Что собой представляют роторные двигатели и его принцип действия

Безраздельное властвование в автомобилестроении поршневых ДВС, характеризующихся наличием механизма обратно-поступательного движения поршня, отнюдь не связано с техническим совершенством их устройства. Более того, такие силовые агрегаты обладают большим количеством конструкционных недостатков, которые в принципе непреодолимы. И никакие ухищрения, основанные на достижениях технического прогресса последних десятилетий, не способны искоренить эти недостатки.

Но поскольку техническую мысль невозможно ни замедлить, ни тем более остановить, ведущие инженеры и целые конструкторские бюро на протяжении последних ста лет усиленно работали над поиском достойной альтернативы ПДВС.

Следует отметить, что в этом направлении уже достигнуты немалые успехи, даже если не принимать во внимание силовые агрегаты с реактивной тягой. В частности, в сфере двигателей, у которых момент движения передается на вал вращения, классический поршневой мотор уже достаточно давно в разных областях применения начал сдавать свои позиции.

Так, в среде стационарных установок вне конкуренции находится электромотор, в авиастроении предпочтение отдают газотурбинным силовым агрегатам, паровые турбины эффективно используется в судостроении и в энергетических силовых установках типа электростанций.

Отметим, что все указанные разновидности моторов относятся к категории роторных машин, поскольку у всех их основной рабочий орган — вращательный, без наличия возвратно-поступательных компонентов. Если рассматривать такую конструкцию с точки зрения термодинамики и классической механики, то она оказывается наиболее эффективной, передающий момент движения с минимальными потерями.

Что такое роторная силовая установка

Роторный двигатель внутреннего сгорания представляет собой разновидность тепловых моторов, у которых в общем элементом является ротор. Принципиальное отличие от поршневых ДВС заключается в том, что такие агрегаты не нуждаются в конструктивных элементах, занимающихся преобразованием возвратно-поступательного движения во вращение основного вала.

Теоретически такой агрегат должен обладать более высоким КПД. Но на практике реализация таких схем оказалось технически достаточно сложной, несмотря на отсутствие такой промежуточной системы, как коленвал. Выяснилось, что роторный мотор обладает некоторыми недостатками, которые настолько существенны, что из-за них этот тип двигателей конкретно в автомобилестроении так и не получил массового распространения. Почему так произошло, мы расскажем чуть позже.

Если обратиться к истории, то 1 роторный двигатель был продемонстрирован инженерами Ванкелем и Фройде в 1957 году. Именно тогда немецкие изобретатели сумели воплотить в жизнь свои задумки. Презентация нового типа автомобильных двигателей оказалась настолько успешной, что многие автопроизводители мирового масштаба серьёзно заинтересовались этой разработкой. Достаточно назвать такие бренды, как Citroen, General Motors, Mercedes-Benz. Но после многолетних исследовательских и испытательных работ все они признали бесперспективность роторных силовых агрегатов. Но не японский автоконцерн Mazda. Инженеры этой компании всё же сумели вывести в серию роторные двигатели, которые выпускались автоконцерном достаточно долго.

Следует отметить, что даже АвтоВАЗ на протяжении ряда лет оснащал ограниченные серии своих моделей роторными двигателями. Правда, такие машины не поступали в розничную сеть — ими комплектовались автопарки силовых органов (МВД и КГБ).

Поскольку роторный силовой агрегат относится к категории ДВС, принцип его работы, как и поршневого аналога, заключается в преобразовании тепловой энергии сгорания горючего в энергию вращения. Разумеется, такое преобразование осуществляется принципиально иным, более простым способом. Дело в том, что в роторном моторе основной рабочий орган — это ротор, который жестко связан с приводным валом. В классическом двигателе внутреннего сгорания движущей силой является поршень, двигающийся поступательно вверх-вниз. Для преобразования такого движения во вращательное требуется использование достаточно сложного механизма — кривошипно-шатунного, составной частью которого является коленчатый вал.

Именно в этом и заключается разница между роторным двигателем и обычным поршневым ДВС.

Классификация роторных двигателей

Было бы наивным предполагать, что усилия армии инженеров были сосредоточены исключительно на конструирование альтернативы поршневому мотору. Ещё в шестидесятых годах прошлого столетия были продемонстрированы разработки роторных силовых агрегатов с концептуально разными схемами реализации.

