О чем речь? Роторный двигатель можно противопоставить классическому поршневому внутреннего сгорания, хотя основной принцип их работы основывается на сжигании топлива, и то, как реализована схема, имеет большое значение.
Какие особенности? В отличие от поршневого ДВС, роторный двигатель способен развивать большую мощность, обладает более высоким КПД. В то же время, он практически не подлежит ремонту и весьма прожорлив.
В этой статье:
Когда и кем был создан роторный двигатель
Роторный двигатель также нередко называют ванкелем. Как и в случае с дизелем, название связано с фамилией человека, которого принято считать изобретателем РПД. Согласно легенде, Феликс Ванкель трудился над разработкой мотора в те же годы, когда Адольф Гитлер шел к власти в послевоенной Германии, обложенной непосильными репарациями по условиям Версальского мирного договора.
В действительности все было не совсем так. Не умаляя заслуг талантливого изобретателя и инженера, каковым без всяких сомнений являлся Феликс Генрих Ванкель, следует уточнить, что его работа заключалась в разработке другого двигателя внутреннего сгорания, в котором использовался принцип простого вращения взаимодействующих роторов.
Когда и кем был создан роторный двигатель
В послевоенные годы Ванкель, сотрудничая с Вальтером Фройде, в составе группы инженеров, которые трудились над созданием роторных двигателей в немецкой компании NSU Motorenwerke AG, успешно занимался разработкой механических уплотнений вращающихся клапанов.
Честь разработки базовой схемы и инженерной концепции РПД принадлежит именно Вальтеру Фройде, а Феликс Ванкель внес вклад в совместную работу, занимаясь уплотнениями вращающихся клапанов, и получил патент на двойное вращение.
Схема работы первого роторного двигателя была несовершенна – рабочая часть мотора состояла из вращающейся камеры сгорания и неподвижного ротора. Решение сделать неподвижной именно камеру напрашивалось само собой.
Рабочий образец роторно-поршневого двигателя, работавшего по схеме, которая впоследствии стала применяться во всех подобных моторах (неподвижная камера и вращающийся ротор), был создан в конце 50-х годов прошлого века. От современных модификаций этот РПД отличался расположением свечей зажигания на корпусе.
Спустя некоторое время компания NSU заявила об успешных испытаниях нового перспективного двигателя внутреннего сгорания, лицензию на выпуск роторно-поршневых двигателей поспешили приобрести около ста компаний, примерно треть из которых составляли крупные японские производители автомобилей.
Практика использования роторных двигателей
Роторно-поршневые двигатели в Советском Союзе
В нашей стране не стали озадачиваться приобретением лицензии, приступив к разработке собственных роторных моторов после того, как в страну был завезен для разборки и изучения закупленный в Германии автомобиль NSU Ro 80, выпускавшийся автомобилестроительной компанией NSU Motorenwerke AG с 1967 по 1977 год.
В 1973 году на Волжском автозаводе началась работа специального конструкторского бюро, которое в 1976 году закончило работы над первым опытным образцом односекционного РПД ВАЗ-301, на доработку которого ушло еще около шести лет.
Результатом работы КБ стало начало в 1982 году выпуска первого отечественного серийного автомобиля с РПД – ВАЗ-21018. Однако двигатели автомобилей, входящих в первую опытную партию, не выдержали испытаний. После годовой доработки начался выпуск так называемых «догонялок» ВАЗ-411 и 413. Эти модели производились для МВД и КГБ, которым были необходимы быстрые, мощные машины, не бросающиеся в глаза и позволяющие преследовать иностранные авто. Эти заказчики не слишком огорчались из-за прожорливости и низкого ресурса первых РПД.
Роторно-поршневые двигатели в западных странах
В капиталистических странах роторные двигатели не получили широкого распространения, а с началом топливного кризиса начала 1970-х, когда ценники на заправках устремились вверх и массовый потребитель начал отдавать предпочтение экономичным двигателям, в Северной Америке и европейских странах работа над РПД и вовсе сошла на нет.
Практика использования роторных двигателей
Роторно-поршневые двигатели, которым на каждые 100 км пути требовалось около 20 л топлива, в эти годы окончательно перестали пользоваться спросом.
Работы по разработке роторных ДВС продолжались в Японии, однако и в этой стране интерес производителей к моторам, которые никак не удавалось довести до ума, вскоре начал стремиться к нулю. Единственными разработчиками, с оптимизмом смотревшими на перспективы роторно-поршневых двигателей, оставались специалисты Mazda Motor Corporation. Японцы занимались этой темой дольше всех – до 2012 года. А в Советском Союзе, который не ощутил на себе влияния топливного кризиса 1970-х, выпуск машин с роторным двигателем продолжался. Он сошел на нет уже в РФ, когда на Волжском автозаводе в 2004 году были свернуты работы над новыми моделями.
Принцип работы роторного двигателя
Как и в традиционных поршневых, в роторных двигателях используется давление, которое создает сгорающая смесь топлива с-воздухом. В таких моторах также происходит подача топливно-воздушной смеси через дроссельные заслонки с последующим удалением выхлопных газов через выпускное отверстие. РПД отличаются от обычных ДВС тем, что в них нет передаточных звеньев (поршней, шатунов и коленвала), передающих усилие на вал. В роторных моторах роль поршня отводится треугольному ротору, который вращается, передавая крутящий момент трансмиссии.
