сообщение №1027

Роторный двигатель Ванкеля

Редкий год обходится в автомобильном мире без сенсаций. То вдруг один компоновочный принцип получает статистическое превосходство над другим, то появляется диковинной формы кузов, то наносит удар конкурентам «сверхкомфортабельный» автомобиль, то, наоборот, теснит соперников на рынке «сверхдешевый»... Но есть одна проблема, которая все время владеет умами конструкторов заводов и фирм — это наделавший много шума тринадцать лет назад роторный двигатель. Между тем он почти так же стар, как и его поршневой собрат. Еще в 1799 году, спустя лишь тридцать лет после появления паровой поршневой машины, англичанин Д. Мардок построил первый паровой роторный двигатель шестеренчатого типа.

В двадцатом веке немало изобретателей пыталось создать роторный двигатель внутреннего сгорания. Было зарегистрировано свыше 30 тысяч патентов на изобретения в этой области. Однако из-за несовершенства уплотнений между роторами и корпусом все попытки оказались безуспешными.

Создателем работоспособного двигателя такого типа стал Феликс Ванкель. Он в течение многих лет в исследовательском институте занимался изучением разного типа уплотнений, работающих в условиях высоких давлений и температур. Немецкому изобретателю удалось найти верное решение идеи роторного двигателя. Первые патенты Ванкель получил в 1929 году. Через пять лет, совместно с фирмой БМВ, он построил экспериментальный мотор, оказавшийся, однако, далеким от совершенства. Свои исследования Ванкель продолжил после войны, когда стал сотрудничать с заводом НСУ. Много времени ушло на теоретические разработки, изучение и выбор наивыгоднейших параметров. Первый работоспособный мотор был построен в феврале 1957 года. И лишь семь лет спустя завод начал мелкосерийное производство автомобилей «НСУ-Спайдер» с роторным двигателем («За рулем», 1965, № 12). Позже был развернут серийный выпуск других моделей с «ванкелями»: НСУ-Ро80 («За рулем», 1968, № 4), «Мазда-110С космо спорт» («За рулем», 1970, № 2), «Мазда-Р100» и совсем недавно «Ситроен-М35» («За рулем», 1970, № 6).


Как работает роторный двигатель?

Его основная деталь, трехгранный ротор, вращается на игольчатом или скользящем подшипнике, установленном между ротором и эксцентриком, который составляет одно целое с валом мотора. К ротору прикреплена шестерня, а к боковой крышке картера двигателя — неподвижная шестерня, отношение зубьев которых равно 3:2. Таким образом, при вращении вала ротор не только движется вместе с ним, но и поворачивается относительно оси эксцентрика (как сателлит относительно оси водила в планетарном механизме). Благодаря этому при вращении обеспечивается постоянный контакт ребер ротора со
стенками рабочей полости корпуса. Ее конфигурация выбрана и выполнена таким образом, чтобы объем, ограниченный стенками рабочей полости, стенкой и двумя ребрами ротора, при вращении вала циклически изменялся. Рабочая смесь, всасываемая в эту постоянно меняющуюся по объему камеру через впускной клапан, последовательно сжимается, воспламеняется одной или двумя свечами, расширяется, поворачивает ротор, совершая работу, и выходит в атмосферу через выпускной канал. Для герметизации камер грани роторов снабжены уплотнителями.

Ротор вращается втрое медленнее вала. За полный оборот ротора совершается три рабочих такта — каждая из трех камер успевает пройти мимо свечи, которая воспламеняет сжатую в камере смесь. Следовательно, у «ванкеля» три рабочих такта совершаются за три оборота его вала, и по равномерности работы этот двигатель подобен одноцилиндровому двухтактному или двухцилиндровому четырехтактному.

Рабочий объем одной камеры представляет собой разность между ее максимальным и минимальным объемами, а степень сжатия выражается их отношением. У мотора «НСУ-Спайдер», например, эти величины составляют 497,5 см3 и 8,5.

Поршневой четырехтактный одноцилиндровый двигатель за два оборота коленчатого вала сжигает количество горючей смеси, равное рабочему объему цилиндра. Роторный же за два оборота сжигает вдвое больше смеси. Поэтому условились считать его рабочий объем равнозначным двойному объему камеры. Таким образом, «НСУ-Спайдер» можно сравнивать по этому параметру с 995-кубовым поршневым двигателем.


Достоинства роторного двигателя.