На сегодня можно перечислить следующие виды роторных моторов:

• двигатели с разнонаправленным движением рабочих элементов. Их отличительной особенностью является не вращательное, а возвратно-поступательное движение (качание по эллипсоидной дуге вокруг продольно оси). В таких моторах процесс сгорания ТВС, сопровождающийся фазами сжатия/расширения отработанных газов, реализуется в полостях между жёстко укреплёнными лопатками статора, что и определяет замысловатую траекторию движения ротора, отличающуюся от вращения вокруг оси. Таким образом, конструктивно это действительно роторный агрегат, но по принципу передачи движения он является промежуточным решением между поршневым и вращательным способами передачи момента движения на приводной вал. Более того, некоторые склонны причислять такие моторы к поршневым ДВС, ведь у них существует и своеобразный аналог кривошипного механизма, преобразующий колебания ротора во вращательное движение. Такое усложнение конструкции оказалось не слишком оправданным, так что РДВС данного типа не получили сколь-нибудь заметного распространения. К тому же у этой конструкции имеется очень серьёзный недостаток – относительно высокая вероятность столкновений лопастей, что во время работы двигателя грозит очень серьёзными неприятностями,
• роторные моторы с однонаправленным движением рабочих элементов. У этой разновидности силовых агрегатов имеется два ротора, заключённых в единый корпус. Они вращаются со сдвигом по временной фазе, как бы догоняя во время работы мотора друг друга. Такой тип вращения ротора принято называть пульсирующе-вращательным. Здесь рабочие такты сгорания ТВС происходят в кавернах, образующихся между лопастями смежных роторов на фазах их максимального сближения/удаления. Схема рабочая, но характеризующаяся существенным недостатком: оба головных вала вращаются рывками, равномерное движение отсутствует. Для выравнивания импульсного момента требуется использовать очень сложные устройства и механизмы, позволяющие преобразовывать знакопеременные нагрузки с целью выравнивания скоростей обеих валов. Отметим, что, как и в предыдущей разновидности роторных агрегатов, здесь также не исключены ударные столкновения параллельных лопастей в фазе их сближения,
• роторные моторы с уплотнительными заслонками. Эта разновидность двигателей оказалась более удачной и широко применяется и в настоящее время, преимущественно в пневматических силовых агрегатах. Но в этом случае в качестве движущей силы выступает уже не горючее, а сжатый воздух. Здесь лопасти ротора выступают в качестве заслонок, а сам вал также движется не прямолинейно, совершая качающиеся либо возвратно-поступательные движения. Как правило, лопасти в таких моторах закреплены на шарнирах, что позволяет им в нужный момент отклоняться. К сожалению, создать такой же эффективный мотор для ДВС так и не удалось, поскольку здесь для реализации задуманного необходимо обеспечить гораздо боле герметичную схему, чем при использовании пневматики. Оказалось, что в условиях больших значений рабочего давления и температур хорошо получается что-либо одно: или обеспечение надлежащей герметичности, либо обеспечение требуемой подвижности роторных лопастей. Добиться приемлемых показателей одновременно не получается. К тому же имеются объективные сложности, касающиеся обеспечения непрерывного движения лопастей. Это можно сделать, используя отдельный специализированный привод, или с помощью комбинации действия пружин и центробежной силы вращения. Оба варианта реализовать чрезвычайно сложно, поэтому в автомобилестроении данная разновидность роторных моторов так и не смогла оказать достойную конкуренцию классическим ДВС,
• двигатели роторного типа с подвижными уплотнительными заслонками. Схожесть с моторами предыдущего типа очевидна. Разница заключается в том, что здесь лопатки, являющиеся также заслонками, не являются частью ротора – они прикреплены к внутренней стенке корпуса, в нужный момент выдвигаясь внутрь. У ротора также имеются лопасти, но довольно экзотической формы. Именно на них и приходится основная часть нагрузки в виде давления отработанных газов. Задача роторных лопаток – отсекать в определённые моменты лопасти-заслонки от камеры сгорания. Технически всё это реализовать тоже очень непросто, и перечень недостатков такой конструкции схож с предыдущим,
• моторы с простым вращательным движением роторного вала. В силу простоты конструкции такие агрегаты можно назвать самыми совершенными и очень перспективными. Здесь просто отсутствуют механизмы, совершающие любые виды движения, кроме вращательного. Неудивительно, что достижение скоростей вращения порядка десятков тысяч об/мин для них – не проблема. Отметим, что первые подобные двигатели были сконструированы ещё в конце XIX, продемонстрировав более высокие эксплуатационные характеристики, чем тогдашние поршневые двигатели. Отметим, что в то время основной движущей силой был пар, а не бензин. Но со временем поршневые силовые установки перевели на углеводородное топливо, а вот с роторными аналогами случилась загвоздка,
• роторные силовые агрегаты с планетарным механизмом вращения. Это – так называемые двигатели Ванкеля, немецкого инженера-конструктора, впервые предложившего такой мотор. Именно они и легли в основу всех попыток создать конкурентоспособный ДВС на роторной тяге. В дальнейшем мы будем вести речь именно об этой разновидности роторных силовых агрегатов.

