Роторный двигатель: между прошлым и будущим
Прошлое роторных двигателей, в том числе советское, очень интересно. А есть ли у этого оборотистого малого будущее?
Феликс был бы доволен
Сегодня обычный двигатель внутреннего сгорания только немцы, да и то лишь иногда, величают мотором Отто. А Феликсу Ванкелю наряду с Рудольфом Дизелем повезло куда больше: в рассказах о роторно-поршневых моторах обязательно хоть раз упоминается его фамилия.
Правда, злые языки говорили, что Ванкель так и не получил автомобильных прав. Но в историю-то автомобильную он вошел, да и история эта еще не кончилась.
Конструкция роторного двигателя описана множество раз, в том числе в журнале «За рулем» (см., например, ЗР, 2001, № 7). Вкратце: такой мотор — воплощенное торжество геометрии. Блок цилиндров — это статор, который имеет хитрую внутреннюю поверхность, представляющую собой эпитрохоиду. Ротор со специальными уплотнениями движется внутри, выполняя функции поршня и шатуна. В одной камере две свечи — основная и дожигательная. Газообмен происходит через впускные и выпускные окна. Такие секции можно компоновать практически в любых количествах.
Роторный двигатель примерно в полтора раза компактнее и легче аналогичного по характеристикам поршневого. Но есть у него и существенные недостатки. Для смазки уплотнений на роторе масло поступает в топливо. А это означает дополнительный расход масла и сложности с экологией. Для роторного двигателя характерен повышенный расход бензина и относительно низкий ресурс из-за износа тех самых коварных уплотнений. Над решением этих вопросов конструкторы работают много лет, и не без успеха.
Пьедестал почета
Первый патент Ванкель получил еще в 1930‑е годы. Изобретением заинтересовалась фирма BMW, но до дела не дошло. В 1950‑х инженер построил-таки несколько небольших моторов с прицелом на автомобили и легкие самолеты и, что не менее важно, сумел заразить своим энтузиазмом компанию NSU.
Осенью 1963 года на выставке во Франкфурте представили компактный родстер NSU Wankel Spider, снаряженный односекционным «ротором» с приведенным объемом 0,5 л (для роторного двигателя приведенный объем вдвое больше геометрического). Двигатель развивал 50 л.с. при 6000 об/мин (позже — даже 54 л.с.). Для сравнения: мотор 408‑го Москвича выдавал ту же мощность с 1,4 л рабочего объема. Максималка 152 км/ч тоже была очень высокой для родстера такого класса. Но… У немцев еще много лет была в ходу шутка: мол, в объявлениях о продаже подержанных спайдеров пишут: «Продаю NSU Wankel Spider и четырнадцать запасных двигателей». Помимо низкого ресурса мотор славился расходом масла и топлива, шокирующим расчетливых немцев. До 1967 года покупателей нашли всего 2375 спайдеров.
Но энтузиасты из NSU не угомонились и выпустили элегантный и даже авангардный по дизайну седан Ro 80 с двухсекционным двигателем мощностью 115 л.с. Машина развивала скорость 180 км/ч! Седанов с такой максималкой в мире тогда было немного. В 1968‑м в Европе NSU Ro 80 признали даже автомобилем года. Его производили десять лет, постоянно модернизируя, но продали лишь 37 204 экземпляра. Компания NSU потеряла самостоятельность, влилась в Audi, и о роторном двигателе немцы больше не вспоминали.
Тем временем упорные и усидчивые японцы купили лицензию Ванкеля еще в 1961 году. И в 1963‑м на Токийском автосалоне показали прототип купе Mazda Cosmo Sport с двухсекционным двигателем, выдававшим 110 л.с. при 7000 об/мин. Годом позже начали серийное производство. До 1972‑го продали всего-то 1176 автомобилей. Но компания с завидным терпением продолжала совершенствовать роторные автомобили — вплоть до модели RX‑8 2004 года с 280‑сильным двигателем, обеспечивающим разгон до 100 км/ч за 8,4 с. Эту машину продавали и в России, она была у нас на тесте (ЗР, 2005, № 8). Ездить на ней очень интересно, но, чтобы получить от двигателя всё, на что он способен, приходилось держать обороты не ниже 4000. Компания Mazda вошла в историю еще и благодаря тому, что в 1990‑м выиграла гонку в Ле-Мане с прототипом Mazda 787B. Ее роторный мотор (700 л.с. при 5000 об/мин) выдержал 24‑часовой марафон, «привезя» два круга грозному Ягуару.
