Среди типов автомобильных двигателей внутреннего сгорания, выпускавшихся серийно, особое место занимают РПД, роторно-поршневые или, для краткости, роторные моторы. Что они собой представляют и почему остаются редкостью
Двигатель Ванкеля от автомобиля Mazda RX-7
Что такое роторный двигатель
Роторный двигатель (роторно-поршневой, или РПД) — это бензиновый двигатель внутреннего сгорания, использующий вместо привычных поршней с шатунами ротор треугольного сечения, вращающийся в полости корпуса. Отсутствие упомянутых тяжелых компонентов, а также коленвала и газораспределительного механизма позволяет получить легкий, компактный ДВС с высокой мощностью уже при небольшом рабочем объеме.
Первым серийным автомобилем с РПД стал миниатюрный Spider немецкой компании NSU, выпускавшийся с 1964 по 1967 год тиражом 2375 экземпляров. Работы по совершенствованию РПД, отличавшихся большим расходом топлива, в большинстве стран прекратились с началом нефтяного кризиса 1973 года, когда из-за резкого роста цен на бензин экономичность превратилась в одну из ключевых характеристик мотора. В СССР, взяв за образец роторный двигатель NSU, АвтоВАЗ после ряда неудач создал РПД (1,3 л, 140 л.с.), который уже в постсоветский период устанавливался на ВАЗ 21079 для спецслужб. Окончательно работы по роторной тематике в Тольятти свернули лишь в 2004 году.
NSU Spider (1964 год) — первый серийный автомобиль с РПД
Дольше других (до 2012 года) РПД на своих моделях использовала Mazda. Она же в 2023 году и вернула этот двигатель под капот своего компактного кроссовера МХ-30 в гибридной версии e-Skyactiv R-EV, но уже исключительно в качестве привода генератора для зарядки тяговой батареи, питающей электромотор на передней оси. Здесь РПД почти постоянно работает в установившемся, максимально экономичном режиме с приемлемым количеством вредных выбросов. Обнулить их позволит перевод РПД на водородное топливо. Такие проекты находятся в стадии разработки. В настоящее время РПД применяются и на некоторых моделях боевых дронов.
Кто придумал роторный двигатель
Еще одно имя роторного двигателя — ванкель по аналогии с дизелем, названным в честь Рудольфа Дизеля, изобретателя ДВС с самовоспламенением рабочей смеси. Впрочем, у РПД не один родитель. Автором концепции роторно-поршневого двигателя был Вальтер Фройде, руководитель группы инженеров компании NSU. Там же после Второй мировой войны работал Феликс Ванкель, долгое время занимавшийся созданием специальных уплотнений, без которых невозможно обеспечить достаточный ресурс РПД. Истории было угодно, чтобы именем нарицательным стала фамилия Ванкель.
Слева — роторный двигатель в разрезе, с ротором, изготовленным в форме треугольника Рёло. Справа — Феликс Генрих Ванкель, соавтор изобретения роторно-поршневого двигателя (так называемого двигателя Ванкеля), который был впервые показан в 1957 году вместе с инженером компании NSU Вальтером Фройде, которому и принадлежала идея данной конструкции двигателя.
У первого опытного образца РПД ротор был неподвижен, а вращался сам корпус двигателя, но такая схема оказалась нерациональной, и от нее при проектировании мотора, пошедшего в серию в конце 1950-х, отказались в пользу ставшей классической версии с вращающимся ротором. NSU продала лицензию на выпуск РПД почти сотне автомобильных компаний, в том числе большому количеству японских.
Принцип работы роторного двигателя
Главными компонентами РПД являются:
Ротор треугольного сечения со скругленными вершинами, выполняющий роль поршней и шатунов в классическом ДВС, которые отвечают за передачу крутящего момента. Роторов может быть не один, а пара.
Статор (корпус) с внутренней овальной полостью, внутри которой вращается ротор, создавая при своем перемещении отдельные серповидные камеры, в которых происходит образование рабочей смеси, ее сжатие и воспламенение с последующим удалением отработавших газов.