Итак, пришла пора ознакомиться с устройством и принципом работы роторно-поршневых двигателей.

Конструкция роторного двигателя

Поскольку РПД и классический поршневой мотор являются двигателями внутреннего сгорания, было бы логичным предположить, что и система впрыска ТВС, а также система зажигания у них схожи. Так оно и есть, но строение самих силовых агрегатов кардинально разное.

Устройство роторного двигателя включает следующие основные конструктивные элементы:

• собственно ротор,
• статор, в роли которого выступает корпус мотора,
• приводной (выходной) вал.

Здесь используется классическая компоновка: вращающийся ротор находится внутри статора. Геометрия ротора предполагает наличие трёх выпуклостей, которые, по существу, являются аналогами поршня. Углубление в этих выпуклостях способствует повышению скорости вращения за счёт формирования завихрений отработанных газов. Каждая выпуклость комплектуется двумя кольцами, внутри которых формируются полости, представляющие собой камеры сгорания.

Одной из самых важных элементов ротора считается расположенное примерно посередине вала зубчатое колесо. Оно входит в зацепление с шестерней, располагаемой напротив на корпусе мотора. Эта зубчатая пара и является той компонентой, которая формирует направление и, разумеется, траекторию движения самого ротора.

Корпус РДВС выполнен в виде овала, что резко контрастирует с внешностью традиционного поршневого двигателя. Сделано это для того, чтобы все вершины ротора (напомним, их всего три) постоянно контактировали со стенками статора. Посредством такой экзотической геометрии достигается формирование в любой момент времени трёх камер сгорания, полностью герметичных и целиком изолированных от влияния соседний полостей. Впускная система также необычна: вместо клапанного механизма используются специальные порты впуска/выпуска, первый из которых непосредственно ведёт к дросселю, второй – к выхлопной системе, тоже напрямую, без каких-либо промежуточных конструктивных элементов.

Выходной вал ротора абсолютно не похож на коленвал поршневого ДВС. Да, на нём присутствуют эксцентрики в виде выступов специальной формы, расположенных на валу с определённым смещением относительно осевой линии. Но они служат для сопряжения с роторами (их у двигателя бывает несколько). Каждый отдельный ротор, вращаясь, воздействует на свой кулачковый эксцентрик, усиливая крутящий момент выходного вала.

Вот так необычно устроен роторный двигатель. Следует упомянуть ещё об одной его конструктивной особенности: он собирается в заводских условиях послойно. Наиболее распространены двухроторные силовые агрегаты, у которых имеется пять таких слоёв. В качестве крепёжных элементов используются болтовые соединения, располагаемые по кругу каждой секции.

Система охлаждения роторных силовых агрегатов устроена таким образом, что ОЖ доставляется во все активные элементы конструкции. Подшипники с сальниками расположены в противоположных крайних секциях, во внутренних сегментах установлены роторы. В центральных сегментах расположены впускные порты, выпускные же размещены с обоих краёв корпуса.

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.

Преимущества и недостатки РДВС

С момента своей презентации роторно-поршневой силовой агрегат постоянно был в центре внимания специалистов, а многие солидные автопроизводители начали инвестировать в исследования, посвящённые разработке этого типа мотора, громадные суммы. И неспроста: конструкция такого агрегата на порядок проще классического двигателя. Собственно говоря, основными в нём являются две детали: корпус и ротор. Куда уж проще!

