История механизма: Поговорим о роторно-поршневом двигателе

Развитие роторно-поршневого двигателя (РПД) имеет более чем четырехвековую историю. Самые ранние описания относятся аж к 1636 году, а в 1782-м Джеймс Уатт создал паровую "версию", в основе которой был роторный механизм. Однако только с 1957 г., благодаря усилиям инженера Феликса Ванкеля (Felix Wankel), роторный двигатель достиг современного уровня развития и стал конкурентноспособным обычному двигателю. 

Вопрос о жизнеспособности РПД до настоящего времени остается неопределенным по нескольким причинам, основными из которых является еще некоторое отставание технико-экономических показателей роторных двигателей от классических.

Большое разнообразие схем роторных машин привело, в конце концов, к разработке семейства РПД с замкнутым цилиндром, т.е. к так называемым трохоидным роторным двигателям. 

Теоретический анализ трохоидных двигателей подтвердил правильность сделанного Ф. Ванкелем выбора схемы роторного двигателя - эпитрохоиды (математической кривой, напоминающей "раздавшуюся в талии" цифру 8) с двухвпадинным корпусом и трехгранным поршнем. Также, проектируя свой мотор, Ванкель стремился в первую очередь избавиться от главного недостатка традиционных поршневых двигателей: большого числа деталей, совершающих возвратно-поступательные движения. И в этом он преуспел: в роторном моторе нет ни кривошипно-шатунного механизма, ни поршней, ни клапанов, ни сложной системы привода.

Повышенный интерес к РПД был вызван их существенными потенциальными преимуществами по сравнению с обычными поршневыми двигателями сравнимого класса мощности:

•Малые габариты и масса двигателя;

•Меньшее на 35-50% количество деталей;

•Относительная конструктивная простота;

•Большая простота уравновешивания ввиду отсутствия возвратно-поступательнодвижущихся масс и как следствие - более высокая комфортабельность автомобиля;

•Большая возможность при расширении мощностных уровней унификации деталей двигателя (до 90%);

•Меньшая при массовом производстве стоимость двигателя (28-32%);

•Работа на топливе с более низким октановым числом;

•Роторные двигатели безопасные благодаря более низкому расположению центра тяжести, а также обеспечивают при фронтальном расположении двигателя лучшую видимость из-за более низкого капота.

В 1951 году Ванкель сумел заинтересовать своими идеями компанию NSU. А в 1957 году автомобильная компания NSU, с которой он сотрудничал, официально объявила: "Роторный двигатель Ванкеля создан и работает". 

Первым   автомобилем с роторным двигателем считается NSU Spyder 1963 года с односекционным мотором объемом 497 см куб. и мощностью 50 л.с. Выпуск был небольшим - в 1964-1967 гг. произведено чуть более 2000 машин. По-настоящему серийной моделью стал седан NSU Ro80 1967 года, получивший на Франкфуртском автосалоне 1968 г. титул "Европейский автомобиль года". Его двухсекционный двигатель (2х497 см куб.) развивал мощность 115 л.с. В 1968-1977 гг. было выпущено почти 34.000 экземпляров Ro80. Главной проблемой роторных моторов (помимо их большого аппетита) была невысокая надежность - в частности, подшипников и уплотнений роторов. На обслуживании и ремонте Ro80 компания NSU чуть ли не разорилась, и была поглощена группой Volkswagen (отделение Audi), в которой к роторным двигателям отнеслись плохо. 

Список автопроизводителей, которые приобрели лицензии, достаточно внушителен. Среди них - General Motors, Ford, Citroen, Mercedes, Nissan. И, конечно же, Mazda. Однако у большинства из них дальше покупки лицензии дело не пошло.

На Франкфуртском автосалоне 1969 г. посетителей поразил концепт Mercedes C111 - с двумя версиями двигателя: трех- (320 л.с.) и четырехсекционной (405 л.с.). Но история Mercedes Benz C-111 закончилась так же быстро, как началась. Опытный образец так и не дошел до начального этапа подготовки к серийному производству. Концерн Mercedes Benz отказался от массового производства автомобиля с остроумным и оригинальным двигателем. 

В 1972 году компания Nissan создала прототип небольшой спортивной машины, и даже собиралась выпускать ее серийно и в приличных количествах (120.000 экземпляров в год). Помешал разразившийся в 1973 году нефтяной кризис. Отметилась и компания Citroen - выпустила два автомобиля, Ami 6 (1970 г.) и GS Birotor (1973 г.) с мотором KKM 622 мощностью 107 л.с., но потом быстро утратила интерес к "роторной" идее. 