Прежде всего, он очень компактен. Так, мотор японского автомобиля «Мазда-110С космо спорт» при мощности 110 л. с. имеет длину 508 мм, ширину 594 мм, высоту 537 мм и весит 102 кг. Столь небольшие габариты позволили установить его в моторном отсеке автомобиля «Мазда-Р100», где мог бы разместиться поршневой двигатель лишь вдвое меньшего литража и мощности.

В сравнении с поршневыми роторные двигатели менее металлоемки и, следовательно, имеют меньший удельный вес. Важным, но не решающим, правда, преимуществом этих моторов является их хорошая уравновешенность. Двухроторный НСУ-Ро80 с эксцентриками вала, размещенными под углом 180 градусов, равноценен четырехтактному четырехцилиндровому поршневому двигателю. В последнее время появились и трехроторные конструкции, например, «Мерседес-Бенц-К111» («За рулем», 1970, № 1), имеющие еще более совершенную уравновешенность. На женевской выставке этого года демонстрировался экспериментальный спортивный автомобиль «Мерседес-Бенц» с четырехроторным мотором (4800 см3, 350 л. с. при 7000 об/мин), весящим 180 кг.

Автомобиль «Мазда-Р100» с роторным двигателем имеет классическую компоновку (в то время как НСУ-Ро80 и «Ситроен-М35» выполнены с передними ведущими колесами).

Однако рано говорить о том, что приход «ванкелей» должен поставить крест на поршневых конструкциях.


Минусы роторных двигателей.

Минусы роторных моторов еще довольно существенны, и это препятствует их широкому распространению. Поскольку распределение в них осуществляется кромкой ротора, неизбежен частичный выброс свежей смеси в выпускное окно. Велика утечка смеси из одной камеры в другую и при прохождении кромки ротора над углублением в рабочей полости для свечи. Наконец, вызываемая силами инерции вибрация уплотнительных пластин и прижимающих их пружин также способствует нежелательному прорыву сжатой смеси в соседнюю камеру. Все это неизбежно для нынешней конструктивной схемы и в сумме приводит к тому, что автомобиль с роторным двигателем расходует горючего на 20—30 процентов больше, чем равная по мощности, рабочему объему и весу машина с поршневым.

Другим, уже органическим недостатком «ванкеля» является то, что отношение поверхности камеры сгорания к ее объему очень велико. Температура стенок камеры поэтому ниже, чем у поршневого двигателя. Многие углеводороды, входящие в состав топлива, не успевают полностью сгорать, и отработавшие газы содержат больше вредных примесей, чем «выхлоп» поршневого мотора.

Еще один «минус» — роторный двигатель плохо приспосабливается к изменениям нагрузки, у него мал рабочий диапазон чисел оборотов. Правда, против этого недостатка найдена контрмера — карбюратор с двумя последовательно работающими смесительными камерами (диаметр их составляет 18 и 32 мм у НСУ и 21 и 28 мм у «Мазды»).

Характеристики «ванкелей» все еще оставляют желать лучшего. По сравнению с поршневыми двигателями роторные недостаточно гибки в работе. Компенсировать это нежелательное свойства можно усложнением трансмиссии автомобиля. Так, у НСУ-Ро80 и «Мерседес-Бенц-К111» узкий диапазон оборотов (всего лишь около 1000—2000 в минуту) потребовал применения пятиступенчатой и даже автоматической (НСУ-Ро80) коробки передач. Можно улучшить наполнение двигателя смесью на малых оборотах и таким образом расширить диапазон работы ценой уменьшения максимальной мощности. Для этого, так показал опыт, необходимо разместить впускные окна не в стенке корпуса (как у НСУ-Ро80 или «Мерседес-Бенц-К111»), а в боковых крышках («Мазда», «Кертисс-Райт»). Утечка смеси на малых оборотах уменьшается, но одновременно ухудшается наполнение на высоких оборотах.

НСУ-Ро80 и «Мацуда-100С», имеющие степень сжатия 9,2—9,4, работают на бензине с октановым числом соответственно 88 и 91. Масло в двигателе сменяется через 20000 (НСУ-Ро80) и 10000 км («Мазда-100С»), а замена свечей (склонных к замасливанию) необходима через 10 000 км.

Картеры изношенных двигателей не подлежат ремонтной расточке как цилиндры поршневых моторов — их восстанавливают электролитическим способом, нанося слой нового покрытия в специальных мастерских.

