В отличие от более распространённых поршневых конструкций, двигатель Ванкеля (Wankel) обеспечивает преимущества - простоту, плавность, компактность, высокие обороты в минуту и большое отношение мощности к весу. Это связано прежде всего с тем, что производятся три импульса мощности на один оборот ротора Ванкеля по сравнению с одним оборотом в двухтактном поршневом двигателе и по одному на два оборота в четырёхтактном двигателе.
РПД обычно называют вращающимся двигателем. Хотя это название также относится и к другим конструкциям, прежде всего к авиационным двигателям с их цилиндрами, расположенными вокруг коленчатого вала.
Четырёхступенчатый цикл впуска, сжатия, зажигания и выхлопа происходит в каждый оборот на каждом из трёх наконечников ротора, перемещающихся внутри овально — подобранного корпуса с перфорацией, что позволяет использовать в три раза больше импульсов на один оборот ротора. Ротор похож по форме на треугольник Реуле, а стороны его более плоские.
Конструктивные особенности двигателя Ванкеля
Теоретическая форма ротора РПД Ванкеля между фиксированными углами является итогом уменьшения объёма геометрической камеры сгорания и увеличения степени сжатия. Симметричная кривая, соединяющая две произвольные вершины ротора, максимальна в направлении внутренней формы корпуса.
Центральный приводной вал, называемый «эксцентриковый» или «E-вал», проходит через центр ротора и поддерживается неподвижными подшипниками. Ролики движутся на эксцентриках (аналогично шатунам), встроенным в эксцентриковый вал (аналогично коленчатому). Роторы вращаются вокруг эксцентриков и совершают орбитальные обороты вокруг эксцентрикового вала.
Вращательное движение каждого ротора на собственной оси вызвано и регулируется парой синхронизирующих передач. Фиксированная шестерня, установленная на одной стороне корпуса ротора, входит в кольцевую шестерню, прикреплённую к ротору, и обеспечивает то, что ротор движется ровно на 1/3 оборота для каждого оборота эксцентрикового вала. Выходная мощность двигателя не передаётся через синхронизаторы. Сила давления газа на роторе (в первом приближении) идёт прямо в центр эксцентриковой части выходного вала.
РПД Ванкеля фактически представляет собой систему прогрессивных полостей переменного объёма. Таким образом, на корпусе имеется три полости, все повторяющие один и тот же цикл. Когда ротор вращается орбитально, каждая его сторона приближается, а затем удаляется от стенки корпуса, сжимая и расширяя камеру сгорания, подобно ходу поршня в двигателе. Вектор мощности ступени сгорания проходит через центр смещённой лопасти.
Двигатели Wankel, как правило, способны достичь гораздо более высоких оборотов, чем те, что с аналогичной выходной мощностью. Это связано с гладкостью, присущей круговому движению, и отсутствием сильно напряжённых частей, таких, как коленчатые и распределительные валы, или шатуны. Эксцентриковые валы не имеют ориентированных по напряжению контуров коленчатых.
Проблемы устройства и их устранение
Феликсу Ванкелю удалось преодолеть большинство проблем, из-за которых предыдущие роторные устройства терпели неудачу:
- У вращающихся РПД есть проблема, не встречающаяся в четырёхтактных устройствах с поршнями, в которых корпус блока имеет впуск, сжатие, сгорание и выхлопные газы, проходящие в фиксированных местах вокруг корпуса. Использование тепловых труб в воздушном охлаждении роторного двигателя Ванкеля было предложено Университетом Флориды для преодоления неравномерного нагрева блока корпуса. Предварительный нагрев некоторых корпусных секций выхлопными газами улучшил производительность и экономию топлива, а также уменьшил износ и выбросы.
- Проблемы также возникли во время исследований в 50-х и 60-х годах. Некоторое время инженеры сталкивались с тем, что они называли «царапиной дьявола» на внутренней поверхности эпитрохоиды. Они обнаружили, что причиной были точечные уплотнения, достигающие резонансной вибрации. Эта проблема была решена за счёт уменьшения толщины и веса торцевых уплотнений. Царапины исчезли после введения более совместимых материалов для уплотнений и покрытий.
- Ещё одна ранняя проблема заключалась в наращивании трещин на поверхности статора вблизи отверстия пробки, которое было устранено путём установки свечей зажигания в отдельной металлической вставке, медной втулке в корпусе вместо вилки, ввинчиваемой непосредственно в корпус блока.
- Четырёхтактные поршневые устройства не очень подходят для использования с водородным топливом. Другая проблема связана с гидратацией на смазочной плёнке в поршневых конструкциях. В ДВС Ванкеля эту проблему можно обойти, используя керамическое торцевое уплотнение на такой же поверхности, так что нет никакой масляной плёнки, чтобы страдать от гидратации. Поршневую раковину необходимо смазать и охладить маслом. Это существенно увеличивает расход смазочного масла в четырёхтактном водородном ДВС.
Материалы для изготовления ДВС
В отличие от поршневого агрегата, в котором цилиндр нагревается процессом горения, а затем охлаждается входящим зарядом, корпуса ротора Wankel постоянно накаляются с одной стороны и остывают с другой, что приводит к высоким локальным температурам и неравному тепловому расширению. Хотя это предъявляет большие требования к используемым материалам, простота Ванкеля облегчает употребление в изготовлении таких веществ, как экзотические сплавы и керамика.
Среди сплавов, предназначенных для использования в Ванкеле, используются A-132, Inconel 625 и 356 с твердостью Т6. Для покрытия рабочей поверхности корпуса используется несколько высокопрочных материалов. Для вала предпочтительны стальные сплавы с малой деформацией при нагрузке, для этого предложено использование массивной стали.
Преимущества двигателя
Основными преимуществами РПД Ванкеля являются:
- Более высокое отношение мощности к весу, чем у поршневого двигателя.
- Легче размещать в небольших машинных пространствах, чем эквивалентный двигательный механизм.
- Нет поршневых деталей.
- Способность достигать более высоких оборотов в минуту, чем обычный двигатель.
- Работа практически без вибрации.
- Не подвержен двигательному удару.
- Дешевле в производстве, потому что двигатель содержит меньше деталей
- Широкий диапазон скоростей, обеспечивающий большую адаптивность.
- Он может использовать топливо с более высоким октановым числом.
ДВС Ванкеля значительно легче и проще, с гораздо меньшим количеством движущихся частей, чем поршневые двигатели эквивалентной выходной мощности. Поскольку ротор перемещается непосредственно на большой подшипник на выходном валу, нет шатунов и коленчатого вала. Устранение возвратно-поступательной силы и наиболее сильно нагруженных и разрушаемых деталей обеспечивает высокую надёжность Wankel.
В дополнение к удалению внутренних возвратно-поступательных напряжений при полном удалении возвратно-поступательных внутренних деталей, учтановленных в поршневом двигателе, двигатель Ванкеля выполнен с железным ротором в корпусе из алюминия, который имеет больший коэффициент теплового расширения. Это гарантирует, что даже сильно перегретый агрегат Ванкеля не может «захватить», как это может произойти в аналогичном поршневом устройстве. Это существенное преимущество в плане безопасности при использовании в самолётах. Кроме того, отсутствие клапанов повышает безопасность.
Дополнительным преимуществом РПД Ванкеля для использования в самолётах является то, что он обычно имеет меньшую фронтальную область, чем поршневые агрегаты эквивалентной мощности, что позволяет создать более аэродинамический конус вокруг двигателя. Каскадное преимущество заключается в том, что меньший размер и вес ДВС Ванкеля позволяет сэкономить затраты на строительство летательного аппарата по сравнению с поршневыми двигателями сопоставимой мощности.
Роторно-поршневые ДВС Ванкеля, работающие в соответствии с их первоначальными проектными параметрами, почти не подвержены катастрофическим отказам. РПД Ванкеля, который теряет компрессию, или охлаждение, или давление масла, потеряет большое количество, но всё-таки будет продолжать производить некоторую мощность, позволяя более безопасную посадку при использовании в самолётах. Поршневые устройства при тех же обстоятельствах подвержены захвату или разрушению деталей, что почти наверняка приведёт к катастрофическому сбою двигателя и мгновенной потере всей мощности.
По этой причине роторно-поршневые двигатели Ванкеля очень хорошо подходят для снегоходов, которые часто используются в отдалённых местах, где отказ двигателя может привести к обморожению или смерти, а также к самолётам, где резкий сбой может привести к крушению или вынужденной посадке в удалённых местах.
Конструкционные недостатки
Хотя многие из недостатков являются предметом текущих исследований, нынешние недочёты устройства Ванкеля в производстве заключаются в следующем:
- Уплотнение ротора. Это всё ещё незначительная проблема, так как корпус двигателя имеет очень разные температуры в каждой отдельной секции камеры. Различные коэффициенты расширения материалов приводят к несовершенной герметизации. Кроме того, обе стороны уплотнений подвергаются воздействию топлива, и конструкция не позволяет точно контролировать смазку роторов. Роторные агрегаты, как правило, смазываются при всех оборотах и нагрузках двигателя и имеют относительно высокий расход масла и другие проблемы, возникающие в результате избыточного количества смазки в зонах сгорания двигателя, таких, как образование углерода и чрезмерные выбросы от сжигания масла.