  

Больше энтузиазма проявила General Motors Corp. По настоянию ее президента Эда Коула, инженера по образованию, в 1970 г. была приобретена лицензия NSU, а три года спустя европейской публике показали два автомобиля Corvette со средним расположением двигателя Ванкеля, 2х266 см куб. и 4х390 см куб. Кузовы для них делало ателье Pininfarina. В следующем году должна была появиться уже серийная машина с роторным мотором - Chevrolet Monza... Из планов General Motors мало что вышло. В 1974 г., в преддверии принятия нового закона о чистоте выхлопа, Коул приостановил разработки, а через месяц ушел в отставку. В 1977 году корпорация официально объявила, что все работы по роторным двигателям прекращены. 

Так почему же роторный двигатель не получил распространения? Дело в том, что наряду с несомненными достоинствами у двигателя Ванкеля существуют и серьезные конструктивные недостатки, преодолеть которые было сложно. Вследствие большого отношения поверхности камеры сгорания к ее объему РПД имеет более низкий КПД, в сравнении с поршневым ДВЗ, снижающий топливную экономичность двигателя, особенно при работе на частичных нагрузках. Кроме того, серповидная форма не позволяет организовать вихревое наполнение камеры сгорания, чтобы добиться полного сгорания топливо-воздушной смеси, что сказывается на более высокой токсичности по СО и СН. Поэтому приходится дополнительно снабжать РПД громоздкими камерами дожигания выхлопных газов, ухудшая массогабаритные показатели. Также форма камеры сгорания РПД препятствует созданию высокой степени сжатия, необходимой для реализации дизельного цикла. Столь же обширен список технологических недостатков. На первом месте - сам процесс изготовления статора сложной формы с износостойкой поверхностью. Трудность еще и в том, что статор должен успешно противостоять температурным деформациям: в отличие от обычного мотора, где теплонагруженная камера сгорания частично охлаждается в фазе впуска и сжатия свежей рабочей смесью, здесь процесс сгорания всегда происходит в одной части двигателя, а впуск - в другой. Еще одна проблема - уплотнения ротора. Если в поршневом моторе кольца соприкасаются с зеркалом цилиндра только одной рабочей кромкой и под постоянным углом, то уплотнения на вершинах ротора касаются статора под постоянно изменяющимися углами, что приводит к большим нагрузкам на их грани. Кроме того, эти уплотнения работают в условиях ограниченной смазки и плохого теплоотвода - для их смазывания приходится дополнительно впрыскивать масло прямо во впускной коллектор. Нетрудно догадаться, что экологических показателей мотора это тоже не улучшает.

Единственной компанией, продолжавшей успешно работать над двигателем Ванкеля, была Mazda, которая приобрела соответствующую лицензию еще в 1961 году. Специалисты  Mazdы сразу поняли, где роторный мотор может оказаться при деле - под капотом спортивного автомобиля! Эксплутационные затраты для таких машин отходят на второй план, а вот то, что при равной мощности роторный двигатель почти вдвое легче и компактнее поршневого, крайне важно.  От конструкции NSU с одним ротором отказались почти сразу - из-за неустойчивой работы на малых оборотах. В первой половине 60-х "довели до ума" двухсекционный мотор (с двумя роторами), а в 1967 г. в продажу поступил первый серийный роторный автомобиль Mazda - Cosmo Sport (Mazda 110S) с двигателем 10A (2х491 см куб.) мощностью 110 л.с., позднее увеличенной до 128 л.с. ("серийный" - слишком сильно сказано, за 5 лет выпустили 1176 экземпляров), который выдерживал пробег 100.000 км. Скорость машины доходила до 200 км/час.

                                                                                                                   