Перечислим преимущества, которые сулит использование роторного привода:

• простота конструкции – фактор, способствующий достижению практически идеальной сбалансированности двигателя: минимум деталей позволил свести вибрационные процессы, характерные для ПДВС, практически на нет,
• даже не слишком удачные реализации роторного силового агрегата позволяли получать великолепную динамику без увеличения нагрузки на сам мотор. Это наглядно демонстрируют и последние модели Мазда. К примеру, RX-8 с роторным двигателем разгоняется до сотни примерно за такое же время, но без перехода на самую высокую передачу, просто за счёт высоких оборотов,
• хотя несколько роторов требуют относительно большого объема для размещения, за счёт отсутствия множества дополнительных узлов и агрегатов такой двигатель получается заметно компактнее поршневого, и намного легче. Для конструкторов это идеальный вариант, предоставляющий возможность выполнить идеальную межосевую развесовку. А это, кстати, фактор, существенно улучшающий устойчивость транспортного средства во время выполнения скоростных манёвров,
• минимизация узлов существенно упрощает обслуживание такого агрегата, увеличивается его надёжность и безотказность,
• наконец, роторный ДВС характеризуется отменной удельной мощностью, недостижимой для своих классических собратьев.

Вы спросите, почему же при таком количестве впечатляющих достоинств роторные моторы не вытеснили поршневые?

Всё очень просто: минусы роторного двигателя перевешивают плюсы, а современное автомобилестроение – это, прежде всего, целесообразность. Даже если речь идёт об экологичных машинах, учтите, что их производство в значительной степени субсидируется на государственном уровне. О роторных установках этого не скажешь.

Так в чём же заключаются их недостатки? Судите сами:

• главным, и самым существенным минусом этого типа двигателей считается очень высокий расход горючего, особенно на невысоких скоростях и низких оборотах. Типичный показатель – 20 и более литров на 100 километров. При нынешнем уровне цен на топливо это, конечно неприемлемо. Особенно если сравнивать с аналогичными по мощности бензиновыми ДВС, у которых расход постоянно снижается и уже частично преодолел знаковую отметку в 5 л/100 км.,
• отсутствие симметрии – другой существенный недостаток таких двигателей. Чтобы идеально скомпоновать ротор и статор, чтобы прохождение эпитрохоидальной кривой было максимально правильным, требуется использование дорогостоящего специализированного и высокоточного оборудования. Без него добиться геометрически безупречной подгонки деталей невозможно. Разумеется, это тоже влияет на стоимость машины, и отнюдь не в сторону снижения,
• поскольку камера сгорания у роторных агрегатов имеет не круглое, а линзовидное сечение, это негативным образом сказывается на тепловых характеристиках мотора. Другими словами, при сгорании значительная часть энергии из-за специфической формы ротора и статора расходуется не на проталкивание ротора, а на его нагрев. Так что борьба с перегревом – очередное слабое место двигателей данного типа,
• производителям так и не удалось справиться с проблемой быстрого износа уплотнителей, устанавливаемых между форсунками. Значительные перепады давления, характерные для камер сгорания, разрушают уплотнители, и в результате после 100, максимум 150 тысяч км пробега роторному двигателю требуется капремонт. А это – большая проблема, и даже не из-за высокой стоимости: таких специалистов и автосервисов нужно ещё поискать,
• наконец, РДВС расход моторного масла гораздо выше: на каждые 1000 километров расходуется примерно 600 мл смазывающей жидкости, и это при новом и неизношенном моторе. Поэтому процедура замены масла производится намного чаще (каждые 5 тысяч километров), что, безусловно, увеличивает стоимость владения таким автомобилем. Но критично не это: если вы забыли вовремя долить/сменить ММ, поломки мотора не заставят себя долго ждать. Так что с точки зрения техобслуживания роторный двигатель, несмотря на свою простоту, не позволит автовладельцу расслабиться.

Разумеется, инженеры Мазда работают над устранением этих проблем, но у главной из них, снижения расхода топлива, похоже, приемлемого решения нет и не предвидится.

На каких авто можно встретить роторный силовой агрегат

Если обратиться к истории, то первым мелкосерийным авто с мотором Ванкеля стал NSU Spider. Его начали выпускать в 1964 году. При развиваемой мощности 54 л.с. этот автомобиль разгонялся до 145-150 км/час. Для первенца, согласитесь, очень неплохие результаты!

Через три года была презентована стендовая модификация NSU Ro-80 – презентабельного четырёхдверного седана, однако до крупносерийного производства дело не дошло. Но именно эта модель подтолкнула многих автопроизводителей к приобретению лицензии на дизельный РДВС (можно упомянуть Citroen, Toyota, GM и, конечно же, Mazda).

К сожалению, попытки создать действительно конкурентный автомобиль не увенчались успехом. О причинах мы уже упоминали: из-за огромного объёма камеры сгорания идеального смешивания ТВС не происходит, в результате даже двухсвечный разряд не позволял эффективно сжигать топливную смесь. А значит, расход топлива возрастает, а выхлоп становится более грязным.

