Автомобильная индустрия постоянно развивается. Неудивительно, что появляются альтернативные технологии, которые тем мне менее редко появляются в массовом производстве. Именно к таким можно причислить роторные двигатели.
Важно! Бурный толчок в развитии автомобилестроения дало изобретение двигателя внутреннего сгорания. Как результат машины стали ездить на жидком топливе, и началась бензиновая эра.
Машины с роторным двигателем
Роторно-поршневой двигатель был изобретён компанией NSU. Создателем аппарата стал Вальтер Фройде. Тем не менее данное устройство в научных кругах носит имя другого учёного, а именно Ванкеля.
Дело в том что над этим проектом работал дуэт инженеров. Но основная роль в создании устройства принадлежала именно Фройде. В то время как он трудился над роторной технологией, Ванкель работал над другим проектом, который закончился ничем.
Тем не менее в результате подковёрных игр теперь мы все знаем этот аппарат как роторный двигатель Ванкеля. Первая рабочая модель была собрана в 1957 году. Автомобилем первоиспытателем стал NSU Spider. В то время он смог развить скорость в сто пятьдесят километров. Мощность мотора «Паука» составляла 57 л. с.
«Паук» с роторным двигателем выпускался с 1964 по 1967 год. Но массовым так и не стал. Тем не менее автопроизводители не поставили крест на этой технологии. Мало того, они выпустили ещё одну модель — NSU Ro-80, и она стала настоящим прорывом. Большую роль сыграл правильный маркетинг.
Обратите внимание на название. Уже в нём содержится указание на то, что машина оснащена роторным двигателем. Пожалуй, результатом этого успеха стала установка данных моторов, на такие известные автомобили, как:
- Citroen GS Birotor,
- Mercedes-Benz С111,
- Chevrolet Corvette,
- ВАЗ 21018.
Больше всего популярности роторные двигатели получили в стране «Восходящего солнца». Японская компания Mazda пошла на рисковый по тем временам шаг и стала производить автомобили с использованием данной технологии.
Первой ласточкой от компании «Мазда» стала машина Cosmo Sport. Нельзя сказать, что она снискала огромную популярность, но свою аудиторию она нашла. Тем не менее это был лишь первый шаг выхода роторных двигателей на японский рынок, а вскоре, и на мировой.
Японские инженеры не просто не отчаялись, а наоборот, стали работать с утроенной силой. Результатом их трудов стала серия, которую с благоговением вспоминают все уличные гонщика в любой стране мира — Rotor-eXperiment или сокращённо RX.
В рамках этой серии было выпущено несколько легендарных моделей, среди которых Mazda RX-7. Сказать, что эта машина с роторным двигателем была популярна, всё равно что промолчать. Миллионы фанатов уличных гонок начинали именно с неё. При относительно низкой цене, она имела просто невероятные технические характеристики:
- разгон до сотни — 5,3 секунды;
- максимальная скорость — 250 километров в час;
- мощность — 250—280 лошадиных сил в зависимости от модификации.
Машина является настоящим произведением искусства, она легка и манёвренна, а её двигатель вызывает восхищение. При описанных выше характеристиках он имеет объём всего в 1,3 литра. В нём две секции, а рабочее напряжение 13В.
Внимание! Mazda RX-7 выпускалась с 1978 по 2002. За это время было произведено около миллиона машин с роторными двигателями.
К сожалению, последняя модель этой серии была выпущена в 2008 году. Mazda RX8 завершила легендарную линейку. Собственно на этом историю роторного двигателя в массовом производстве можно считать завершённой.
Принцип работы
Многие автомобильные эксперты считают, что конструкцию обычного поршневого аппарата нужно оставить в далёком прошлом. Тем не менее миллионам машин нужна достойная замена, может ли им стать роторный двигатель, давайте разберёмся.
Принцип работы роторного двигателя базируется на давлении, которое создаётся при сжигании топлива. Основной частью конструкции является ротор, который отвечает за создание движений нужной частоты. В результате энергия передаётся на сцепление. Ротор выталкивает её, передавая на колёса.