Камера сгорания в РПД делится ротором на три отдельных пространства, в которых выполняется цикл, состоящий из впуска топливно-воздушной смеси, сжатия, рабочего хода и выпуска выхлопных газов, то есть оба типа двигателей обычно бывают четырехтактными.
Даже самые простые роторные моторы оснащаются двумя роторами, что позволяет сделать работу более стабильной и добиться заметного уменьшения детонации. Внимательно рассмотрев приведенную ниже схему работы РПД, можно увидеть, что одному полному обороту ротора соответствуют три оборота вала.
Как работает роторный двигатель? Рабочий цикл состоит из четырех тактов, сменяющих друг друга по мере вращения ротора. Разберем подробнее каждый из них.
Принцип работы роторного двигателя
Впуск
При прохождении одной из трех вершин ротора через впускной клапан, которым оснащен корпус, происходит засасывание топливно-воздушной смеси в увеличивающееся пространство, образованное ротором и стенкой камеры. Начало следующего такта совпадает с прохождением следующей вершиной ротора впускного клапана.
Уменьшение объема пространства, образованного ротором и стенкой камеры, сопровождается повышением давления топливно-воздушной смеси. Максимальное значение достигается, когда в зону со сжатой смесью попадают свечи зажигания.
Рабочий ход
Как и в обычных ДВС, в роторно-поршневых двигателях топливно-воздушная смесь зажигается при помощи свечей, которые одномоментно воспламеняют ее на концах вытянутого рабочего объема. Такая схема зажигания необходима для повышения эффективности за счет более быстрого и равномерного взрывного сгорания смешанного с воздухом топлива. Если бы работала только одна свеча, постепенное выгорание смеси не смогло бы обеспечить достаточно высокое пиковое давление.
Образующаяся при сгорании смеси взрывная волна создает усилие, которое проворачивает ротор, в свою очередь передающий крутящий момент на эксцентриковый вал.
Выпуск
При прохождении вершиной ротора выпускного отверстия выхлопные газы начинают выбрасываться из камеры. В асинхронном роторном двигателе дальнейшее изменение угла и перемещение вершины к впускному клапану происходит за счет инерции в сочетании с вращением второго ротора.
Устройство роторного двигателя
Схема роторного двигателя включает системы зажигания, питания, охлаждения, как и в традиционных ДВС. Разберем более подробно те элементы, которые принципиально отличают РПД от обычного.
Устройство роторного двигателя
Ротор
Все три выпуклые поверхности ротора имеют фрезерованные продолговатые углубления, необходимые для увеличения рабочего объема. Вершины или углы ротора снабжены однонаправленными уплотнительными пластинками, герметизирующими пространство, образованное ротором и стенками камеры. Последняя отделена от картера расположенными с обеих сторон металлическими кольцами. Передача крутящего момента происходит посредством зубчатого венца, жестко закрепленного в отверстии по центру ротора.
Корпус
Корпус РПД – сложная многослойная конструкция, состоящая из крышек, рабочих камер и разделительных стенок.
Между двумя камерами сгорания, закрытыми с обеих сторон крышками, находится разделяющая их стенка. Помимо перечисленных главных элементов, корпус роторного двигателя включает в себя несколько второстепенных.
Внутреннее пространство корпуса в разрезе напоминает овал с компенсирующими отливами, отвечающими за герметичность трех объемов, которые формируются поверхностью ротора и стенками камеры.
Корпус двигателя также снабжен выпускными отверстиями, промежуточной и боковыми стенками, системой охлаждения, инжекционными портами и направляющими втулками.
Выходной вал
Для установки двух работающих в противофазе роторов вал снабжен двумя эксцентриками. Такая схема сводит к минимуму биение вала и детонацию.
Плюсы и минусы роторного двигателя
Среди преимущественных характеристик роторного двигателя специалисты отмечают:
- меньшее на 35–40 % количество деталей;
- вдвое меньшие при одинаковой мощности габариты;
- на РПД можно разгонять автомобиль до скорости, превышающей 100 км/ч, без переключения на повышенную передачу, не перегружая мотор;
- автомобили с РПД имеют выгодную развесовку и более устойчивы;
- роторные двигатели отлично сбалансированы и создают намного меньше вибраций.
Плюсы и минусы роторного двигателя
К числу основных недостатков РПД относят:
- относительно низкий рабочий ресурс из-за быстрого изнашивания уплотнителей;
- изнашивание металлических частей двигателя из-за резких перепадов температуры, сопровождающих каждый рабочий цикл;
- быстрое снижение коэффициента полезного действия и нарастающая утечка топливно-воздушной смеси вследствие изнашивания уплотнителей, что становится причиной роста количества вредных выбросов в атмосферу;
- неполное сгорание топливно-воздушной смеси в серповидных камерах сгорания и наличие в выхлопных газах большого количества масляных паров, что повышает их токсичность;
- РПД не только расходуют значительно больше топлива, но и «съедают» до 1 л машинного масла на каждую 1 000 км пути (если не долить масло вовремя, можно с высокой вероятностью столкнуться с необходимостью дорогостоящего ремонта роторного двигателя);
- роторно-поршневые двигатели дороже традиционных, так как для их изготовления необходимо сложное и очень точное оборудование и материалы высокого качества.
В последнее время специалисты все чаще возвращаются к разработке роторно-поршневых двигателей в связи с растущей популярностью водородного топлива, при использовании которого не только сводится почти к нулю детонация, но и практически полностью исключается вред, наносимый окружающей среде.