- Для преодоления проблемы различий в температурах между различными областями корпуса и боковых и промежуточных пластин, а также связанных с ними неравновесных температурных дилатаций, тепловая труба используется для транспортировки нагретого газа от горячей к холодной части двигателя. «Тепловые трубы» эффективно направляют горячий выхлопной газ на более холодные части двигателя, что приводит к снижению эффективности и производительности.
- Медленное горение. Сжигание топлива происходит медленно, поскольку камера сгорания длинная, тонкая и движущаяся. Движение пламени происходит почти исключительно в направлении движения ротора, и завершается тушением, которое является основным источником несгоревших углеводородов при высоких оборотах. Задняя сторона камеры сгорания, естественно, создаёт «сжатый поток», который препятствует достижению пламени к задней кромке камеры. Впрыск топлива, при котором оно поступает к передней кромке камеры сгорания, может минимизировать количество несгоревшего горючего в выхлопе.
- Плохая экономия топлива. Это связано с утечками уплотнений и формой камеры сгорания. Это приводит к плохому сгоранию и среднему эффективному давлению при частичной нагрузке, малой скорости вращения. В соответствии с требованиями, предъявляемыми по выбросам, иногда требуется соотношение топлива и воздуха, которое не способствует хорошей экономии топлива. Ускорение и замедление в средних условиях движения также влияют на экономию топлива. Однако работа двигателя с постоянной скоростью и нагрузкой исключает избыточный расход топлива.
Таким образом, у этого вида двигателя есть свои недостатки и преимущества.
На массовых советских легковушках не было особых технических инноваций - ни дизеля, ни автоматической трансмиссии, ни гидропневматической подвески, ни турбонаддува. В огромной стране были востребованы любые автомобили - и, по разным причинам, серийно выпускались достаточно простые и ремонтопригодные конструкции.
Т ем удивительнее, что «у советских была собственная гордость», да еще какая – спроектированный для легковых машин роторно-поршневой двигатель! Причем «роторная тема» обросла слухами домыслами и легендами еще в начале восьмидесятых годов, и даже появление автомобилей ВАЗ с РПД в свободной продаже в шальные девяностые не расставило все точки над i.
Предтечи: Феликс Генрих Ванкель
Немецкий инженер-самоучка Феликс Ванкель занялся разработкой роторно-поршневого двигателя еще в двадцатые годы, но в предвоенный период ему так и не удалось довести до ума опытные образцы авиадвигателей, несмотря на поддержку компании BMW и министерства авиации.
После Второй мировой войны оборудование Ванкеля было демонтировано и вывезено во Францию. Несмотря на это, инженер-конструктор не прекращал работу над собственным РПД — теперь уже при поддержке компании NSU. К середине пятидесятых Ванкель закончил теоретическую часть и в 1957 году изготовил опытный образец, по итогам испытаний которого в конструкцию были внесены необходимые изменения.
 |
Отец ротора – Феликс Ванкель
Работа Ванкеля отнюдь не носила «академический» характер: в 1963 году началось производство первой серийной модели NSU — Prince Spyder, а впоследствии инновационным мотором оснащался и седан бизнес-класса NSU Ro 80.
1 / 4
2 / 4
3 / 4
4 / 4
1 / 2
2 / 2
Когда компании Audi «по наследству» досталась марка NSU и её наработки, она даже выпустила прототип Audi KKM на базе «сотки» второго поколения. В дальнейшем тему моторов Ванкеля в Audi не продолжали.
Однако достаточно быстро особенности РПД помешали ему одержать рыночную победу над традиционными поршневыми ДВС с кривошипно-шатунным механизмом. Тем не менее, в годы серийного производства моторов Ванкеля патент на право производства таких агрегатов приобрели многие крупные автопроизводители, некоторые из которых занялись разработкой «роторной темы» всерьез и надолго. Пожалуй, наиболее известным производителем РПД является японская компания Mazda, создавшая двигатель Renesis.
1 / 8
2 / 8
Mazda сразу стала оснащать мотором необычной конструкции свои спортивные купе
3 / 8
Mazda сразу стала оснащать мотором необычной конструкции свои спортивные купе
4 / 8
Mazda сразу стала оснащать мотором необычной конструкции свои спортивные купе
5 / 8
Mazda сразу стала оснащать мотором необычной конструкции свои спортивные купе
6 / 8
Mazda сразу стала оснащать мотором необычной конструкции свои спортивные купе
7 / 8
Mazda сразу стала оснащать мотором необычной конструкции свои спортивные купе
8 / 8
Mazda сразу стала оснащать мотором необычной конструкции свои спортивные купе
1 / 2
2 / 2
Mazda Roadpacer – под таким названием японцы продавали в США австралийский седан Holden со своим РПД!
1 / 3
2 / 3
За десятилетия производства именно японская компания Mazda «довела до ума» ротор – конечно, насколько это было вообще возможно
3 / 3
За десятилетия производства именно японская компания Mazda «довела до ума» ротор – конечно, насколько это было вообще возможно
Сделано в СССР
Как же идея заняться выпуском роторно-поршневых двигателей могла возникнуть на ВАЗе?
Над различными альтернативными конструкциями поршневых двигателей в СССР работали еще в середине ХХ века — разумеется, не для автомобилестроения, а для авиации. Потенциально такие моторы могли обеспечить более высокую отдачу, что было особенно ценно в самолётостроении. Непосредственно к теме РПД в Советском Союзе приступили еще в «довазовский» период – по указанию Минавтопрома и Минсельхозмаша три научно-исследовательские институты (НАМИ, НАТИ и ВНИИмотопрома) занялись исследовательскими работами по созданию РПД.
Статьи / История
Важная птица: история разработки ГАЗ-13 Чайка
Кстати, развенчавший культ личности Сталина Никита Сергеевич Хрущев тоже использовал в качестве транспортного средства американскую технику. В личном пользовании будущего Первого секретаря ЦК КПСС с 1944 по 1949 годы был...
13936 2 21 09.12.2016
Поэтому разработка Ванкеля и её практическое воплощение на серийных автомобилях в Советском Союзе не осталось незамеченным. Более того, лёгкий и мощный мотор мог стать востребованным для некоторых автомобилей специального назначения — например, так называемых «догонялок» или спортивных автомобилей.
Традиционно для автопрома СССР волевое решение могло быть принято лишь «на самом вверху» — то есть, на уровне министерства.
Однако ротором на ВАЗе занялись по распоряжению Генерального директора Волжского автозавода в 1973 году – казалось бы, по собственному усмотрению. Но не все так просто: до того, как перейти на новый проект – строительство Волжского автогиганта, еще в 1965-м Виктор Николаевич Поляков занимал пост заместителя министра автомобильной промышленности СССР, а в 1975-м он и вовсе вернулся в министерское кресло, возглавив Минавтопром СССР. Таким образом, можно утверждать, что работы по ротору были утверждены «без двух минут» министром автопрома и его же бывшим заместителем в одном лице.
Итак, после выхода соответствующего приказа Генерального директора было создано специальное конструкторское бюро, в задачу которого входила не только разработка моторов собственной конструкции, но и устранение «родовых недостатков» мотора Ванкеля, о которых советские конструкторы уже были осведомлены.
В отличие от западных коллег, под «собственной конструкцией» в СССР подразумевалась действительно разработка своего варианта, а не покупка патента или готовой лицензии. Как и в случае с автоматической трансмиссией для , советские инженеры за неимением вариантов были вынуждены изготовить свой вариант односекционного мотора Ванкеля, разобрав для этого один японский РПД. Однако предварительно для «натурных испытаний» двигатель, снятый со специально приобретённой для работы над ротором Mazda RX-2, был установлен на Жигули третьей модели.
1 / 4
2 / 4
Mazda RX-2 стала для ВАЗа донором как конструкции, так и самого первого РПД, установленного на Жигули
3 / 4
Mazda RX-2 стала для ВАЗа донором как конструкции, так и самого первого РПД, установленного на Жигули
4 / 4
Mazda RX-2 стала для ВАЗа донором как конструкции, так и самого первого РПД, установленного на Жигули
Уже на ранних этапах на ВАЗе столкнулись с тем, что при компактности и высокой энерговооруженности легкий и мощный РПД был не слишком экономичным и экологичным, а также отличался частым выходом из строя уплотнений. По сути, с этой проблемой десятилетиями боролись все, кто брался за двигатели конструкции Ванкеля, начиная с самого немецкого инженера – носителя этой фамилии. И, к слову, именно низкая надежность уплотнений и послужила причина быстрого выхода из строя моторов на NSU Ro-80, что вынудило производителя вскоре прекратить выпуск этого автомобиля и «закрыть роторную тему».
Первый опытный образец СКБ РПД под обозначением ВАЗ-301 был готов уже в 1976 году, но о любом запуске в серию ротора в Тольятти было говорить еще рано — конструкция получилась явно «сырой».
Вазовский вариант роторно-поршневого двигателя оценил даже… сам Феликс Ванкель, который специально для этого посетил Волжский автозавод. «Отец ротора» одобрил общую компоновку тольяттинского РПД.
Уже в 1982-м был продемонстрирован ВАЗ-21018 — обычный ВАЗ-21011 с мотором ВАЗ-311 мощностью 70 л.с.
