В каком году установили роторный двигатель

Идея роторного двигателя слишком заманчива: когда и конкурент весьма далек от идеала, кажется, что вот-вот преодолеем недостатки и получим не мотор, а само совершенство… Mazda находилась в плену этих иллюзий аж до 2012 года, когда была снята с производства последняя модель с роторным двигателем — RX-8.

История создания роторного двигателя

Второе имя роторного двигателя (РПД) — ванкель (этакий аналог дизеля). Именно Феликсу Ванкелю сегодня приписываются лавры изобретателя роторно-поршневого двигателя и даже рассказывается трогательная история о том, как Ванкель шел к поставленной цели тогда же, когда Гитлер шел к своей.

На самом деле все было чуточку иначе: талантливый инженер, Феликс Ванкель действительно трудился над разработкой нового, простого двигателя внутреннего сгорания, но это был другой двигатель, основанный на совместном вращении роторов.

После войны Ванкель был привлечен немецкой фирмой NSU, занимавшейся в основном выпуском мотоциклов, в одну из рабочих групп, трудившихся над созданием роторного двигателя под руководством Вальтера Фройде.

Вклад Ванкеля — это обширные исследования уплотнений вращающихся клапанов. Базовая схема и инженерная концепция принадлежат Фройде. Хотя у Ванкеля был патент на двойственное вращение.

Первый двигатель имел вращающуюся камеру и неподвижный ротор. Неудобство конструкции навело на мысль поменять схему местами.

Первый двигатель с вращающимся ротором начал работу в середине 1958 года. Он мало отличался от своего потомка наших дней — разве что свечи пришлось перенести на корпус.

Феликс Ванкель и его первый роторный двигатель

Вскоре фирма объявила о том, что ей удалось создать новый и очень перспективный двигатель. Почти сотня компаний, занимающихся производством автомобилей, закупила лицензии на выпуск этого мотора. Треть лицензий оказалась в Японии.

Рпд в ссср

А вот Советский Союз лицензию не покупал вовсе. Разработки собственного роторного двигателя начались с того, что в Союз привезли и разобрали немецкий автомобиль Ro-80, производство которого NSU начала в 1967 году.

Через семь лет после этого на заводе ВАЗ появилось конструкторское бюро, разрабатывающее исключительно роторно-поршневые двигатели. Его трудами в 1976 году возник двигатель ВАЗ-311. Но первый блин получился комом, и его дорабатывали еще шесть лет.

Первый советский серийный автомобиль с роторным двигателем — это ВАЗ-21018, представленный в 1982 году. К сожалению, уже в опытной партии у всех машин вышли из строя моторы.

Дорабатывали еще год, после чего появился ВАЗ-411 и ВАЗ 413, которые были взяты на вооружение силовыми ведомствами СССР.

Там не особо переживали за расход топлива и малый ресурс мотора, зато нуждались в быстрых, мощных, но неприметных авто, способных угнаться за иномаркой.

ВАЗ с роторным двигателем (ГАИ)

Рпд на западе

На Западе роторный двигатель не произвел бума, а конец его разработкам в США и Европе положил топливный кризис 1973 года, когда цены на бензин резко взлетели, и покупатели машин стали прицениваться к моделям с экономным расходованием топлива.

Если учесть, что роторный двигатель съедал до 20 литров бензина на сотню км, продажи его во время кризиса упали до предела.

Единственной страной на Востоке, не утратившей веру, стала Япония. Но и там производители довольно быстро охладели к двигателю, который никак не желал совершенствоваться.

И в конце концов там остался один стойкий оловянный солдатик — компания Mazda. В СССР топливный кризис не ощущался. Производство машин с РПД продолжалось и после распада Союза.

ВАЗ прекратил заниматься РПД только в 2004 году. Mazda смирилась только в 2012.

Особенности роторного мотора

В основу конструкции положен ротор треугольной формы, каждая из граней которого имеет выпуклость (треугольник Рёло). Ротор вращается по планетарному типу вокруг центральной оси — статора. Вершины треугольника при этом описывают сложную кривую, именуемую эпитрохоидой. Форма этой кривой обуславливает форму капсулы, внутри которой вращается ротор.

У роторного мотора те же четыре такта рабочего цикла, что и у его конкурента — поршневого мотора.

Камеры образуются между гранями ротора и стенками капсулы, их форма — переменная серповидная, что является причиной некоторых существенных недостатков конструкции. Для изоляции камер друг от друга используются уплотнители — радиальные и торцевые пластины.

Если сравнивать роторный ДВС с поршневым, то первым бросается в глаза то, что за один оборот ротора рабочий ход происходит три раза, а выходной вал при этом вращается в три раза быстрее, чем сам ротор.

У РПД отсутствует система газораспределения, что весьма упрощает его конструкцию. А высокая удельная мощность при малом размере и весе агрегата являются следствием отсутствия коленвала, шатунов и других сопряжений между камерами.

