Для того чтобы понять, почему промышленники перестали оснащать автомобили данным типом силового агрегата, полезно ознакомиться с принципом работы роторного двигателя. Зная основные характеристики, конструкцию, преимущества и недостатки, изучив типы РПД, можно оценить перспективы и вероятность дальнейшего серийного производства таких моделей машин.
Принцип работы роторного двигателя
Роторный двигатель работает по схеме, отличной от технологии, характерной для стандартного двигателя внутреннего сгорания с поршнями в качестве основного подвижного элемента. Также силовые агрегаты имеют разную конструкцию.
По аналогии с поршневым двигателем принцип работы РПД основан на преобразовании энергии, получаемой в результате сгорания топливовоздушной смеси. В первом случае давление, создаваемое в цилиндрах при сгорании топлива, заставляет двигаться поршни. Возвратно-поступательные движения шатуна и коленчатого вала преобразуются во вращательные движения, приводящие во вращение колеса.
Ротор движется во внутренней полости овальной капсулы, передавая мощность на сцепление и коробку передач. Благодаря своей треугольной форме он выжимает энергию из топлива, направляя ее через трансмиссию на колесную систему. Обязательным условием является использование в качестве материала легированной стали.
Внутри цилиндра, где расположен ротор, происходят следующие процессы:
- топливно-воздушная смесь сжимается;
- впрыскивается очередная доза топлива;
- поступает кислород;
- воспламеняется топливо;
- сгоревшие элементы отправляются в розетку.
Треугольный ротор закреплен на специальном механизме. При запуске двигателя он совершает специфические движения, не вращательные, а как бы бегущие внутри овальной капсулы.
Благодаря своей форме он образует в теле 3 изолированные камеры.
Они имеют следующие процессы:
- топливо подается в первую полость через входное отверстие и всасывается кислород, образуя при смешении смесь воздуха и топлива;
- сжатие и воспламенение происходят во втором отсеке;
- продукты сгорания вытесняются из третьей камеры.
Схема устройства РПД
В конструкцию РПД входят следующие элементы:
- Ротор с 3 выпуклыми гранями, выполняющими роль поршня. За счет углублений увеличивается скорость вращения, образуется больше места для топливовоздушной смеси.
- Металлические пластины прикреплены к верхней части каждой стороны. Его назначение – образование полостей в корпусе, где происходят рабочие процессы силовой установки.
- 2 металлических кольца по бокам ротора служат для образования стенок камеры.
- В центре конструкции находятся 2 больших колеса с большим количеством зубьев, которые вращаются вокруг шестерен меньшего диаметра. Зубчатая передача соединена с приводным устройством, установленным на выходном валу. От этой связи зависит направление и траектория движения внутри камеры.
- Корпус ротора. Он выполнен в виде условного овала. Такая конфигурация обеспечивает постоянный контакт вершин треугольника со стенками капсулы, создавая 3 изолированных газовых объема.
- Инжекторные и выхлопные окна. У них нет клапанов. Вход соединен с системой подачи топлива, а выход – с выхлопной трубой.
- Выходной вал эксцентриковой конструкции. Он имеет специальные кулачки, смещенные от центральной линии. На каждый из этих выступов ставится отдельный ротор. Из-за асимметричной установки происходит неравномерное распределение усилия прессования. Это приводит к созданию крутящего момента, который обеспечивает стабильную работу силовой установки на основе оборотов вала.
5 основных слоев, скрепленных по окружности длинными винтами, составляют стандартную конструкцию двухроторного двигателя. Это создает условия для свободной циркуляции теплоносителя внутри системы. Подвижные части, представленные 2 роторами и эксцентриковым выходным валом, расположены между 2 неподвижными секциями.
Мощность и ресурс
По сравнению со стандартным двигателем внутреннего сгорания роторный агрегат характеризуется более высокой удельной мощностью, измеряемой в л.с./кг. Это связано с меньшей массой подвижных частей, из которых состоит конструкция РПД. Обоснование: отсутствие газораспределительного механизма, клапанной системы, коленчатого вала и шатунов.
Также однороторный двигатель преобразует энергию сгорания топлива во вращательное движение за ¾ такта рабочего цикла. Для поршневых двигателей этот показатель снижается до ¼.
В результате при рабочем объеме 1,3 литра современный серийный РПД развивает мощность до 220 л.с. А если базовую конструкцию дополнить турбинным наддувом, то и до 350 л.с.
До 2011 года только японские производители концерна Mazda выпускали автомобили с роторными двигателями. А потом сняли агрегат с производства. Вероятная причина — заниженный ресурс силовой установки. До первого капремонта автомобили проезжают всего 100 тыс км. При аккуратной манере вождения и бережном отношении пробег увеличивается до 200 тыс км.
Уязвимым звеном являются уплотнения ротора, которые страдают от перегрева и высоких нагрузок. Помимо этих факторов, на них негативно влияет детонация и износ подшипников, расположенных на эксцентриковом валу.
Достоинства и недостатки роторного двигателя
Впервые автомобиль с роторной силовой установкой вышел на трассу для испытаний в 1958 году. У истоков его создания стоит Феликс Ванкель, имя которого часто называют РПД.