ОТ ПЕРВОГО ЛИЦА
Леонид Новиков, конструктор-двигателист, в 1970‑е годы — сотрудник вазовского КБ роторно-поршневых двигателей.
Леонид Новиков, конструктор-двигателист, в 1970‑е годы — сотрудник вазовского КБ роторно-поршневых двигателей.
— В 1968 году в книжном магазине в родном Иркутске я купил книгу В. Бениовича, Г. Апазиди и А. Бойко «Роторно-поршневые двигатели». С помощью создателя первого в Иркутске самодельного автомобиля, моего друга Бориса Демьянóвича, разобрался в кинематике и загорелся идеей постройки односекционного мотора для гоночного мотоцикла.
В феврале 1971 года начальник вазовского КБ двигателей Михаил Коржов принял меня на работу с условием получить высшее образование, забыть о мотоспорте… и о роторных двигателях. Оказалось, Коржова незадолго до этого заставили изучить чертежи явно неработоспособного роторного мотора какого-то изобретателя-любителя. Кому хочется заниматься мартышкиным трудом? А тут еще я со своими роторными мечтами.
Третьего сентября 1973 года я впервые наблюдал за бесшумной работой двухсекционного роторного двигателя Мазды RX‑2, купленной для ВАЗа. Через неделю получил задание снять этот мотор и установить его под капотом ВАЗ‑2103. Так через две недели появился первый вазовский автомобиль с 120‑сильным роторным мотором и стандартной коробкой передач от Жигулей. Синюю машину с обозначением «00–34 Проба» на номерах я прозвал Вазда-Т‑34. Тогда же, в 1973‑м, было создано СКБ роторно-поршневых двигателей, руководителем назначили Бориса Поспелова. Задачу нам поставили серьезную: создать обширное семейство моторов с воздушным и жидкостным охлаждением, а первым делом — односекционный двигатель мощностью 80 л.с.
За прототип, понятное дело, взяли двигатель Mazda. Скомпоновали свой односекционник в моторном отсеке, выдвинув вперед на 170 мм. Такое решение улучшило развесовку, упростило замену свечей. Мы очень гордились тем, что сам Феликс Ванкель, приехав на один день на ВАЗ, похвалил нашу архитектуру — компоновку двигателя. Провели три фазы испытаний и доводки и передали документацию на производство. Так появился ВАЗ‑21018. А наше СКБ стало работать над установкой двухсекционных двигателей на ВАЗы специального назначения.
Надежность первых двигателей из-за низкого качества производства была не ахти. К 1978 году мы заметно улучшили газовые уплотнения, однако технологические проблемы остались нерешенными. Позднее удалось кое-что сделать, но с 1980 года я занимался уже дизелями. Интересно, что моим первым служебным автомобилем на ВАЗе был именно роторный. Наездил я на нем без проблем 40 000 км.
Роторными двигателями занимались многие компании, даже американские. Но до серии дело дошло не у всех. Помимо немцев и японцев в этом вопросе относительно преуспели французы. Они тоже отметились мелкосерийными роторными автомобилями. Сначала делали 50‑сильное купе М35 на базе модели Ami 8, потом — Citroen GS Birotor с 106‑сильным двигателем. Суммарный их выпуск едва перевалил за тысячу.
А четвертый завод, который мелкосерийно выпускал роторные автомобили, — ВАЗ! Кстати, российский след в этой истории весьма интересен.
Японские легенды: роторная история Mazda
Создавать необычные, нетрадиционные конструкции, чтобы сделать очередной шажок к прогрессу — удел истинных инженеров-изобретателей. Одним из таких талантливых ученых был немец Феликс Ванкель. Легенда гласит, что в 17 лет он увидел во сне двигатель необычной компоновки и всю жизнь пытался воплотить свой сон в реальность.