Достоинства и недостатки роторных двигателей

Преимущества

• Роторный двигатель хорош тем, что состоит из куда меньшего числа деталей, чем его конкурент — процентов на 35-40.
• Два двигателя одинаковой мощности — роторный и поршневый — будут сильно отличаться габаритами. Поршневый в два раза больше.
• Роторный мотор не испытывает большой нагрузки на высоких оборотах даже в том случае, если на низкой передаче разгонять машину до скорости более 100 км/ч.
• Автомобиль, на котором стоит роторный двигатель, проще уравновесить, что дает повышенную устойчивость машины на дороге.
• Даже самые легкие из транспортных средств не страдают от вибрации, потому что РПД вибрирует куда меньше, чем «поршневик». Это происходит в силу большей сбалансированности РПД.

Недостатки

• Главным недостатком роторного двигателя автомобилисты назвали бы его малый ресурс, который является прямым следствием его конструкции. Уплотнители изнашиваются крайне быстро, так как их рабочий угол постоянно меняется.
• Мотор испытывает перепады температур через каждый такт, что также способствует износу материала. Добавьте к этому давление, которое оказывается на трущиеся поверхности, что лечится только впрыскиванием масла непосредственно в коллектор.
• Износ уплотнителей становится причиной утечки между камерами, перепады давления между которыми слишком велики. Из-за этого КПД двигателя падает, а вред экологии растет.
• Серповидная форма камер не способствует полноте сгорания топлива, а скорость вращения ротора и малая длина рабочего хода — причина выталкивания еще слишком горячих, не до конца сгоревших газов на выхлоп. Помимо продуктов сгорания бензина там еще присутствует масло, что в совокупности делает выхлоп весьма токсическим. Поршневый — приносит меньше вреда экологии.
• Непомерные аппетиты двигателя на бензин уже упоминались, а масло он «жрет» до 1 литр на 1000 км. Причем стоит раз забыть про масло и можно попасть на крупный ремонт, если не замену двигателя.
• Высокая стоимость — из-за того, что для изготовления мотора нужно высокоточное оборудование и очень качественные материалы.

Как видите, недостатков у роторного двигателя полно, но и поршневый мотор несовершенен, поэтому состязание между ними не прекращалось так долго. Закончилось ли оно навсегда? Время покажет.

Рассказываем как устроен и работает роторный двигатель

Давайте разберёмся, почему роторные двигатели канули в лету

Первым в мире серийным автомобилем, оснащенным роторным Ванкелем стал NSU Spider 1964 года выпуска. С тех пор двигатель просуществовал до 2011 года, и закончил свою жизнь под капотом Mazda RX-8. Возникает несколько вопросов:

• — Как работает роторный двигатель?
• — Каковы его преимущества? (Зачем его изобрели)
• — Каковы его недостатки? (Почему его перестали производить)

Как работает роторный двигатель

Процесс, происходящий при работе роторного двигателя, весьма схож с обычным. Разница в том, что вместо поршней тут имеется ротор треугольной формы, а вместо цилиндра – овальная полость.

Впуск

Вращаясь внутри полости, ротор создает воздушный карман, тем самым создавая вакуум. Вакуум распространяется на впускные каналы, из которых в камеру внутреннего сгорания и поступают топливо и воздух.

1. Сжатие
2. Ротор продолжает вращаться, сжимая смесь воздуха и топлива о прямую сторону овальной полости.
3. Мощность

Две свечи зажигания используются для розжига смеси топлива и воздуха, помогая ускорить процесс внутреннего сгорания и убедиться в том, что большая часть смеси выгорит. Выделяемая энергия позволяет ротору вращаться далее.

Выхлоп

Похож на цикл впуска, только теперь, вращаясь, ротор выталкивает под давлением выхлопные газы через выхлопные каналы. Важный момент состоит в том, что поскольку в двигателе имеется всего один ротор и одна полость, все эти процессы идут практически одновременно. Таким образом, с одной стороны происходит впуск с другой выделяется энергия, а с третьей выходят выхлопы.

Преимущества Ванкеля

Соотношение массы и мощности

Одним из самых крупных достоинств является небольшой размер Ванкеля. Несмотря на свои маленькие размеры, роторные движки выжимают неплохую мощность.

Меньше подвижных деталей

Частенько в инженерии самое легкое решение является самым лучшим. Роторный двигатель не требует большого количества подвижных деталей. Если быть точнее, то в двухроторном моторе подвижных деталей всего три.

• Плавный набор высоких оборотов
• Роторный двигатель не имеет возвратно-движущей массы, как клапаны и поршни в традиционном двигателе, что ведет к отличному балансу и плавному набору оборотов.
• Почему Ванкель сняли с производства

Mazda RX-8 2011 была последним серийным автомобилем, который оснащался роторным двигателем Renesis 1.3 л.

Как бы то ни было, весь мир автолюбителей пустил горькую слезу, закрывая важную страницу в истории двигателей внутреннего сгорания.

Так что же произошло? RX-8 не удалось пройти по соответствию стандарту Euro-5, поэтому после 2010 года он не мог продаваться в странах Европы. Хоть он все еще и разрешен в США, производитель был вынужден отречься от Ванкеля.