Игнорируя преимущества изобретения немецкого инженера, работавшего над ним вместе с коллегой-единомышленником Вальтером Фройде, многие автопроизводители не решились устанавливать новинку в серийные модели своих автомобилей.
К ним не относится Mazda, выпустившая первую версию автомобиля с роторной силовой установкой в 1967 году.
Достоинства РПД
Преимущества РПД:
- Высокий КПД до 40%. Обоснование: 1 оборот эксцентрикового вала соответствует 3 рабочим циклам.
- Упрощенный дизайн. В нем отсутствуют многие узлы, характерные для поршневых двигателей внутреннего сгорания, в том числе газораспределительный механизм, шатуны, клапаны и др.
- Высокая ротация. Двигатель на основе треугольного элемента ротора вращается до 10 тысяч об/мин.
- Плавная работа без вибраций. Объяснением является устойчивая ориентация движения ротора в одном направлении.
- Детонационная стойкость. Это позволяет использовать водород во время работы.
- Компактные размеры. По сравнению с поршневыми агрегатами габариты РПД в 2 раза меньше. Следствием этого является небольшой вес полностью укомплектованной конструкции и наличие свободного места для комфортного расположения водителя и пассажиров.
- Никаких дополнительных нагрузок при увеличении числа оборотов. Учитывая этот фактор, можно разогнать автомобиль до 100 км/ч на пониженной передаче.
- Остаток средств. Он позволяет более эффективно балансировать автомобиль, создавая стабильную устойчивость на любом дорожном покрытии.
Недостатки РПД
Конструкторы, разрабатывавшие роторную силовую установку, не смогли устранить недостатки:
- Основным недостатком создателей автолюбители считают ограниченный ресурс двигателя, оправданный конструктивными особенностями. Постоянные изменения рабочего угла наконечников вызывают их ускоренный износ.
- Срок годности заканчивается быстрее из-за колебаний температуры, сопровождающих каждый цикл. В сочетании с нагрузками, которым подвергаются трущиеся детали, они наносят непоправимый ущерб функциональным узлам и материалам. Проблему можно решить, впрыскивая минеральную смазку непосредственно в коллектор.
- Поскольку внутренние полости камер имеют серповидную форму, содержащееся в них топливо не сгорает полностью. Ротор, вращающийся со скоростью с ограниченной длиной хода, толкает горячие газы к выпускному отверстию. Наличие фрагментов масла в продуктах сгорания приводит к токсичности выбросов.
- Недостаточная герметичность конструкции, вызванная износом уплотнений, является причиной протечек между отсеками с большими перепадами давления между отсеками. В результате снижается эффективность и увеличивается ущерб окружающей среде.
- Высокий расход топлива. По сравнению с поршневым двигателем роторный агрегат расходует намного больше топлива (20 литров на 100 км) и масла (1 литр на 1 тыс км). Забывчивость водителя, пропустившего очередную заправку смазкой, приводит к внеплановому капитальному ремонту или полной замене двигателя.
- Для производства РПД используется высокоточное оборудование. К качеству материалов также предъявляются повышенные требования. В результате конечная стоимость роторного двигателя увеличивается.
Машины с роторным двигателем
К разработке усовершенствованных концепций силовой установки с основным конструктивным элементом в виде подвижного ротора привлекались и российские конструкторы, в том числе Зуев, Желтышев, ингушские изобретатели, братья Ахриевы.
Игнорируя инновации, двигатели Ванкеля до сих пор устанавливают на автомобили.
Модели РПД включают:
- Мазда РХ-8. Конструкторское бюро японской компании добилось успехов в усовершенствовании. Его последняя разработка объемом 1,3 литра развивает 215 л.с. Более поздняя версия того же объема выдает 231 л.с. Производство было остановлено в августе 2011 года в связи со снижением спроса.
- ВАЗ 2109-90. Такие машины использовались в служебных целях сотрудниками российских правоохранительных органов. Полицейские машины за 8 секунд могли разгоняться до 100 км/ч и развивать скорость 200 км/ч, легко обгоняя преступников. Выпускались также агрегаты большей мощности. Но высокая цена и малый ресурс не позволили РПД прижиться, и полиции пришлось пересесть на автомобили с поршневыми двигателями.
- Мерседес С-111. Впервые он был представлен автолюбителям на автосалоне в Женеве в 1970 году. Спорткар был оснащен трехкамерным двигателем Ванкеля. Максимальная скорость составляла 275 км/ч. Ему понадобилось 5 секунд, чтобы разогнаться до первой сотни.
- ВАЗ 21019 Аркан. Также модель была закуплена для нужд МВД. Обогнать на таких машинах советских полицейских и тем более уйти от преследования было невозможно. Большинство процессов заканчивались поимкой виновных. Объяснение этому — способность служебных автомобилей развивать максимальную скорость 160 км/ч. Трехсекционный двигатель объемом 1,3 литра выдавал 120 л.с.
Роторный двигатель – отличный вариант для спортивных и гоночных автомобилей, где не требуется большой ресурс. Скоростные и мощностные показатели позволяют надеяться, что промышленники обратят на него внимание и с небольшими доработками снова начнут выпускать автомобили с двигателями Ванкеля.