Долгая дорога к серии
Легенда легендой, однако, сухие факты говорят нам, что еще в 1929 году Ванкель запатентовал свою конструкцию. Тем не менее до постройки первого прототипа прошло более 20 лет. Лишь в 1951 году, устроившись на работу в одну из старейших автомобильных фирм Германии, NSU, Феликс, совместно с не менее талантливым инженером Вальтером Фройде, смог создать рабочий двигатель по своей схеме. Еще 6 лет понадобилось, чтобы довести конструкцию до серийного состояния.
Все дело в том, что компоновка ДВС Ванкеля является, мягко говоря, необычной. Нет привычных нам поршней, шатунов и цилиндров. Вместо этого — трехгранный ротор, в виде треугольника Рёло, вращающийся в цилиндре особой овальной формы.
Основным плюсом роторно-поршневого двигателя (РПД) являлась удельная мощность: при компактных размерах и очень малом весе с первого серийного «Ванкеля» снимали 50 л. с. И это с рабочего объема в 0.5 литра! О минусах такого двигателя пока было известно мало. Громкий дебют NSU Spider с роторно-поршневым двигателем в 1964 году дал толчок развитию этого перспективного ДВС. Даже в США предпринимались попытки построить подобный мотор. Однако главным источником развития РПД стало совместное предприятие Comotor, в которое вошли Citroen, NSU и… никому не известная на тот период времени японская компания, выпускавшая грузовички под названием Mazda-go.
Провал в Европе
Французы, воспользовавшись совместными наработками, создали Citroen GS Birotor — прототип с двухрядным РПД. Немецкие партнеры построили выдающийся для своего времени автомобиль — дебютировавший в 1967 году NSU Ro 80 был напичкан новинками: двухсекционный роторный двигатель, трехступенчатый «автомат», независимая подвеска всех колес, передний привод.
Ro 80 завоевал несколько наград на выставках… и похоронил NSU! Очень скоро выяснилось, что автомобиль обладает множеством недочетов, главным из которых стал чрезвычайно низкий ресурс РПД. Гарантийные обязательства, которые смело взяла на себя немецкая компания, буквально потопили ее. Банкротство, слияние с Auto Union и закрытие темы РПД в Европе — таким оказался финал красиво начинавшейся истории NSU.
Очередное японское чудо
Итак, к середине 60-х годов только маленький неизвестный японский производитель остался один на один с РПД (не считая успешных советских наработок, которые достойны отдельного рассказа).
Надо отметить, что инженеры Mazda взялись за дело довольно активно — в короткий срок они разработали как простой РПД, практически полную копию мотора NSU, так и двухсекционный вариант. Именно последний был установлен на новинку 1964 года — автомобиль Mazda Cosmo. Компактный, легкий и симпатичный автомобиль стал флагманом компании. На фоне автомобильного бума, последовавшего в Японии за Олимпиадой-64, на ура расходились любые новинки, а Cosmo со своим смелым дизайном, неплохими характеристиками и невиданным ранее двигателем стал хитом в Японии.
При этом машина позиционировалась не как повседневная, дабы не повторить провал Ro 80. Мощным стимулом для покупки Mazda с РПД были и налоговые льготы — ведь в тот момент в Японии платили не заколичество лошадиных сил, а за объем. С 0.980 куб. см. двухсекционного ротора инженеры Mazda снимали 110 л. с. и, по факту, японский автолюбитель, обладая спортивной машиной, платил налог как за обычную Toyota Corolla c литровым двигателем.
Роторный бум
В таких условиях, а также учитывая малые японские пробеги (страна-то компактная), недостаток РПД в виде малого ресурса, сгубивший этот двигатель в Европе и Америке, отошел на второй план. Роторные двигатели Mazda и спортивный дизайн автомобилей этой компании стали на пару десятилетий ее визитной карточкой на внутреннем рынке.
Было выпущено 5 поколений Mazda Cosmo. Двигатели Ванкеля для этих машин постоянно совершенствовались, получая турбонаддув, дополнительные секции и объем. Линейка Cosmo выпускалась в основном для внутреннего рынка Японии. Некоторые автомобили серии показывали выдающиеся результаты. К примеру, Cosmo HB 1982 года в кузове купе с турбомотором 12А-6PI (два ротора, турбина, впрыск топлива) стал официально самым быстрым серийным автомобилем года в Японии.
