SHARE

В этом году фирма Mazda отмечает 40-летие выпуска первого серийного автомобиля с роторным двигателем. Или, как его еще называют, двигателем Ванкеля.

Феликс Ванкель, немецкий инженер и изобретатель, родился в городке Ларе 13 августа 1902 года. Выходец из бедной семьи, Феликс был вынужден бросить гимназию и стать учеником продавца в книжном издательстве. Он перечитал массу книг по технике, механике и автомобилестроению. Однако, поступив впоследствии в университет, Ванкель был отчислен из него за неуспеваемость по физике.Есть версия, что идея роторного двигателя родилась у Феликса Ванкеля в возрасте 17 лет во сне. Ему приснилось, что он едет на концерт на собственной машине и хвастается друзьям, что у нее – изобретенный им самим двигатель нового типа, «наполовину поршневой, наполовину – турбина». Проснулся Ванкель со схемой принципиально новой силовой установки в голове. Он интуитивно чувствовал, что четыре такта мотора внутреннего сгорания – впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск – могут совершаться за счет вращения. Эта идея и стала базой для создания роторного двигателя.В 1924 году Феликс Ванкель начал соответствующую работу в собственной лаборатории. Во время второй мировой его роторные изыскания получили господдержку, а после войны Ванкель основал Технический институт прикладных исследований, где продолжил заниматься своим мотором. Потом к делу подключилась известная мотоциклетная компания NSU, которая еще до партнерства с Ванкелем создала 50-кубовый роторный мотор для мотоцикла. Но первый автомобильный роторный двигатель DKM был создан усилиями немецкого инженера в 1957 году. Основными деталями того агрегата были треугольный ротор и трохоидальный корпус, такие используются и в современных моторах. Однако конструкция с вращающимся корпусом была слишком сложной, и спустя год появилась модель ККМ 400, объемом 400 см³, с неподвижным корпусом, жидкостным охлаждением картера и охлаждением ротора маслом. Именно она и стала прототипом современного роторного двигателя.В 1959 году NSU решила свернуть роторную программу. Но красивая идея уже овладела умами по всему миру – приобрести наработки NSU изъявили желание около 100 компаний, в том числе 34 японские. От имени Mazda переговоры вел ее президент Цунеджи Мацуда, и они завершились подписанием контракта в июле 1961 года. Здесь берет старт роторная история Mazda – единственного производителя в мире, серийно выпускающего автомобили с силовыми установками этого типа. Группа инженеров компании была сразу же отправлена в NSU, где получила в свое распоряжение упомянутый выше прототип ККМ 400. В начале 60-х годов на первой стадии работ Mazda сконструировала три типа роторных двигателя – двух-, трех- и четырехроторный. Прототип с одним ротором, доставшийся от NSU, работал плавно только на высоких оборотах. На низких значительные вибрации становились причиной сильного износа картера двигателя. Эти разрушения называли «следами когтей черта». К тому же мотор обладал скромным крутящим моментом и расходовал безбожно много масла из-за плохих уплотнений на вершинах ротора.Первый в мире двухроторный двигатель L8А с объемом каждой рабочей камеры 399 см³, разработанный Mazda, получил специально созданный прототип Cosmo Sport L402А. В декабре 1964 года сделали еще один мотор – 3820 (объем 2 х 491 см³), на основе которого был выполнен первый серийный двухроторный двигатель L10А. В мае 1967 года начались продажи Mazda Cosmo Sport, на которой этот мотор выдавал 110 л.с при 7000 об/мин. Он был оснащен новыми уплотнениями вершин ротора из пирографита, высокопрочного углеродистого материала, и алюминиевого агломерата. На впуске использовали окна с боковым расположением и двухступенчатый 4-камерный карбюратор. На каждый ротор приходилось две свечи зажигания. В 1968 году модель Cosmo Sport приняла участие в гонке на выносливость Marathon de la Route на Нюрбургринге, где в упорной борьбе с именитыми «европейцами» заняла почетное четвертое место. Двигатель 10А в дефорсированном до 100 л.с. варианте устанавливался на модель Familia R100, а в 105-сильном – на Savanna RX-3.Развитием двигателя 10А стали двухроторные 12А и 13А. Первый из них оказался долгожителем – использовался в производственной линейке Mazda вплоть до середины 80-х годов. Его мощность для разных автомобилей составляла от 120 до 130 л.