Недостатки роторного двигателя

1. Низкий тепловой КПД
2. В связи с наличием уникальной длинной камеры внутреннего сгорания, тепловой КПД Ванкеля значительно ниже, в сравнении с обычным двигателем. Это часто ведет к тому, что в выхлоп попадает масса несгоревшего топлива (поэтому они и считаются самыми огнедышащими)
3. Пей, малыш, пей

Ванкели априори жрут масло вёдрами. Во впускном коллекторе установлены разбрызгиватели масла, а также имеются инжекторы, подающие масло непосредственно в камеру внутреннего сгорания. Это значит не только то, что водитель должен постоянно следить за уровнем масла, но еще и то, что из вашей выхлопной трубы будет выходить масса дряни. Окружающая среда не одобряет.

Изоляция ротора

Изолировать роторный движок нелегко, поскольку, если вы помните, в нем одновременно происходит несколько процессов, которые оставляют после себя разные температуры.

Например, верхняя часть движка сравнительно холодная, в то время как его днище горячо как ад. С точки зрения изоляции, это проблема, поскольку такая разница температур не дает выбрать один вариант изоляции.

Можно, конечно, использовать охлаждающую рубашку, но это многого не изменит.

Выбросы в атмосферу

Именно этот пункт убил роторные движки. Совокупность неэффективного сгорания, прожорливости по маслу и сложностей с изоляцией привела в итоге к тому, что двигатель не проходит по современным стандартам.

Что касается показателей RX-8 в сравнении с другими автомобилями, то из плюсов можно сразу выделить низкий вес и высокую мощность, а из минусов, конечно, огромный расход. Впрочем RX-8, покупателю вряд ли есть дело до экономии топлива, поэтому он может насладиться автомобилем в полной мере.

Подпишись на наш Telegram-канал

Устройство и принцип работы роторного двигателя

Не все знатоки автомобилестроения знают, что в разное время в разных странах мира, включая СССР, на авто ставились необычные роторные двигатели внутреннего сгорания. Этот уникальный агрегат имеет свою большую историю и, возможно, хорошие перспективы на применение в будущем.

Что представляет собой роторный двигатель Ванкеля

Это простой по техническому решению силовой агрегат. Вместо нескольких поршней с кольцами и шатунами, он имеет один треугольный ротор, посаженный на вал. При этом вал не коленчатый, а эксцентриковый. Камеры сгорания расположены равномерно поочередно по всему кругу вращения ротора.

Роторный двигатель

В роторном ДВС в 2 с лишним раза меньше деталей в сравнении с поршневым вариантом. Нет головки блока цилиндров с системой клапанов в её привычном виде и самой поршневой группы. Значительно меньше вес и габариты.

В настоящее время известно 5 разных типов роторных ДВС. Между собой они имеют существенные конструктивные отличия. Но главный принцип един для всех типов – ротор на эксцентриковом вале вместо поршней на кривошипно-шатунном механизме.

История создания роторного двигателя

Силовые агрегаты с ротором вместо поршневой группы получили устойчивое название «двигатель Ванкеля», по фамилии изобретателя. На самом деле в мире было разработано несколько типов роторных моторов, отличных от изобретения Ванкеля. Но первым в этой области еще в 1920-ых годах начал работать именно немецкий инженер Фридрих Ванкель.

Для двигателя требовались узлы и детали, производство которых возможно только с применением высоких технологий металлообработки, точнейшей подгонки, с чем в то время были определенные трудности. Поэтому быстро запустить изделие в серию сразу не получилось. К тому же началась Вторая мировая война, когда требовались не экспериментальные, а серийные проверенные изделия.

Работы над двигателем были завершены уже во Франции, куда попало оборудования из побежденной Германии, в 1957 году, в компании NSU под руководством инженера Вальтера Фройде.

Применение двигателя Ванкеля на Западе и в СССР

Первый роторный двигатель мощностью 57 л.с. был установлен в 1957 году на спорткар фирмы NSU «Спайдер». Спорткар развивал невероятные для того времени и такой мощности ДВС скорость – 150км/час.

Автомобиль NSU Spider

С 1963 года роторные двигатели стали использовать на серийных автомобилях для населения. Несколько лет их ставили на «Мерседесы», «Шевроле» и «Ситроены». Но двигатель показал ряд существенных недостатков. В результате производители вернулись к использованию классических, проверенных поршневых ДВС.

Настойчивее остальных оказались японские автопроизводители. Они использовали роторные ДВС на некоторых моделях «Мазда». Устранялись слабые места, увеличивался моторесурс до капремонта, снижалось потребление топлива. Однако по ряду причин и японцы вернулись к классическим ДВС . Последняя Мазда RX Spirit R с роторным двигателем сошла с конвейера в 2012 году.

В СССР первый роторный двигатель отечественного производства ставился в 1974 году на легендарную «копейку» – ВАЗ 2101.

Для его создания было организовано специальное конструкторское бюро. Прообразом служил двигатель Ванкеля. Было изготовлено около 50 опытных образцов с маркировкой ВАЗ 311. ВАЗы с ними не продавались населению, а поступили в распоряжение сотрудников ГАИ и КГБ в качестве служебных машин.

Поначалу «копейки» с этим силовым агрегатом вызывали восхищение своей мощью, динамикой разгона, низким шумом и плавностью хода. Но уже через год на ходу осталась только одна машина. Двигатели остальных вышли из строя. Основной причиной поломок стала ненадежность уплотнений, обеспечивающих герметизацию камер сгорания во время вспышки топлива.

