Что такое роторный двигатель и как он функционирует

Среди серийно выпускаемых типов автомобильных двигателей внутреннего сгорания выделяются РПД, роторно-поршневые или, для краткости, роторные двигатели. Что они собой представляют и почему остаются редкостью?

Двигатель Ванкеля от автомобиля Mazda RX-7 (Фото: carthrottle.com)

Что такое роторный двигатель

Роторный двигатель (роторно-поршневой, или РПД) — это бензиновый двигатель внутреннего сгорания, в котором вместо традиционных поршней с шатунами используется ротор треугольного сечения, вращающийся в корпусе. Отсутствие тяжелых компонентов, таких как коленвал и газораспределительный механизм, позволяет создать легкий и компактный ДВС с высокой мощностью при небольшом рабочем объеме.

Первым серийным автомобилем с РПД стал миниатюрный Spider от немецкой компании NSU, выпускавшийся с 1964 по 1967 год тиражом 2375 экземпляров. Работы по улучшению РПД, которые отличались высоким расходом топлива, в большинстве стран прекратились с началом нефтяного кризиса 1973 года, когда экономичность стала ключевым параметром мотора из-за резкого роста цен на бензин. В СССР, взяв за основу роторный двигатель NSU, АвтоВАЗ после ряда неудач создал РПД (1,3 л, 140 л.с.), который в постсоветский период устанавливался на ВАЗ 21079 для спецслужб. Окончательно работы по роторной тематике в Тольятти были свернуты только в 2004 году.

NSU Spider (1964 год) — первый серийный автомобиль с РПД (Фото: autowp.ru)

Дольше всех (до 2012 года) РПД использовала Mazda. В 2023 году она вернула этот двигатель под капот своего компактного кроссовера МХ-30 в гибридной версии e-Skyactiv R-EV, но уже исключительно в качестве привода генератора для зарядки тяговой батареи, питающей электромотор на передней оси. Здесь РПД работает в максимально экономичном режиме с приемлемым количеством выбросов. Их можно обнулить, переведя РПД на водородное топливо, что находится в стадии разработки. В настоящее время РПД также применяются на некоторых моделях боевых дронов.

Кто придумал роторный двигатель

Слева — роторный двигатель в разрезе, с ротором, изготовленным в форме треугольника Рёло. Справа — Феликс Генрих Ванкель, соавтор изобретения роторно-поршневого двигателя (так называемого двигателя Ванкеля), который был впервые показан в 1957 году вместе с инженером компании NSU Вальтером Фройде, которому и принадлежала идея данной конструкции двигателя. (Фото: Softeis / CC BY-SA 3.0 / Wikipedia Commons, Keystone / Getty Images)

Еще одно название роторного двигателя — ванкель, по аналогии с дизелем, названным в честь Рудольфа Дизеля, изобретателя двигателя внутреннего сгорания с самовоспламенением рабочей смеси. Однако у РПД не один родитель. Концепцию роторно-поршневого двигателя разработал Вальтер Фройде, руководитель группы инженеров компании NSU. После Второй мировой войны там же работал Феликс Ванкель, который долгое время занимался созданием специальных уплотнений, необходимых для обеспечения достаточного ресурса РПД. Так сложилось, что имя Ванкеля стало нарицательным.

Первый опытный образец РПД имел неподвижный ротор, а вращался сам корпус двигателя, но эта схема оказалась нерациональной. При проектировании мотора, запущенного в серию в конце 1950-х годов, от нее отказались в пользу классической версии с вращающимся ротором. NSU продала лицензию на выпуск РПД почти сотне автомобильных компаний, включая множество японских.