В 1968 г. на рынке появилось более "земное" купе - Familia Rotary (Mazda R100), за ним как из рога изобилия посыпались Luce Rotary (Mazda R130), Capella Rotary (Mazda RX-2), Savanna (Mazda RX-3). С 1970 г. начался экспорт роторных машин в США, где они наделали немало шума. В 1971 г. Mazda выпустила 200.000 автомобилей с двигателем Ванкеля. Будущее казалось настолько безоблачным, что компания собиралась к 1975 году полностью перейти на производство машин с роторными моторами. Но помешал все тот же нефтяной кризис 1973 года. Продажи на американском - важном для Mazda - рынке уже в 1974 г. упали вдвое. О массовом сбыте там неэкономичных роторных автомобилей пришлось забыть. На "домашнем" рынке позиции автомобилей, оснащенных двигателем Ванкеля, также заметно пошатнулись. В 1975-1977 гг. выпускался лимузин Roadpacer AP (800 экземпляров за три года), в 1975-1981 гг. - спортивный Cosmo AP (Mazda RX-5), еще пара-тройка моделей. Производство Eunos Cosmo с трехсекционным турбированным мотором (280 л.с.) прекращено в 1995 г. Единственное исключение - модель Savanna RX-7 (Mazda RX-7), которая появилась в 1978 г. и выпускается до сих пор. Первое поколение машины имело среднемоторную компоновку и оснащалось двигателем 12А (2х573 см куб., 130 л.с.). В 1980 г. был проведен фэйслифтинг, в 1983 г. мотору добавили турбонаддув (165 л.с.). Второе поколение RX-7 было запущено в серию в 1985 г. Мощность двигателя 13B с турбонаддувом составляла 185 л.с., а четыре года спустя выросла до 205 л.с. И, наконец, третье поколение, появившееся в 1991 году. Турбированный мотор 13B-REW (2х654 см. куб.) развивал мощность 255 л.с. Фэйслифтинг проводился в 1996 и 1998 гг., мощность двигателя довели до 280 л.с. В том же 1991 г. осуществилась многолетняя мечта спортивной команды Mazda - автомобиль 787B c четырехсекционным роторным мотором R26B мощностью 700 л.с. выиграл 24-часовую гонку в Ле Мане (со следующего года к участиям в гонке стали допускать только машины с "обычными" поршневыми двигателями). 

В бывшем СССР дело пошло после того, как проблемой роторного мотора занялись НАМИ, НАТИ, ВНИИмотопром, КАДИ, ХАИ, ХПИ и др. Один из созданных двигателей, односекционный РД-515, в середине 70-х предполагалось ставить на тяжелые мотоциклы. При весе 38 кг и объеме 491 см куб. он выдавал 38 л.с. (6000 об./мин.) и 51 Нм (3500 об./мин.). Торцевые уплотнители изготовляли из стали или чугуна. Специально для этого мотора разработали технологию нанесения износостойкого жаропрочного никель-кремниевого покрытия "никосил" на алюминиевую основу. Агрегат выхаживал до капитального ремонта 50 тыс. км. 

 

На Волжском автомобильном заводе (г.Тольятти) в начале 80-х изготовили односекционный двигатель ВАЗ-311 с рабочим объемом 647 см куб., развивавший 70 л.с. (6000 об./мин.) и 95 Нм (3500 об./мин.). Весил мотор 114 кг. Возможность установки в вазовский автомобиль двигателя мощностью 120...140 л.с. заинтересовала спецслужбы, требования по ресурсу и расходу топлива были ниже, чем у автомобиля общего назначения, а замена двигателя в ходе эксплуатации ими допускалась. С их стороны гарантировалась квалифицированная эксплуатация и предоставление информации о дефектах. Для СКБ это было идеальным вариантом. Так появился автомобиль специального назначения ВАЗ-21019 с двухсекционным двигателем РПД-411 с мощностью 120 л.с. 

 

У многих читателей возникает множество вопрос: “А как дела обстоят с РПД на Украине, колесят ли наши просторы эти посвоему уникальные автомобили и разрабатывались ли у нас роторние двигатели?”

Расскажем об этом по порядку.

 