Для того, чтобы выявить недостатки конструкции в условиях реальной эксплуатации, была выпущена партия из 50 двигателей, которые установили на пять десятков Жигулей, но всего через полгода все моторы, кроме одного (!), пришлось заменить на традиционные. Уплотнения и подшипники быстро выходили из строя, а кроме того, мотор оказался плохо сбалансированным и достаточно прожорливым.
На земле и на небе
После первой серьезной неудачи и последовавшим за этим дисциплинарными наказаниями на ВАЗе не прекратили заниматься роторами, но решили окончательно перейти от односекционной конструкции к двухсекционной. Такой мотор потенциально был не только мощнее, но и надежнее.
К тому времени у советского ротора потенциально уже была вполне осязаемая сфера применения — например, для установки на служебные автомобили спецподразделений ГАИ, МВД и КГБ. На ведомственных автомобилях недостатки вроде не лучшей топливной экономичности отходили на второй план, а высокие динамические характеристики имели решающее значение. Очень важно, что при эксплуатации на служебных автомобилях вазовские специалисты могли в виде стандартизованных отчетов получить подробную информацию о недостатках и дефектах, выявленных на практике, но в более-менее одинаковых условиях, что обеспечивало определённую объективность оценки.
Время от времени советская пресса скудно сообщала о моторе необычной конструкции
К 1983 году были разработаны два новых двухсекционных РПД — ВАЗ-411 мощностью 110-120 лошадиных сил и 140-сильный ВАЗ-413. Предполагалось, что роторы будут ставить не только на «родные» для завода Жигули различных моделей, но и на другой автотранспорт силовых структур — в частности, Волги. Разумеется, установка такого силового агрегата на седан горьковского автозавода потребовала соответствующей доработки крепления и некоторых узлов трансмиссии.
1 / 3
2 / 3
ВАЗ-21059 – роторная «пятерка». По-прежнему никаких отличий от обычной снаружи.
3 / 3
ВАЗ-21059 – роторная «пятерка». По-прежнему никаких отличий от обычной снаружи.
В это же время на практически готовые к использованию РПД обратили внимание и авиаторы, которые заказали тольяттинскому бюро разработку варианта для применения на вертолётах и легких самолётах.
Впрочем, роторно-поршневым типом двигателя заинтересовались и многие другие предприятия, которые заказали тольяттинцам разработку агрегатов для лодок, амбифий и даже мотоциклов! Эти услуги завод предоставлял по договорам на условиях широко вошедшего в то время в обиход хозрасчета, поэтому деятельность СКБ не была для ВАЗа убыточной. Также опытные образцы авиационных двигателей ВАЗ-416 и ВАЗ-426 были разработаны уже в эпоху функционирования НТЦ ВАЗа в середине девяностых годов.
Различные типы применения РПД дали возможность конструкторам понять, что конструктивные решения автомобильных и авиационных двигателей не могут быть полностью идентичными вследствие существенной разницы в режимах работы моторов на воздушном и автомобильном транспорте.
Статьи / История
Сложные роды «антилопы»: история создания ВАЗ-2110
Еще задолго до выхода трехдверного хэтчбека 2108 разработчикам стало ясно, что на смену откровенно устаревшим Жигулям нужен новый седан. Мнения разделились: часть конструкторов придерживалась мнения, что...
50282 11 10 20.12.2015
Поэтому одновременная разработка «единого» ротором лишена практического смысла — скорее, работы можно объединять по технологической и производственной базе, а не по конкретным решениям.
РПД и передний привод
Возникает вопрос: а как же переднеприводные автомобили? Неужто ВАЗ не обратил внимание на собственную «восьмерку»?
Разумеется, обратил: работа над РПД для принципиально нового семейства началась, когда ВАЗ-2108 только готовили к производству – в 1979 году, однако более предметно к теме «переднеприводного ротора» в вернулись в начале перестройки, заключив договор с Запорожским автозаводом. И уже к 1987-му году были разработаны опытные образцы ВАЗ-414 для переднеприводных автомобилей ВАЗ и ЗАЗ, а еще в Тольятти создали вариант своего 40-сильного РПД под индексом 1185 даже для… Оки! Но в дальнейшем руководство отдало предпочтение авиационному направлению, а работы по автомобильным РПД были приостановлены.
Мелкосерийное производство необычной модификации Жигулей на базе «пятерки» продолжалось вплоть до распада СССР, хотя государственные закупки подобных машин силовыми ведомствами были совсем невелики, а «на сторону» автомобили с роторами под капотом не продавались.
Но вскоре заводу стало совсем не до собственных новых разработок — в конце восьмидесятых государственная поддержка автозаводов была свернута, а заводчанам было и без того чем заняться — например, созданием перспективной или .
Последний автомобильный РПД ВАЗа
К теме роторных автомобильных двигателей на ВАЗе вернулись уже лишь в российский период деятельности завода, найдя возможность даже в непростые девяностые годы «достать из-под сукна» интересную разработку. Ведь в мире в то время давно существовали «подогретые» модификации обычных городских хэтчбеков, с которыми вазовский РПД был вполне сравним по развиваемой мощности.
Наличие такого мотора на автомобилях семейства 2108 могло «взбодрить» покупательский интерес — по крайней мере, в Тольятти на это рассчитывали.
Даже в непростых условиях новый РПД для Самары удалось освоить довольно быстро — благо, двигатель ВАЗ-415 не требовалось разрабатывать с нуля. Некоторые источники утверждают, что доводочные работы при его трансформации в серийное изделие велись достаточно поспешно или не слишком успешно, вследствие чего мотор все равно сохранил ряд недостатков, присущих остальным вазовским РПД. Впрочем, существует и другое мнение, что этот мотор, напротив, вобрал в себя все преимущества былых разработок — как достаточный ресурс, известный еще по 413-му мотору, так и «плотную» компоновку, доставшуюся ему по наследству от ВАЗ-414.
Практически одновременно обновили и классику: в 1992 году на базе «семёрки» начался выпуск модификации Жигулей ВАЗ-21079 со 140-сильным мотором ВАЗ-4132.
1 / 3
2 / 3
Седьмая модель стала последними Жигулями с РПД
3 / 3
Седьмая модель стала последними Жигулями с РПД
Тем не менее, в 1997 году ВАЗ-415 наконец-то получил сертификат, позволявший его установку на обычные товарные авто, которые вскоре появились в автосалонах.
«На гражданке»: став доступным простым смертным, РПД тут же появился на страницах российских автоизданий
Конечно, цена машины увеличивалась на вполне ощутимые по тем временам 2,2-2,5 тысячи долларов, но зато динамика «восьмерки» улучшалась на порядок. Ведь 120-140 «роторных» лошадиных сил позволяли набирать сотню с места за 8-9 секунд, а реальная максимальная скорость вплотную подобралась к заветным 200 км/ч. Расход топлива, конечно, при этом колебался от 8 до 14 литров. Зато компактный роторный моторчик крутился до умопомрачительных 8 тысяч оборотов, обеспечивая «пилоту» ощущения, несравнимые с разгоном обычного «зубила».
РПД-415 под капотом ВАЗ-2108 выглядит вполне органично. Но при этом мотор заметно компактнее родного. Фото: Подзолков Александр
РПД всегда славился своим «горячим характером», поэтому масляный радиатор ему был необходим, как воздух. Или вода. В общем, для охлаждения. Фото: Подзолков Александр
Вид снизу намекает, что это какая-то очень непростая «восьмерка». Фото: Подзолков Александр
Микропроцессорное зажигание можно было встретить и на ВАЗ-2108 с обычным ДВС. Но очень нечасто. Фото: Подзолков Александр
Увы, при этом малопонятный большинству ротор оставался «вещью в себе» — обычным мотористам не была известна технология его ремонта, да и запасные части в любом магазине за углом не продавались.
Вдобавок на обычных вазовских моторах к тому времени уже набирал обороты , а на РПД питанием по-прежнему заведовал архаичный карбюратор Солекс.
Смесь РПД готовил привычный «Солекс», но со своими регулировками. «Сектор газа» имел дополнительный рычаг для привода дозирующего масляного насоса - лубрикатора. Фото: Подзолков Александр
Вид сверху на ВАЗ-415 с демонтированным карбюратором. Фото: Подзолков Александр
И, несмотря на наличие микропроцессорной системы зажигания (МПСЗ), ротор не мог похвастать покладистостью и (главное!) долговечностью обычного поршневого ДВС. Ведь при заявленном ресурсе в 125 000 км многие моторы начинали быстро «умирать» уже после 50 000 км, чему способствовало применение «неправильного» масла. Как и у японских автомобилей Mazda с РПД, при этом резко ухудшался пуск двигателя и увеличивался расход масла на угар, а в дальнейшем мотор мог и вовсе выйти из строя.
Герметичность уплотнений – больное место любого РПД, не только ВАЗ-415. Фото: Подзолков Александр
Многочисленные тюнинговые фирмы, появившиеся в Тольятти и около него словно грибы после дождя, в тот период предлагали различные по бюджету и степени вмешательства программы тюнинга обычных моторов которые позволяли без заметной потери ресурса снимать практически ту же мощность, что и у ротора. А ведь РПД при традиционной системе питания было невозможно втиснуть в грядущие экологические нормы Евро 2, которым без проблем соответствовал только что освоенный вазовский же впрыск.