с. при 7000 об/мин, крутящий момент – 160–165 Нм. 12А ставили на модели Capella RX-2, Luce RX-4, Luce 929, Cosmo третьего поколения (с 1981 года) и на первую RX-7 (Savanna). Для этого же двигателя в связи с началом экспорта в США, где в 1970 году вступил в силу так называемый закон Маски об ограничении вредных выбросов в атмосферу, были разработаны система повышения топливной экономичности и двухкомпонентный каталитический нейтрализатор. Позже, в 1974-м, впускная система получила шесть окон вместо четырех, как было раньше, что позволило повысить экономичность без снижения мощности.В 1982 году 12А стал первым в мире роторным двигателем, получившим турбонаддув. Такой силовой агрегат устанавливался на поздние модели Cosmo RE и Luce 929. Кроме того, на Cosmo RE впервые появились впрыск и два инжектора для каждой рабочей камеры.Двигателем 13В (мощность 135 л.с., крутящий момент 190 Нм) оборудовали такие модели, как Roadpacer (Luce) AP, Luce Legato (929L) и Parkway 26 – это был первый на планете автобус с роторным двигателем. Впоследствии 13В получил наддув – турбо- и динамический – и стал выдавать уже 180 сил и 250 Нм. Такие моторы ставили на модели Cosmo, Luce и 929 вплоть до 1991 года. В 1989 году появился турбокомпрессор с двумя независимыми входами – прообраз современной турбины с изменяемой геометрией. Мощность выросла до 185 л.с., увеличился крутящий момент на низких оборотах. Этот мотор получила RX-7 второго поколения.В 1990 году Mazda впервые применила пару последовательно установленных турбонагнетателей (система Sequental Twin-Turbo) на двигателе 13B-REW (REW – Rotary Engine Twin-Turbo) и трехроторном 20B-REW. На низких частотах вращения работала одна турбина, а на высоких ей помогала вторая, что обеспечивало прекрасное наполнение рабочих камер воздухом и, как следствие, повышение мощности. Помимо этого два одновременно работающих турбокомпрессора снижали противодавление отработавших газов – это заметно повысило плавность работы двигателя. Первый в мире серийный трехроторный мотор 20B-REW устанавливался на купе Eunos Cosmo и выдавал максимальные по японским стандартам того времени 280 сил на 6500 об/мин и 410 Нм на 3500 об/мин. Культовая, неимоверно красивая Mazda RX-7 третьего поколения оснащалась двигателем 13B-REW. Он был послабее – 255 л.с. и 300 Нм, но после модернизации в 1998 году его максимальная мощность выросла до 280 сил.Идея многороторного двигателя нашла применение в автоспорте. 23 июня 1991 года прототип Mazda 787 B под номером 55 с четырехроторным мотором R26B выиграл одно из самых престижных в мире соревнований – 24-часовую гонку в Ле-Мане. К победе автомобиль привели известные гонщики Херберт, Вайдлер и Гашо. Это был триумф «ротора»! Однако со следующего года организаторы соревнований запретили использование роторных моторов (есть мнение, что под давлением переполошившихся китов автопрома, чурающихся схемы Ванкеля).Следующая ступень развития роторных двигателей Mazda – двухроторный Renesis, которым оснащена современная модель RX-8. Он существенно отличается от двигателя RX-7. В топовом варианте Renesis имеет шесть впускных отверстий с боковым расположением. Кроме того, Mazda разработала уплотнение с острой кромкой, предотвращающее прорыв газов между впускными и выпускными отверстиями. Эта силовая установка отличается плавностью работы, отменной реакцией вплоть до самых высоких оборотов, экономичностью и малым содержанием вредных веществ в выхлопе. При объеме 2 х 654 см³ двигатель выдает от 192 до 250 л.с. максимальной мощности и от 211 до 222 Нм момента (в зависимости от модификации). Надо ли говорить, что для обычных атмосферных поршневых двигателей объемом 1,3 л такие показатели недостижимы?Компанию Mazda следует признать одним из лидеров «экологической гонки». Не так давно увидел свет RX-8 Hydrogen RE – первый в мире серийный автомобиль с роторным двигателем (Renesis), работающим на водороде. RX-8 Hydrogen – исключительно «чистый» автомобиль: выбросы СО2 равны нулю, выбросы оксидов азота минимальны. Модель способна ездить и на обычном бензине – система питания автоматически переключается в «бензиновый» режим, когда заканчивается водород. Есть и принудительное переключение, из салона. Мощность при работе на водороде составляет 109 л.с., на бензине – 210 л.с.Увы, великий Ванкель всех этих роторных достижений не увидел, поскольку умер в 1992 году в возрасте 90 лет. Он наверняка был бы счастлив, наблюдая, как трудами Mazda мужает его детище. С другой стороны, роторный агрегат имени Феликса Ванкеля не стал массовым продуктом в мировом масштабе. Как уже говорилось, Mazda является единственным в мире производителем серийных автомобилей с роторными двигателями. Так или иначе, японскую компанию следовало бы наградить медалью «За верность идее» – даже если бы она не добилась на роторном поприще столь впечатляющих результатов.