Специальные уплотнители на поверхностях ротора, контактирующих со статором. Уплотнители обеспечивают надежную герметизацию камер, образующихся при вращении ротора.
Впускные и выпускные окна в стенках статора, заменяющие вместе с ротором классический механизм газораспределения с кулачковыми валами и клапанами.
Эксцентриковый вал, обеспечивающий вращение ротора внутри полости статора по сложной траектории и воспринимающий крутящий момент (как коленвал в классическом ДВС), который затем через трансмиссию передается на колеса.
Система смазки.
Система охлаждения.
Форсунки (ранее — карбюраторы) для подготовки рабочей смеси.
Цикл двигателя Ванкеля: впуск (голубой), сжатие (зеленый), рабочий ход (красный), выпуск (желтый)
Чем роторный двигатель отличается от обычного
РПД работает по тем же циклам, что и классический четырехтактный ДВС (впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск), и имеет схожие системы топливоподачи и воспламенения рабочей смеси, а также охлаждения и смазки. Вместе с тем у РПД имеется ряд существенных отличий:
Если в классическом ДВС энергия сгорания рабочей смеси сначала преобразуется в возвратно-поступательное движение поршней и лишь затем во вращение коленчатого вала, то в РПД промежуточное передаточное звено отсутствует, что увеличивает эффективность двигателя.
Отсутствие клапанного механизма, создающего турбулентность внутри камеры сгорания, приводит в РПД к неоднородности рабочей смеси, что негативно сказывается на полноте ее сгорания и, как следствие, экономичности и чистоте выхлопа.
Необходимость смазки уплотнений РПД приводит к тому, что часть масла, смешиваясь с рабочей смесью, сгорает вместе с ней. Это не только существенно увеличивает расход моторного масла, но и предъявляет к лубриканту повышенные требования в отношении образования нагара. Здесь минеральные масла предпочтительнее синтетических, но интервалы замены сокращаются примерно до 5000 км.
Плюсы и минусы роторного двигателя
РПД очень контрастен по своим потребительским качествам.
К плюсам роторов относятся:
Меньшее на 35–40% количество деталей, чем в классическом ДВС, и вытекающая отсюда компактность. При сопоставимой отдаче РПД занимает вдвое меньше места.
Высокая мощность при небольшом рабочем объеме.
Компактность РПД, его небольшая высота по сравнению с рядными и V-образными поршневыми двигателями позволяют получить более низкий центр тяжести автомобиля, что дает выигрыш в устойчивости машины.
Отсутствие традиционной поршневой группы с ее возвратно-поступательными движениями делает РПД менее вибронагруженным, что положительно сказывается на ездовом комфорте.
Бóльшая, чем у классических ДВС, устойчивость к высоким оборотам позволяет разгонять автомобиль на низших передачах до максимально возможных на них скоростей без перегрузки двигателя.
Более высокая стойкость к детонации благодаря тому, что возникающая при ней разрушительная энергия действует в направлении вращения ротора, а не в противоход движению поршней, как в классических ДВС.
Роторно-поршневой двигатель Renesis, установленный на автомобиле Mazda RX-8
Немало у роторов и минусов:
Неоптимальная форма камеры сгорания и неоднородность подаваемой в нее рабочей смеси — причины высокого расхода топлива.
Высокий расход масла, который может доходить до 1 л на 1000 км. Игнорирование этой особенности неизбежно ведет к серьезному повреждению двигателя.
Неполнота сгорания рабочей смеси и попадающего в нее масла становится причиной повышенной токсичности выхлопа.
Быстрый износ уплотнителей ротора, испытывающих воздействие высокого давления и существенно бóльших, чем у классических ДВС, перепадов температур, оборачивается нарушением герметичности камер, которые образуются при вращении ротора, и снижением отдачи двигателя.
Низкая ремонтопригодность. В случае появления задиров на стенках полости статора последняя не подлежит расточке, поскольку ремкомплектов под увеличенный размер не производится.
Высокая стоимость РПД, обусловленная повышенными требованиями к качеству материалов и точности изготовления элементов конструкции.