Ротор имеет форму треугольника. Материалом конструкции служит легированная сталь. Деталь находится в овальном корпусе, в котором, собственно, и происходит вращение, а также ряд важных для выработки энергии процессов:
- сжатие смеси,
- впрыск топлива,
- создание искры,
- подача кислорода,
- слив отработанного сырья.
Главная особенность устройства роторного двигателя заключается в том, что ротор имеет крайне необычную схему передвижения. Результатом подобного конструкторского решения являются три полностью изолированные друг от друга ячейки.
Внимание! В каждой ячейки происходит определённый процесс.
В первую ячейку поступает воздушно-топливная смесь. В полости происходит перемешивание. Дальше ротор перемещает полученную субстанцию в следующий отсек. Именно здесь проходит сжатие и воспламенение.
В третьей ячейке удаляется использованное топливо. Слаженная работа трёх отсеков как раз и даёт ту удивительную производительность, которая была продемонстрирована на примере автомобилей из серии RX.
Но главный секрет устройства кроется совсем в другом. Дело в том, что эти процессы не возникают один за другим, они происходят моментально. Как результат всего за один оборот проходит три такта.
Выше была представлена схема работы базового роторного мотора. Многие производители стараются модернизировать технологию, чтобы добиться больше производительности. Некоторым это удаётся, другие же терпят поражение.
Японским инженерам удалось добиться успеха. Уже упомянутые выше двигатели «Мазда» имеют до трёх роторов. Во сколько в таком случае возрастёт производительность, вы можете себе представить.
Приведём наглядный пример. Возьмём обычный мотор РПД с двумя роторами и найдём ближайший аналог — шестицилиндровый двигатель внутреннего сгорания. Если же добавить в конструкцию ещё одни ротор, то разрыв будет и вовсе колоссальным — 12 цилиндров.
Виды роторных двигателей
Множество автокомпаний бралось за производство роторных двигателей. Неудивительно, что было создано много модификаций, каждая из которых имеет свои особенности:
- Роторный двигатель с разнонаправленным движением. Ротор здесь не вращается, а как бы качается вокруг своей оси. Процесс сжатия происходит между лопатками мотора.
- Пульсирующе-вращательный роторный двигатель. Внутри корпуса два ротора. Сжатие проходит между лопастями этих двух элементов, когда они сближаются и удаляются.
- Роторный двигатель с уплотнительной заслонкой — данная конструкция до сих пор широко задействуется в пневматических моторах. Для роторных двигателей внутреннего сгорания существенно переделывается камера, в которой проходит воспламенение.
- Роторный двигатель, работающий за счёт вращательных движений. Считается, что именно эта конструкция является наиболее технически совершенной. Здесь нет деталей, которые совершают возвратно-поступательные движения. Поэтому роторные двигатели такого типа легко достигают 10 000 оборотов в минуту.
- Планетарно-вращательный роторный двигатель — самая первая модификация, изобретённая двумя инженерами.
Как видите, наука не стоит на месте, немалое количество видов роторных моторов позволят надеяться на дальнейшее развитие технологии в отдалённом будущем.
Достоинства и недостатки роторного двигателя
Как видите, роторные моторы пользовались определённой популярностью в своё время. Мало того, действительно, легендарные машины были оснащены моторами такого класса. Чтобы понять, почему данный аппарат устанавливался на передовые модели японских машин, нужно узнать все его достоинства и недостатки.
Достоинства
С предыстории, представленной ранее, вы уже знаете, что роторный двигатель в своё время привлёк большое внимание производителей моторов, на то было несколько причин:
- Повышенная компактность конструкции.
- Малый вес.
- РПД хорошо сбалансирован и создаёт при работе минимум вибраций.
- Количество запчастей в моторе на порядок меньше, чем в поршневом аналоге.
- РПД обладает высокими динамическими качествами
Самое же главное достоинство РПД — высокая удельная мощность. Авто с роторным двигателем может разогнаться до 100 километров без переключения на высокие передачи при сохранении большого количества оборотов.
Важно! Использование роторного двигателя позволяет добиться повышенной устойчивости автомобиля на дороге благодаря идеальной развесовке.
Недостатки
Вот и пришло время больше узнать, почему, несмотря на все преимущества, большинство производителей перестали устанавливать роторные двигатели на свои автомобили. К недостаткам РПД причисляют:
- Повышенный расход топлива при работе на низких оборотах. В самых требовательных к ресурсам машинам он может достигать 20—25 литров на 100 километров пробега.
