Роторный двигатель и почему сняли с конвейера мазду rx-8

Принцип работы роторно-поршневого двигателя

Как и поршневой двигатель, роторный двигатель использует давление, создаваемое при сгорании топливно-воздушной смеси. Как и в поршневом двигателе, входное отверстие сообщается с дроссельной заслонкой, а выпускное с выхлопной системой. Если в поршневом двигателе это давление образуется в цилиндрах, а затем посредством поршней, шатунов передается на коленчатый вал, то в роторном двигателе передаточные звенья отсутствуют. Треугольный ротор в роторном двигателе является своеобразным поршнем, вращающимся по кругу и передающим крутящий момент на выходной вал.  Фактически ротор при вращении делит общую камеру на три изолированных, в объеме каждой из этих условных камер происходит свой цикл (забор, сжатие, зажигание, выброс). Как и в случае с поршневым двигателем, роторные двигатели имеют всего 4 такта. Как правило, даже в самом простом роторном двигателе применяют два ротора. Такая конструкция позволяет уменьшить детонацию, увеличить стабильность работы двигателя. Если вы внимательно посмотрите на картинку, то увидите, что один полный оборот ротора, соответствует 3 оборотом вала.  Сердцем роторного двигателя является ротор. Ротор в данном случае эквивалентен поршням в обычном двигателе. Ротор установлен на вал с неким эксцентриситетом. Фактически такое смещение можно сравнить с рукояткой на лебедке. Подобная установка ротора, позволяет передавать крутящий момент от него на вал.  Как мы уже говорили, двигатель имеет 4 такта, они меняются в зависимости от угла поворота ротора. Сейчас мы кратко рассмотрим каждый из данных тактов в роторном двигателе. 

Забор топливно-воздушной смеси в роторном двигателе

Забор смеси начинается в тот момент, когда одна из вершин ротора проходит впускной клапан в корпусе. В это время, объем камеры расширяется, вовлекая в свое увеличивающееся пространство топливно-воздушную смесь. В тот момент, когда следующая вершина ротора проходит впускной канал, начинается следующий такт.Сжатие топливно-воздушной смеси в роторном двигателеВо время поворота ротора, объем смеси захваченной ротором уменьшается, что приводит к повышению давления. Максимальное давление образуется в тот момент, когда топливно-воздушная смесь находится в зоне свечей.

Сжигание топливно-воздушной смеси

Для зажигания смеси, как и в поршневом двигателе, используются свечи. Они зажигают смесь одновременно, то есть срабатывают синхронно. Обычно для роторного двигателя применяют две свечи зажигания. Применение двух свечей зажигания связано с особенностями рабочего объема. Он как бы вытянут по стенке корпуса, именно поэтому, эффективней использовать две свечи, чтобы смесь сгорала более быстро и равномерно. В случае с одной свечкой, смесь будет сгорать дольше, если можно так сказать постепенно, что значительно понизит пиковое давление во время взрыва при зажигании топливно-воздушной смеси. В итоге, от образовавшегося давления взрывной волны, получается рабочее усилие, проворачивающее ротор на эксцентрике вала. Крутящий момент передается на выходной вал. Ротор проворачивается до отверстия выпуска выхлопных газов.

Выброс отработавших выхлопных газов

Как только ротор одной из своих вершин пересекает границу выпускного отверстия, начинается выброс выхлопных газов. Ротор по инерции, а также посредством второго ротора, работающего асинхронно, продолжает менять свой угол и перемещается вершиной до впускного отверстия. Здесь все происходит заново от такта забора до такта выброса.

Роторный двигатель ВАЗ

Все знают, что такие моторы в свои годы использовал японский производитель «Мазда». Однако мало кому известен тот факт, что РПД применялся и в Советском Союзе на ВАЗовской «Классике». Разрабатывался такой мотор по приказу министерства для спецслужб. ВАЗ-21079, оснащенный таким двигателем, являлся аналогом известной черной «Волги-догонялки» с восьмицилиндровым мотором.

Разработки роторно-поршневого двигателя для ВАЗ начались еще в середине 70-х. Задача была не из легких – создать роторный мотор, который будет превосходить по всем показателями традиционный поршневой ДВС. Разработкой нового силового агрегата занимались специалисты авиационных предприятий Самары. Начальником сборочно-конструкторского бюро был Борис Сидорович Поспелов.