Работы над отечественным роторным ДВС продолжались, и были созданы мощные двухсекционные ВАЗ 411 и 413 мощностью 120 и 140 л.с. “Жигули” с этими двигателями снова попали на службу в силовые структуры.

Данное достижение советского автопрома не афишировалось. В народе лишь ходили слухи о том, что сотрудники КГБ ездят на скоростных авто с невероятными секретными двигателями.

Затем были разработаны роторные двигатели ВАЗ 414 и 415. Это были более совершенные универсальные агрегаты. Их можно было ставить как на вазовские «восьмерки» и «девятки», так и на не менее популярные в то время «Москвичи» и «Волги».

Последняя разработка ВАЗ 415 так и не была использована. Ее предшественник, ВАЗ 414 с 1992 года ставился на популярной модели авто ВАЗ 2109 («Спутник», «Самара»).

«Девятки» с этими двигателями обладали необычными характеристиками. Разгон до 100 км/ч за 8 секунд, возможность длительной работы на предельно высоких оборотах. ВАЗ 414 потреблял меньше топлива (14-15 л на 100 км), чем предыдущие роторные ДВС (18-20 л на 100 км). Но все равно больше, чем поршневой мотор.

Однако и на ВАЗе роторные ДВС не смогли конкурировать с традиционными, и вскоре их использование было прекращено.

Работы над усовершенствованием роторных ДВС ведутся в мотоциклетной отрасли. В начале 1980-ых был создан мотоцикл Norton с двигателем Ванкеля, который показал невероятные результаты. Сегодня компания выпускает байки с таким двигателем объемом 588 куб.см. Ведутся работы над новым мотором с объемом 700 куб.см.

Автомобилей в такими двигателями сегодня не выпускают. Не исключено, что автопроизводители могут вести конструкторские работы в этом направлении без афиширования, втайне от конкурентов.

Принцип работы и устройство роторного ДВС одновременно схож с работой обычного поршневого двигателя и электродвигателя.

Так же, как поршневой ДВС роторный вариант имеет камеры сгорания, системы впрыска топлива, выхлопа и зажигания.

Сходство конструкции с электродвигателем в том, что ротор получает энергию при вращении внутри корпуса. (Кроме роторного ДВС с возвратно-поступательным движением вала).

Электродвигатель получает кинетическую энергию за счет перемещения электромагнитного поля. Роторный ДВС – за счет воспламенения топливно-воздушной смеси и резкого роста давления в камерах сгорания, так же, как и поршневые ДВС.

На сегодня известны 5 типов роторных моторов:

1. С возвратно-поступательным движением вала. В таких типах ДВС ротор и вал не делают полных оборотов вокруг оси.
2. Классический двигатель Ванкеля с планетарным вращением вала.
3. Двигатели, в которых камеры сгорания расположены по спирали.
4. Двигатели с равномерным вращением вала с камерами сгорания, расположенными по спирали без уплотнительных элементов.
5. Двигатели с пульсирующим вращением.

Как и поршневые ДВС, роторные варианты имеют 4 рабочих такта:

1. Впрыск топливно-воздушной смеси.
2. Сжатие смеси.
3. Воспламенение.
4. Выпуск.

Рабочие циклы роторного двигателя

В обычных поршневых двигателях впрыск топлива и герметичность камеры сгорания обеспечиваются работой системы клапанов и поршневыми кольцами.

В разных типах роторных ДВС последовательность тактов обеспечивается по-разному. В одних уменьшается объем камеры сгорания и обеспечивается сжатие смеси за счет перекрытия камеры вершиной ротора.

В других – за счет уплотнений с механическим приводом. Но принцип работы един для всех типов.

1. Воспламенение топливной смеси многократно повышает давление в камере сгорания.
2. Давление дает кинетический импульс плоскости ротора и поворачивает его.
3. Ротор передает крутящий момент через вал и зубчатую шестерню далее к механизмам авто. Плоскость ротора доходит до окна выхлопа, окно открывается и в него сбрасываются отработанные газы.
4. Цикл повторяется.

Преимущества и недостатки

Роторный двигатель имеет набор больших преимуществ перед традиционным поршневым.

Главное преимущество – простота конструкции. Из-за отсутствия поршневой и кривошипно-шатунной группы узлов роторный двигатель почти в два раза легче и компактнее обычного. Легкий вес позволяет равномерно распределить нагрузку по всей базе автомобиля. Это улучшает управляемость, повышает динамические показатели автомобиля.

• Компактность позволяет увеличить размер салона.
• Ротор вращается плавно, без вибраций от взрыва топливной смеси в каждом цилиндре, равномерно выдает мощность.
• При том же объеме камер сгорания роторный двигатель значительно мощнее.
• Простота конструкции и минимум деталей облегчают ремонт.

