Идея создания двигателя, который бы работал по принципу «крутить, а не толкать» впервые посетила ученых почти 100 лет назад. Однако сегодня об этом чуде автомобильного мира помнят, наверное, лишь 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
Основные узлы роторно-поршневого двигателя:
- 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).
Преимущества
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. Но есть и другие плюсы.
- 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.