Разработка силовых агрегатов шла одновременно с изучением роторных моторов зарубежных образцов. Первые экземпляры не отличались высокими эксплуатационными показателями, и в серию они не пошли. Несколько лет спустя были созданы несколько вариантов РПД для классического ВАЗа. Лучшим из них был признан мотор ВАЗ-311. Этот двигатель имел такие же геометрические параметры, как и японский мотор 1ЗВ. Максимальная мощность агрегата составляла 70 лошадиных сил. Несмотря на несовершенность конструкции, руководством было принято решение о выпуске первой промышленной партии РПД, которые устанавливались на служебные автомобили ВАЗ-2101. Однако вскоре обнаружилась масса недоработок: мотор породил волну рекламаций, разразился скандал и численность работников конструкторского бюро существенно сократилась. Из-за частых поломок, первый роторный двигатель ВАЗ-311 был снят с производства.

Но на этом история советского РПД не заканчивалась. В 80-х годах инженерам все же удалось создать роторный мотор, который существенно превосходил характеристики поршневого ДВС. Так, это был роторный двигатель ВАЗ-4132. Агрегат развивал мощность в 120 лошадиных сил. Это дало автомобилю ВАЗ-2105 превосходные динамические характеристики. С этим двигателем машина разгонялась до сотни за 9 секунд. А максимальная скорость «догонялки» составляла 180 километров в час. Среди основных преимуществ стоит отметить высокий крутящий момент двигателя, доступный на всем диапазоне оборотов и высокую литровую мощность, которая была достигнута без какой-либо форсировки.

В 90-х годах на АвтоВАЗе занялись разработкой нового роторного двигателя, который должен был устанавливаться на «девятку». Так, в 1994 м году на свет вышел новый силовой агрегат ВАЗ-415. Мотор имел рабочий объем в 1300 кубических сантиметров и две камеры сгорания. степень сжатия каждой составляла 9,4. Данная силовая установка способна раскручиваться до десяти тысяч оборотов. При этом мотор отличался небольшим расходом топлива. В среднем, агрегат потреблял 13-14 литров на сотню в смешанном цикле (это неплохой показатель для старого по сегодняшним меркам роторного ДВС). При этом двигатель отличался малой снаряженной массой. Без навесного оборудования он весил всего 113 килограмм.

Расход масла у двигателя ВАЗ-415 составляет 0,6 процента от удельного расхода топлива. Ресурс ДВС до капитального ремонта – 125 тысяч километров. Мотор, установленный на «девятку», показывал неплохие динамические характеристики. Так, разгон до сотни занимал всего девять секунд. А максимальная скорость – 190 километров в час. Также были экспериментальные образцы ВАЗ-2108 с роторным мотором. Благодаря меньшему весу, роторная «восьмерка» разгонялась до сотни всего за восемь секунд. А максимальная скорость в ходе испытаний составила 200 километров в час. Однако в серию эти моторы так и не поступили. На вторичном рынке и на разборках найти их тоже нельзя.

Принцип работы

Принцип действия роторного двигателя, как и его конструкция, радикальным образом отличается от поршневого автомобильного аналога. Именно ротор, вращаясь, передает крутящий момент на трансмиссию и, в конечном итоге, – на колёса. Сгорание топливно-воздушной смеси происходит не в цилиндрах, а полостях, образуемых сторонами ротора, представляющего собой равнобедренный треугольник с немного выпуклыми сторонами. Он изготавливается только из высококачественной легированной стали.

Корпус, играющий роль статора – вторая важная компонента роторного силового агрегата. В разрезе он имеет вид продолговатого овала, между стенками которого и сторонами ротора формируются динамические камеры сгорания и происходят все стандартные фазы сгорания ТВС: впрыск смеси, сжатие, воспламенение, выпуск отработанных газов.

Поскольку ось, на которой расположен ротор, расположена не по центру, вращением это назвать сложно. Да и сама геометрия внешних сторон корпуса и ротора далека от симметрии. Однако именно это позволяет в каждый момент времени формировать три полости, в каждой из которых в конкретный момент времени происходит один из четырёх вышеназванных циклов.

Опишем схематически, как работает роторный двигатель, на примере одной отдельно взятой стороны ротора.