Поэтому кажется, что весь мировой автопром давно и полностью должен был отказаться от поршневых двигателей в пользу роторных. Но этого не произошло. Следовательно, роторный вариант имеет ряд существенных недостатков, которые на сегодняшний день перевешивает все его плюсы. Недостатки в следующем:

• Роторный двигатель потребляет намного больше топлива. Это крупный минус в наше время, когда каждый автопроизводитель стремится сделать свое авто как можно более экономичным.
• Повышен расход масла – 0,5 литра на 1 тыс. км пробега. Долив масла требуется каждые 4-5 тыс. км. Отсутствие масла приводит к мгновенному выходу ДВС из строя.
• Производство ротора и криволинейных камер сгорания требуют высочайшей технологической точности на дорогом сверхточном оборудовании. Это повышает стоимость двигателя.
• Особенность линзовидных камер сгорания в том, что они поглощают больше тепла при работе. В итоге двигатель склонен к перегреву, закипанию охлаждающей жидкости в системе охлаждения, что мешает в эксплуатации авто и приводит к ускоренному выходу из строя деталей двигателя.
• Роторный двигатель имеет своё слабое место. Уплотнители, обеспечивающие герметичность камеры сгорания в момент воспламенения топливной смеси, не могут долго выдерживать нагрузки и выходят из строя. В итоге моторесурс самого совершенного роторного двигателя без ремонта не превышает 100 – 150 тыс. км пробега авто.

Кроме экономических и технических недостатков, роторный ДВС просто непривычен для водителей и механиков. Автомобиль с ним едет по-другому. Ввиду малой массы двигателя, у него нет запаса инерционной энергии.

При малейшем сбросе педали газа машина быстро теряет скорость, что хорошо при торможении, но неудобно при движении. Приходится чаще переключать передачи. Таким двигателем нельзя тормозить, заглушенный двигатель даже на первой передаче легко проворачивается.

Некоторым просто не нравится звук работающего роторного двигателя.

Возможно, у этого двигателя есть большое будущее. Поршневой мотор прошел долгий путь эволюции. Коленчатые валы и поршневые системы начали создаваться ещё на паровых двигателях.

У роторного варианта не было такой длительной эволюции и массовости производства, поэтому он имеет недоработки и слабые места. Важно то, что роторный двигатель может эффективно работать на газовом топливе, в том числе на водороде. Это может открыть ему большие перспективы в будущем.

(2

История роторных двигателей

Несмотря на сегодняшнюю малую распространенность роторных двигателей среди ДВС малой и средней мощности, их история еще более древняя и многообразная, чем поршневых двигателей.

Ведь известные уже тысячи лет крыльчатые приводы ветряных мельниц и приводные колеса мельниц водяных – это простейшие варианты рабочих органов роторных машин.

К тому же первый в истории тепловой двигатель – эолиопил Герона Александрийского (1 век н.э) – это тоже вариант парового роторного двигателя.

Сохранились упоминания, что создатель паровой поршневой машины Уатт, так же создал идею роторной машины для работы расширяющегося пара, но не смог воплотить ее в дееспособную конструкцию и в промышленную эксплуатацию пошла более технологичная в исполнении поршневая машина.

Тем более, что задачи первых паровых машин в конце 18-го века не требовали создания вращательных движений. Им было достаточно совершать простые возвратно — поступательные движения. Ведь они создавались под две главные задачи — откачивать воду из шахт и качать меха примитивных металлургических печей.

А для этого можно было лишь двигать «туда — сюда» поршни насосов или раскачивать меха.

Но вот с появлением необходиомсти вращать валы приводов разных машин, где потребителю нужно было простое вращательное движение на валу — для пароходов, паровозов, разных станков — появился кривошипно шатиунный механизм, и сразу стали очевидны его огромные недостатки.

Вот как об этих недостатках пишетсся в книге «Паровые машины и их применение», издания Санкт-Петербург, 1838 года. Надо учесть, что эта книга- сборник переводной информации из разных английских и французских книг, которые вышли еще раньше, в самом начале 19-го века. Выделенный темным фоном текст, не относится к нашей теме.

• 19-й век был веком паровых двигателей, основная конструкция которых была именно поршневой системой. Но врожденные недостатки линейного возвратно поступательного движения поршня в цилиндре и неотъемлемого от него кривошипно – шатунного механизма
• порождали интенсивный поиск инженеров в области двигателей с круговым движением рабочих элементов – то есть роторных машин. Как всегда во всех развитых странах были в
• ыданы многие десятки патентов на роторные машины, но вот в реальные устройства из них были воплощены лишь единицы.

Россия тоже не осталась в стороне от такого прогрессивного дела, и в последней трети 19-го века в нашей стране был налажен выпуск серий нескольких конструкций паровых роторных двигателей, наиболее удачным из них был двигатель инженера — механика Тверского, который устанавливался как на паровых катерах и приводил в движение динамомашины и даже испытывался в варианте привода «подводной миноноски». В этом случае испытаний одной из первых экспериментальных образцов российской подводной лодки в 1876 году такой мотор приводился в движение сжатым аммиаком из баллона высокого давления. Но в конце 19-го века на арену технического прогресса вышли поршневые двигатели внутреннего сгорания, а так же паровые турбины, и паровые роторные машины не смогли конкурировать с этими машинами.