Форма и содержание

В конструкцию роторного двигателя входят картер, внутреннее пространство которого по форме напоминает кокон, и ротор треугольной формы. Пространство между ротором и внутренней поверхностью картера образует камеру сгорания. Давление, создаваемое расширяющимися газами, приводит ротор во вращение. Для того чтобы роторный мотор работал, как ДВС, четыре такта рабочего цикла – впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск – должны последовательно совершаться в рабочей камере. Для этого ей необходимо менять объем. Если бы ротор вращался в круглом картере, рабочие камеры имели бы постоянные размеры, и давление, создаваемое в результате сгорания топливно-воздушной смеси, не приводило бы ротор во вращение. Поэтому внутренняя поверхность в сечении имеет форму трохоиды (похоже на приплюснутый овал или «восьмерку»), а сам ротор установлен на эксцентриковом валу. За один оборот вала происходит два цикла изменения объема рабочей камеры, что позволяет реализовать четыре такта рабочего цикла. В двигателе Ванкеля вершины ротора постоянно контактируют с внутренней поверхностью картера. Ротор постоянно находится в зацеплении с шестерней, установленной на валу, который так же, как и ротор, смещен относительно центра картера. Зубчатая пара задает траекторию движения треугольного ротора. Она состоит из зубчатого венца с внутренним зацеплением, закрепленного на внутренней поверхности ротора, и шестерни с наружным зацеплением, закрепленной на эксцентриковом валу. Если зубчатый венец ротора имеет 30 зубьев, то шестерня вала должна иметь 20, чтобы обеспечить передаточное отношение 2 : 3. В результате скорости вращения ротора и вала отличаются в три раза. Таким образом, для совершения одного оборота ротору требуется больше времени, чем эксцентриковому валу. За один оборот ротора вал совершает три. Соответственно, при частоте вращения эксцентрикового вала 3000 об/мин частота вращения ротора составит 1000 об/мин.

Ротор против поршня

За один такт коленвал поршневого двигателя поворачивается на угол в 180º, тогда как эксцентриковый вал роторного – на 270º. Другими словами, за один рабочий цикл (четыре такта) коленчатый вал совершает два полных оборота (720º), в то время как эксцентриковый вал в роторном двигателе – три (1080º). Таким образом, в роторном двигателе рабочий цикл совершается за больший период времени, отсюда меньшая неравномерность крутящего момента и, как результат, более плавная работа двигателя. Кроме того, при движении на высоких скоростях частота вращения эксцентрикового вала роторного двигателя сравнительно невелика, поэтому такты впуска и выпуска больше растянуты во времени, что облегчает создание систем, способствующих повышению мощности двигателя. Наконец, при схожих мощностных показателях поршневые двигатели тяжелее и крупнее в габаритах, чем роторные.