- Сложность в изготовлении. На первый взгляд конструкция роторного двигателя намного проще, чем у поршневого. Но дьявол кроется именно в деталях. Их изготовить крайне непросто. Геометрическая точность каждой запчасти должна быть на идеальном уровне, иначе ротор не сможет пройти эпитрохоидальную кривую с должным результатом. РПД требует при своём изготовлении высокоточное оборудование, которое стоит немалых денег.
- Роторный двигатель часто перегревается. Это связано с необычным строением камеры сгорания. К сожалению, даже спустя много лет инженерам не удалось исправить данный дефект. Избыток энергии, вырабатываемой при сгорании топлива нагревает цилиндр. Это сильно изнашивает мотор и сокращает срок его эксплуатации.
- Также роторный двигатель страдает перепадами давления. Результат подобного эффекта быстрый износ уплотнителей. Ресурс работы одного качественно собранного РПД лежит в диапазоне от 100 до 150 тысяч километров пробега. После прохождения данного рубежа без капитального ремонта уже не обойтись.
- Сложная процедура смены масла. Потребление роторным двигателем масла на 1000 километров составляет 600 миллилитров. Чтобы детали получали надлежащую смазку масло необходимо менять один раз на 5000 км. Если же этого не сделать, то становится крайне вероятным серьёзное повреждение ключевых узлов агрегата.
Как видите, несмотря на выдающиеся преимущества РПД имеет ряд весомых недостатков. Тем не менее конструкторские подразделения в ведущих автомобильных фирмах до сих пор пытаются модернизировать эту технологию, и кто знает, возможно, однажды, у них это получится.
Итоги
Роторные двигатели имеют множество весомых преимуществ, они хорошо сбалансированы, позволяют быстро наращивать обороты и обеспечивают набор скорости до 100 км за 4—7 секунд. Но есть у роторных моторов и недостатки, главный из которых маленький срок эксплуатации.
Двигатели Ванкеля, известные как роторно-поршневые двигатели РПД, когда-то считались моторами будущего. Поговорим про достоинства двигателя Ванкеля и разберем принцип работы РПД.
Достоинства и недостатки РПД
Достоинства:- меньшие габариты и масса;
- меньшее количество деталей (даже в сравнении с двухтактным поршневым ДВС);
- вдвое большая мощность при тех же габаритах, что и традиционные ДВС;
- плавность работы в результате отсутствия возвратно-поступательно движущихся частей;
- возможность потребления низкооктанового бензина.
- неэффективный процесс сгорания, а значит - повышение расхода топлива и токсичности отработанных газов;
- смазка "на прогар", что влечет за собой высокий расход масла;
- невозможность производства на площадях, предназначенных для выпуска традиционных ДВС;
- переход на выпуск РПД требует замены подавляющего большинства оборудования.
К недостаткам следует отнести непривычность двигателя Ванкеля как для ремонтников, так и для владельцев. Этот мотор требует изменения многих привычек. Так, тормозить РПД бесполезно, штурмовать подъемы "внатяг" - тем более. Компактный ротор имеет малую инерцию, в отличие от массивных деталей традиционного ДВС. Частые запуски-выключения "забрасывают" свечи. Непривычен и звук мотора, хотя многие это считают преимуществом.
Куда серьезнее органические недостатки, присущие РПД. Во-первых, это низкая эластичность характеристики и повышенный расход топлива . Последнее объясняется высокими потерями тепла через стенки камеры, далекой от оптимальной. Во-вторых, особенно велик расход масла. Ресурс такого мотора также ниже, чем у традиционного, из-за быстрого износа уплотнений ротора.
Немаловажную роль играет и жесткость внешней характеристики РПД, требующей более частых манипуляций рычагом КПП - на практике это выражается в более "коротком" передаточном ряде , а значит, увеличенным числом передач. Идеальной была бы установка вариатора , но на спортивных машинах "автоматы" не прижились, а на семейноv авто увидеть РПД странно - хотя бы по причине недостаточной экономичности.