Начало 20-го века стало началом эпохи безраздельного господства поршневых ДВС в сфере моторов малой и средней мощности, но их врожденные недостатки заставляли инженеров и

изобретателей интенсивно искать альтернативу этим машинам. И единственным ясным альтернативным вариантом поршневых моторов были роторные двигатели, тем более что практика паровых двигателей 19-го века доказала их полную дееспособность. Ведь заставить их работать как простые машины расширения в варианте с паровым котлом было весьма просто.

Но вот приспособить роторные схемы для работы в режиме внутреннего сгорания с тактом сжатия рабочей смеси оказалось гораздо труднее. Именно поэтому первая реально работоспособная, и пока единственная на сегодня схема роторного двигателя внутреннего сгорания появилась лишь в 1957 году.

По легенде молодой Феликс Ванкель увидел некую схему мотора с круговым движением поршневого элемента во сне, еще будучи юношей, но реализация его мечты затянулась на многие десятки лет – он многие годы занимался уплотнениями для разных типов двигателей, и до войны и в войну и после войны.

И только в зрелом возрасте работая в 50-х годах на фирму NSU, тогдашнего ведущего в ФРГ производителя мотоциклов, Ванкель вместе с инженером Фреде создал действующий образец роторного двигателя.

Этот двигатель относился к типу роторных моторов с планетарным движением главного рабочего элемента, хотя в сложившейся традиции его обычно, но не совсем верно, называют роторно – поршневым двигателем. Надо сказать, что основная идея этого двигателя принадлежит инженеру фирмы NSU В.

Фреде, а Ванкель, на определенной стадии разработок, увидев в этой конструкции хорошую перспективу дойти до промышленно применимого образца, решил главную техническую задачу – разработал уплотнения мотора.

Одновременно он возглавил всю работу по доводке экспериментального образца и выпуску первых опытных серий – именно поэтому этот тип двигателя и получил в названии имя Феликса Ванкеля.

Но Ванкель изначально считал эту схему двигателя неудачной, эдаким «гадким утенком», который неожиданно стал работоспособным, ведь Ванкель почти половину жизни работал над иной схемой роторного двигателя – системой с простым вращением главного элемента.

Такую схему Ванкель вполне справедливо считал наиболее технически грамотной и красивой, но реализовать её на практике так и не смог. Кратко завершая разговор о моторах Ванкеля, следует заметить, что эта модель на сегодняшний день является единственно промышленно выпускаемой и, следовательно, доведенной до определенной степени технической применимости. Но сложности по организации выпуска и ее специфические эксплуатационные характеристики привели к тому, что в промышленных масштабах производство «Ванкелей» налажено лишь японской Маздой для одной своей спортивной модели RX-8. Некоторое время в СССР подобные двигатели выпускал ограниченными сериями для машин силовых ведомств ВАЗ, но с началом эпохи перевода экономики на рыночные рельсы это производство было свернуто.

Среди множества потенциально возможных моделей роторных двигателей одни схемы многие десятилетия незаслуженно остаются за кругом интересов специалистов, а другие наоборот — оказываются в центре внимания многочисленных изобретателей и конструкторов.

Именно последнее можно сказать о конструкции роторного двигателя с неравномерным качающимся (возвратно – вращательным) движением главного рабочего органа – такую конструктивную схему в прессе не вполне верно называют роторно – лопастным двигателем. (РИС.

)

В последние годы о такой конструкции оживленно начали упоминать в российских средствах массовой информации в связи с разработкой группы ученых из Псковского технического университета, которые выиграли грант поддержки научных исследований и получили на свою разработку из бюджета около 7,5 миллионов рублей. Но, по мнению автора, эта разработка не является интересной для массовой публики так как:

   А) разрабатываемая в Псковском техническом университете энергетическая установка является двигателем Стирлинга, то есть тепловым двигателем внешнего сгорания, и по сути своей не является компактной, и изначально рассчитана на привод электростанций и прочих стационарных силовых машин;

   Б) из такой расширительной роторной машины очень трудно на практике сконструировать и изготовить реально работоспособный в длительном режиме образец двигателя внутреннего сгорания;

   В) роторная машина с неравномерным движением главных рабочих элементов изначально является малоэффективной конструкцией с большим количеством кинематических противоречий, заложенных в саму её схему, и которые технически разрешить очень сложно;

Но, на удивление, подобная схема является очень притягательной для многих разработчиков, что объясняется чисто первым впечатлением о легкости встроить в её конструкцию четыре такта традиционного двигателя внутреннего сгорания. Именно такое первое впечатление и приводит к заметному вниманию различных технических энтузиастов к подобной схеме.

На этом описание истории развития роторных двигателей можно завершить, ибо она содержит весьма скромное количество фактов о реальных конструкциях и доведенных до дееспособного уровня промышленных образцах.

Еще одна компоновочная схема, которая активно берется многими изобретателями и энтузиастами технического творчества за основу своих конструкций – это система роторного двигателя с запорными элементами – лопастями ротора, движущимися в роторе.

Изучение автором этих строк материалов в патентной библиотеке Российского патентного ведомства по теме ДВС, показывает, что это наиболее часто подаваемая как технической новшество схема двигателя, на предмет патентной защиты.

