Несмотря на то, что идея создания двигателя, который бы работал по принципу «крутить, а не толкать» впервые посетила ученых почти 100 лет назад, сегодня об этом чуде автомобильного мира помнят разве что только фанаты марки Mazda. Именно Mazda первой приобрела лицензию на роторные моторы и дольше остальных выпускала с ними автомобили. Их модель RX-8 так и вообще, кажется, стала последним в мире серийным автомобилем с «треугольными» поршнями.
Концепция, а также первый рабочий прототип двигателя с треугольным ротором принадлежит инженеру-самоучке Феликсу Ванкелю. Именно он впервые вдохновился идеей, а затем создал упрощенную конструкцию мотора, сердцем которого стал поршень, имеющий вид треугольника Рёло.
Поскольку треугольник Рёло является фигурой постоянной ширины, это придает ему некоторые особенности. Например, если зажать его в цилиндрической полости и начать вращать, его вершины всегда будут соприкасаться с обеими стенками этой полости. Это свойство и взял за основу Ванкель при создании своего первого роторного двигателя.
Как устроен двигатель Ванкеля
Основными узлами роторно-поршневого двигателя являются:
- эксцентриковый вал и насаженная на него шестерня;
- треугольные роторы, выполняющие роль поршней;
- статоры овальной (эпитрохоидальной) формы, образующие рабочие камеры.
Ротор приводит в действие эксцентриковый вал, траекторию движения которого задает неподвижная шестерня, закрепленная на корпусе статора. Во время вращения каждая вершина треугольного поршня создает камеры с переменным объемом — все четыре такта работы двигателя здесь происходят за один полный оборот ротора или три оборота эксцентрикового вала, в то время как в обычном поршневом моторе на один такт приходится два оборота коленчатого вала.
Когда поршень начинает движение, размер рабочей камеры увеличивается, тем самым создается разрежение, которое засасывает топливо-воздушную смесь (Intake). Двигаясь дальше по окружности, поршень перекрывает окно впуска, а размер камеры начинает уменьшаться — происходит такт сжатия (Compression). В конце такта сжатия с помощью свечей зажигания сжатая смесь воспламеняется и толкает поршень дальше. Ротор, воспринимая на себя давление сгораемой смеси, раскручивает эксцентриковый вал (Ignition). В завершающем четвертом такте, ротор открывает выпускное окно, через которое отработанные газы выходят из рабочей камеры (Exhaust).
Малые габариты и меньшее количество подвижных деталей
Конструкция двигателей с треугольным ротором позволяет осуществить 4-тактный цикл без применения классического механизма газораспределения, что делает их намного проще и легче обычного поршневого двигателя и позволяет до 40% сократить количество подвижных деталей.
Высокая плавность
Отсутствие возвратно-поступательных движений позволяет снизить вибрацию — двигатель работает плавнее и быстрее раскручивается до высоких оборотов. Вращается сам поршень, поэтому мотор можно уравновесить просто идеально.
Хорошая разгонная динамика
Высокие динамические характеристики роторных моторов позволяют им без лишней нагрузки разгонять автомобиль до высоких скоростей. При этом их удельная мощность остается почти в два раза выше, чем в аналогичных поршневых двигателях.
Недостатки
Несмотря на очевидные плюсы, этот тип ДВС так и не смог получить широкого распространения, что связано сразу с несколькими причинами.
Перегрев и низкий ресурс
Для двигателя Ванкеля характерна очень высокая рабочая температура, что вынуждает производителей охлаждать не только статор, но и сам поршень. Камера сгорания имеет линзовидную форму, из-за чего ее площадь получается большой относительно объема, а сгорание топливо-воздушной смеси постоянно происходит в одной области двигателя с большой площадью стенок. Отсюда большой теплоперепад и, как следствие, низкий ресурс самого двигателя.
Проблема с уплотнениями
Ротор своими вершинами постоянно сохраняет контакт с внутренней поверхностью статора, поэтому для изоляции камер используются специальные уплотнительные элементы, именуемые апексами. Они устанавливаются на вершинах ротора и герметизируют камеры при вращении, однако работают в тяжелых условиях. При этом форма апексов такова, что пружинными, как в обычных поршневых двигателях, их не сделаешь. Это накладывает определенные проблемы, в частности, появляется большой риск прорыва газов в соседние камеры.
Большой расход масла и топлива
Конструкция мотора с треугольным ротором подразумевает смазку уплотнений и стенок рабочей камеры маслом, поэтому такие двигатели подвержены повышенному расходу масла. Относительно низкая степень сжатия и прорыв газов через уплотнители приводят также и к повышенному расходу топлива.
Низкая экологичность
Совокупность от неэффективного сгорания топлива и прожорливости масла роторных двигателей приводит в итоге к тому, что им становится все сложней уложиться в современные нормы экологичности.
Почему не получилось
История автомобильной промышленности знала много примеров, когда многообещающая идея заводила в тупик, и двигатель с треугольным ротором — один из самых показательных случаев. Однако автопроизводители пока не спешат ставить на роторных моторах крест. Повсеместное распространение гибридных версий автомобилей в будущем может вернуть роторно-поршневые двигатели к жизни, так как именно в этом тандеме им пока нет равных — они превосходно справляются с генерацией энергии для подзарядки аккумуляторных батарей.