Недостатки роторно-поршневых двигателей те же, что и у двухтактных поршневых моторов. И "лечатся" многие из них аналогично. Повышенный "аппетит" - непосредственным впрыском топлива, недостаточная эластичность - изменяемыми фазами и конфигурацией трубопроводов.
Принцип работы
Функцию поршня в РПД выполняет трехгранный ротор, преобразующий силу давления газов во вращательное движение эксцентрикового вала. Движение ротора относительно статора обеспечивается парой шестерен, одна из которых закреплена на роторе, а вторая - на боковой крышке статора.Конфигурация рабочих поверхностей ротора и статора - эпитрохоидальная. Рабочая поверхность статора имеет износостойкое покрытие. В вершинах ротора установлены специальные уплотнения, на рабочих поверхностях - выемки, выполняющие роль камер сгорания. Вал вращается в подшипниках, размещенных на корпусе, и имеет цилиндрический эксцентрик, на котором вращается ротор.
Шестерня неподвижно закреплена на корпусе двигателя. С ней в зацеплении находится шестерня ротора. Взаимодействие этих шестерен обеспечивает орбитальное движение ротора относительно корпуса, в результате которого образуются три разобщенных камеры переменного объема. Передаточное отношение шестерен 2:3, поэтому за один оборот эксцентрикового вала ротор поворачивается на 120 градусов . За полный оборот ротора в каждой из камер совершается полный четырехтактный цикл. Крутящий момент получается в результате действия газовых сил через ротор на эксцентрик вала.
Между статором и ротором образуются три камеры, аналогичные надпоршневому пространству ДВС. Процесс впуска начинается, когда вершина ротора пересекает кромку впускного окна, после чего объем камеры возрастает и туда поступает горючая смесь. Когда следующая вершина ротора перекрывает впускное окно, смесь начинает сжиматься, и в момент наибольшего сжатия подается искра - начинается рабочий ход. Затем открывается выпускное окно и отработавшие газы покидают пространство камеры.
Таким образом за один оборот ротора в двигателе происходят три цикла, что делает ненужным использование уравновешивающих устройств, особенно в двухсекционных конструкциях, получивших подавляющее распространение.
В рабочем процессе два слабых звена: высокая нагрузка на уплотнения и избыточная величина динамического перекрытия фаз. Кроме того, конфигурация камеры сгорания далека от оптимальной. Но есть большой плюс. При повышении оборотов скорость распространения пламени растет быстрее скорости перетекания смеси. В результате требования РПД к октановому числу топлива ниже, чем у поршневых моторов.
Основные типы двигателей внутреннего сгорания и паровые машины имеют один общий недостаток. Он состоит в том, что возвратно-поступательное перемещение требует преобразования во вращательное движение. Это, в свою очередь, обуславливает низкую производительность, а также достаточно высокую изнашиваемость деталей механизма, включенных в различные типы двигателей.
Довольно много людей задумывались о том, чтобы создать такой мотор, в котором подвижные элементы только вращались. Однако решить эту задачу удалось только одному человеку. Феликс Ванкель - механик-самоучка - стал изобретателем роторно-поршневого двигателя. За свою жизнь этот человек не получил ни какой-либо специальности, ни высшего образования. Рассмотрим далее подробнее роторно-поршневой двигатель Ванкеля.
Краткая биография изобретателя
Феликс Г. Ванкель родился в 1902 году, 13 августа, в небольшом городке Лар (Германия). В Первую Мировую отец будущего изобретателя погиб. Из-за этого Ванкелю пришлось бросить учебу в гимназии и устроиться помощником продавца в лавке по продаже книг при издательстве. Благодаря этому он пристрастился к чтению. Феликс изучал технические характеристики двигателей, автомобилестроение, механику самостоятельно. Знания он черпал из книг, которые продавались в лавке. Считается, что реализованная позднее схема двигателя Ванкеля (точнее, идея ее создания) посетила во сне. Неизвестно, правда это или нет, но точно можно сказать, что изобретатель обладал незаурядными способностями, тягой к механике и своеобразным взглядом на многие вещи.