На фазе впуска в начинающую расширяться полость всасывается топливная смесь, причём происходит это самотёком, за счёт создаваемого в полости разрежения. В этой же фазе происходит и смешивание ТВС. За счет силы инерции (ведь таких полостей в двигателе три, и одна из оставшихся как раз и толкает ротор в нужном направлении) полость смещается, точки максимального объема и затем начиная опять сжиматься. Максимум этого процесса приходится на нижнюю мёртвую точку, в которой смесь сжимается до такой степени, что готова отдать всю энергию. Именно в этот момент и происходит воспламенение ТВС свечой зажигания, после чего в результате сгорания и резкого расширения продуктов горения струя газов, пытаясь вырваться наружу, толкает ротор, пока он опять не подойдёт к верхней точке траектории. А здесь уже газам есть куда выйти через выпускной клапан. Таким образом, цикл завершается, а весь процесс происходить непрерывно

Важно понять, что в каждый момент времени в каждой из камер происходит один из процессов, аналогичных вышеописанным

Другими словами, один полный оборот выходного вала соответствует трём тактам работы мотора.

Если учесть, что современные роторные двигатели оснащаются двумя или тремя роторами, для каждого из которых имеется свой статор, то бишь корпус, то картина получается впечатляющая. К слову, в настоящее время производством таких автомобильных силовых агрегатов занимается только автоконцерн Mazda.

Как видим, конструкции и принцип работы роторного двигателя достаточно прост, дополнительных узлов и механизмов требуется минимум, не в пример меньше, чем у поршневого собрата. Это позволяет при сравнимых габаритах обеспечить намного большую производительность. Так, по выходной мощности двухроторный мотор сопоставим с шестицилиндровым поршневым силовым агрегатом, трёхроторный выдает столько же лошадиных сил, как двенадцатицилиндровый поршневой двигатель.

Следует отметить, что повышенная производительность – далеко не единственный конёк этого типа моторов, но есть у него, разумеется, и ряд недостатков, которые и не позволяют (надеемся – пока) сделать его массовым продуктом. Но об этом – в следующей главе.

Любим и ненавидим

Фанаты техники любят роторные двигатели потому, что они другие. Многие автолюбители, хорошо разбиравшиеся в технике, питали определенную слабость к такому странному двигателю, работающему на обычном топливе, но при этом не выглядевшему как стандартный набор поршней, клапанов и других неотъемлемых элементов обычного поршневого мотора.

В зависимости от специфики мотора ротор линейно поставляет мощность до 7.000-8.000 об/мин – бесперебойно, практически на одном уровне крутящего момента. Эта ровная полка момента как раз и отличает его от подавляющего большинства поршневых ДВС, в которых наблюдается много мощности на высоких оборотах и ее нехватка при низких.

Автопроизводителям также понравился роторный двигатель благодаря плавности его работы. Роторы, вращаясь вокруг центральной оси, не создают никакой вибрации по сравнению с поршневыми двигателями, у которых верхняя и нижняя точки хождения поршня отчетливо прослеживаются даже внутри салона автомобиля.

Но необычный двигатель – это словно необъезженная лошадь, своенравное животное, поэтому в противовес обожателям идеи Ванкеля концепция также внушает свою долю ненависти в среде автомобильных фанатов и механиков. И, казалось бы, почему?

Ведь у двигателя простой дизайн: отсутствует ремень ГРМ, отсутствует распределительный вал, нет привычной системы клапанов. Но за простоту приходится платить большой точностью производства деталей. Они должны быть сделаны безукоризненно, что поднимает их стоимость в разы, по сравнению с запчастями для обычных поршневых двигателей. Второе – этих запчастей мало в природе. И в-третьих, в мире почти нет специалистов, которые занимались бы починкой роторных моторов. В Москве, говорят, есть пара, но очередь к ним – на год вперед.

Из минусов еще можно назвать своеобразную работу роторного силового агрегата. Конструкция подразумевает сгорание масла в цилиндрах мотора, куда нагнетаются небольшие количества моторного масла прямо в камеры сгорания. Делается это для того, чтобы смазывать прилегающие площади роторов, вращающихся на бешеной скорости. Сизоватый дым, иногда выходящий из выхлопной трубы, – это признак беды, он отпугивает незнающих людей от моделей вроде RX-7 или 8.