Принцип работы роторного двигателя

Цикл двигателя Ванкеля: впуск (голубой), сжатие (зеленый), рабочий ход (красный), выпуск (желтый) (Фото: Fred the Oyster / CC BY-SA 4.0 / Wikipedia Commons)

Главными компонентами роторно-поршневого двигателя (РПД) являются:

1. Ротор треугольного сечения со скругленными вершинами, который выполняет роль поршней и шатунов в классическом двигателе внутреннего сгорания (ДВС) и отвечает за передачу крутящего момента. Роторов может быть не один, а пара.
2. Статор (корпус) с внутренней овальной полостью, внутри которой вращается ротор, создавая при своем перемещении отдельные серповидные камеры. В этих камерах происходит образование рабочей смеси, ее сжатие и воспламенение с последующим удалением отработавших газов.
3. Специальные уплотнители на поверхностях ротора, контактирующих со статором. Эти уплотнители обеспечивают надежную герметизацию камер, образующихся при вращении ротора.
4. Впускные и выпускные окна в стенках статора, которые заменяют классический механизм газораспределения с кулачковыми валами и клапанами.
5. Эксцентриковый вал, который обеспечивает вращение ротора внутри полости статора по сложной траектории и воспринимает крутящий момент (аналогично коленвалу в классическом ДВС). Затем этот крутящий момент через трансмиссию передается на колеса.
6. Система смазки.
7. Система охлаждения.
8. Форсунки (ранее — карбюраторы) для подготовки рабочей смеси.
9. Свечи зажигания.

Чем роторный двигатель отличается от обычного

РПД работает по тем же циклам, что и классический четырехтактный ДВС (впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск), и имеет схожие системы подачи и воспламенения топлива, а также охлаждения и смазки. Однако у РПД есть несколько важных отличий:

1. В классическом ДВС энергия сгорания рабочей смеси сначала преобразуется в возвратно-поступательное движение поршней, а затем во вращение коленчатого вала. В РПД же отсутствует промежуточное звено, что повышает эффективность двигателя.
2. Отсутствие клапанного механизма, создающего турбулентность внутри камеры сгорания, приводит к неоднородности рабочей смеси в РПД. Это негативно влияет на полноту сгорания, экономичность и чистоту выхлопа.
3. Необходимость смазки уплотнений РПД приводит к тому, что часть масла смешивается с рабочей смесью и сгорает вместе с ней. Это значительно увеличивает расход моторного масла и предъявляет повышенные требования к лубриканту в отношении образования нагара. В таких условиях минеральные масла предпочтительнее синтетических, но интервалы их замены сокращаются примерно до 5000 км.

Плюсы и минусы роторного двигателя

РПД отличается контрастными потребительскими качествами.

Среди преимуществ роторов можно выделить:

1. Меньшее на 35–40% количество деталей по сравнению с классическим ДВС, что обеспечивает компактность. При сопоставимой мощности РПД занимает вдвое меньше места.
2. Высокая мощность при небольшом рабочем объеме.
3. Компактность РПД и его небольшая высота по сравнению с рядными и V-образными поршневыми двигателями позволяют снизить центр тяжести автомобиля, что улучшает его устойчивость.
4. Отсутствие традиционной поршневой группы с возвратно-поступательными движениями делает РПД менее вибронагруженным, что повышает комфорт при езде.
5. Более высокая устойчивость к высоким оборотам по сравнению с классическими ДВС позволяет разгонять автомобиль на низких передачах до максимально возможных скоростей без перегрузки двигателя.
6. Повышенная стойкость к детонации благодаря тому, что разрушительная энергия действует в направлении вращения ротора, а не в противоположном направлении, как в классических ДВС.

Роторно-поршневой двигатель Renesis, установленный на автомобиле Mazda RX-8 (Фото: Mazda)

У роторов также есть ряд недостатков:

1. Неоптимальная форма камеры сгорания и неоднородность подаваемой в нее рабочей смеси приводят к высокому расходу топлива.
2. Высокий расход масла, достигающий до 1 л на 1000 км. Игнорирование этой проблемы неизбежно ведет к серьезным повреждениям двигателя.
3. Неполное сгорание рабочей смеси и попадающего в нее масла вызывает повышенную токсичность выхлопа.
4. Быстрый износ уплотнителей ротора, подвергающихся воздействию высокого давления и значительных перепадов температур, что приводит к нарушению герметичности камер и снижению мощности двигателя.
5. Низкая ремонтопригодность. В случае появления задиров на стенках полости статора, она не подлежит расточке, так как ремкомплекты под увеличенный размер не производятся.
6. Высокая стоимость РПД, обусловленная повышенными требованиями к качеству материалов и точности изготовления элементов конструкции.