18 Июля 2017 г.    $ 59.07 (-0.81)    € 67.62 (-0.74)

Роторно-поршневой двигатель. Вращение треугольника

Роторно-поршневой двигатель (РПД) работает за счет преобразования тепловой энергии сгорающих газов в механическую при помощи ротора, совершающего вращательное движение вокруг неподвижного корпуса. Сейчас, по сути, единственная альтернатива ДВС без кривошипно-шатунного механизма – это именно «ротор», история которого началась еще в XVI веке, всего было выдано несколько тысяч патентов на постройку подобных механизмов, а первый практически пригодный образец появился лишь в 1957 году. Изобретателем этого мотора стал немец Феликс Ванкель, любивший конструировать что-нибудь интересное, самостоятельно изучивший теорию двигателестроения, но не имевший даже среднего технического образования. В 1927 году была опубликована концепция «машины с вращающимися поршнями» (названная DKM), а в 1936-м на нее был получен патент. Другая технология, предусматривающая иное вращение ротора, была названа KKM, именно по ней и строятся современные двигатели, называемые «ванкелями».

Феликс ВанкельСам Феликс Ванкель считал, что та конструкция, которая применяется сейчас не только в автомобилях, – это далеко не предел его мечтаний. Концепция KKM – уже шаг вперед по сравнению с первой технологией: изменился принцип вращения, из-за чего пришлось добавлять в конструкцию противовесы, зато ресурс от этого заметно повысился, а свечи располагались уже не на вращающейся детали, а на корпусе. Точно так же, как и в классических моторах, здесь используется четырехтактный принцип действия, то есть лишь одна из четырех операций является полезной для движения. Для воспламенения горючей смеси, равно как и в обычном бензиновом двигателе, применяется система зажигания, системы запуска и смазки также аналогичны тем, о которых мы рассказывали ранее. Из-за низкой степени сжатия топлива в РПД невозможно построить такой агрегат, питающийся соляркой. В отличие от уже описанных конструкций, «ванкелю» не нужен газораспределительный механизм, а количество деталей, уходящих на его изготовление, меньше на 35-40 %. «Ротор» практически не вибрирует при работе, он более компактен, а вес примерно в 2 раза меньше, чем у аналога с кривошипно-шатунным механизмом (в который, напомним, входят такие массивные детали, как поршни, коленвал и маховик).

Перейдем к конструкции двигателя. Описывая этот силовой агрегат, приходится пользоваться несколько другими понятиями, чем при рассказе о классическом бензиновом моторе. Деталь, сжимающая топливо (а здесь выполняющая и несколько других функций), называется не поршнем, а ротором, и представляет собой в поперечном разрезе равнобедренный треугольник с «зализанными» углами. Роль камеры сгорания выполняет статор, в разрезе выглядящий, как сильно скругленный прямоугольник, на одной из больших сторон которого имеются отверстия для впуска горючего и выпуска отработавших газов, а на другой – место для свечи зажигания. Саму пару «ротор-статор» называют не цилиндром, а секцией (в современных автомобилях применяют 2- и 3-секционные «ванкели»).

Циклы

Ротор жестко соединен не только с валом, передающим полезную энергию коробке передач, но и с зубчатым колесом. В свою очередь, оно зацепляется с неподвижной шестерней, как бы «обкатываясь» вокруг той. Выходит, что внутри статора с попарно равными сторонами движется ротор, все стороны которого одинаковы, но при этом в зависимости от положения последнего в первом отсекаются совершенно разные объемы. Это связано с тем, что воображаемые углы подвижной детали вращаются не просто по окружности, а по сложной математической кривой – эпитрохоиде – «следу» одной окружности, катящейся по другой. О рабочем механизме двигателя мы говорим как о треугольнике потому, что практическое применение нашли трехгранные роторы. В силовых установках автомобилей, лодок, малых самолетов и других средств передвижения отношение радиусов шестерни и подвижного зубчатого колеса составляет 2:3. Работа РПД очень интересна: без использования ГРМ выполняется обычный 4-тактный цикл, но в одной секции одновременно происходит три операции. Например, когда в одном из отсеченных объемов за счет разницы давлений происходит впуск горючей смеси, во втором выхлопные газы выталкиваются в атмосферу, а в третьем – смесь сжимается перед воспламенением.

Таким образом, становится понятно, что и односекционный «ротор» способен приводить в движение легковой автомобиль (например, двигатель первой в мире серийной машины, в которой использовали новую конструкцию – NSU Spider 54 1964 года, – был именно односекционным, а первый действующий агрегат 1957 года развивал 29 л.с. при 17 000 об./мин.), но увеличение числа рабочих пар связано, в первую очередь, с желанием повысить ресурс, снизив обороты. Но одним из главных недостатков РПД является высокий расход масла (до 0,1 л на 100 км пробега), который связан с конструктивными недостатками герметизации камер сгорания. Она обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к стенкам статора центробежными силами, давлением газов и ленточными пружинами. Ресурс уплотнителей довольно мал из-за несовершенства используемых в наше время материалов. Не менее важным «минусом» считается высокий расход топлива – на легковом автомобиле он может достигать 20 литров на «сотню», а в связи с низкой степенью сжатия в окружающую среду попадает много несгоревшего горючего.

mazda 787

!Это интересно! Роторный двигатель принес единственную за всю историю победу японскому автомобилю в классе прототипов на престижнейших соревнованиях на выносливость «24 часа Ле-Мана». В 1991 году Mazda 787B, оснащенная 2,6-литровым 4-роторным двигателем мощностью 700 л.с., завоевала награду, пройдя всю гонку со средней скоростью 205,333 км/ч.

Зато «ванкель» более прост в ремонте, чем обычный ДВС, а его капитальный ремонт чаще всего сводится к замене всех уплотнителей в каждой из секций, а также роторов. Конечно, для механика, работающего с классическими моторами, ремонт новой конструкции займет много времени, но в Дальневосточном регионе достаточно грамотных специалистов, работающих с двигателями «Мазда» RX-серии. Раз уж упомянута эта линейка японских автомобилей, остановимся на них подробней. Вообще, первые модели Mazda с «роторами» появились в 1960-х годах, сейчас их продано уже более 2 миллионов по всему миру, а в Приморье в конце 1980-х стали привозить такие машины, как Mazda Cosmo. Сейчас популярными представителями класса у нас являются RX-7 и RX-8. Для этих спортивных машин нормой расхода масла считается 0,4-0,6 л на 100 км, но даже такие современные моторы очень требовательны к его качеству и составу. Двигатель Renesis, применяемый на выпускаемой ныне RX-8, «любит» только минеральное масло, от синтетики или полусинтетики быстро разрушаются уплотнители, значит, расход масла увеличивается, а ресурс силового агрегата резко снижается.

Итак, рассмотрен третий, последний из наиболее часто применяемых типов автомобильных моторов, стоящий в этом списке на последнем месте по степени востребованности, но не по сумме своих показателей. С одной стороны, «ванкель» опережает конкурентов с кривошипно-шатунным механизмом в отношении массы, размеров, простоты ремонта, но с другой – считается «грязным» в части выхлопа и неэкономичным. Но не стоит забывать, что классическому бензиновому и дизельному моторам уже больше сотни лет, а «машина с вращающимися поршнями» перестала считаться экзотикой лишь в конце XX века. Наука не стоит на месте.