Роторные моторы также предпочитают минеральные масла синтетическим, а их дизайн означает, что вы должны время от времени подливать масло в этот ненасытный агрегат, чтобы оно не закончилось.

Ну и наконец, те уплотнения вершины ротора, которые не удалось сделать NSU, все же недостаточно долговечны. Раз в 130-160 тыс. км мотору требуется капитальная переборка. А это удовольствие, как вы уже понимаете, дорогое. Да и что такое 130.000 км? Пять-шесть лет эксплуатации? Маловато будет!

Современные водители также наиболее чувствительны к другим недостаткам роторных движков: высоким выбросам вредных веществ в атмосферу (этим, скорей, обеспокоены в Greenpeace) и экономии топлива из-за тенденции двигателя не полностью сжигать топливно-воздушную смесь перед отправкой ее восвояси (здесь, конечно, удар наносится по карману автовладельца). Да, роторные двигатели имеют отменный «аппетит».

Для RX-8 Mazda частично решила эти проблемы, разместив выпускные отверстия по бокам камер сгорания. Но сейчас борьба за экологию обострилась и предложенных улучшений оказалось недостаточно. Это явилось еще одной причиной, по которой RX-8 стал последним автомобилем с двигателем Ванкеля под капотом. Он продавался 10 лет, с 2002 по 2012 год, но его убила экология.

Детали работы

Солнце, электричество, ядерная энергия или любой другой источник тепла может подводить энергию в двигатель Стирлинга. Принцип работы его тела заключается в применении гелия, водорода или воздуха. Идеальный цикл обладает термическим максимально возможным КПД, равным от тридцати до сорока процентов. Но с эффективным регенератором он сможет работать и с более высоким КПД. Регенерацию, нагрев и охлаждение обеспечивают встроенные теплообменники, работающие без масел. Следует отметить, что смазки двигателю нужно очень мало. Среднее давление в цилиндре составляет обычно от 10 до 20 МПа. Поэтому здесь требуется отличная уплотнительная система и возможность попадания масла в рабочие полости.

Производители

Kaiser AG

Проектированием шагающих экскаваторов инженеры данной фирмы занимались еще с 1965 года. Но, т.к. в приоритете компании была каналопромывочная техника, то первые «пауки» сошли с конвейера лишь в конце 70-х годов. В настоящее время Kaiser предлагает 4 модели массой 9,8 – 13,0 тн. Все узлы замкнуты на электронный блок, который постоянно рассчитывает необходимую мощность гидросистемы. За счет этого, обеспечивается максимальное усилие в точке копания и повышенная скорость перемещения, тогда как топливо – экономится.

На «королевских» шагающих экскаваторах стоят низкошумные дизеля Perkins, которые, даже на небольших оборотах дают значительный вращающий момент. Шасси некоторых моделей полноприводное, охладительная система пятиконтурная. Характерный изгиб стрелы увеличивает дальность и грузоподъемность. Для примера: одна из модификаций, очень популярная среди заказчиков, имеет полутораметровую стрелу с радиусом действия 8,2 метра. Оператор располагается в комфортабельной кабине с хорошим обзором и водяным отоплением. Рабочую зону контролирует по монитору, машиной управляет при помощи джойстиков.

Euromach

Эту компанию создали на базе Cormach Srl, лидера по выпуску подъемного оборудования. С 1977 года Euromach занимается только производством шагающих экскаваторов. На сегодняшний день выпущено более 3000 единиц 23 моделей, среди которых есть и очень популярные. Машины с глубиной копания до 5,9 м оборудуются моторами Kubota (легкие) или John Deere (тяжелые). На них ставятся телескопические многосекционные стрелы, с помощью которых можно не только разрабатывать грунт, но и вести погрузочные работы. Центр тяжести рассчитан настолько точно, что экскаваторы Euromach часто работают без аутригеров. Рулевое и трансмиссия – на гидравлике.

Schaeff

В 90-е годы фирма Schaeff, помимо другой продукции, выпускала шагающие экскаваторы HS40 и HS41 нескольких модификаций. Это были 8-тонные аппараты относительно несложной конструкции с 80-сильными двигателями. Поставлялись в европейские страны. Продукция данной компании не пользовалась высоким спросом по причине ограниченной функциональности. В 2002 году Schaeff стала частью Terex Corporation и несколько лет собирала «пауков» под общим названием. В данный момент производство шагающих экскаваторов закрыто.

