой три важнейших функциональных блока. Первый – сосуд переменного объема. Второй – система газообмена и топливоснабжения. Третий – механизм, который преобразует удобную для газов форму движения во вращение выходного вала. Попытки совместить эти вещи в едином узле, как правило, заканчиваются потерей либо КПД, либо ресурса.
• За время впуска воздух должен совершить несколько оборотов для более тщательного перемешивания топлива. В двигателях со сложной камерой сгорания, а роторно-поршневые моторы относятся именно к таким, непонятно, как этот воздух крутится.
• Когда плохо смазываемая уплотняющая кромка пересекает выхлопное окно, получается прострел горячих газов через узкую щель со сверхзвуковой скоростью — возникает газовая эрозия.
• Сколько вы можете отыграть на роторно-поршневом моторе? 70-100 килограммов? Но эти же килограммы без нечеловеческих усилий вы сможете отыграть на каких-то других элементах конструкции.
• Существует много разных сценариев, с помощью которых можно получить отличный с точки зрения КПД и экологии термодинамический цикл. А уже после этого стоит садиться и думать, как сделать под него совершенное «железо». А если мы будем исходить из конструкции мотора, то потратим 70 лет, уйму денег для того, чтобы спасти довольно затейливую, но не очень перспективную идею.
• Я не верю, что Mazda или все прогрессивное человечество смогут толково решить проблему РПД и обеспечить пробег в полмиллиона километров.

Евгений Багдасаров

Роторный двигатель — Энергетическое образование

Энергетическое образование

Меню навигации

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

ИНДЕКС

Поиск

Рисунок 1. Цикл роторного двигателя. Он всасывает воздух/топливо, сжимает его, воспламеняется, выполняя полезную работу, а затем выпускает газ. ^[1]

Роторные двигатели или Двигатели Ванкеля — тип двигателя внутреннего сгорания, чаще всего используемый в Mazda RX-7, который преобразует тепло от сгорания топливно-воздушной смеси под высоким давлением в полезную работу для остальной части автомобиля. Его уникальной характеристикой является треугольный ротор, который выполняет те же задачи, что и поршень поршневого двигателя, но совершенно по-другому. ^[2]

Ротор заключен в корпус овальной формы и выполняет обычный четырехтактный цикл двигателя внутреннего сгорания, как показано на рис. 1. Ротор соединен с выходным валом, который вращается в 3 раза быстрее, чем ротор (внутренний круг обозначен буквой «В» на рисунке). Этот цикл описан ниже и происходит 3 раза для каждого вращения ротора: ^[2]

1. Впуск : Инициируется, когда кончик ротора проходит через впускное отверстие. В этот момент камера самая маленькая, и по мере вращения камера расширяется, втягивая воздушно-топливную смесь. Как только конец ротора проходит через впускное отверстие, он переходит к стадии сжатия, в то время как следующая сторона ротора начинает этот этап заново.
2. Сжатие : По мере того как ротор продолжает вращаться, воздушно-топливная смесь сжимается из-за уменьшения размера камеры. Это необходимо для следующей части, которая воспламеняет эту смесь.
3. Зажигание : Сжатая смесь воспламеняется от свечей зажигания, и огромное увеличение давления заставляет ротор расширяться. Это рабочий ход, обеспечивающий полезную работу. Часто необходимы две свечи зажигания, чтобы обеспечить равномерное зажигание по всей камере. Выхлопной газ расширяется в камеру до тех пор, пока кончик ротора не пройдет через выпускное отверстие.
4. Выхлоп : Как только наконечник проходит через это отверстие, выхлопные газы под высоким давлением могут проходить через выпускное отверстие. Ротор продолжает вращаться до тех пор, пока конец его торца не пройдет через выпускное отверстие, а кончик не пройдет через впускное отверстие, и цикл повторяется.

Интересная часть этого цикла состоит в том, что каждый шаг происходит в одно и то же время , просто в разных камерах. Это дает три рабочих такта на каждый оборот ротора.