Авторы разных патентов лишь меняют вторичные элементы и вводят в конструкцию различные дополнительные особенности, но общая схема остается одной и той же.(РИС.)

Главная притягательность этой схемы для многих ищущих умов заключена в том, что им кажется, что система уплотнения зоны контакта торцевой плоскости лопасти и поверхности рабочей камеры двигателя очень хорошо решается за счет центробежных сил, которые при вращении ротора на высоких скоростях будут автоматически прижимать лопасть к стенке камеры.

Так же на первый взгляд сами лопасти ротора являются и уплотнительными элементами, что дает конструкции такого мотора внешнюю простоту. Кроме того, подобная схема давно и удачно работает в качестве пневматических моторов.

Теоретически это так, но вот неизбежная необходимость лопастям ротора непрерывно и на высоких скоростях двигаться в теле ротора для реализации этой схемы в условиях ДВС создает практически непреодолимые трудности.

Например, для того, чтобы лопасти легко двигались, совершая возвратно – поступательные движения в теле ротора, надо чтобы зазор между поверхностями лопасти и ротора был значительным. Но это условие будет приводить к потере герметичности и прорыву газов высокого давления из камеры одного такта в камеру другого такта.

Далее – таки поверхности трения надо хорошо смазывать и значительно охлаждать, но как организовать систему принудительной смазки и охлаждения во вращающемся на высоких оборотах роторе… Кроме того, масло с поверхностей контакта ротора и лопастей будет центробежными силами вращения неизбежно «выбрасываться» в камеры сгорания и сжатия… Лопасти при этом будут предельны быстро изнашиваться от трения «на сухую». Далее – для того, чтобы лопасть ротора могла выдерживать высокое давление газов и приводила во вращение ротор, она должна быть очень прочной и толстой и как можно надежнее закреплена в роторе, но для выполнения её другой функции – легкого и быстрого движения вверх-вниз, для обеспечения герметичности рабочей камеры, она должна легко двигаться в своем гнезде всего лишь под действием центробежной силы и иметь достаточный зазор для обеспечения подвижности в гнезде ротора. Эти два предъявляемые к лопасти ротора требования практически противоречат друг другу, и соединить их в одном техническом решении практически мало возможно. А если делать силовой привод принудительного движения лопастей внутри ротора, то это резко усложнит конструкцию мотора, но принципиально проблему не решит. Именно из-за такого количества принципиальных сложностей реализации подобной схемы роторного двигателя, таких работоспособных и промышленно применимых конструкций до сих пор так и не было создано.

Три цикла за оборот: Роторный двигатель

1 / 2

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

На юбилее отметились представители всех технологически развитых стран — США, Франции, Англии, Японии. Не было только российской делегации. А ведь к уникальному двигателю наша страна имеет самое непосредственное отношение.

Первый в мире серийный автомобиль с роторно-поршневым двигателем (РПД) вышел из ворот западногерманской компании NSU в 1964 году.

Но еще за три года до этого события Минавтопром и Минобороны СССР поставили перед отраслевыми научно-исследовательскими институтами задачу создания отечественного РПД. И не только поставили, но и помогли подробными чертежами.

Если быть окончательно точным, то документацией снабжали не министерства, а ГРУ. Поскольку у самого Ванкеля патенты не покупали — не принято было.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Первый работающий роторный двигатель был представлен в 1957 году на конференции Общества германских инженеров (VDI) Феликсом Ванкелем и Вальтером Фройде.

Ванкель за свою жизнь перепробовал массу профессий: от ученика наборщика в издательстве научной литературы до младшего продавца, — но так и не удосужился получить высшее образование.

В конце концов он остановился на изобретении механических устройств.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Изготовление роторных насосов и компрессоров перемежалось с тюремными отсидками: сначала за критику финансовых злоупотреблений нацистской региональной верхушки, а потом за сотрудничество с теми же нацистами (в годы Второй мировой войны Ванкель успешно решал вопросы уплотнителей для немецких торпед и авиадвигателей).

Выйдя на свободу в 1946 году, изобретатель восстановил свою лабораторию в Лин дау, на берегу Боденского озера (ее уничтожили в 1945 году французские войска), и возобновил работы по двигателю. Еще через пять лет Ванкелю удалось заинтересовать своим проектом немецкую компанию NSU.

С каждым годом его двигатели работали все дольше и дольше: если в 1957 году один из прототипов наработал 2 часа и развил мощность в 21 л.с., то через год — 100 часов при мощности 29 л.с.

Видимо, этих параметров оказалось достаточно, чтобы в мире началась «ванкелемания» — лицензии на двигатель приобретает сначала корпорация Curtiss-Wright, годом спустя Daimler-Benz, MAN, Friedrich Krupp и Mazda.

К началу 70-х купили лицензии практически все моторостроительные и автомобильные гиганты мира, включая Rolls-Royce, Porsche, Ford, GM и многие японские компании.

Очевидные достоинства РПД перед традиционными поршневыми моторами (у него в несколько раз меньше движущихся деталей, его вес и размеры в 1,5−2 раза меньше, очень низок уровень вибраций и отличные динамические характеристики), казалось, сделают этот двигатель бестселлером.

