Роторы vs поршни: гонка вооружения

На протяжении всей истории автомобиля не прекращались попытки заменить привычный нам теперь поршневой двигатель каким-либо другим. Когда-то конкуренцию ему пыталась составить паровая машина, время от времени вспыхивало увлечение электромобилями, в конце 60-х некоторые фирмы всерьез обратились к газовой турбине. В ряду этих именитых соперников есть и такой, который все же пробился на автомобильный конвейер — роторный двигатель. Как это былоНадо сказать, что основные принципы работы подобного аппарата появились задолго до воплощения. Еще в 1846 году были определены геометрическая форма рабочей камеры сгорания современных роторных двигателей и принцип работы, основанный на свойствах эпитрохоиды. Это геометрическая линия, создаваемая точкой одной окружности, которая катится без проскальзывания по внешней стороне другой окружности большего диаметра. Джеймс Уатт, изобретатель паровой машины с вращательным движением, также разрабатывал двигатель внутреннего сгорания роторного типа. Идея же воплощения подобного мотора появилась в 20-х годах прошлого столетия, когда конструкция автомобиля до конца не устоялась, и предлагались самые разнообразные решения. В то же время она выглядела вполне своевременной. Но из-за ряда технических сложностей так и не была адекватно воплощена. За последние 150 лет изобретатели предложили множество конструкций роторного двигателя. В 1924 году, когда 22-летний Феликс Ванкель начал создавать свой роторный двигатель, практические результаты еще не были получены. Ванкель исследовал и анализировал возможности различных типов роторного двигателя и нашел оптимальную форму трохоидообразного корпуса. Многолетние совместные исследования и разработки Ванкеля и компании NSU, увенчались в 1957 году созданием первого роторного двигателя — DKM, который доказал, что роторный двигатель — не просто мечта. Однако сложная конструкция — вращался сам трохоидообразный корпус — делала этот роторный двигатель непрактичным. Но спустя год появился двигатель KKM с неподвижным корпусом. Это был прототип современного роторного двигателя. В ноябре 1959 года компания NSU официально объявила о создании роторного двигателя Ванкеля. Президент компании Mazda г-н Цунеджи Мацуда тотчас оценил огромный потенциал этого агрегата и лично заключил договор о сотрудничестве с NSU. В 1963 году созданное подразделение Mazda по исследованию роторных двигателей, возглавляемое г-ном Кеничи Ямамото, приступило к разработке первого в мире роторного двигателя для серийного производства. 30 мая 1967 года Mazda начала продавать первый автомобиль с двухроторным двигателем, Cosmo Sport, оснащенный двигателем Type 10A мощностью 110 л.с. Дальнейшие разработки привели к снижению расхода топлива более чем на 40 процентов и существенному уменьшению количества токсичных выхлопов для соответствия требованиям экологических норм. К 1970 году общее число автомобилей с роторным двигателем достигло 100 тысяч. К 1975 году было собрано 500 тысяч таких автомобилей. К 1978 году — более миллиона. Роторный двигатель пришел в автомобильный мир всерьез и надолго. Эпитрохоиды, статоры, и прочие диковиныДавайте рассмотрим, как работает это чудо технической мысли. Функцию поршня в РПД выполняет трехвершинный ротор, преобразующий силу давления газов во вращательное движение эксцентрикового вала. Движение ротора относительно статора (наружного корпуса) обеспечивается парой шестерен, одна из которых жестко закреплена на роторе, а вторая на боковой крышке статора. Шестерня неподвижно закреплена на корпусе двигателя. С ней в зацеплении находится шестерня ротора. Ротор с зубчатым колесом как бы обкатывается вокруг шестерни. Вал вращается в подшипниках, размещенных на корпусе, и имеет цилиндрический эксцентрик, на котором вращается ротор. Взаимодействие этих шестерен обеспечивает целесообразное движение ротора относительно корпуса, в результате которого образуются три разобщенных камеры переменного объема. Передаточное отношение шестерен 2:3, поэтому за один оборот эксцентрикового вала ротор поворачивается на 120 градусов, а за полный оборот ротора в каждой из камер совершается полный четырехтактный цикл. Газообмен регулируется вершиной ротора при прохождении ее через впускное и выпускное окно. Такая конструкция позволяет осуществлять 4-тактный цикл без применения специального механизма газораспределения. Герметизация камер обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами. Крутящий момент получается в результате действия газовых сил через ротор на эксцентрик вала. Смесеобразование, зажигание, смазка, охлаждение, запуск — принципиально такие же, как и у обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания. Рассмотрим подробнее все фазы работы РПД.