Не оправдавший надежды
Немецкая фирма NSU оставила заметный след в истории мирового автомобилестроения благодаря созданию роторно-поршневого двигателя. Это заслуга ее инженера Феликса Ванкеля, чье имя и получил данный очень интересный мотор (РПД Ванкеля).
Немецкий период
Необходимо сразу отметить, что роторно-поршневой двигатель – это целое направление в моторостроении. Придумано огромное количество их разнообразных конструкций. Однако единственным доведенным до серийного производства представителем племени, в котором функцию поршня выполняет вращающееся тело, является именно РПД Ванкеля. Феликс Ванкель получил патент на свое изобретение в 1957 году. Первый в мире серийный автомобиль с роторно-поршневым двигателем (заднемоторный NSU Spider) начали выпускать в 1964 году, в 1967-м запустили в производство переднеприводный NSU Ro 80, завоевавший титул «Автомобиль года». А затем. NSU сошла со сцены – ее «проглотил» Volkswagen. Однако на этом развитие РПД Ванкеля не прекратилось – дело продолжила японская Mazda, причем весьма успешно. О достижениях японской компании поговорим позднее, а пока рассмотрим устройство немецкой диковинки. Предложенный Ванкелем двигатель состоял из трех основных компонентов: корпуса (в литературе его также называли картером или статором), ротора и эксцентрикового вала. Отличительной особенностью данного РПД является выполненная по эпитрохоиде внутренняя поверхность корпуса и трехгранная форма ротора. К боковой крышке корпуса прикреплена шестерня, которая при работе двигателя остается неподвижной. Другая шестерня с внутренним зацеплением соединена с ротором. Отношение количества их зубьев равно 2 : 3. Ротор через подшипник надет на эксцентрик вала и при поворачивании вала совершает сложное движение – он вращается вокруг своей оси, а та, в свою очередь, описывает окружность вокруг оси вала. Такая конструкция двигателя обеспечивает постоянное прилегание граней ротора к внутренней поверхности корпуса. При этом образуются три полости, объем которых зависит от положения вала и при его вращении периодически меняется (то увеличивается, то уменьшается). Получается как у обычного поршневого мотора, что позволяет реализовать хорошо известный четырехтактный цикл, т.е. впуск, сжатие, сгорание-расширение и выпуск. Все четыре такта в одной полости (камере) осуществляются за один оборот ротора, а камер три. Но если учесть, что эксцентриковый вал вращается в 3 раза быстрее ротора, то на один оборот двигателя приходится один рабочий такт. Следовательно, однороторный РПД можно сопоставить с одноцилиндровым 2-такт-ным или 2-цилиндровым 4-тактным мотором. Нельзя не отметить и обстоятельство, связанное с определением литража двигателя. Рабочий объем одной полости равен разности между ее максимальным и минимальным объемами, и их отношение дает степень сжатия. В обычном четырехтактном одноцилиндровом моторе количество топливовоздушной смеси, равное рабочему объему цилиндра, сжигается за два оборота коленчатого вала, а РПД с одним ротором за те же два оборота «пропускает через себя» смеси в 2 раза больше. Отсюда при равном рабочем объеме мощность роторного двигателя получается в 2 раза больше. Чтобы уравнять моторы (для удобства сравнения их характеристик), придумали выражать рабочий объем РПД двойной величиной, что вроде бы разумно. Но тут возникла путаница, так как в обращении оказались обе эти величины. Поэтому надо понимать, о чем в каждом конкретном случае идет речь. В качестве примера рассмотрим «движок» NSU Spider. Рабочий объем его камеры равен 497,5 см3; степень сжатия 8,5; мощность 54 л.с. при 6000 об/мин. Такая мощность соответствует литровому бензиновому мотору тех лет, поэтому приведенный (эквивалентный) рабочий объем рассматриваемого РПД определяют в 995 см3. Кстати, а как собирать налоги в тех странах, где ориентируются на «кубатуру» двигателей? Может быть, начислять даже не в двойном, а в тройном размере по отношению к объему полости, так как их три? Но это так, курьез. Камера сгорания у двигателя Ванкеля имеет серпообразную форму, которая весьма далека от оптимальной с точки зрения тепловых потерь. А это предопределяет повышенное потребление топлива. Не все хорошо получается и с токсичностью отработавших газов. Много неприятностей разработчикам доставило уплотнение ротора – оно получалось сложным и не обеспечивало необходимой герметичности, а также быстро изнашивалось. Потребовала к себе повышенного внимания и свеча зажигания – в силу конструктивных особенностей она не охлаждалась свежей смесью, а посему часто отказывала. Значительным событием стало появление NSU Ro 80. Автомобиль создан с максимальным использованием достоинств РПД. 115-сильный двухроторный мотор (объем камеры каждого ротора остался как у Spider, а суммарный «литраж» удвоился; эксцентрики сдвинуты друг относительно друга на половину оборота вала) расположен в переднем свесе. В результате получился просторный салон. NSU Ro 80 разгоняется до 100 км/ч за 12,8 с; достигает скорости 180 км/ч; расход топлива составляет 11,2 л на 100 км пути. Подведем промежуточный итог. По сравнению с обычным поршневым мотором той же мощности двигатель Ванкеля получается компактнее и легче, но отличается повышенным аппетитом и имеет больше проблем с экологией. Он хорошо уравновешен, однако желательно увеличить надежность и долговечность. Все сказанное относится к раннему периоду развития РПД. В дальнейшем его параметры удалось значительно улучшить, но и «шевелящие поршнями» тоже не стояли на месте и значительно продвинулись и по экономичности, и по экологичности, и по степени форсирования. В итоге реальной конкуренции со стороны РПД Ванкеля так и не получилось.
