Роторно-поршневий двигун
внутрішнього згоряння
(РПД, двигун Ванкеля)
Історія
Роторно-поршневий двигун (РПД) часто називають по імені його творця - доктора Фелікса Ванкеля, в 1957 р розробив прототип роторного двигуна для мотоцикла німецької фірми NSU. У порожнині корпусу експериментального двигуна на ексцентричному валу обертався ротор - тіло, окреслене трьома дугами, щось на зразок трикутника з опуклими сторонами. Сам корпус двигуна називають по-різному: статором, картером або просто секцією - всередині неї і відбувається весь робочий цикл, ті ж такти (впуск, стиснення, робочий хід і випуск відпрацьованих газів), що і в поршневому двигуні. Але циліндрів тут немає: все такти відбуваються в камері постійно мінливого обсягу, замкнутого стінками секції і ротором, кожна вершина "трикутника" постійно знаходиться в контакті з внутрішньою поверхнею корпусу, забезпечуючи герметичність. Власне, це і є перша "вроджена" проблема РПД: створити надійне ущільнення в ті часи було практично неможливо. Як наслідок - велика витрата масла і бензину, а також висока токсичність викидів через велику частку незгорілих вуглеводнів. Очевидна й інша проблема: малий ресурс двигуна.
Що ж змусило інженерів розвивати роторну концепцію при очевидних складнощі її реалізації? Переваги, які дає РПД, складно переоцінити. Якщо в звичайному поршневому двигуні обертальний рух колінчастого вала забезпечується зворотно-поступальним рухом поршнів, то роторна концепція пропонує тільки обертальний рух і поршня-ротора і ексцентричного вала, що багаторазово зменшує число рухомих деталей. В результаті скорочується число пар, що труться, джерел шуму і вібрації. Крім того, в РПД відсутній традиційний механізм газорозподілу. Впускні і випускні отвори ( "вікна") відкриваються і закриваються самим обертовим ротором. Таким чином, відпадає необхідність в клапанному механізмі, що включає приводний ремінь, розподільний вал, коромисла, клапани, пружини клапанів і інші деталі. У поршневому двигуні деталей більше на кілька сотень, а то і тисяч. Роторна концепція також пропонує високу питому потужність і компактність: сучасний РПД в півтора-два рази менше поршневого двигуна аналогічної потужності.
Попри все
Переваги конструкції виявилися вельми привабливі, і продовжити розробку роторних двигунів зважилася Mazda . У 1961 р японська компанія купила у NSU патент і почала власні розробки. До речі, Mazda була далеко не єдиною компанією, експериментувати з РПД, але сьогодні ротори асоціюються саме з нею. Зараз Mazda - єдина автомобільна компанія, яка виробляє роторні двигуни.
Перший серійний РПД з Країни висхідного сонця був двосекційним однолітровим і розвивав потужність 110 л.с. Двороторного схема і зараз представляється оптимальної для серійних легкових машин - вона не набагато складніше односекційний, але забезпечує найбільш рівномірний крутний момент, а також дозволяє зменшити обсяг камери згоряння і, як наслідок, частку незгорілого палива. Двигун дебютував на витонченому купе Cosmo Sport в 1967 р, а в 1978 р з'явилася знаменита Mazda RX-7. Зараз спортивне амплуа роторних двигунів здається нам звичним, але в 70-х роках Mazda випускала пікапи і навіть легкі автобуси з РПД. Що стосується спорту, то в 1991 р прототип Mazda 787B увійшов в історію як єдиний японський автомобіль, який отримав перемогу в 24-годинній гонці серії American Le Mans. Його Трироторна двигун розкручувався до максимальних 9600 об / хв за секунду!
Друге покоління купе RX-7 (1985 г.) оснастили турбонаддувом, частково для поліпшення екологічних показників, а третє покоління (1991) красувалося вже двома турбокомпресорами і потужністю 255 к.с. Купе випускали до 2002 року, але інженери вже кілька років працювали над наступним поколінням РПД. Легкі порожнисті ротори майбутнього експериментального мотора показали ще в 1995 р на концепт-каре Mazda RX-01, а з 1999 р двигун Renesis 13B вже готували до серійного виробництва. Наддувши залишився в минулому, сумарний геометричний обсяг двох секцій склав 1,3 л. Офіційно для автомобілів оснащених РПД, вказується "наведений", подвоєний обсяг, в даному випадку - 2,6 л. Навіть з цією поправкою характеристики мотора вражають: 231 к.с. при 8500 об / хв!
Крок за кроком
Що дебютує в 2003 р Mazda RX-8 підкорила всіх дизайном і ходовими якостями. Але перша асоціація зі стильним купе з дверцятами - ротор! Renesis 13B настільки ж далекий від двигуна RX-7, наскільки сам RX-7 від Cosmo Sport. Новий мотор зі збільшеним ресурсом вписали в європейські норми Euro 4 і американські ULEV. Як це вдалося? Бічне розташування керамічних впускних вікон (чотирьох на 192-сильною версією і шести на 231-сильною) оптимізує процес згоряння суміші і знижує теплові втрати. У кожній секції встановлено дві разновеликих свічки запалювання. Ущільнювачем служить графіт підвищеної зносостійкості. На новому двигуні також присутній полімерний шар з мікропорами для утримання масла. В ході поступової підробітки цей шар стирається, приблизно за 1000 км. Також в списку нововведень значиться система впуску із змінною геометрією, колектор виконаний з пластика. Полегшення піддалися ротори (вони порожнисті) і маховик. Тросовий привід дросельної заслінки замінений електронним. Система динамічного балансування, знижує низькочастотні коливання при прискоренні, враховує навіть обсяг масла, що надходить в ротори. За вагою Renesis 13B порівняємо з алюмінієвої рядної «четвіркою», а його скромний розмір дозволив змістити двигун на 60 мм назад і на 40 мм вниз в порівнянні з мотором RX-7. Інженери "навчили" Renesis 13В працювати на водневому паливі, в тому числі в складі гібридної установки на Mazda 5 (Premacy) Hydrogen RE Hybrid. Тепер же на підході наступне покоління РПД Mazda. Двигун Renesis 16X, що ввібрав всі удосконалення, накопичені за роки випуску RX-8, так само компактний і легкий, але його обсяг збільшено до 1,6 л. Одна з його головних інновацій - система безпосереднього уприскування.
У глобальній програмі Mazda значиться повне оновлення гами силових установок до 2011 р Побоювань, що роторному двигуну в цій системі не знайдеться місця, поки немає. Багато в чому вдосконалення конструкції РПД впирається в створення нових матеріалів з необхідними фізико-механічними властивостями. Але і наука не стоїть на місці. Її підштовхують мрії інженерів-мрійників, справжніх ентузіастів своєї справи. А це, знаєте, краще будь-якого двигуна, навіть вічного.
Автор: Андрій Моторов
`АВТОПАНОРАМА` 4`09
Що ж змусило інженерів розвивати роторну концепцію при очевидних складнощі її реалізації?
Як це вдалося?
