Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания (РПД, двигатель Ванкеля)
История
Роторно-поршневой двигатель (РПД) часто называют по имени его создателя - доктора Феликса Ванкеля, в 1957 г. разработавшего прототип роторного двигателя для мотоцикла немецкой фирмы NSU. В полости корпуса экспериментального двигателя на эксцентрическом валу вращался ротор - тело, очерченное тремя дугами, что-то вроде треугольника с выпуклыми сторонами. Сам корпус двигателя называют по-разному: статором, картером или просто секцией - внутри нее и происходит весь рабочий цикл, те же такты (впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск отработавших газов), что и в поршневом двигателе. Но цилиндров здесь нет: все такты происходят в камере постоянно меняющегося объема, замкнутого стенками секции и ротором, каждая вершина "треугольника" постоянно находится в контакте с внутренней поверхностью корпуса, обеспечивая герметичность. Собственно, это и есть первая "врожденная" проблема РПД: создать надежное уплотнение в те времена было практически невозможно. Как следствие - большой расход масла и бензина, а также высокая токсичность выбросов из-за большой доли несгоревших углеводородов. Очевидна и другая проблема: малый ресурс двигателя.
Что же заставило инженеров развивать роторную концепцию при очевидных сложностях ее реализации? Преимущества, которые дает РПД, сложно переоценить. Если в обычном поршневом двигателе вращательное движение коленчатого вала обеспечивается возвратно-поступательным движением поршней, то роторная концепция предлагает только вращательное движение и поршня-ротора и эксцентрического вала, что многократно уменьшает число движущихся деталей. В результате сокращается число трущихся пар, источников шума и вибрации. Кроме того, в РПД отсутствует традиционный механизм газораспределения. Впускные и выпускные отверстия ("окна") открываются и закрываются самим вращающимся ротором. Таким образом, отпадает необходимость в клапанном механизме, включающем приводной ремень, распределительный вал, коромысла, клапаны, пружины клапанов и другие детали. В поршневом двигателе деталей больше на несколько сотен, а то и тысяч. Роторная концепция также предлагает высокую удельную мощность и компактность: современный РПД в полтора-два раза меньше поршневого мотора аналогичной мощности.
Вопреки всему
Преимущества конструкции оказались весьма заманчивы, и продолжить разработку роторных двигателей решилась Mazda. В 1961 г. японская компания купила у NSU патент и начала собственные разработки. Кстати, Mazda была далеко не единственной компанией, экспериментировавшей с РПД, но сегодня роторы ассоциируются именно с ней. Сейчас Mazda - единственная автомобильная компания, производящая роторные двигатели.
Первый серийный РПД из Страны восходящего солнца был двухсекционным однолитровым и развивал мощность 110 л.с. Двухроторная схема и сейчас представляется оптимальной для серийных легковых машин - она не намного сложнее односекционной, но обеспечивает наиболее равномерный крутящий момент, а также позволяет уменьшить объем камеры сгорания и, как следствие, долю несгоревшего топлива. Двигатель дебютировал на изящном купе Cosmo Sport в 1967 г., а в 1978 г. появилась знаменитая Mazda RX-7. Сейчас спортивное амплуа роторных двигателей кажется нам привычным, но в 70-х годах Mazda выпускала пикапы и даже легкие автобусы с РПД. Что касается спорта, то в 1991 г. прототип Mazda 787B вошел в историю как единственный японский автомобиль, одержавший победу в 24-часовой гонке серии American Le Mans. Его трехроторный двигатель раскручивался до максимальных 9600 об/мин за секунду!
Второе поколение купе RX-7 (1985 г.) оснастили турбонаддувом, отчасти для улучшения экологических показателей, а третье поколение (1991 г.) щеголяло уже двумя турбокомпрессорами и мощностью 255 л.с. Купе выпускали до 2002 г., но инженеры уже несколько лет работали над следующим поколением РПД. Легкие полые роторы будущего экспериментального мотора показали еще в 1995 г. на концепт-каре Mazda RX-01, а с 1999 г. двигатель Renesis 13B уже готовили к серийному производству. Турбонаддув остался в прошлом, суммарный геометрический объем двух секций составил 1,3 л. Официально для автомобилей оснащенных РПД, указывается "приведенный", удвоенный объем, в данном случае - 2,6 л. Даже с этой поправкой характеристики мотора впечатляют: 231 л.с. при 8500 об/мин!
Шаг за шагом
Дебютировавшая в 2003 г. Mazda RX-8 покорила всех дизайном и ходовыми качествами. Но первая ассоциация со стильным купе с распашными дверями - ротор! Renesis 13B настолько же далек от двигателя RX-7, насколько сам RX-7 от Cosmo Sport. Новый мотор с увеличенным ресурсом вписали в европейские нормы Euro 4 и американские ULEV. Как это удалось? Боковое расположение керамических впускных окон (четырех на 192-сильной версии и шести на 231-сильной) оптимизирует процесс сгорания смеси и снижает тепловые потери. В каждой секции установлены две разновеликих свечи зажигания. Уплотнителем служит пирографит повышенной износостойкости. На новом двигателе также присутствует полимерный слой с микропорами для удержания масла. В ходе постепенной приработки этот слой стирается, примерно за 1000 км. Также в списке нововведений значится система впуска с изменяемой геометрией, коллектор выполнен из пластика. Облегчению подверглись роторы (они полые) и маховик. Тросовый привод дроссельной заслонки заменен электронным. Система динамической балансировки, снижающая низкочастотные колебания при ускорении, учитывает даже объем масла, поступающего в роторы. По весу Renesis 13B сравним с алюминиевой рядной "четверкой", а его скромный размер позволил сместить двигатель на 60 мм назад и на 40 мм вниз по сравнению с мотором RX-7. Инженеры "научили" Renesis 13В работать на водородном топливе, в том числе в составе гибридной установки на Mazda 5 (Premacy) Hydrogen RE Hybrid. Теперь же на подходе следующее поколение РПД Mazda. Двигатель Renesis 16X, впитавший все усовершенствования, накопленные за годы выпуска RX-8, так же компактен и легок, но его объем увеличен до 1,6 л. Одна из его главных инноваций - система непосредственного впрыска.
В глобальной программе Mazda значится полное обновление гаммы силовых установок к 2011 г. Опасений, что роторному двигателю в этой системе не найдется места, пока нет. Во многом совершенствование конструкции РПД упирается в создание новых материалов с требуемыми физико-механическими свойствами. Но и наука не стоит на месте. Ее подталкивают грезы инженеров-мечтателей, настоящих энтузиастов своего дела. А это, знаете ли, лучше любого двигателя, даже вечного.
