История
Роторный двигатель, как и более привычные нам моторы, относится к двигателям внутреннего сгорания, хотя и не похож на традиционные поршневые агрегаты. Ставшую относительно широко применяться конструкцию в 1950-х разработал Феликс Ванкель, трудившийся совместно с инженером Вальтером Фройде в немецкой фирме NSU. Такой мотор часто называют двигателем Ванкеля — принцип работы инженеры придумали вместе, но о Фройде почему-то вспоминают не всегда.
Пионером в разработке серийных автомобилей с этим необычным мотором стала всё та же марка NSU, которая позже была поглощена Audi, но главным адептом ротора была японская компания Mazda. Модель Cosmo Sport с двигателем Ванкеля появилась в далёком 1967 году. В 1978 году увидела свет Mazda RX-7. А последним на многие годы автомобилем с роторным двигателем стала Mazda RX-8, которая производилась с 2003 по 2012 год.
Какие ещё машины с роторным двигателем были в производстве? Попытки интегрировать его под капот своих моделей предпринимали Audi, Mersedes-Benz, Citroen и General Motors. А в СССР на АвтоВАЗе роторные моторы мелкосерийно ставились на ВАЗ 21079 (1,3 л, 140 л.с.) для спецслужб.
Отличия
Роторно-поршневой двигатель (РПД) работает на бензине, имеет в своей конструкции системы смазки, охлаждения, зажигания со свечами, и питания — с форсунками, а раньше и с карбюратором. Все они похожи на те, что применяются в более привычных нам поршневых двигателях внутреннего сгорания. Однако на этом их сходство заканчивается. Ведь в остальном роторный двигатель Ванкеля имеет мало общего с традиционными бензиновыми моторами.
Главное, что нужно знать про роторный мотор, — то, что, в отличие от обычного двигателя, в нём нет поршней в привычном нам виде, а также шатунов, цилиндров и клапанов. И если в случае с поршневым мотором вращение его вала (а в конечном счёте и колёс автомобиля) начинается с перемещения поршней в цилиндрах вниз и вверх, то роторный ДВС вообще обходится без возвратно-поступательного движения — все его подвижные части при работе непрерывно вращаются в одном направлении.
Как он работает
Сердцем роторного двигателя является та же деталь, что даёт ему название, — ротор. Он в двигателе Ванкеля фактически исполняет обязанности поршней вместе с шатунами. Сделан ротор из специального чугуна и похож на треугольник с закруглёнными наружу сторонами (по-научному его форма называется «треугольник Рело» — его образуют три дуги равного радиуса, центр каждой находится в точке пересечения двух других).
Ротор располагается в аналоге блока цилиндров — корпусе двигателя, он же статор, представляющий собой камеру овальной формы. Она тоже непростая — правильно её форма называется эпитрохоида. Рассчитана она так, что все три вершины ротора в любой момент его движения находятся в контакте со стенкой камеры. То есть между сторонами ротора и камерой всегда остаются полости, не сообщающиеся друг с другом. А на вершинах (углах) ротора имеются уплотнительные пластинки — аналоги поршневых колец, которые обеспечивают герметичное прилегание к корпусу.
Ротор в РПД может быть не один, а пара или больше. Вместе со статорами они располагаются один за другим и все закреплены на эксцентриковом валу — аналоге коленвала в поршневых моторах. При этом роторы не просто вращаются, а двигаются внутри камер по весьма затейливой траектории. Ведь в центре ротора есть отверстие с внутренней шестернёй, которая обкатывается вокруг стационарной (неподвижной) шестерни на боковой стенке камеры. В итоге на каждый оборот ротора приходится сразу три оборота эксцентрикового вала.
А нужны все эти траекторные сложности для организации тех же рабочих циклов, что и в четырёхтактном поршневом агрегате — это впуск, сжатие, рабочий такт и выпуск.
Причём весь этот процесс обходится без механизма газораспределения с распредвалами и клапанами. Его функции в роторном моторе выполняют впускные и выпускные окна в боковых или торцевых стенках корпуса, а также сам ротор, который, двигаясь, в нужные моменты открывает и закрывает собой эти окна.
Так, забор топливно-воздушной смеси начинается в тот момент, когда одна из вершин ротора проходит впускное окно в корпусе (при этом объём соответствующей камеры расширяется). Затем, при дальнейшем повороте ротора, объём захваченной им смеси уменьшается — максимальное давление образуется в тот момент, когда топливно-воздушная смесь доставляется в зону свечей зажигания. После её возгорания тепловое расширение газов проворачивает ротор дальше, а крутящий момент передаётся на выходной вал. Ну а далее ротор поворачивается до отверстия выпуска отработавших газов, и образованная его стенкой камера опять уменьшается. Таким образом работает каждая из трёх сторон ротора. Вот так, если кратко, устроен роторный двигатель: принцип работы его совсем не такой, как у поршневого.
Преимущества и недостатки
К преимуществам роторного двигателя относятся:
- Скромные габариты и масса двигателя. Ведь в роторном двигателе намного меньше деталей по сравнению с обычным поршневым — здесь нет массивного блока цилиндров, поршней с шатунами, привода ГРМ.
- Хорошая сбалансированность при работе. Напомним, во время работы РПД в нём нет возвратно-поступательного движения деталей. Работа роторного двигателя поэтому ещё и тише, чем поршневого агрегата.
- Быстрое достижение максимального крутящего момента. Если у поршневого двигателя мощность на коленвал от одного поршня передаётся только в течение его полуоборота (180 градусов), то у роторного двигателя в силу особенностей его работы это же длится порядка ¾ оборота вала (270 градусов).
- Высокая мощность при небольшом рабочем объёме (например, атмосферный двигатель Mazda RX-8 выдаёт около 230 л.с. при объёме всего 1,3 литра).
Конечно, у такой конструкции есть и недостатки:
- Устройство роторного двигателя обуславливает высокий расход топлива и недостаточную экологичность по сравнению с поршневыми моторами. Всё потому, что в процессе работы высокооборотного роторного двигателя топливо часто не успевает полностью сгореть.
- Роторный двигатель — это ещё и значительный расход масла. Для смазки уплотнений определённое количество моторного масла попадает в рабочую полость и смешивается с топливо-воздушной смесью, сгорая вместе с ней. Кроме того, в таких моторах необходимо использовать специализированные масла, которые образуют минимум нагара.
- Роторные двигатели склонны к перегреву — они намного сильнее и неравномернее нагреваются по сравнению с поршневыми. Та часть, где протекают такты впуска и сжатия, холоднее, чем та, где проходят такты сгорания и выпуска.
- Починить роторные двигатели можно далеко не в каждой мастерской — эти моторы мало распространены и при этом имеют много нюансов при ремонте.
Что ломается в РПД
- Наиболее слабым звеном двигателя можно назвать торцевые уплотнения ротора, которые испытывают сильный нагрев и высокие нагрузки. А ещё они страдают от детонации и при износе подшипников эксцентрикового вала.
- При чрезмерном износе уплотнений может быть повреждена поверхность камеры в корпусе статора, которая, в отличие от цилиндров поршневого мотора, не подлежит восстановлению.
- Из-за высокой скорости вращения быстро изнашиваются коренные вкладыши эксцентрикового вала. При этом ротор смещается относительно стенок камеры, что также приводит к задирам на её поверхности.
- Корпус нагревается неравномерно, а значит, из-за локального перегрева может деформироваться.
- При снижении компрессии появляются проблемы с холодным пуском двигателя, особенно в зимнее время.