Отличия от поршневого двигателя

Помимо другого метода завершения четырехтактного цикла, роторные двигатели имеют различные преимущества и недостатки по сравнению с более распространенными поршневыми двигателями: ^[2]

• Меньшее количество движущихся частей : Роторный двигатель с двумя роторами имеет три движущихся части — два ротора и выходной вал — в то время как обычные поршневые двигатели имеют не менее 40. Это повышает надежность роторных двигателей.

• Сглаживатель : Ротор постоянно вращается в одном направлении, в отличие от поршневых двигателей, поршни которых резко меняют направление. Они также уравновешиваются грузами, которые уменьшают внутренние вибрации. Подача мощности также более непрерывна из-за трех рабочих ходов на каждый оборот ротора.

• Медленнее : Ротор вращается со скоростью, равной одной трети скорости выходного вала, поэтому основные движущиеся части движутся медленнее, чем в поршневых двигателях. Это повышает надежность.

Недостатки

Затраты на производство могут быть выше из-за меньшей популярности этих двигателей. Они также обычно потребляют больше топлива, чем другие двигатели, из-за их низкой степени сжатия и, следовательно, имеют более низкий тепловой КПД, что затрудняет соблюдение ими норм выбросов.

Для дальнейшего чтения

• Тепловая машина
• Поршневой двигатель
• Работа
• Первый закон термодинамики
• Или просмотрите случайную страницу

Ссылки

2. ↑ ^{2. 0 2.1 2.2} How Stuff Works, How Stuff Works Work [Online], доступно: http://auto.howstuffworks.com/rotary-engine1.htm

Как работает роторный двигатель?

Опубликовано 27 января 2020 г. by Blair Lampe Техническое обслуживание

Если вы немного разбираетесь в автомобилях, вы, вероятно, имеете общее представление о том, как работает обычный двигатель внутреннего сгорания. Но знаете ли вы, что на протяжении многих лет придумывались и производились другие конструкции двигателей с разной степенью успеха? Роторный двигатель является одним из уникальных примеров, который актуален и сегодня, но остается малоизвестным. Итак, как же работает роторный двигатель и есть ли место для этой конструкции в будущем автомобильной промышленности?

Как работает роторный двигатель?

Во-первых, важно понимать, что термин «роторный двигатель» может использоваться для описания различных типов двигателей, в которых используется вращательное движение. В автомобильном мире этот термин в основном является синонимом двигателя Ванкеля.

Скорее всего, автомобиль, которым вы управляете, оснащен обычным двигателем внутреннего сгорания, в котором определенное количество цилиндров движется вверх и вниз, создавая такты впуска, сжатия, сгорания и выпуска. Эти фазы в конечном итоге втягивают воздух и топливо в камеру сгорания, сжимают их, воспламеняют и расходуют то, что осталось, когда поршни совершают возвратно-поступательное движение по линейной траектории.

В роторных двигателях используются одни и те же базовые концепции, но с другим вращением. Вы когда-нибудь делали спирограф в детстве? Это немного похоже на это. Вот как это работает:

1. Вы начинаете с треугольной детали, которая вращается в продолговатом пространстве. Треугольник действует как поршень, а пространства, образующиеся при его движении, действуют как камеры сгорания.
2. Поскольку пространство овальное, треугольник создает области с большим и меньшим пространством по мере поворота, вызывая вакуум, втягивающий воздух и топливо.
3. Затем он сжимает воздух и топливо и воспламеняет их перед выбросом выхлопных газов.
4. Этот цикл продолжается на каждом полном обороте треугольника.

Общие сведения

Роторные двигатели имеют ряд преимуществ. Как заметил один из моих коллег-механиков: «Они крутые», с чем я не могу спорить. Помимо того, что они уникальны и умны, они также проще обычных двигателей с меньшим количеством деталей. Это означает, что у них меньше шансов сломаться, и в целом они легче. Вращательное движение также является более плавной операцией, которая не борется сама с собой, как возвратно-поступательное движение, и в результате производит впечатляющую мощность.

Однако эти преимущества нивелируются тем фактом, что роторным двигателям требуется больше топлива и они сжигают его менее эффективно, что снижает пробег и вредные выбросы. Они также потребляют больше масла, которое имеет тенденцию к утечке. Кроме того, они редки, а это означает, что покупка запчастей и поиск знающего механика могут быть дорогими.