Вершиной линейки Cosmo стало поколение JC (1990–1996) с 300-сильным трехсекционным РПД 20B-REW.
Выход в мир
На иностранном рынке компания Mazda также продвигала РПД — в линейке спортивных автомобилей серии RX. Самой известной среди них стала серия RX-7: три поколения и более 800 тысяч машин — отличный показатель для автомобиля с РПД Ванкеля, продававшегося вне Японии. Двигатель Mazda RX-7 последнего поколения впервые в отрасли получил двухступенчатый турбонаддув. Именно на RX-7 стал устанавливаться наиболее массовый двигатель Ванкеля в истории — Mazda 13B, мощность некоторых модификаций которого доходила до 280 л. с. (с 1.3 л объема!).
Различные модификации этого двухсекционного РПД до сих пор колесят по планете, удивляя своим необычным звуком работы.
Но вслед за громким и стремительным взлетом ротора наступило его не менее быстрое падение. В конце 90-х годов РПД стал сдавать свои позиции как в Японии, так и по всему миру: если с низким ресурсом фанаты были готовы мириться (в том числе ради ощущений при езде), то экологические требования стали наступать на горло производителю. Сделать двигатель Ванкеля экологически чистым оказалось гораздо сложнее, чем традиционный ДВС.
Дембельский аккорд
Последним и, наверное, наиболее красивым и узнаваемым автомобилем Mazda с РПД стала модель RX-8, производившаяся с 2003 по 2012 годы.
Специально для этой машины двигатель 13B-MSP сделали более экономичным и экологичным. Отказавшись от турбины, немного потеряли в мощности. Однако благодаря переделанному выпуску удалось перекомпоновать впускную систему. Двигатель стал способен работать на более бедных смесях, улучшились топливные и экологические показатели.
Потеря в мощности оказалась незначительной — благодаря применению электроники DENSO (ДМРВ и лямбда-зонды) удалось подобрать оптимальные режимы работы РПД. Обновленный двигатель, получивший название Renesis, удостоился нескольких премий, в том числе и как Двигатель года-2003.
Однако интерес к РПД у покупателя падал, эпоха роторных двигателей подошла к своему завершению, и выпуск машин с этим мотором был прекращен. Знамя, которое выпало из рук компании Mazda, оказалось некому подхватить.
Время от времени Mazda демонстрирует прототипы, которые вроде бы призваны возродить линейку RX, закрытую семь лет назад. Также источники утверждают, что работа над перспективными РПД ведется, хотя и в медленном темпе. Однако вполне «живых» машин семейства RX и по сей день немало, в том числе и на дорогах России. Если вам посчастливилось стать владельцем легендарного роторного автомобиля, например RX-8, вы сможете без труда подобрать запчасти на свою «рыксу» в электронном каталоге DENSO.
Роторный двигатель: почему он не стал популярным
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.
Роторный двигатель
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.
Феликс Ванкель и роторный двигатель. Фото — Kolesa.ru
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).
NSU Spider
По настоящему массовым автомобилем с роторным двигателем стало второе детище компании NSU – седан Ro-80.
NSU 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, Mazda RX-8 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.
Mazda RX-8 Spirit R
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.
Роторный двигатель
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.
Устройство и принцип работы роторного двигателя
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.
Роторный двигатель в разобранном виде. Фото — Автостронг-М
В-четвертых, в нем используется намного меньшее количество узлов и агрегатов, чем в обычном двигателе.
Наконец, в-пятых, роторный двигатель обладает высокой удельной мощностью.
Роторный двигатель Mazda Renesis
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 капитальный ремонт силового агрегата.
Капитальный ремонт роторного двигателя Mazda RX-8. Фото — drive2
В-пятых, роторно-поршневой двигатель нуждается в своевременной и четко соблюдаемой процедуре смены моторного масла: 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.
Источник https://www.zr.ru/content/articles/904332-oborotistyj-malyj/
Источник https://www.drive2.ru/o/b/533759570045044324/
Источник https://avtoexperts.ru/article/kak-e-to-rabotaet-rotorny-j-dvigatel/