Давайте сначала подробнее рассмотрим, как работает роторный двигатель. Функцию поршня в РПД выполняет трехвершинный ротор , преобразующий силу давления газов во вращательное движение эксцентрикового вала. Движение ротора относительно статора (наружного корпуса) обеспечивается парой шестерен, одна из которых жестко закреплена на роторе, а вторая на боковой крышке статора. Шестерня неподвижно закреплена на корпусе двигателя. С ней в зацеплении находится шестерня ротора. Ротор с зубчатым колесом как бы обкатывается вокруг шестерни. Вал вращается в подшипниках, размещенных на корпусе и имеет цилиндрический эксцентрик, на котором вращается ротор. Взаимодействие этих шестерен обеспечивает целесообразное 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, а за полный оборот ротора в каждой из камер совершается полный четырехтактный цикл. Газообмен регулируется вершиной ротора при прохождении ее через впускное и выпускное окна I и IV. Такая конструкция позволяет осуществить 4-тактный цикл без применения специального механизма газораспределения. Герметизация камер обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами. Крутящий момент получается в результате действия газовых сил через ротор на эксцентрик вала. Смесеобразование, зажигание, смазка, охлаждение, запуск принципиально такие же, как и у обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Во времена бывшего СССР о существование отечественных машин с двигателями Ванкеля долгое время не афишировалось, ими пользовались наши спецслужбы, как утверждали посвященные. А ученые из бывшей УССР также не оставались в стороне при создании и усовершенствовании роторного двигателя, однако в прессе про это также практически не упоминалось, только исключительно в специализированной технической литературе. Эксперименты проводились совместно с СКБ РПД, которым в то время руководил Б.С. Поспелов. Большой объем работ по усовершенствованию РПД был выполнен в НТУ (бывший КАДИ) под руководством профессора А.З. Филиппова на кафедре «Двигатели и теплотехника». Перед украинскими специалистами поставили две основные задачи: повышение экономических и экологических показателей РПД. Задача была успешно выполнена путем внедрения  принципиально новой системы регулирования мощности двигателя методом отключения рабочих циклов (ДРЦ).  Экономичность РПД возросла на 15 %, а содержание токсических компонентов уменьшилось в 2,5-3 раза. Этот эффект был достигнут в основном из-за уменьшения газодинамических потерь и роста индикаторного КПД двигателя. Эта работа была представлена на выставке «автомобилестроение» в 1996 году (г. Детройт), чем вызвала большой интерес у специалистов и посетителей. Работа по разработке и внедрению подобных систем продолжает проводиться и до сегодняшнего времени, о чем мы постараемся написать в следующих статьях.

В настоящее время, на территории Украины, автомобили с РПД являются  экзотическим транспортным средством. Как уже упоминалось раньше, во времена бывшего СССР такие машины эксплуатировались исключительно правоохранительными органами или службами гос. безопасности. И поэтому рядовой советский гражданин был лишен возможности иметь роторный автомобиль. Но времена изменились и с развалом могучего СССР большой поток подержанных иномарок хлынул на просторы  бывших советских республик. С того времени на территории Украины изредка стали появляться подержанные автомобили с РПД. В основном это был автомобиль Mazda RX-7 1980-1988 г.в., который никогда в Украину официально не поставлялся. Поэтому найти машину в приличном состоянии очень не просто. Правда и ВАЗ, в последнее время, с пересмотром взглядов на секретность, введением "рыночных отношений" и возникновением спроса на неординарные автомобили, стали предлагаться "восьмерки" и "десятки" с двухсекционными моторами ВАЗ-415. Каждая секция имеет объем 654 см куб., что позволяет достичь мощности 140 л.с. (6500 об./мин.) и крутящего момента 186 Нм (4500 об./мин.). А 200 км/ч для "десятки" - совсем неплохо...

Теперь расскажем читателю о специфике эксплуатации автомобилей с РПД. По конструкции ВАЗовский мотор, конечно, уступает японским роторам. При этом случаи полной выработки ресурса практически неизвестны. Как правило, мотора ВАЗ-415 хватает на 100-120 тыс. км, а в некоторых случаях и 150 тыс. км, после чего требуется его переборка. Гарантированный пробег японских двигателей составляет 300.000 км - не меньше, чем у обычного поршневого. Обслуживание самое обычное - замена эксплуатационных жидкостей, тормозных колодок (комплект стоит 35-40$). Свечи российского производства А26ДВ1 редко ходят больше 5-7 тыс. км, поэтому рекомендуется использовать свечи фирмы NGK (BR10ET для РПД с наддувом и BR8ET без него), которые выдерживают 15 и более тысяч километров, но стоят они около 45 $ за комплект. Строго рекомендуется применять только высококачественное минеральное масло, так как "синтетика", сгорая в двигателе, закоксовывает уплотнения ротора. 

 

Эксплуатация роторного ВАЗа имеет свои особенности. Во-первых, 500 граммов масла на 1000 км пробега - норма для этого двигателя, ведь часть масла специальным насосом впрыскивается прямо во впускной коллектор для дополнительной смазки трущихся поверхностей. С другой стороны, из-за постоянных доливов масло требуется менять не чаще, чем в 10-12 тыс. км, и обязательно после зимней эксплуатации. Так как РПД менее склонны к детонации, этому мотору все равно на каком бензине работать, нужно только соответствующим образом настроить систему зажигания. К регулировочным операциям следует отнести, настройку карбюратора, правильную установку угла опережения зажигания и настройку лубрикатора (metering pump) на правильную дозировку масла во впускной коллектор. 