Японская эра
Появление работоспособного роторного двигателя произвело сильное впечатление на мировую научно-техническую общественность. Многие фирмы закупили лицензии. РПД Ванкеля пытались применять в авиации, на водном транспорте, для газонокосилок, использовать в качестве стационарных для привода электрогенераторов и насосов. Для установки на мотоциклы создали роторные двигатели с воздушным охлаждением. Однако, несмотря на все усилия конструкторов, особого успеха эта деятельность не принесла. Хотя не обошлось и без исключения – Mazda, купив лицензию у немцев, внесла в двигатель собственные изменения и с 1967 года начала серийно комплектовать ими свою продукцию. Первым японским автомобилем с РПД стал двухместный спортивный Mazda Cosmo Sport (110S). Его 110-сильный двигатель (2 ротора, объем каждой камеры 491 см3) позволял достигать скорости 185 км/ч. За ним последовали другие. Выпуском роторных автомобилей фирма занималась более четырех десятилетий, причем в весьма приличных количествах. Большинство моделей могли комплектоваться как роторным, так и обычным моторами. К сожалению, при таком подходе теряется одно из главных достоинств РПД – его компактность. Зато увеличивается тираж, что благоприятно сказывается на цене. Среди роторных «японцев» были и более, и менее удачные модели. Значительным успехом стало создание в 1978 году Mazda Savanna RX-7. 2-роторный 130-сильный мотор разгонял 4-местный автомобиль до 180 км/ч. Специалисты фирмы постоянно занимались совершенствованием конструкции роторного двигателя. В целом нововведения шли в том же направлении, что и у обычных моторов. На смену карбюратору пришел электронный впрыск, электронным стало и зажигание. Экспериментировали с впускными трубопроводами, применяли турбонаддув, создавали устройства дополнительной очистки отработавших газов. Вершиной достижений стал 230-сильный «движок» RENESIS для 4-дверного купе Mazda RX-8. Компания всемерно старалась привлечь внимание к роторным двигателям, в том числе участвуя в соревнованиях «24 часа Ле Мана». В 1991 году пришел большой успех – роторная Mazda 787В с бортовым номером 55 выиграла эту престижнейшую гонку.
Отечественная эпопея
Отдельная страница в истории РПД – работы по данной теме в СССР, а затем и в России. Мы лицензию не покупали – перед тем как платить деньги, надо сначала разобраться, за что. Вот мы и разбирались. А позднее оказалось, что сделали правильно – платить-то было не за что. Все фирмы, кроме Mazda, купившие лицензию, их повыбрасывали. Кроме того, любая индустриально-развитая держава, а Советский Союз, несомненно, был таковой, должна быть в курсе всех нюансов развития техники, что заставляло нас заниматься и данной тематикой. В нашей стране работы по РПД велись несколькими организациями, в том числе мото- и автостроителями. В Серпухове создали несколько моделей мотоциклов с такими моторами. Их испытывали, и они даже принимали участие в соревнованиях. Существенных успехов в роторном деле добились в Тольятти. На ВАЗе своими силами сумели разработать целое семейство двигателей мощностью от 40 до 200 л.с., причем наибольшие усилия были направлены на 120- и 140-сильные варианты. Первоначально идея заключалась в создании «бешеных» «Жигулей» примерно таким путем, как в Горьком поступали с «Волгами», оснащая их силовыми агрегатами от «Чайки». Эти автомобили предназначались для спецслужб, и они были созданы и производились в небольших количествах. Затем волжскими РПД заинтересовались авиаторы, например, была предпринята попытка установить их на легкий вертолет Ми-34. Во второй половине 1990-х годов роторные машины из Тольятти даже стали поступать в свободную продажу. Эпопея с РПД закончилась, когда на ВАЗ пришла компания Renault. Французы действовали по хорошо известному принципу: экономика должна быть экономной. Подробнее о ВАЗовских роторных изделиях и возможностях их обслуживания наш журнал рассказал в № 3/2002. В заключение вновь вернемся в Японию. В июне прошлого года Mazda выпустила последний роторный автомобиль (RX-8), и в настоящее время такие транспортные средства нигде в мире не производятся, по крайней мере, серийно. По поводу дальнейшего хода событий от пресс-службы компании поступают противоречивые сведения. Так и должно быть – фирма подогревает интерес к своей продукции. Попробуем порассуждать о перспективах РПД Ванкеля. В последние десятилетия направление развития мирового моторостроения в основном задавалось законодателями, которые, стараясь угодить избирателям (и это хорошо), принимали один за другим все более жесткие экологические стандарты. Но теперь проблема загрязнения окружающей среды автомобилями практически решена (Euro VI вступили в действие) и на первый план вышла обеспокоенность по поводу изменения климата. То ли происходит потепление, то ли похолодание. Пока точно не известно, но виновный уже назван – парниковые газы, а значит, с ними надо бороться. Это очень выгодно для имиджа слуг народа. А что эта борьба означает для автомобилестроения? Ответ прост: повышение КПД силовой установки и снижение массы транспортного средства посредством уменьшения его размеров и применения легких материалов в конструкции. Здесь и кроется основная опасность для роторных двигателей – по экономичности они далеко не лидеры. Правда, остается надежда на подзаряжаемые гибридомобили. Эти транспортные средства имеют приличный пробег на электротяге и при небольшой протяженности поездок им двигатель внутреннего сгорания особо и не нужен. В таких случаях ДВС фактически превращается в балласт, и главное требование к нему – низкая масса и малый размер, т.е. то, чем отличаются РПД. Кроме того, роторные двигатели неплохо проявили себя при работе на водороде, а футурологи называют водород топливом будущего. Так что для РПД Ванкеля пока еще не все потеряно. Уникальную информацию по устройству, эксплуатации и ремонту систем турбонаддува смотрите на сайте turbomaster.ru