После вышедшего в 1964 году NSU Spyder последовали легендарная модель NSU Ro 80 (в мире до сих пор существует множество клубов владельцев этих машин), Citroen M35 (1970), Mercedes C-111 (1969), Corvette XP (1973). Но единственным массовым производителем роторных автомобилей стала японская Mazda, выпускавшая с 1967 года порой по 23 новые модели с РПД. Роторные двигатели ставили на катера, снегоходы и легкие самолеты. Конец эйфории пришел в 1973 году, в разгар нефтяного кризиса. Тут-то и проявился основной недостаток роторных двигателей — неэкономичность. За исключением Mazda, все автопроизводители свернули роторные программы, а у японской компании продажи по Америке сократились со 104 960 проданных машин в 1973 году до 61 192 — в 1974 м.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Мотор для спецслужб

Но именно в провальном 1974 году советское правительство создает на Волжском автозаводе специальное конструкторское бюро РПД (СКБ РПД) — социалистическая экономика непредсказуема. В Тольятти начались работы по строительству цехов для серийного производства «ванкелей».

Поскольку ВАЗ изначально планировался как простой копировщик западных технологий (в частности, фиатовских), заводскими специалистами было принято решение воспроизводить двигатель Mazda, напрочь откинув все десятилетние наработки отечественных двигателестроительных институтов.

Советские чиновники довольно долго вели переговоры с Феликсом Ванкелем на предмет покупки лицензий, причем некоторые из них проходили прямо в Москве. Денег, правда, не нашли, и поэтому воспользоваться некоторыми фирменными технологиями не удалось.

В 1976 году заработал первый волжский односекционный двигатель ВАЗ-311 мощностью 65 л.с., еще пять лет ушло на доводку конструкции, после чего была выпущена опытная партия в 50 штук роторных «единичек» ВАЗ-21018, мгновенно разошедшихся среди работников ВАЗа.

Тут же выяснилось, что двигатель только внешне напоминал японский — сыпаться он стал очень даже по-советски.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Руководство завода было вынуждено за полгода заменить все двигатели на серийные поршневые, сократить наполовину штат СКБ РПД и приостановить строительство цехов. Спасение отечественного роторного двигателестроения пришло от спецслужб: их не очень интересовал расход топлива и ресурс двигателя, зато сильно — динамические характеристики.

Тут же из двух двигателей ВАЗ-311 был сделан двухсекционный РПД мощностью 120 л.с., который стал устанавливаться на «спецединичку» — ВАЗ-21019.

Именно этой модели, получившей неофициальное название «Аркан», мы обязаны бесчисленным количеством баек про милицейские «Запорожцы», догоняющие навороченные «Мерседесы», а многие стражи порядка — орденами и медалями. До 90-х годов внешне непритязательный «Аркан» действительно легко догонял все машины.

Оживший на спецзаказах СКБ РПД стал делать двигатели для водного и автоспорта, где машины с роторными двигателями стали настолько часто завоевывать призовые места, что спортивные чиновники были вынуждены запретить применение РПД.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

«Гадкий утенок»

Не имеющий законченного технического образования, под конец жизни Феликс Ванкель достиг мирового признания в области двигателестроения и уплотнительной техники, завоевав массу наград и титулов. Его именем названы улицы и площади немецких городов (Felix-Wankel-Strasse, Felix-Wankel-Ring).

Помимо двигателей, Ванкель разработал новую концепцию скоростных судов и самостоятельно построил несколько лодок. Самое интересное, что роторный двигатель, который сделал его миллионером и принес ему всемирную славу, Ванкель не любил, считая его «гадким утенком».

Реальные работающие РПД были сделаны по так называемой «концепции KKM», предусматривающей планетарное вращение ротора и требующей введения внешних противовесов. Немалую роль сыграл и тот факт, что эту схему предложил не Ванкель, а инженер NSU Вальтер Фройде.

Сам же Ванкель до последних дней считал идеальной схему двигателя «с вращающимися поршнями без неравномерно вращающихся частей» (Drehkolbenmasine — DKM), концептуально гораздо более красивую, но технически сложную, требующую, в частности, установки свечей зажигания на вращающемся роторе.

Тем не менее, роторные двигатели во всем мире связывают именно с именем Ванкеля, поскольку все, кто близко знал изобретателя, в один голос утверждают, что без неуемной энергии немецкого инженера мир так и не увидел бы этого удивительного устройства. Феликс Ванкель ушел из жизни в 1988 году.

Любопытна история с Mercedes 350 SL. Ванкель очень хотел иметь роторный Mercedes C-111. Но фирма Mercedes не пошла ему навстречу.

Тогда изобретатель взял серийный 350 SL, выкинул оттуда «родной» двигатель и установил ротор от C-111, который был легче прежнего 8-цилиндрового на 60 кг, но развивал существенно большую мощность (320 л.с. при 6500 об./мин).

В 1972 году, когда инженерный гений закончил работу над своим очередным чудом, он мог бы сидеть за рулем самого быстрого на тот момент «Мерседеса» SL-класса. Ирония заключалась в том, что водительские права Ванкель до конца жизни так и не получил.