В силу немассовости производства в дальнейшем ни работы, ни само производство РПД ВАЗу были не очень-то интересны, поскольку они, как и в истории Mazda, могли быть продиктованы разве что имиджевыми соображениями. Что в случае с тольяттинским автозаводом было недостаточно веским аргументом…
По ряду перечисленных причин уже в начале двухтысячных годов вазовский ротор стал резко терять обороты. Да, ВАЗ-415 успели примерить даже «десятка» и «пятнашка» в модификациях 2110-91 и 2115-91 соответственно, однако вскоре производство роторных двигателей на ВАЗе было прекращено, а само СКБ РПД, разработавшее свой последний продукт в 2001 году, было перерегистрировано.
Почти четыре десятка разработок за 26 лет – конструкторы СКБ РПД немало поработали над роторной темой
После 2004 года деятельность КБ в рамках работы над двигателями РПД была окончательно прекращена, а примерно в 2007-м оборудование частично вывезено и утилизировано. Похоже, на этом в истории советско-российского ротора была поставлена окончательная точка.
Жалеете ли вы о том, что роторные ВАЗы так и не получились?
Как известно, принцип работы роторного двигателя основан на высоких оборотах и отсутствии движений, которыми отличается ДВС. Это и отличает агрегат от обычного поршневого двигателя. РПД называют ещё двигателем Ванкеля, и сегодня мы рассмотрим его работу и явные достоинства.
Ротор такого двигателя находится в цилиндре. Сам корпус не круглого типа, а овального, чтобы ротор треугольной геометрии нормально в нём помещался. У РПД не бывает коленчатого вала и шатунов, а также отсутствуют в нём другие детали, что делает его конструкцию намного проще. Если говорить другими словами, то примерно около тысячи деталей обычного двигателя внутреннего сгорания в РПД нет.
Работа классического РПД основана на простом движении ротора внутри овального корпуса. В процессе движения ротора по окружности статора создаются свободные полости, в которых и происходят процессы запуска агрегата.
Удивительно, но роторный агрегат представляет собой некий парадокс. В чём он заключается? А в том, что он имеет гениально простую конструкцию, которая почему-то не прижилась. А вот более сложный поршневой вариант стал популярным и повсюду используется.
Строение и принцип работы роторного двигателя
Схема работы роторного двигателя представляет собой нечто совершенно иное, чем обычный ДВС. Во-первых, следует оставить в прошлом конструкцию двигателя внутреннего сгорания, известную нам. А во-вторых, попытаться впитать в себя новые знания и понятия.
Как и поршневой, роторный двигатель использует давление которое создается при сжигании смеси воздуха и топлива. В поршневых двигателях, это давление создается в цилиндрах, и двигает поршни вперед и назад. Шатуны и коленчатый вал преобразуют возвратно-поступательные движения поршня во вращательное движение, которое может быть использовано для вращения колес автомобиля.
РПД назван так из-за ротора, то есть такой части мотора, которая движется. Благодаря этому движению мощность передаётся на сцепление и КПП. По сути, ротор выталкивает энергию топлива, которая затем передаётся колёсам через трансмиссию. Сам ротор выполнен обязательно из легированной стали и имеет, как и говорилось выше, форму треугольника.
Капсула, где находится ротор, - это своеобразная матрица, центр вселенной, где все процессы и происходят. Другими словами, именно в этом овальном корпусе происходит:
- сжатие смеси;
- топливный впрыск;
- поступление кислорода;
- зажигание смеси;
- отдача сгоревших элементов в выпуск.
Одним словом, шесть в одном, если хотите.
Сам ротор крепится на специальном механизме и не вращается вокруг одной оси, а как бы бегает. Таким образом, создаются изолированные друг от друга полости внутри овального корпуса, в каждой из которых и происходит какой-либо из процессов. Так как ротор треугольный, то полостей получается всего три.
Всё начинается следующим образом: в первой образующейся полости происходит всасывание, то есть камера наполняется воздушно-топливной смесью, которая здесь же перемешивается. После этого ротор вращается и толкает эту перемешанную смесь в другую камеру. Здесь смесь сжимается и воспламеняется при помощи двух свечей.
Смесь после этого идёт в третью полость, где и происходит вытеснение частей использованного топлива в систему выхлопа.
Это и есть полный цикл работы РПД. Но не всё так просто. Это мы рассмотрели схему РПД только с одной стороны. А действия эти проходят постоянно. Если говорить иначе, процессы возникают сразу с трёх сторон ротора. В итоге всего за единственный оборот агрегата повторяется три такта.
Кроме того, японским инженерам удалось усовершенствовать роторный двигатель. Сегодня роторные двигатели Мазда имеют не один, а два и даже три ротора, что в значительной мере повышает производительность, тем более если сравнить его с обычным двигателем внутреннего сгорания. Для сравнения: двухроторный РПД сравним с шестицилиндровым ДВС, а 3-роторный с двенадцатицилиндровым. Вот и получается, что японцы оказались такими дальновидными и преимущества роторного мотора сразу распознали.Опять же, производительность - это не одно достоинство РПД. Их у него много. Как и было сказано выше, роторный двигатель очень компактный и в нём используется на целых тысячу деталей меньше, чем в том же ДВС. В РПД всего две основные детали - ротор и статор, а проще этого ничего не придумаешь.
Принцип работы роторного двигателя
Принцип работы роторно-поршневого двигателя заставил в своё время многих талантливых инженеров удивлённо вскинуть бровями. И сегодня талантливые инженеры компании Мазда заслуживают всяческих похвал и одобрения. Шутка ли, поверить в производительность, казалось бы, похороненного двигателя и дать ему вторую жизнь, да ещё какую!
Ротор имеет три выпуклых стороны, каждая из которых действует как поршень. Каждая сторона ротора имеет углубление в ней, что повышает скорость вращения ротора в целом, предоставляя больше пространства для топливо-воздушной смеси. На вершине каждой грани находится по металлической пластине, которые и формируют камеры, в которых происходят такты двигателя. Два металлических кольца на каждой стороне ротора формируют стенки этих камер. В середине ротора находится круг, в котором имеется множество зубьев. Они соединены с приводом, который крепится к выходному валу. Это соединение определяет путь и направление, по которому ротор движется внутри камеры.
Камера двигателя приблизительно овальной формы (но если быть точным — это Эпитрохоида, которая в свою очередь представляет собой удлиненную или укороченную эпициклоиду, которая является плоской кривой, образуемой фиксированной точкой окружности, катящейся по другой окружности). Форма камеры разработана так, чтобы три вершины ротора всегда находились в контакте со стенкой камеры, образуя три закрытых объемах газа. В каждой части камеры происходит один из четырех тактов:
- Впуск
- Сжатие
- Сгорание
- Выпуск
Отверстия для впуска и выпуска находятся в стенках камеры, и на них отсутствуют клапаны. Выхлопное отверстие соединено непосредственно с выхлопной трубой, а впускное напрямую подключено к газу.
Выходной вал имеет полукруглые выступы-кулачки, размещенные несимметрично относительно центра, что означает, что они смещены от осевой линии вала. Каждый ротор надевается на один из этих выступов. Выходной вал является аналогом коленчатого вала в поршневых двигателях. Каждый ротор движется внутри камеры и толкает свой кулачок.
Так как кулачки установлены несимметрично, сила с которой ротор на него давит, создает крутящий момент на выходном валу, заставляя его вращаться.
Строение роторного двигателя
Роторный двигатель состоит из слоев. Двухроторный двигателя состоят из пяти основных слоев, которые удерживаются вместе благодаря длинным болтам, расположенным по кругу. Охлаждающая жидкость протекает через все части конструкции.
Следующий слой содержит в себе непосредственно сам ротор и выхлопную часть.
Центр состоит из двух камер подачи топлива, по одной для каждого ротора. Он также разделяет эти два ротора, поэтому его внешняя поверхность очень гладкая.
В центре каждого ротора крепится две большие шестерни, которые вращаются вокруг более маленьких шестерней и крепятся к корпусу двигателя. Это и является орбитой для вращения ротора.
Конечно же, если бы у роторного мотора не было недостатков, то он обязательно бы применялся на современных автомобилях. Возможно даже, что, если бы роторный двигатель был безгрешен, мы и не узнали бы про двигатель поршневой, ведь роторный создали раньше. Затем человеческий гений, пытаясь усовершенствовать агрегат, и создал современный поршневой вариант мотора.
Но к сожалению, минусы у роторного двигателя имеются. К таким вот явным ляпам этого агрегата можно отнести герметизацию камеры сгорания. А в частности, это объясняется недостаточно хорошим контактом самого ротора со стенками цилиндра. При трении со стенками цилиндра металл ротора нагревается и в результате этого расширяется. И сам овальный цилиндр тоже нагревается, и того хуже - нагревание происходит неравномерно.
Если в камере сгорания температура бывает выше, чем в системе впуска/выпуска, цилиндр должен быть выполнен из высокотехнологичного материала, устанавливаемого в разных местах корпуса.
Для того чтобы такой двигатель запустился, используются всего две свечи зажигания. Больше не рекомендуется ввиду особенностей камеры сгорания. РПД наделён бывает совершенно иной камерой сгорания и выдаёт мощность три четверти рабочего времени ДВС, а коэффициент полезного действия составляет целых сорок процентов. По сравнению: у поршневого мотора этот же показатель составляет 20%.