Первые типы двигателей
Изобретатель, поняв, как можно осуществить все 4 цикла обычного мотора при вращении, приступил к конструированию. В 1924 году Ванкель создал небольшую мастерскую. Она также выполняла роль лаборатории. Именно здесь Феликс Ванкель стал изучать роторно-поршневые системы. В 1936 году модель, собранная изобретателем, заинтересовала компанию "БМВ". Ванкель получил деньги, ему была предоставлена собственная лаборатория в Линдау.
Там он должен был разрабатывать опытные образцы авиамоторов. Однако до самого конца Второй мировой ни один роторный двигатель Ванкеля не был отправлен в серийное производство. Вероятно, это было вызвано тем, что доведение конструкции до пригодного к эксплуатации состояния и наладка массового производства требовали достаточно много времени
Послевоенные годы
После разгрома фашизма лаборатория была закрыта, а все оборудование, которое там находилось, было переправлено во Францию. В итоге Ванкель остался без работы. Этому поспособствовало его бывшее членство в национальной социалистической партии. Но спустя небольшой период времени Феликса пригласили в компанию NSU в качестве инженера-конструктора. Это предприятие на тот момент считалось старейшим производителем автомобилей и мотоциклов.
Опытный образец
В 1957 году, благодаря поддержке Вальтера Фреде (ведущего инженера в компании NSU), роторно-поршневой двигатель был впервые поставлен на автомобиль. Мотор был установлен на NSU Prinz. Однако первоначальная конструкция была очень далека от совершенства. Она была настолько сложной, что даже для замены свечей нужно было разобрать почти весь мотор. Кроме этого, конструкция была очень ненадежна, неэкономична и имела очень низкий КПД. Двигатель Ванкеля в связи с этим не пошел в серию. Автомобили отправились на конвейер с традиционным ДВС. Тем не менее роторно-поршневой двигатель доказал не только право на свое существование, но и продемонстрировал впечатляющий для того времени потенциал. Перспективы его использования были настолько привлекательны, что инженеров-конструкторов ничего не смогло остановить. Сам изобретатель понимал, что его детище требует усовершенствования, он стремился к тому, чтобы и функционирование, и ремонт двигателя вызывали как можно меньше затруднений. С этого момента началась активная деятельность по доведению мотора до эксплуатационного совершенства.
Двигатель Ванкеля: конструкция
Что собой представляет мотор? В центре ротора имеется круглое отверстие. Оно изнутри покрыто зубцами, как на шестеренке. В отверстие вставляется вал с меньшим диаметром. На нем также есть зубцы. Они препятствуют проскальзыванию вала. Отношения диаметров подбираются таким образом, чтобы перемещение вершин треугольников осуществлялось по одной замкнутой кривой. Она именуется "эпитрохоида". Задача Ванкеля состояла в том, чтобы для начала понять, что работа такого механизма возможна. Затем ему нужно было все точно и верно рассчитать. В результате поршень, выполненный в форме треугольника Рело, отсекает три камеры переменного положения и объема.
Особенности
Конструктивная характеристика двигателя значительно выигрывает в сравнении с обычными моторами. В частности, герметизация камер обеспечивается за счет торцевых и радиальных уплотнительных пластин. Они прижимаются к "цилиндру" с помощью ленточных пружин, давления газа и центробежных сил. Особого внимания заслуживает и характеристика двигателя с точки зрения производительности. За весь цикл вал совершает 3 полных оборота. В обычном поршневом моторе такого результата можно добиться при использовании шести цилиндров.
Внедрение в промышленность
После проведения первой успешной демонстрации в 1957 году двигатель Ванкеля заинтересовал крупнейших автогигантов того времени. Так, первой компанией, выкупившей лицензию, стала Curtiss-Wright. Спустя год изобретение стали использовать такие известные предприятия, как Mazda, Friedrich Krupp, MAN и Daimler-Benz. За достаточно непродолжительный период лицензии приобрело порядка ста компаний, в том числе с мировым именем: Ford, BMW, Porsche, Rolls-Royce.
Преимущества
Какие достоинства имеет двигатель Ванкеля? Принцип работы мотора заключается в том, что реализация любого четырехтактного цикла осуществляется без использования механизма газораспределения. Благодаря этому значительно упрощается конструкция мотора. В обычном 4-тактном поршневом моторе примерно на тысячу элементов больше. Огромный интерес крупнейших автомобильных предприятий был вызван потенциалом конструкции. Несомненными преимуществами является простота производства, несложный ремонт двигателя, компактность и небольшой вес. Все это способствует улучшению управляемости машины, облегчает расположение трансмиссии.