Приведем пример некоторых из них для РПД Mazda RX-7 (двигатель12А). При регулировке карбюратора следует обратить внимание на свободный ход троссов газа и горячего пуска (1-3 мм). Регулировку положення воздушной заслонки производят подгибом тяги (зазор между заслонкой и стенкой первой камеры при закрытом положении 1,0-1,2 мм). Уровень в поплавковой камере контролируется через специальное контрольное отверстие и регулируется подгибанием латунного лепестка на поплавке. Обороты холостого хода соответствуют 750 об/мин для мех.КПП (850 об/мин АКПП) и регулируются верхним винтом (шляпка около 10мм в диаметре) на карбюраторе со стороны мотора (по центру). Особое внимание следует обратить при диагностике и регулировке дозатора масла (лубрикатора). Он находится внизу впереди двигателя под воздушным компрессором. Для этого следует выполнить такие операции: 

•Прогреть двигатель до рабочей температуры;

•Снять трубки с впускного коллектора и поместить в измерительную емкость; 

•Закрыть образовавшиеся отверстия; 

•Вытянуть тягу metering pump максимально вверх; 

•Запустить двигатель на 5 минут.

Объем, поступившего в мерную емкость,  масла соответствует 2,5…6,5 см3 в  зависимости от модели двигателя и года выпуска. Регулировка производится поворотом регулировочного болта на дозирующем насосе. По часовой стрелке увеличивает подачу, против часовой уменьшает. Свободный ход тяги регулируется перестановкой шплинта на тяге снизу и должен быть 0-1мм.

Получается, что распространенное мнение о недолговечности, ненадежности и проблемах при эксплуатации роторного двигателя не соответствует действительности. Все зависит от правильного и своевременного обслуживания роторного автомобиля. Запас мощности в РПД – более чем достаточный. А повышенный расход топлива владельца спортивной машины расстраивать не должен. Кроме того, ремонтируется он даже легче, чем обычный - деталей-то в несколько раз меньше. Правда могут возникнуть проблемы с поиском оригинальных зап. частей для ремонта двигателя, особенно это касается автомобилей 80-х годов выпуска, но здесь все упирается в средства. Возможно, многих это обстоятельство не отпугнет от покупки ротора, а наоборот еще больше заманит в сети своей таинственность. Владеть таким необычным «роторным монстром» непохожим на других, при этом, имея свое лицо и свойственную ему индивидуальность, желают многие автолюбители и профессионалы.  

Более 30 лет разные автопроизводители пытались совладать с многообещающим, но капризным творением Феликса Ванкеля. Опустили руки все - кроме Mazda и... ВАЗ, где роторные двигатели мелкими сериями еще делают. Сказать по правде, задача была не из легких - "догнать и перегнать" традиционные конструкции моторов, которые "доводили" более 100 лет. Создавалось впечатление, что вот-вот сдастся и Mazda, преуспевшая больше остальных. Не утешал даже концепт RX-7, который компания показала на Токийском автосалоне в 1995 г. - мало кто верил в будущее машины. Но в 2002  году в Токио Mazda представила новый автомобиль следующего поколения - концепт RX-Evolv c атмосферным роторным двигателем Renesis (комбинация слов renaissance-"возрождение" и genesis - "начало") объемом 2л, который развивает 280 л.с. при 8000 об/мин. Это рекордная литровая мощность для безнаддувных двигателей. Примечательно, что этот роторный двигатель соответствует жестким экологическим нормам Euro 4. 

 

Также особо следует отметить предрасположенность РПД для работы на водороде. Фирма Mazda провела большой объем исследовательских работ по применению водорода в качестве топлива для автомобильного ДВС. В ходе этих исследований было однозначно выявлено, что при работе классического поршневого двигателя возникает ряд существенных проблем. В то же время роторно-поршневой двигатель при небольшой модернизации позволяет использовать водород в качестве топлива. Поэтому фирмой было заявлено, что в "водородной" программе предпочтение отдано РПД. 

Последняя надежда на возвращение роторного мотора связана с недавно появившимися автомобилями с гибридными силовыми установками, в которых небольшой двигатель внутреннего сгорания используется в качестве резервного источника мощности. Для этих машин роторный мотор - как раз то, что надо: маленький, легкий, отлично сбалансированный. В Калифорнии уже экспериментируют с роторным двигателем, работающим на пропане. Перспективность этих работ очевидна. Так что борьба на поле двигателестроения продолжается.

автор статьи Юрий Герасимчук