Преимущества роторного двигателя
Меньше движущихся частей
Роторный двигатель имеет намного меньше частей, чем скажем 4-х цилиндровый поршневой движок. Двух роторный двигатель имеет три главные движущиеся части: два ротора и выходной вал. Даже самый простой 4-х цилиндровый поршневой двигатель имеет как минимум 40 движущихся частей, включая поршни, шатуны, стержень, клапаны, рокеры, клапанные пружины, зубчатые ремни и коленчатый вал. Минимизация движущихся частей позволяет получить роторным двигателям более высокую надежность. Именно поэтому некоторые производители самолетов (к примеру Skycar) используют роторные двигатели вместо поршневых.
Мягкость
Все части в роторном двигателе непрерывно вращаются в одном направлении, в отличие от постоянно изменяющих направление поршней в обычном двигателе. Роторный движок использует сбалансированные крутящиеся противовесы, служащие для подавления любых вибраций. Подача мощности в роторном двигателе также более мягкая. Каждый цикл сгорания происходит за одни оборот ротора в 90 градусов, выходной вал прокручивается три раза на каждое прокручивание ротора, каждый цикл сгорания проходит за 270 градусов за которые проворачивается выходной вал. Это значит, что одно роторный двигатель вырабатывает мощность в три четверти. Если сравнивать с одно-цилиндровым поршневым двигателем, в котором сгорание происходит каждые 180 градусов каждого оборота, или только четверти оборота коленчатого вала.
Неспешность
В связи с тем, что роторы вращаются на одну треть вращения выходного вала, основные части двигателя вращаются медленней, чем части в обычном поршневом двигателе. Это также помогает и в надежности.
Малые габариты + высокая мощность
Компактность системы вместе с высоким КПД (сравнительно с обычным ДВС) позволяет из миниатюрного 1,3-литрового мотора выдавать порядка 200-250 л.с. Правда, вместе с главным недостатком конструкции в виде высокого расхода топлива.
Недостатки роторных моторов
Самые главные проблемы при производстве роторных двигателей:
- Достаточно сложно (но не невозможно) подстроиться под регламент выброса CO2 в окружающую среду, особенно в США.
- Производство может стоить намного дороже, в большинстве случаев из-за небольшого серийного производства, по сравнению с поршневыми двигателями.
- Они потребляют больше топлива, так как термодинамическое КПД поршневого двигателя снижается в длинной камере сгорания, а также благодаря низкой степени сжатия.
- Роторные двигатели в силу конструкции ограничены в ресурсе — в среднем это порядка 60-80 тыс. км
Такая ситуация просто вынуждает причислять роторные двигатели к спортивным моделям автомобилей. Да и не только. Приверженцы роторного двигателя сегодня нашлись. Это известный автопроизводитель Мазда, вставший на путь самурая и продолживший исследования мастера Ванкеля. Если вспомнить ту же ситуацию с Субару, то становится понятен успех японских производителей, цепляющихся, казалось бы, за всё старое и отброшенное западниками как ненужное. А на деле японцам удаётся создавать новое из старого. То же тогда произошло с оппозитными двигателями, являющимися на сегодняшний день «фишкой» Субару. В те же времена использование подобных двигателей считалось чуть ли не преступлением.
Работа роторного двигателя также заинтересовала японских инженеров, которые на этот раз взялись за усовершенствование Мазды. Они создали роторный двигатель 13b-REW и наделили его системой твин-турбо. Теперь Мазда могла спокойно поспорить с немецкими моделями, так как открывала целых 350 лошадок, но грешила опять же большим расходом топлива.
Пришлось идти на крайние меры. Очередная модель Мазда RX-8 с роторным двигателем уже выходит с 200 лошадками, что позволяет сократить расход топлива. Но не это главное. Заслуживает уважения другое. Оказалось, что до этого никто, кроме японцев, не догадался использовать невероятную компактность роторного двигателя. Ведь мощность в 200 л.с. Мазда RX-8 открывала с двигателем объёмом 1,3 литра. Одним словом, новая Мазда выходит уже на другой уровень, где способна конкурировать с западными моделями, беря не только мощностью мотора, но и другими параметрами, в том числе и низким расходом топлива.Удивительно, но РПД пытались ввести в работу и у нас в стране. Такой двигатель был разработан для установки его на ВАЗ 21079, предназначенный как транспортное средство для спецслужб, однако проект, к сожалению, не прижился. Как всегда, не хватило бюджетных денег государства, которые чудесным образом из казны выкачиваются.
Зато это удалось сделать японцам. И они на достигнутом результате останавливаться не желают. По последним данным, производитель Мазда усовершенствует двигатель и в скором времени выйдет новая Мазда, уже с совершенно другим агрегатом.
Разные конструкции и разработки роторных двигателей
Двигатель Ванкеля
Двигатель Желтышева
Двигатель Зуева
Изобретение двигателя внутреннего сгорания дало толчок к производству автомобилей, передвигающихся на жидком виде топлива. Двигатели эти на протяжении всей истории автомобилестроения эволюционировали: появлялись различные конструкции моторов. Одной из прогрессивных, но так и не получивших распространение конструкций двигателей стал роторно-поршневой агрегат. Об особенностях этого типа двигателя, его достоинствах и недостатках мы поговорим в сегодняшнем материале.
История
Разработчиком роторно-поршневого двигателя стал дуэт инженеров компании NSU – Феликс Ванкель и Вальтер Фройде. И хотя основная роль в создании роторного двигателя принадлежит именно Фройде (второй участник проекта в это время работал над конструкцией иного двигателя), в автомобильной среде силовой агрегат известен как мотор Ванкеля.
Эта силовая установка была собрана и испытана в 1957 году. Первым автомобилем, на который установили роторно-поршневой двигатель, стал спорткар NSU Spider, который развивал скорость 150 км/час при мощности мотора 57 лошадиных сил. Производилась эта модель на протяжении трех лет (1964-1967 годы).
По настоящему массовым автомобилем с роторным двигателем стало второе детище компании NSU – седан Ro-80.
В названии автомобиля указывалось, что модель оснащается роторным агрегатом. Впоследствии роторные двигатели устанавливались на автомобили Citroen (GS Birotor), Mercedes-Benz (С111), Chevrolet (Corvette), ВАЗ (21018) и так далее. Но самый массовый выпуск моделей с роторным двигателем был налажен японской компанией Mazda. Начиная с 1964 года, компания произвела несколько автомобилей с подобным типом силовой установки, а пионером в этом деле стала модель Cosmo Sport. Самая известная модель с роторно-поршневым двигателем, которая выпускалась этим производителем – RX (Rotor-eXperiment). Производство последней модели из этого семейства, в специальной версии Spirit R, было свернуто в середине 2012 года. Впрочем, не все экземпляры роторной «восьмерки» еще распроданы – официальный дилер Mazda в Индонезии еще продает эти автомобили.
Устройство
Особенностью роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания стало присутствие в его конструкции трехгранного ротора – поршня. Он вращается в цилиндре, который имеет специальную форму. Ротор насажен на вал, и соединен с зубчатым колесом, которое, в свою очередь, имеет сцепление со статором – шестерней. Ротор вращается вокруг статора по так называемой эпитрохоидальной кривой, его лопасти попеременно перекрывают камеры цилиндра, в которых происходит сгорание топлива.
В конструкции роторного двигателя отсутствует газораспределительный механизм – его функцию выполняет сам ротор, который при помощи своих лопастей распределяет поступающую горючую смесь и выпускает отработанные в цилиндре газы. Подобная конструкция двигателя позволяет обойтись без множества узлов, крайне необходимых для простого поршневого двигателя (например, коленчатый вал, шатуны), что, во-первых, позволяет уменьшить размер и массу силового агрегата, а во-вторых – уменьшить стоимость его производства.
Достоинства и недостатки
Роторно-поршневой двигатель не зря привлек внимание многих именитых автомобильных компаний. Его конструкция и принцип действия позволяли получить несколько довольно весомых преимуществ перед обычными двигателями.
Во-первых, роторно-поршневой мотор в силу своей конструкции обладал лучшей среди остальных типов силовых установок сбалансированностью, и был подвержен минимальным вибрациям.
Во-вторых, у этой силовой установки отмечались отменные динамические характеристики: без существенной нагрузки на двигатель, авто с роторно-поршневым мотором легко можно разогнать до 100 км/час и более на низкой передаче при высоких оборотах двигателя.
В-третьих, роторный двигатель компактнее и легче, чем стандартный поршневой силовой агрегат. Эта особенность позволяла конструкторам добиться практически идеальной развесовки по осям, что влияло на устойчивость автомобиля на дороге.
В-четвертых, в нем используется намного меньшее количество узлов и агрегатов, чем в обычном двигателе.
Наконец, в-пятых, роторный двигатель обладает высокой удельной мощностью.
Недостатки
К минусам роторно-поршневого двигателя, из-за которых он так и не смог получить массового применения и не используется сегодня в автомобилях всех брендов, относится, во-первых, большой расход топлива на низких оборотах. На некоторых моделях он достигает 20 литров на 100 км пробега, что, согласитесь, совсем не экономично и бьет по карману владельца авто с роторным двигателем.