Впуск.В трех рабочих полостях отдельные фазы рабочего процесса сдвинуты друг относительно друга на 120 градусов угла поворота ротора. Фазы начала и конца каждого такта определяются положением вершин ротора относительно впускного и выпускного окон. В отличие от поршневого двухтактного двигателя окна в корпусе роторно-поршневого двигателя все время открыты и соединяют соответствующие каналы с какой-либо полостью. Вследствие этого отдельные фазы рабочих процессов в смежных полостях роторно-поршневого двигателя частично перекрываются. Центральный угол поворота вектора равен углу поворота ротора относительно корпуса. Учитывая, что эксцентриковый вал вращается в 3 раза быстрее ротора, все углы поворота ротора необходимо помножать на 3, чтобы определить углы поворота эксцентрикового вала. Во время начальной стадии процесса наполнения возможна продувка полости, в которой заканчивается расширение. Процесс наполнения начинается с момента открытия вершиной треугольного ротора впускного окна. При прохождении вершиной ротора зоны впускного окна выпускное окно все время полностью открыто. Продувка заканчивается в момент отсечки выпускного окна вершиной B ротора. Угол поворота ротора, соответствующий продувке, составляет около 40о и определяется положением внутренних кромок впускного и выпускного окон. После отсечки вершиной ротора выпускного окна начинается наполнение при увеличении объема полости. В конце этого периода, занимающего примерно 100о угла поворота ротора, скорость изменения объема полости уменьшается. Так как в этот момент впускные окна еще открыты, а скорость смеси во впускном трубопроводе достаточно велика, происходит дозарядка рабочего объема. Использование динамических явлений во впускном трубопроводе позволяется получать достаточно высокий коэффициент наполнения даже при высоком числе оборотов ротора. СжатиеСжатие рабочей смеси начинается после перекрытия вершиной ротора впускного окна и заканчивается при достижении минимального объема. Процесс сжатия характеризуется несколько большими утечками рабочего тепла через уплотнения ротора, чем в поршневом двигателе, и меньшей теплоотдачей в стенки. По экспериментальными данным показатель политропы сжатия в роторно-поршневых двигателях n1= 1.36−1.39, т. е. несколько больше, чем в поршневом двигателе с внешним смесообразованием. Сжатие смеси соответствует примерно 80о угла поворота ротора. В конце процесса сжатия в течение времени, соответствующего примерно 10о угла поворота ротора, одновременно с уменьшением объема полости происходит первая фаза сгорания смеси. В роторно-поршневых двигателях, изменяя форму ротора и параметр формы эпитрохоиды, можно получить степень сжатия до 11 — 12. Однако при таком увеличении степени сжатия значительно ухудшается форма камеры сгорания и соответственно снижается экономичность. Практически степень сжатия выбирают в пределах 8,5 — 10 СгораниеПроцесс сгорания в роторно-поршневых двигателях начинается за 10−15о угла поворота ротора до момента достижения минимального объема камеры сгорания. При достижении минимального объема камера сгорания представляет собой узкую щель с двумя клинообразными окончаниями, сжатую в средней части выступом эпитрохоидальногр профиля корпуса двигателя. При движении ротора отношение объемов двух частей камеры сгорания изменяется и рабочее тело перетекает из одной части в другую. Для уменьшения потерь при перетекании в теле ротора имеется выемка. Воспламенение смеси производится одной или двумя свечами зажигания. В случае одной свечи зажигания ее устанавливают в части камеры сгорания, расположенной ближе к выпускным окнам двигателя. Фронт пламени движется навстречу потоку смеси, вытесняемой из уменьшающейся части камеры сгорания. При использовании двух свечей зажигания одну из них устанавливают в одной части камеры сгорания, а другую — в другой. Как показывают эксперименты, роторно-поршневые двигатели могут работать на низкооктановых топливах (с октановым числом 66 или 72) без детонации при степени сжатия 9. Зона корпуса двигателя, в которой происходит сгорание смеси, не омывается холодными газами при наполнении, поэтому температура стенки корпуса в этом месте выше, чем у поршневого двигателя. Количество теплоты, отводимой от стенки за период сгорания, несмотря на увеличение времени сгорания, возрастает