Batemag

Итальянский производитель работает с 2005 года. В линейке P-Series 2 модели, копающие на 5,9 метров. Полный вес – от 8 до 10 тонн. Можно выбрать модификацию с приводом полным или только на одну ось. Гидростатический механизм уверенно стабилизирует аппарат на очень крутых уклонах. На машины общего назначения ставят 145-сильные движки Deutz. Кроме них, есть варианты для лесоразработок, с навесным харвестером и мотором помощнее. Для изготовления узлов и деталей применяется конструкционная сталь Weldox.

XCMG

Китайцы предлагают для работы в горах 22-тонный ET110 с лицензионным 180-сильным мотором Cummins и 1,16-кубовым ковшом. Скорость движения машины вперед составляет 5,1 км/час, назад – 3,0 км/час. Программное управление контролирует гидравлику, экономит топливо, обеспечивает безопасную и эффективную работу. Местоположение экскаватора определяется по GPS. Кабина комфортабельная, на 6 амортизаторах, с максимальным обзором. Кресло имеет несколько степеней регулирования, в жару можно включить кондиционер.

Недостатки роторных двигателей

Так в современном мире роторные двигатели массово не применяются вследствие низкой экологичности. Роторные двигатели потребляют большее количество топлива, вследствие низких рабочих давлений в камере сгорания. Роторные двигатели не так распространены, что может стать проблемой при их ремонте и эксплуатации. В двигателе фактически нет системы смазки. Определенное количество смазки (моторного масла) постоянно выбрасывается в корпус к ротору. В итоге у двигателя имеется значительный расход масла. Кроме того, это должно быть высококачественное минеральное масло без присадок, так как «синтетика» выгорая, образует на стенках корпуса нагар. Двигатели намного сильнее нагреваются чем поршневые двигатели.

Конструкция

Чтобы понять принцип работы, следует разобраться, какова конструкция роторного двигателя. Итак, вместо поршней энергия сгорания топлива у такого силового агрегата воспринимается ротором. Ротор имеет вид равностороннего треугольника. Каждая сторона этого треугольника и играет роль поршня.

Ротор

Чтобы обеспечить процесс горения, ротор помещается в закрытое пространство, состоящее из трех элементов – двух боковых корпусов, и одного центрального, называющегося статором. Пространство, в котором производится процесс горения, сделано в статоре, боковые корпуса обеспечивают только герметичность этого пространства.

Внутри статора сделан цилиндр, в котором и размещается ротор. Чтобы внутри этого цилиндра происходили все необходимые процессы, выполнен он в виде овала, с немного прижатыми боками.

Сам статор с одной стороны имеет окна для впуска топливовоздушной смеси или воздуха, и выпуска отработанных газов. Противоположно им сделано отверстие под свечи зажигания.

Устройство двигателя

Особенностью движения ротора в цилиндре статора является то, что его вершины постоянно контактируют с поверхностью цилиндра, его движение сделано по эксцентриковому типу. Он не только вращается вокруг своей оси, но еще и смещается относительно нее.

Для этого в роторе сделано большое отверстие, с одной стороны этого отверстия имеется зубчатый сектор. С другой стороны в ротор вставлен вал с эксцентриком.

Чтобы обеспечить вращение в боковой корпус установлена неподвижная шестерня, входящая в зацепление с зубчатым сектором ротора, она является опорной точкой для него. При своем эксцентриковом движении он опирается на неподвижную шестерню, а зацепление обеспечивает ему вращательное движение. Вращаясь, он обеспечивает и вращение вала с эксцентриком, на который он одет.

Известные авто, оснащенные роторным двигателем

В перечень автомобилестроительных компаний, в которых нашлись приверженцы роторного двигателя. Ниже перечислены несколько серийных моделей, выпускавшихся с 70–х гг. прошлого века. В СССР первенцем стала модель ВАЗ–2107 “Жигули”, получившая работоспособный роторный двигатель ВАЗ мощностью 140 л. с. Машина ограниченно использовались силовыми структурами (ГАИ или КГБ) вплоть до середины 90–х гг. прошлого века. Было собрано несколько образцов седанов “Волга” с моторами ВАЗ, которые являются объектами коллекционирования.