Во-вторых, недостатком этого типа двигателей является сложность изготовления его деталей: чтобы ротор правильно прошел эпитрохоидальную кривую, необходима высокая геометрическая точность при создании как самого ротора, так и цилиндра. Для этого производители роторных двигателей используют высокоточное и дорогостоящее оборудование, а стоимость производства закладывают в цену автомобиля.
В-третьих, роторный двигатель склонен к перегреву из-за особенности конструкции камеры сгорания: она имеет линзовидную форму, а не сферическую, как у обычных поршневых моторов. Топливная смесь, сгорая в такой камере, превращается в тепловую энергию, которая расходуется в большей части неэффективно – ее избыток нагревает цилиндр, что в конечном итоге приводит к износу и выходу его из строя.
В-четвертых, высокий износ уплотнителей между форсунками ротора из-за перепадов давления в камерах сгорания двигателя. Именно поэтому ресурс таких двигателей составляет 100-150 тысяч км, после чего, как правило, требуется силового агрегата.
В-пятых, роторно-поршневой двигатель нуждается в своевременной и четко соблюдаемой процедуре : мотор потребляет примерно 600 мл моторного масла на 1000 км, так что менять его приходится раз в 5000 км пробега. Если его вовремя не заменить, это чревато выходом из строя узлов и агрегатов мотора, что повлечет за собой дорогостоящий ремонт. То есть, к эксплуатации и обслуживанию роторно-поршневых двигателей следует подходить более ответственно, чем к обслуживанию обычных моторов, вовремя проводя их техническое обслуживание и капитальный ремонт.
Паровые машины и двигатели внутреннего сгорания обладают одним общим недостатком - возвратно-поступательное движение поршня должно быть преобразовано во вращательное движение колёс. Отсюда и заведомо низкий КПД, и высокая изнашиваемость элементов механизма. Многим хотелось построить двигатель внутреннего сгорания так, чтобы все подвижные части в нём только вращались - как это происходит в электромоторах.
Однако задача оказалась не простой, успешно решить её удалось только механику-самоучке, который за всю свою жизнь так и не получил ни высшего образования, ни даже рабочей специальности.
Феликс Генрих Ванкель (Felix Heinrich Wankel, 1902–1988) родился 13 августа 1902 года в небольшом немецком городке Лар. Во время Первой мировой войны погиб отец Феликса, из-за чего будущему изобретателю пришлось бросить гимназию и пойти работать учеником продавца в книжной лавке при издательстве. Благодаря этой работе Ванкель пристрастился к чтению книг, по которым он самостоятельно изучал технические дисциплины, механику и автомобилестроение.
Существует легенда, что решение задачи пришло семнадцатилетнему Феликсу во сне. Правда это или нет - неизвестно. Зато очевидно, что Феликс обладал весьма незаурядными способностями к механике и «незамыленным» взглядом на вещи. Он понял, как все четыре цикла работы обычного двигателя внутреннего сгорания (впрыск, сжатие, сгорание, выхлоп) можно осуществить при вращении.
Довольно быстро Ванкель пришёл к первой конструкции двигателя, и в 1924 году он организовал небольшую мастерскую, которая также служила и импровизированной «лабораторией». Здесь Феликс и начал проводить первые серьёзные исследования в области роторно-поршневых ДВС.
С 1921 года Ванкель был активным членом НСДАП. Он выступал за партийные идеалы, был основателем всегерманского военного юношеского объединения и юнгфюрером различных организаций. В 1932 году он вышел из партии, обвинив одного из своих бывших коллег в политической коррупции. Однако по встречному обвинению ему самому пришлось провести в тюрьме шесть месяцев. Освободившись из заключения благодаря заступничеству Вильгельма Кепплера (Wilhelm Keppler), он продолжил работы над двигателем. В 1934 он создал первый опытный образец и получил на него патент. Он сконструировал новые клапаны и камеры сгорания для своего мотора, создал несколько различных его вариантов, разработал классификацию кинематических схем различных роторно-поршневых машин.
В 1936 году прототип двигателя Ванкеля заинтересовал BMW - Феликс получил деньги и собственную лабораторию в Линдау для разработки опытных авиадвигателей.
Впрочем, до самого разгрома фашистской Германии ни один двигатель Ванкеля в серию не пошёл. Возможно, на доведение конструкции до ума и создания массового производства требовалось слишком много времени.
После войны лаборатория была закрыта, оборудование вывезено во Францию, а Феликс остался без работы (сказалось былое членство в национал-социалистической партии). Однако вскоре Ванкель всё же получил должность инженера-конструктора в компании NSU Motorenwerke AG, являющейся одним из старейших производителей мотоциклов и автомобилей.
В 1957 году совместными усилиями Феликса Ванкеля и ведущего инженера NSU Вальтера Фрёде (Walter Froede) роторно-поршневой двигатель впервые был установлен на автомобиль NSU Prinz. Первоначальная конструкция оказалась далека от совершенства: даже для замены свечей требовалось разбирать почти весь «движок», надёжность оставляла желать лучшего, а про экономичность на данном этапе разработки и вовсе говорить было грешно. В результате испытаний в серию пошёл всё же автомобиль с традиционным ДВС. Тем не менее первый роторно-поршневой двигатель DKM-54 доказал свою принципиальную работоспособность, открыл направления для дальнейшей доводки и продемонстрировал колоссальный потенциал «роторников».
Таким образом, новый тип ДВС получил, наконец, свою путёвку в жизнь. В дальнейшем его ждёт ещё немало усовершенствований и доработок. Но перспективы роторно-поршневого двигателя настолько привлекательны, что инженеров уже ничто не могло остановить в деле доведения конструкции до эксплуатационного совершенства.
Прежде чем разбирать достоинства и недостатки роторно-поршневых ДВС, стоит всё-таки подробней рассмотреть их конструкцию.
В центре ротора проделано круглое отверстие, изнутри покрытое зубцами как у шестерёнки. В это отверстие вставлен вращающийся вал меньшего диаметра, также с зубцами, что обеспечивает отсутствие проскальзывания между ним и ротором. Отношения диаметров отверстия и вала подобраны так, чтобы вершины треугольника двигались по одной и той же замкнутой кривой, которая называется «эпитрохоида», - искусство Ванкеля как инженера заключалось в том, чтобы сначала понять, что это возможно, а потом всё точно рассчитать. В итоге, поршень, имеющий форму треугольника Рело, отсекает в камере, повторяющей форму найденной Ванкелем кривой, три камеры переменного объёма и положения.
Конструкция роторно-поршневого ДВС позволяет реализовать любой четырехтактный цикл без применения специального механизма газораспределения. Благодаря этому факту «роторник» оказывается значительно проще обычного четырёхтактного поршневого двигателя, в котором в среднем почти на тысячу деталей больше.
Герметизация рабочих камер в роторно-поршневом ДВС обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к «цилиндру» ленточными пружинами, а также центробежными силами и давлением газа.
Ещё одна его техническая особенность - это высокая «производительность труда». За один полный оборот ротора (то есть за цикл «впрыск, сжатие, воспламенение, выхлоп»), выходной вал совершает три полных оборота. В обычном поршневом двигателе таких результатов можно добиться только используя шестицилиндровый ДВС.
После первой же успешной демонстрации роторного ДВС в 1957 году крупнейшие автогиганты стали проявлять к разработке повышенный интерес. Сначала лицензию на двигатель, получивший неформальное название «ванкель», купила корпорация Curtiss-Wright, через год, Daimler-Benz, MAN, Friedrich Krupp и Mazda. Всего за весьма короткий промежуток времени лицензии на новую технологию приобрели около ста компаний во всём мире, включая таких монстров как Rolls-Royce, Porsche, BMW и Ford.Такой интерес к «ванкелю» столь крупных игроков автомобильного рынка объясняется его большим потенциалом и значительными достоинствами - в роторно-поршневом двигателе на 40% меньше деталей, он проще в ремонте и производстве.
К тому же «ванкель» почти в два раза компактней и легче традиционного поршневого ДВС, что в свою очередь улучшает управляемость автомобиля, облегчает оптимальное расположение трансмиссии и позволяет сделать более просторный и удобный салон.
Картинка кликабельна:
Роторно-поршневой двигатель развивает высокую мощность при довольно скромном расходе топлива. Например, современный «ванкель» объёмом всего 1300 смі развивает мощность в 220 л.с., а с турбокомпрессором - все 350. Ещё один пример - миниатюрный двигатель OSMG 1400 весом 335 г (рабочий объем 5 смі) развивает мощность в 1,27 л.с. Фактически, эта кроха на 27% сильнее лошади.
Ещё одно важное преимущество - низкий уровень шумов и вибраций. Роторно-поршневой двигатель отлично уравновешен механически, кроме того масса движущихся частей (и их количество) в нём значительно меньше, благодаря чему «ванкель» работает гораздо тише и не вибрирует.
И, наконец, роторно-поршневой двигатель отличается великолепными динамическими характеристиками. На низкой передаче можно без особой нагрузки на движок разогнать автомобиль до 100 км/ч на высоких оборотах двигателя. Кроме того, сама конструкция «ванкеля» за счёт отсутствия механизма преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, способна выдержать большие обороты, чем традиционный ДВС.