Уплотнения, эффективные и надежные, долгое время были проблемой для изобретателей роторных моторов. И сегодня еще этот узел, работающий в очень тяжелых условиях (высокие температура и давление, значительные инерционные нагрузки), доставляет немало хлопот конструкторам. Для смазки деталей уплотнений пришлось впрыскивать масло в карбюратор.

Отложения нагара препятствовали перемещению уплотнительных пластин ротора в пазах.

Много трудностей создавал значительный и вдобавок неравномерный износ самих пластин. Подбором материалов его удалось заметно снизить. Так, завод НСУ, сначала делавший пластины угольными, сейчас склонился в пользу хромистого чугуна, близкого по составу к тому, что идет на поршневые кольца. Подобный материал избрал и завод «Кертисс-Райт» (США). А «Мазда» все же держится угольных пластин.

Внутреннюю полость алюминиевого картера для уменьшения износа покрывают либо твердым хромом («Мазда»), либо слоем карбида вольфрама толщиной 0,23 мм («Кертисс-Райт»). Более редкое покрытие применяет НСУ — слой никеля с пылевидными частицами карбида кремния. Такие дорогие технологические ухищрения все же оправдывают себя — за 100 часов работы износ рабочей полости не превышает 0,007— 0,01 мм.

Сегодня роторные двигатели способны переносить достаточно продолжительно высокие нагрузки. Так, машины «Мазда-Р100» в 1969 году заняли пятое и шестое места на гонках в бельгийском городе Спа. За 24 часа они прошли соответственно 4046 и 3975 км, показав средние скорости 168,6 и 165,5 км/час.

Ротор является наиболее сложной частью двигателя. Чаще всего его делают из чугуна. В нем монтируются самые ответственные детали — уплотнительные пластины, прижимаемые к рабочей поверхности полости ленточными пружинами. Ротор охлаждается изнутри маслом. Для того чтобы уплотнительные пластины изнашивались равномерно, их делают разрезными, а цилиндрические сухарики обеспечивают правильную установку пластины относительно ротора.

Во время работы двигателя ротор непосредственно не соприкасается с внутренней полостью — контакт осуществляется при помощи радиальных и торцовых пластин. Это означает, что двигатель может работать сразу же с полной нагрузкой независимо от приработки деталей.

Исследования в области роторных двигателей ведутся сегодня почти двумя десятками заводов во всем мире. Многие из них купили лицензию у НСУ («Тое Когё», «Даймлер-Бенц», «Кертисс-Райт», «Альфа-Ромео», «Роллс-ройс», МАН, «Янмар», «Сакс», «Перкинс»). Некоторые предприятия, в том числе «Рено» во Франции, научно-исследовательские организации в СССР, Чехословакии, Польше занимаются самостоятельными разработками.


Каковы же перспективы роторных двигателей?

Многие специалисты считают, что они вряд ли смогут «найти широкое применение на мотоциклах, но оптимистически смотрят на использование их в качестве лодочных моторов, переносных силовых агрегатов, двигателей для вертолетов. Что касается установки «ванкелей» на автомобилях, то пока лишь три завода («Тое Когё», НСУ и «Ситроен») отважились на такой шаг, а «Даймлер-Бенц», «Кертисс-Райт» и другие ограничиваются пока опытными образцами.

Объем производства этих машин пока невысок — примерно 15—20 тысяч в год. Однако в нынешнем году японская фирма «Тое Когё» обещала выпустить свыше 100 тысяч автомобилей «Мазда» моделей «110С» и «Р100». Естественно, что с масштабами производства связаны себестоимость и цена автомобиля. В 1969 году НСУ-Ро80 и «Мазда-100С» стоили в продаже на 35—40 процентов дороже равных им по мощности, весу и вместимости легковых машин с поршневыми двигателями. «Мазда-Р100» в Японии (в Европу она пока не ввозится) в полтора—два раза дороже аналогичных машин с поршневым мотором. Однако, по расчетам экономистов, «ванкели» при равных объемах производства с нынешними поршневыми моторами обойдутся в полтора раза дешевле их.

Можно ли сегодня сделать решительный прогноз о дальнейшей судьбе роторного двигателя? Пока он проходит «акклиматизацию» в мире моторов, постепенно изживая «минусы» и наращивая «плюсы». Очевидно, в ближайшие годы о вытеснении поршневого двигателя роторным говорить не приходится.

Л. ШУГУРОВ, инженер («За рулем», №12, 1970)