Mazda RX 8

В производственную гамму японского производителя входили несколько спортивных купе с РПД. Например, Mazda RX7, представленная в 1978 г., оснащалась 105–сильным мотором модели 12А.Затем компании удалось усовершенствовать роторный движок, доведя мощность до 115 л. с. для атмосферной версии и до 265 л. с. для турбинной модификации. В 2003 г. дебютировало купе Мазда RX8 с 1,3–литровым мотором мощностью от 192 до 250 л. с. Модель РХ8 пережила рестайлинг и продержалась на конвейере до 2012 г.

На автомобилях Mazda RX–8 с двухсекционным роторным мотором Renesis применялись механические и автоматические коробки передач. Производитель постоянно анализировал плюсы и минусы схемы Ванкеля, но агрегат потреблял много топлива и не соответствовал ужесточавшимся экологическим требованиям. Конструкторам компании не удалось изобрести улучшенную версию РПД, по состоянию на 2021 г. производитель Mazda не устанавливает роторные двигатели на свою продукцию.

Mazda Cosmo Sport

В 1967 г. появилось небольшое купе Cosmo Sport с роторным агрегатом Ванкеля, изготовленным компанией NSU. Поскольку при работе РПД отсутствуют вибрации, то автомобиль позиционировался как комфортный и динамичный транспорт.

Небольшой рабочий объем положительно влиял на транспортный налог, но небольшой ресурс и сложности при ремонте ДВС ограничивали продажи. Поэтому производитель выпустил на рынок модификацию с поршневым силовым агрегатом. Последние роторные автомобили под обозначением Eunos Cosmo были переданы заказчикам в 1995 г. Особенностью модели Eunos Cosmo стало применение 3–секционного двигателя 20B–REW с двойным наддувом, развивавшего до 300 л. с. при рабочем объеме всего 1962 см³. На прямой автомобиль легко разгонялся до 255 км/ч.

Mazda Parkway Rotary 26

В производственную гамму японского концерна входил автобус с РПД, базирующийся на платформе Titan, техника собиралась с 1972 по 1997 г. На тот момент Mazda выпускала двухроторные двигатели, которые стали использоваться на одной из модификаций Parkway для внутреннего рынка Японии. Автобусы развивали максимальную скорость около 40 км/ч и оснащались гидравлической муфтой в трансмиссии, повышавшей плавность хода. Для внешних рынков поставлялись машины с поршневыми двигателями, лицензионное производство модели Combi велось на заводах KIA.

Mercedes C111

В конце 60–х гг. прошлого столетия были собраны несколько прототипов Mercedes C111, на которых отрабатывались различные технологические решения. Машина оснащалась роторным мотором с 4 секциями, который развивал 350 л. с. и позволял разогнать купе с кузовом из стекловолокна до 300 км/ч. Существовал образец с упрощенным мотором Ванкеля из 3 секций, снабженным системой прямого впрыска бензина. В 1976 г. немецкий производитель перевел ресурсы на разработку дизельных двигателей и отказался от дальнейшего использования роторно–поршневых моторов.

ВАЗ–2109–90

В пятерку автомобилей с РПД попал и отечественный хэтчбэк ВАЗ–2109 (было выпущено несколько десятков седанов ВАЗ–21099 с такой силовой установкой). Волжский автозавод начал разработку роторно–поршневого агрегата для машин с передним приводом в середине 80–х гг. прошлого века. В конструкции мотора ВАЗ–415 используются наработки от версии двигателя для классических “Жигулей”. Мощность агрегата варьировалась в пределах от 140 до 250 л. с., а скорость машины превышала 200 км/ч. В 2004 г. подразделение ВАЗ, разрабатывавшее РПД, упразднили.

Более новые модели авто

На 2021 г. роторные моторы не используются на серийных автомобилях. Завод ВАЗ перешел под контроль альянса Renault–Nissan и сконцентрировался на производстве бюджетных автомобилей с классическими силовыми установками. Периодически появляются публикации, что компания Мазда усовершенствует двигатель и представит новое поколение машин с гибридной установкой. В конце 2020 г. представители Mazda заявили о разработке кроссовера MX–30, который получит роторный двигатель в дополнение к электрическому, но не озвучили дату начала производства.