После вышедшего в 1964 году NSU Spyder последовали легендарная модель NSU Ro 80 (в мире до сих пор существует множество клубов владельцев этих машин), Citroen M35 (1970), Mercedes C-111 (1969), Corvette XP (1973). Но единственным массовым производителем стала японская Mazda, выпускавшая с 1967 года порой по 2-3 новые модели с РПД. Роторные двигатели ставили на катера, снегоходы и легкие самолеты. Конец эйфории пришел в 1973 году, в разгар нефтяного кризиса. Тут-то и проявился основной недостаток роторных двигателей - неэкономичность. За исключением Mazda, все автопроизводители свернули роторные программы, а у японской компании продажи по Америке сократились со 104960 проданных машин в 1973 году до 61192 - в 1974-м. Наряду с неоспоримыми достоинствами, «ванкель» также обладал и целым рядом очень серьёзных недостатков. Во-первых, долговечность. Один из первых прототипов роторно-поршневых двигателей на испытаниях выработал свой ресурс всего за два часа. Следующий, более успешный DKM-54 уже выдержал сто часов, но этого для нормальной эксплуатации автомобиля всё равно было недостаточно. Основная проблема крылась в неравномерном износе внутренней поверхности рабочей камеры. На ней в процессе эксплуатации появлялись поперечные борозды, которые получили говорящее имя «метки дьявола».
В компании Mazda после приобретения лицензии на «ванкель» был сформирован целый отдел, занимавшийся усовершенствованием роторно-поршневого двигателя. Довольно скоро выяснилось, что при вращении треугольного ротора, заглушки на его вершинах начинают вибрировать, в результате чего и образуются «метки дьявола».
В настоящее время проблему надежности и долговечности окончательно решили, применив высококачественные износостойкие покрытия, в том числе керамические.
Другая серьезная проблема - повышенная токсичность выхлопа «ванкеля». По сравнению с обычным поршневым ДВС «роторник» выделяет в атмосферу меньше окислов азота, но гораздо больше углеводородов, за счёт неполного сгорания топлива. Довольно быстро инженеры Mazda, уверовавшие в блестящее будущее «ванкеля», нашли простое и эффективное решение и этой проблемы. Они создали так называемый термальный реактор, в котором остатки углеводородов в выхлопных газах просто «дожигались». Первым автомобилем, реализовавшим такую схему, стал Mazda R100, также называемый Familia Presto Rotary, выпущенный в 1968 году. Эта машина, одна из немногих, сразу прошла весьма жёсткие экологические требования, выдвинутые США в 1970 году для импортируемых авто.
Следующая проблема роторно-поршневых двигателей частично вытекает из предыдущей. Это экономичность. Расход топлива стандартного «ванкеля» из-за неполного сгорания смеси существенно выше, чем у стандартного ДВС. И снова инженеры Mazda принялись за работу. При помощи целого комплекса мер, включающих переработку термореактора и карбюратора, добавление теплообменника в выхлопную систему, разработку каталитического конвертера и внедрение новой системы зажигания, компания добилась снижения потребления топлива на 40%. В результате этого несомненного успеха в 1978 году был выпущен спортивный автомобиль Mazda RX-7.
Стоит отметить, что в это время во всём мире машины с роторно-поршневыми двигателями выпускала только Mazda и… АвтоВАЗ.
Именно в провальном 1974 году советское правительство создает на Волжском автозаводе специальное конструкторское бюро РПД (СКБ РПД) - социалистическая экономика непредсказуема. В Тольятти начались работы по строительству цехов для серийного производства «ванкелей». Поскольку ВАЗ изначально планировался как простой копировальщик западных технологий (в частности, фиатовских), заводскими специалистами было принято решение воспроизводить двигатель Mazda, напрочь откинув все десятилетние наработки отечественных двигателестроительных институтов.
Советские чиновники довольно долго вели переговоры с Феликсом Ванкелем на предмет покупки лицензий, причем некоторые из них проходили прямо в Москве. Денег, правда, не нашли, и поэтому воспользоваться некоторыми фирменными технологиями не удалось. В 1976 году заработал первый волжский односекционный двигатель ВАЗ-311 мощностью 65 л.с., еще пять лет ушло на доводку конструкции, после чего была выпущена опытная партия в 50 штук роторных «единичек» ВАЗ-21018, мгновенно разошедшихся среди работников ВАЗа. Тут же выяснилось, что двигатель только внешне напоминал японский - сыпаться он стал очень даже по-советски. Руководство завода было вынуждено за полгода заменить все двигатели на серийные поршневые, сократить на половину штат СКБ РПД и приостановить строительство цехов. Спасение отечественного роторного двигателестроения пришло от спецслужб: их не очень интересовал расход топлива и ресурс двигателя, зато сильно - динамические характеристики. Тут же из двух двигателей ВАЗ-311 был сделан двухсекционный РПД мощностью 120 л.с., который стал устанавливаться на «спецединичку» - ВАЗ-21019. Именно этой модели, получившей неофициальное название «Аркан», мы обязаны бесчисленным количеством баек про милицейские «Запорожцы», догоняющие навороченные «Мерседесы», а многие стражи порядка - орденами и медалями. До 90-х годов внешне непритязательный «Аркан» действительно легко догонял все машины. Помимо ВАЗ-21019 на АвтоВАЗе также выпускаются малые партии автомобилей ВАЗ-2105, -2107, -2108, -2109, -21099. Максимальная скорость роторной «восьмерки» составляет около 210 км/ч, а до сотни она разгоняется всего за 8 секунд.
Оживший на спецзаказах СКБ РПД стал делать двигатели для водного и автоспорта, где машины с роторными двигателями стали настолько часто завоевывать призовые места, что спортивные чиновники были вынуждены запретить применение РПД.
В 1987 году умер руководитель СКБ РПД Борис Поспелов и на общем собрании был выбран Владимир Шнякин - человек, пришедший в автомобилестроение из авиации и недолюбливающий наземный транспорт. Главным направлением СКБ РПД становится создание двигателей для авиации. Это была первая стратегическая ошибка: самолетов у нас выпускается несоизмеримо меньше автомобилей, а завод живет с проданных двигателей.
Второй ошибкой стала ориентация в сохранившемся производстве автомобильных РПД на маломощные двигатели ВАЗ-1185 в 42 л.с. для «Оки», хотя более прожорливые, но более динамичные роторные двигатели так и просятся на самые быстроходные отечественные машины - например, на «восьмерки». Те же японцы устанавливают «ванкели» только на спортивные модели. В итоге на российских дорогах оказалось всего несколько роторных микролитражек «Ока». В 1998 году был наконец-то подготовлен гражданский вариант двухцилиндрового роторного 1,3-литрового двигателя ВАЗ-415, который стали устанавливать на ВАЗ-2105, 2107, 2108 и 2109.
В мае 1998 г был омологирован кольцевой ВАЗ-110 «РПД-спорт» (190 л. с., 8500 об/мин, 960 кг, 240 км/ч). Увы, дальше одного-единственного образца, чаще демонстрируемого на выставках, чем стартующего в гонках, дело не пошло. 110-я была самой мощной в пелотоне, но откровенно сырая конструкция всякий раз не давала ей продемонстрировать весь свой потенциал. Однако обидней всего то, что на «ВАЗе» быстро охладели к роторному направлению, а уникальную «Ладу» переделали в ралли-кар с обычным ДВС.
Так почему же все ведущие производители автомобилей ещё не пересели на «ванкели»? Дело в том, что для производства роторно-поршневых двигателей требуется, во-первых, отточенная технология со множеством самых разнообразных нюансов и далеко не каждая компания готова пройти путь той же Mazda, попутно наступая на многочисленные «грабли». А во-вторых, нужны специальные высокоточные станки, способные вытачивать поверхности, описанные такой хитрой кривой как эпитрохоида.
Mazda RX-7 - это один из первых автомобилей, на котором ставился роторно-поршневой двигатель Ванкеля. За всю историю Mazda RX-7 было четыре поколения. Первое поколение с 1978 по 1985 год. Второе поколение - с 1985 по 1991. Третье поколение - с 1992 по 1999. Последнее, четвёртое поколение - с 1999 по 2002 год. Первое поколение RX-7 появилось в 1978 году. Оно имело среднемоторную компоновку и оснащалось роторным двигателем мощностью всего 130 л. с.
В настоящее время только Mazda занимается серьёзными исследованиями в области роторно-поршневых двигателей, постепенно совершенствуя их конструкцию, и большая часть подводных камней в этой области уже пройдена. «Ванкели» вполне соответствуют мировым стандартам по уровню токсичности выхлопа, потреблению топлива и надёжности. Для современных станков поверхности описанные эпитрохоидой не являются проблемой (как не являются проблемой и куда более сложные кривые), новые конструкционные материалы позволяют увеличить срок службы роторно-поршневого двигателя, а его стоимость уже сейчас оказывается ниже, чем у стандартного ДВС за счёт меньшего количества используемых деталей.
Как и NSU, Mazda в 60-е гг. была небольшой компанией с ограниченными техническими и финансовыми ресурсами. Основу ее модельного ряда составляли развозные грузовички да семейные малолитражки. Поэтому нет ничего удивительного, что спорт-купеMazda 110S Cosmo (982 см куб., 110 л. с., 185 км/ч) создавалось более 6 лет и оказалось весьма капризным и дорогим. Да и подпорченная NSU Ro80 репутация не способствовала ажиотажу (в 1967–1972 гг. нашли своих владельцев только 1175 «космосов»), но мировой интерес к 110S способствовал увеличению продаж всей остальной продукции фирмы!