Компактность мотора позволяет создать удобный и довольно просторный салон. Усовершенствованные модели двигателя способны развивать высокую мощность при достаточно экономном расходе топлива. К примеру, современный мотор при объеме 1300 см 3 обладает 220 л. с. Если оснастить двигатель Ванкеля турбокомпрессором, то можно получить мощность до 350 л. с. Еще одним достоинством конструкции является очень низкий уровень вибраций и шумов. Двигатель Ванкеля отличается механической уравновешенностью. Снижение уровня шумов и вибрации достигается небольшим количеством деталей (их на 40% меньше, чем в традиционных моторах). Стоит также отметить и динамические характеристики мотора. На низкой передаче без особенной нагрузки можно разогнать машину до 100 км/ч при высоких оборотах. В конструкции мотора отсутствует механизм, преобразовывающий возвратно-поступательное перемещение во вращательное. За счет этого двигатель Ванкеля может выдерживать большие обороты в сравнении с традиционными ДВС.
Завершение эйфории
В 1964-м вышел автомобиль NSU Spyder, а после него была выпущена легендарная модель Ro 80. И в настоящее время в мире достаточно много существует клубов любителей этих машин. Затем с конвейера сошли такие модели, как Corvette XP, Mercedes C-111, Citroen M35. Однако единственной компанией, которая занялась массовым производством, стала Mazda. С 1967 года она выпускала по 2-3 новых автомобиля с РПД. Двигатель Ванкеля ставили на легкие самолеты, снегоходы, катеры. В 1973 году наступил конец эйфории. В то время нефтяной кризис был в разгаре. Именно в этот период проявился основной недостаток РПД - неэкономичность. Кроме компании Mazda, все производители свернули программы по выпуску автомобилей с роторными двигателями. Однако только Mazda продолжала выпуск таких машин. У компании значительно сократились продажи в Америке.
Недостатки РПД: недолговечность и ненадежность
Наряду с достоинствами, роторные двигатели обладали и существенными минусами. В первую очередь, они были очень недолговечными. Так, одна из первых моделей РПД в ходе испытаний выработала весь ресурс за 2 часа. Более успешный прототип смог выдержать 100 часов. Однако это не обеспечивало нормальной эксплуатации машины. Главная проблема состояла в неравномерности износа внутренней поверхности камеры. В ходе работы на ней образовывались поперечные борозды. Они получили весьма красноречивое название: "метки дьявола". После получения лицензии компания Mazda сформировала специальный отдел, который занимался усовершенствованием мотора. Вскоре выяснилось, что в процессе вращения ротора заглушки, расположенные на его вершинах, начинают вибрировать. Из-за этого и появляются эти борозды. Сегодня проблема долговечности и надежности решена. Для этого в производстве используется высококачественное покрытие, в том числе и керамическое.
Высокая токсичность выхлопов
Это еще один недостаток РПД. В сравнении с традиционными моторами, двигатель Ванкеля выделяет меньшее количество окислов азота, но во много раз больше углеводородов, что обусловлено неполным сгоранием топлива. Инженеры Mazda достаточно быстро нашли эффективное решение проблемы. Специалисты создали "термальный реактор". В нем происходит "дожигание" углеводородов. Mazda R 100 стала первым автомобилем, в котором был применен этот элемент. В 1968 была выпущена еще одна модель с "термальным реактором" - Familia Presto Rotary. Это авто, одно из немногих, сразу прошло достаточно жесткую экологическую проверку, выдвинутую США в 1970-м для импортируемых ТС.
Экономичность
Это еще одна проблема РПД. Частично она вытекает из описанной выше. Расход топлива в стандартном РПД значительно выше, чем у ДВС. Эта проблема снова была решена специалистами Mazda. Внедрив комплекс мер, в числе которых переработка карбюратора и термореактора, добавление в выхлопную систему теплообменника, создание нового зажигания и разработка каталитического конвектора, инженеры добились снижения расхода на 40%. Это позволило выпустить в 1978 году модель RX-7.