сравнительно мало из-за высоких температур стенки корпуса и ротора двигателя, а следовательно, уменьшается теплоотвод под ним. РасширениеКогда сгорание в основном закончилось, начинается расширение рабочего тела. Период расширения газов соответствует примерно 90о угла поворота ротора. Затем открывается выпускное окно и во время поворота ротора примерно 20о происходит свободный выпуск газов. ВыпускВыпуск газов можно разбить на четыре периода: первый — от момента открытия выпускного окна до достижения максимального объема полости; второй — принудительный выпуск, протекает при уменьшающемся объеме полости до момента открытия впускного окна (примерно 60о угла поворота ротора); третий — выпуск, совмещенный с предварением впуска, происходит при уменьшающемся объеме полости, но при наличии продувки; четвертый — окончание выпуска, совмещен со свободным выпуском из следующей полости (продолжительность этого периода соответствует примерно 10о угла поворота ротора). Общая продолжительность процесса выпуска около 120о угла поворота ротора. Затем все повторяется. Серийные РПДБолее 30 лет разные автопроизводители пытались совладать с многообещающим, но капризным творением Ванкеля. Опустили руки все, кроме Mazda и … ВАЗ, где роторные двигатели мелкими сериями еще делают. Создавалось впечатление, что сдастся и Mazda, преуспевшая больше остальных… Но в 2002 году в Токио Mazda представила новый автомобиль следующего поколения — концепт RX-Evolv с атмосферным роторным двигателем Renesis (комбинация слов renaissance — «возрождение» и genesis — «начало») объемом 2 л, который развивает 280 л.с. при 8000 об. в мин. Это рекордная литровая мощность для безнаддувных двигателей. Это был легендарный RX-8. ВАЗ тоже делает успехи в этом направлении. Во времена бывшего СССР существование отечественных машин с двигателями Ванкеля не афишировалось. Ими пользовались наши спецслужбы. В последнее время ВАЗ стал предлагать «восьмерки» и «десятки» с двухсекционными моторами ВАЗ-415. Каждая секция имеет объем 654 см³, что позволяет достичь мощности 140 л.с. (6500 об. в мин.) и крутящего момента 186 Нм (4500 об. в. мин.). А 200 км/ч для «десятки» — совсем неплохо… Но по конструкции ВАЗовский мотор уступает японским. При этом случаи полной выработки ресурса практически неизвестны. Мотора ВАЗ-415 хватает на 80−100 тыс. км, а в некоторых случаях и 150 тыс.км., после чего требуется его переборка. Гарантированный пробег японских двигателей — 300 тыс.км. Обслуживание самое обычное — замена эксплуатационных жидкостей. Строго рекомендуется применять только высококачественное минеральное масло, так как «синтетика», сгорая в двигателе, закоксовывает уплотнения ротора. Расход 500 граммов масла на 1000 км пробега — норма для этого двигателя, ведь часть масла специальным насосом впрыскивается прямо во впускной коллектор для дополнительной смазки трущихся поверхностей. Но из-за постоянных доливов масло требуется менять не чаще, чем через 10−12 тыс. км, и обязательно после зимней эксплуатации. Этому мотору все равно на каком бензине работать, нужно только соответствующим образом настроить систему зажигания. Кроме того, этот двигатель с легкостью проходит все тесты на экологичность. Плюсы и минусыНастало время поговорить о плюсах и минусах РПД. Распространенное мнение о недолговечности, ненадежности и проблемах при эксплуатации роторных двигателей не соответствует действительности. Все зависит от правильного и своевременного обслуживания роторного автомобиля. Запас мощности в РПД — более, чем достаточный. Кроме того, ремонтируется он даже легче, чем обычный — деталей-то в несколько раз меньше. Меньшая массаИз-за отсутствия необходимости в поршнях, шатунах и коленвале основной блок роторного двигателя имеет меньшие размеры и массу при лучших динамических характеристиках и управляемости. Меньшие размерыРоторный двигатель существенно меньше традиционного двигателя такой же мощности. Новый двигатель RENESIS примерно равен по размерам небольшому обычному четырехцилиндровому рядному двигателю. Небольшие размеры роторного двигателя выгодны не только тем, что уменьшают массу — они также улучшают управляемость, облегчают оптимальное расположение трансмиссии и позволяют сделать автомобиль более просторным для водителя и пассажиров. Меньший уровень вибрацииВсе части роторного двигателя непрерывно вращаются в одном направлении, а не изменяют направление своего движения так, как поршни обычного двигателя. Роторные двигатели внутренне сбалансированы, что снижает уровень вибрации.