Именно в это время мир накрыл топливный кризис, и компания NSU, практически целиком перешедшая на роторные двигатели, вынуждена была свернуть разработки и в результате была поглощена автоконцерном Volkswagen, где двигатели Ванкеля посчитали бесперспективными.

У Mercedes-Benz, купившей лицензию, дела пошли не лучше – было сконструировано всего две модели с роторным агрегатом. С111 первого поколения при 280 «лошадях» развивала 259 км/час, разгоняясь до сотни ровно за пять секунд. У второго поколения показатели существенно улучшились: 350, 300 и 4.8 соответственно. После этого данное направление было закрыто.

Chevrolet отметился тоже двумя роторными машинами: Corvette оснащался двухсекционным (267 л.с.) и четырёхсекционным (390 л.с.) силовым агрегатом, но дальше прототипа дело не пошло. Citroen сумел довести до серии GS Birotor (108 л.с.), однако впоследствии все машины были отозваны и утилизированы (за исключением порядка 200 экземпляров, обладатели которых не захотели расставаться с уникальными авто). Так что вероятность повстречать эту модель на европейских трассах не равна нулю и сегодня.

Дольше всех держалась Mazda, на протяжении 1967-1972 годов концерн выпустил 1519 автомобилей с роторным двигателем. Примерно в то же время был запущено в серию Luce R130 в форме купе. Дальше – больше: с 1970 года РДВС устанавливали практически на все модели, включая среднегабаритный автобус Parkway Rotary 26. Он весил всего 2.83 тонны и разгонялся до 120 км/час.

В 70-х годах роторные моторы (нелицензированные) начали производить и в СССР. В качестве прототипа взяли классический мотор от Ro-80.

Занимались доводкой автовазовцы, сумевшие в 1976 году довести до ума СА Ваз-311. Но до серии пришлось ждать ещё 6 лет, когда появилась модель Ваз-21018 , оснащаемая роторным мотором мощностью 70 «лошадей». Впрочем, обкатку не прошёл ни один автомобиль, так что эксперимент закончился установкой штатных поршневых моторов. Но в 1983 году ситуация была исправлена, однако модели Ваз-411/413 в розницу не попали: их поставляли исключительно в силовые структуры.

На данный момент Mazda осталась единственной компанией, которая продолжает заниматься данным направлением.

Возможен ли самостоятельный ремонт роторного мотора

Ответ, безусловно, будет скорее отрицательный. И дело не в том, что таких автомобилей в мире очень мало – их конструкция настолько уникальна, что что-либо менять внутри самому не представляется возможным.

Конечно, с заменой свечей дела обстоят не так плохо, однако не для первых моделей. У них свечи оказались спрятанными в стационарный вал (подвижными были не только ротор, но и корпус двигателя). Со временем конструкторы перешли к более простому варианту, а свечи начали устанавливать на стенки неподвижного статора, напротив портов впрыска/выпуска.

Большинство других ремонтных работ самостоятельно произвести практически нереально.

Отметим, что классический мотор Ванкеля имеет примерно на 40% меньше комплектующих, чем поршневой двигатель, но это детали, не имеющие аналогов.

Что ещё можно сделать своими руками? Например, поменять вкладыши приводного вала. Эту операцию выполняют, когда они стерлись настолько, что местами проступает медь. Для этого нужно демонтировать шестерни, поменять вкладыши и напрессовать зубчатые колёса на штатное место. Одновременно можно проверить состояние сальников и при необходимости установить новые.

Если при выполнении ремонтных работ демонтаж пружин маслосъемных колец, следует запомнить, где какие стоят, поскольку по форме передние не совпадают с задними. При необходимости можно выполнить замену торцевых пластин, которые тоже не совместимы друг с другом и имеют соответствующую маркировку.

При замене угловых уплотнителей начинать нужно с передней части ротора. Рекомендуется использовать смазку зелёного цвета от Castrol – это поможет зафиксировать уплотнители, пока вы будете заниматься сборкой остальных деталей. Тыльные угловые уплотнители меняются уже после установки приводного вала. При установке прокладок не забудьте смазать их подходящим герметиком. Апексы следует устанавливать в уплотнители после того, как поместите ротор в корпусе. Последнее, что нужно сделать – смазать прокладки тыловой и фронтальной крышек статора перед их установкой.