Отечественное производство
Кроме компании Mazda, автомобили с РПД выпускал и "АвтоВАЗ". В 1974-м на заводе было сформировано специальное конструкторское бюро. В Тольятти началось строительство цехов для серийного выпуска РПД. В связи с тем, что первоначально предполагалось, что ВАЗ будет просто копировать западную технологию, было решено наладить воспроизводство двигателя Mazda. При этом совершенно не учитывались многолетние наработки отечественных институтов моторостроения.
Достаточно долго велись переговоры между Ванкелем и советскими чиновниками. Некоторые встречи проходили непосредственно в Москве. Денег, однако, было недостаточно, поэтому использовать некоторые технологии так и не удалось. В 1976-м был выпущен первый односекционный мотор ВАЗ-311. Его мощность составила 65 л. с. В течение последующих пяти лет проводилась доводка конструкции. После этого завод выпустил 50 опытных автомобилей с двигателем Ванкеля. Они мгновенно разошлись среди сотрудников предприятия. Однако вскоре выяснилось, что мотор в машинах только внешне был похож на японский. Конструкция его была крайне ненадежна. В течение полугода все двигатели были заменены, а штат конструкторского бюро был сокращен.
Однако отечественное производство мотора было спасено спецслужбами. Их не слишком беспокоил ресурс конструкции и расход топлива. Больше их привлекали динамические характеристики двигателя. В короткое время из двух моторов ВАЗ-311 был собран один двухсекционный. Его мощность увеличилась почти вдвое - до 120 л. с. Двигатель стали ставить на специальную единицу - ВАЗ-21019. Эта модель получила неофициальное наименование "Аркан".
Перепрофилирование
Спецзаказы вдохнули вторую жизнь в конструкторское бюро. На ВАЗе стали выпускать двигатели для авто- и водного спорта. Машины стали часто завоевывать первые места. Спортивные чиновники, в свою очередь, были вынуждены запретить использование РПД. В 1987 на смену Поспелову (руководителю конструкторского бюро) пришел Шнякин. Он недолюбливал наземный транспорт, тяготея больше к авиации. С начала его руководства СКБ перепрофилировало свою деятельность на выпуск двигателей для воздушных машин. Это была неверная стратегия, поскольку самолетов в стране выпускается намного меньше, чем автомобилей. Завод же получал прибыль преимущественно с продажи автомоторов.
Следующей ошибкой стала переориентация на маломощные двигатели. Японцы устанавливают РПД на спортивные машины. А ВАЗ выпускал мололитражные модели "Ока", несмотря на то что динамичные моторы целесообразнее было бы ставить на более быстроходные авто. Так или иначе, на отечественных дорогах оказалось несколько микролитражек "Ока" с РПД. К 1998 году, наконец, завершилась подготовка гражданского варианта двухцилиндрового 1.3-литрового роторного мотора. Его устанавливали на модели ВАЗ 2107-2109 и 2105.
В заключение
Почему же ведущие производители мира все еще не перешли окончательно на выпуск машин с РПД? Дело в том, что для изготовления таких моторов необходима, в первую очередь, очень точная технология, включающая в себя множество разнообразных нюансов. Не каждая, даже крупная компания, может пойти по пути Mazda. Кроме того, дело в оборудовании. Для выпуска двигателя Ванкеля необходимы высокоточные станки для вытачивания поверхностей с эпитрохоидой. Для оборудования, которое используется сегодня на заводах, такая работа вполне выполнима. Сегодня серьезными исследованиями РПД занимается только Mazda. Инженеры компании постоянно совершенствуют конструкцию, решают множество различных проблем. Выпускаемые в Японии роторные двигатели соответствуют принятым в мире стандартам по надежности, расходу топлива и экологичности.
Двигатель внутреннего сгорания, тепловой двигатель, в котором химическая энергия топлива, сгорающего
в рабочей полости, преобразуется в механическую работу.
По роду топлива ДВС разделяются на двигатели:
жидкого топлива;
газовые.
По способу заполнения цилиндра свежим зарядом:
четырехтактные;
двухтактные.