Чтобы доказать, что РПД столь же надежен (его превосходство в мощности уже стало для всех очевидным), Mazda чуть ли не впервые в жизни приняла участие в соревнованиях, причем выбрала самую трудную и продолжительную гонку – 84-часовой Marathon De La Route, проходивший на Нюрбургринге. Как экипажу из Бельгии удалось занять 4-е место (вторая машина сошла с дистанции за три часа до финиша из-за заклинивших тормозов), уступив только «выросшим» на «Нордшляйфе» Porsche 911, похоже, так и останется загадкой.
Мастерская Ванкеля в Линдау
Хотя с тех пор японские «роторники» стали завсегдатаями гоночных трасс, крупного успеха в Европе им пришлось ждать 16 лет. В 1984-м британцы на RX-7 выиграли престижную суточную гонку в Спа-Франкошамп. А вот в США, на главном рынке «семерки», ее гоночная карьера складывалась куда успешнее: с момента дебюта в чемпионате IMSA GT в 1978 году и по 1992-й она выиграла в своем классе более сотни этапов, причем с 1982 по 1992 гг. первенствовала в главной гонке серии – 24 hours of Daytona.
В ралли у «Мазд» все шло не так гладко. Как это часто бывало с японскими командами (Toyota, Datsun, Mitsubishi), они выступали только на отдельных этапах раллийного чемпионата мира (Новая Зеландия, Великобритания, Греция, Швеция), интересующих в первую очередь маркетинговые отделы концернов. Национальных титулов хватало: так, в 1975–1980 гг. Род Миллен выиграл целых пять в Новой Зеландии и США. А вот в WRC успехи были исключительно локальными: лучшее, что показали RX-7, – 3-е и 6-е места в греческом «Акрополисе» 1985 года.
Ну а самым громким успехом Mazda вообще и РПД в частности стала победа ее спортпрототипа 787B (2612 см куб., 700 л. с., 607 Нм, 377 км/ч) в Ле Мане в 1991 году. Причем одолеть заводскиеPorsche, Peugeot и Jaguar помогли не только быстрые пилоты и конкурентоспособная техника: свою роль сыграла и настойчивость японских менеджеров, регулярно «выбивавших» для роторников всевозможные послабления в регламенте. Так, накануне победы 787-го организаторы гонки согласились компенсировать прожорливость «роторников» 170-килограммовым (830 против 1000) снижением массы. Парадокс заключался в том, что, в отличие от бензиновых моторов, «аппетит» РПД при дальнейшей форсировке рос куда более скромными темпами, чем у обычных поршневых моторов, и 787-й оказался экономичней своих основных конкурентов!
Это был шок. Mercedes, который журнал Stern за консерватизм называл не иначе как «производитель авто для 50-летних господ в шляпах», в 1969 году презентовал супер-кар, поражавший воображение даже цветом. Вызывающая ярко-оранжевая окраска, подчеркнуто клиновидная форма, среднемоторная компоновка, двери «крыло чайки» и сверхмощный трехсекционный РПД (3600 см куб., 280 л. с., 260 км/час) – для консервативного Mercedes это было нечто!
А поскольку в компании не строили концептов, все считали, что у С111 только один путь: мелкосерийная (омологационная) сборка и большое гоночное будущее, ведь с 1966 года ФИА допустила РПД к официальным соревнованиям. И в штаб-квартиру Mercedes посыпались чеки с просьбой вписать нужную сумму за право обладать С111. Штутгартцы же еще больше подогрели интерес к «эске», в 1970 г. представив вторую генерацию купе с еще более фантастическим дизайном, 4-секционным ротором и умопомрачительными характеристиками (4800 см куб., 350 л. с., 300 км/час). Для доводки Mercedes построил пять макетов, которые дневали и ночевали на Хокенхаймринге и Нюрбургринге, готовясь установить серию рекордов скорости. Пресса смаковала предстоящую «битву титанов» между роторным Mercedes, атмосферным Ferrari и наддувным Porsche в чемпионате мира по гонкам на выносливость. Увы, возвращение в большой спорт не состоялось. Во-первых, С111 был очень дорогим даже для Mercedes, во- вторых, немцы не могли пустить в продажу столь сырую конструкцию. А после карибского нефтяного кризиса они вообще прикрыли проект, сосредоточившись на дизельных двигателях. Ими и оборудовали последние версии C111, установившие несколько мировых рекордов.
Не имеющий законченного технического образования, под конец жизни Феликс Ванкель достиг мирового признания в области двигателестроения и уплотнительной техники, завоевав массу наград и титулов. Его именем названы улицы и площади немецких городов (Felix-Wankel-Strasse, Felix-Wankel-Ring). Помимо двигателей, Ванкель разработал новую концепцию скоростных судов и самостоятельно построил несколько лодок.
Самое интересное, что роторный двигатель, который сделал его миллионером и принес ему всемирную славу, Ванкель не любил, считая его «гадким утенком». Реальные работающие РПД были сделаны по так называемой «концепции ККМ», предусматривающей планетарное вращение ротора и требующей введения внешних противовесов. Немалую роль сыграл и тот факт, что эту схему предложил не Ванкель, а инженер NSU Вальтер Фройде. Сам же Ванкель до последних дней считал идеальной схему двигателя «с вращающимися поршнями без неравномерно вращающихся частей» (Drehkolbenmasine - DKM), концептуально гораздо более красивую, но технически сложную, требующую, в частности, установки свечей зажигания на вращающемся роторе. Тем не менее, роторные двигатели во всем мире связывают именно с именем Ванкеля, поскольку все, кто близко знал изобрателя, в один голос утверждают, что что без неуемной энергии немецкого инженера мир так и не увидел бы этого удивительного устройства. Фелик Ванкель ушел из жизни в 1988 году.
Любопытна история с Mercedes 350 SL. Ванкель очень хотел иметь роторный Mercedes С-111. Но фирма Mercedes не пошла ему навстречу. Тогда изобретатель взял серийный 350 SL, выкинул оттуда «родной» двигатель и установил ротор от С-111, который был легче прежнего 8-цилиндрового на 60 кг, но развивал существенно большую мощность (320 л.с. при 6500 об/мин). В 1972 году, когда инженерный гений закончил работу над своим очередным чудом, он мог бы сидеть за рулем самого быстрого на тот момент «Мерседеса» SL-класса. Ирония заключалась в том, что водительские права Ванкель до конца жизни так и не получил.
Возрождением интереса к РПД мы обязаны новому двигателю Mazda Renesis (от RE - Rotary Engine - и Genesis). За прошедшее десятилетие японским инженерам удалось решить все основные проблемы РПД - токсичность выхлопа и неэкономичность. По сравнению с предшественником, удалось сократить потребление масла на 50%, бензина на 40% и довести выброс вредных окисей до норм, соответствующих Euro IV. Двухцилиндровый двигатель объемом всего 1,3 л выдает мощность в 250 л.с. и занимает гораздо меньше места в двигательном отсеке.
Специально под новый двигатель был разработан автомобиль Mazda RX-8, который, по словам брэнд-менеджера Mazda Motor Europe Мартина Бринка, создавался по новой концепции - автомобиль «строился» вокруг двигателя. В итоге развесовка по осям RX-8 идеальна - 50 на 50. Использование уникальной формы и маленьких размеров двигателя позволило поместить центр тяжести очень низко. «RX-8 не явяляется гоночным монстром, но это лучшая в управлении машина, которую я когда-либо водил», - с восторгом рассказывал Popular Mechanics Мартин Бринк.
Бочка меда…
Вне всяких сомнений, с первого взгляда роторно-поршневой двигатель имеет массу преимуществ перед традиционными двигателями внутреннего сгорания:
- Меньшим на 30-40% количеством деталей;
- Меньшими в 2-3 раза габаритами и массой, по сравнению с соответствующим по мощности стандартным ДВС;
- Плавная характеристика крутящего момента во всем диапазоне оборотов;
- Отсутствие кривошипно-шатунного механизма, а, следовательно, гораздо меньший уровень вибрации и шума;
- Высокий уровень оборотов (до 15000 об/мин!).
Ложка дегтя…
Казалось бы, если «Ванкель» имеет такие превосходства над поршневым двигателем, то кому нужны эти громоздкие, тяжелые, гремящие и вибрирующие поршневые двигатели? Но, как это часто бывает, на практике все далеко не так шоколадно. Ни одно гениальное изобретение, выйдя за порог лаборатории, отправлялось в корзину с пометкой «для мусора». Серийное производство нашло не на один камень, а на целую россыпь гранита:
- Отработка процесса сгорания в камере неблагоприятной формы;
- Обеспечение герметичности уплотнений;
- Обеспечение работы без коробления корпуса в условиях неравномерного нагрева;
- Низкий термический КПД ввиду того, что камера сгорания РПД намного больше, чем у традиционного ДВС;
- Высокий расход топлива;
- Высокая токсичность газообразных продуктов сгорания;
- Узкая зона температур для работы РПД: при низких температурах мощность двигателя резко падает, при высоких - быстрый износ уплотнений ротора.