По способу приготовления горючей смеси из топлива и воздуха двигатели с:
внешним смесеобразованием;
внутренним смесеобразованием.
К двигателям с внешним смесеобразованием относятся карбюраторные, в которых горючая смесь из
жидкого топлива и воздуха образуется в карбюраторе, и газосмесительные, в которых горючая смесь
из газа и воздуха образуется в смесителе.
В ДВС с внешним смесеобразованием зажигание рабочей
смеси в цилиндре производится электрической искрой.
В двигателях с внутренним смесеобразованием (дизелях) топливо самовоспламеняется при впрыскивании его в сжатый воздух, нагретый до высокой температуры.
Рабочий цикл 4-тактного карбюраторного ДВС совершается за 4 хода поршня (такта), т. е. за 2 оборота
коленчатого вала.
При 1-м такте - впуске - поршень движется от верхней мёртвой точки (в. м. т.) к нижней мёртвой точке (н. м. т.). Впускной клапан при этом открыт и горючая смесь из карбюратора поступает в цилиндр.
В течение 2-го такта - сжатия, - когда поршень движется от н. м. т. к в. м. т., впускной и выпускной клапаны закрыты и смесь сжимается до давления 0,8-2 Мн/м2 (8-20 кгс/см2). Температура смеси в конце сжатия составляет 200-400°C. В конце сжатия смесь воспламеняется электрической искрой и происходит сгорание топлива. Сгорание имеет место при положении поршня, близком к в. м. т. В конце сгорания давление в цилиндре составляет 3-6 Мн/м2 (30-60 кгс/1см2), а температура 1600-2200°C.
3-й такт цикла - расширение - называется рабочим ходом; в течение этого такта происходит преобразование тепла, полученного от сгорания топлива, в механическую работу.
4-й такт - выпуск - происходит при движении поршня от н. м. т. к в. м. т. при открытом выпускном клапане. Отработавшие газы вытесняются поршнем.
Рабочий цикл 2-тактного карбюраторного ДВС осуществляется за 2 хода поршня или за 1 оборот
коленчатого вала. Процессы сжатия, сгорания и расширения практически аналогичны соответствующим
процессам 4-тактного ДВС. При прочих равных условиях 2-тактный двигатель должен быть в 2 раза
более мощным, чем 4-тактный, т. к. рабочий ход в 2-тактном двигателе происходит в 2 раза чаще,
однако на практике мощность 2-тактного карбюраторного ДВС часто не только не превышает мощность
4-тактного с тем же диаметром цилиндра и ходом поршня, но оказывается даже ниже.
Это обусловлено тем, что значительную часть хода (20-35%) поршень совершает при открытых окнах, когда давление в цилиндре невелико и двигатель практически не производит работы; продувка цилиндра требует затрат мощности на сжатие воздуха в продувочном насосе; очистка пространства цилиндра от продуктов сгорания газов и наполнение его свежим зарядом значительно хуже, чем в 4-тактном ДВС.
Рабочий цикл карбюраторного ДВС может быть осуществлен при очень большой частоте вращения вала (3000-7000 об/мин). Двигатели гоночных автомобилей и мотоциклов могут развивать 15 000 об/мин и более.
Нормальная горючая смесь состоит примерно из 15 частей воздуха (по массе) и 1 части паров бензина. Двигатель может работать на обеднённой смеси (18: 1) или обогащенной смеси (12: 1). Слишком богатая или слишком бедная смесь вызывает сильное уменьшение скорости сгорания и не может обеспечить нормального протекания процесса сгорания.
Регулирование мощности карбюраторного ДВС осуществляется изменением количества смеси, подаваемой в цилиндр (количественное регулирование). Большая частота вращения и выгодные соотношения топлива и воздуха в смеси обеспечивают получение большой мощности в единице объёма цилиндра карбюраторного двигателя, поэтому эти двигатели имеют сравнительно небольшие габариты и массу [ 1-4 кг/квт (0,75-3 кг/л. с.)].
Применение низких степеней сжатия обусловливает умеренные давления в конце сгорания, вследствие чего детали можно делать менее массивными, чем, например, в дизелях.
При увеличении диаметра цилиндра карбюраторного ДВС возрастает склонность двигателя к детонации,
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.
