Линия жизни - эпитрохоида
ТЕХНИКА
/ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ КУРСОМ
ЛИНИЯ ЖИЗНИ - ЭПИТРОХОИДА
НЕОБЫЧНЫЕ? ЗАБЫТЫЕ? СКОРЕЕ, ВНОВЬ АКТУАЛЬНЫЕ РОТОРНО-ПОРШНЕВЫЕ ДВИГАТЕЛИ
ТЕКСТ / МАКСИМ САЧКОВ
Что такое роторно-поршневой двигатель (сокращенно - РПД)? Это бензиновый мотор с искровым зажиганием, работающий по четырехтактному циклу (рис. 1). В блоке цилиндров - статоре, внутренняя поверхность которого представляет сложную кривую - эпитрохоиду, вращается ротор (рис. 2). Его функция аналогична той, что выполняют поршень с шатуном в обычном моторе. Крутящий момент передается на эксцентриковый вал. Газообмен происходит через впускные и выпускные окна, а смесь в вытянутой камере сгорания последовательно поджигают две свечи.
РПД меньше и легче поршневого двигателя, равного по мощности, в полтора-два раза. Да и по конструкции "ротор" проще и надежнее, к тому же не требует частого обслуживания. Но коль есть плюсы, найдутся и минусы. Например, повышенный расход масла и бензина. Считается, что РПД трудно загнать в жесткие экологические рамки. Мощностные характеристики таковы, что требуется изменять трансмиссию автомобиля (например, максимум момента достигается на очень высоких оборотах - до 8000 об/мин!). В какой-то степени это болезни роста, ведь РПД моложе традиционных моторов на полвека...
ОНИ БЫЛИ ПЕРВЫМИ
Еще до войны молодой инженер Феликс Ванкель получил в Германии патент на двигатель, который был абсолютно не похож на поршневые агрегаты. Тогда же появился первый опытный образец, превратившийся в начале 50-х в модернизированный мотор ДКМ-54. В доводке двигателя участвовала немецкая фирма НСУ. Однако, к сожалению или к счастью, эта конструкция прижилась под крышей музея, а не под капотами машин.
Первый автомобильный РПД родился в 1958-м, и звали его KKM-125 (от немецкого Kreiskolbenmotor - роторно-поршневой двигатель). Вслед за 125-кубовым появились более мощные версии - "250", "400", "500", которые устанавливали на автомобили НСУ.
В 1961 году японская фирма "Мазда" купила у Ванкеля лицензию на конструкцию и производство РПД. Через шесть лет появилась первая машина - "Космо Спорт". Двигатели совершенствовались, и один из них - карбюраторный 12А - послужил прообразом первого отечественного мотора.
СДЕЛАНО В СССР
В 1974 году на ВАЗе организовали специальное конструкторское бюро для разработки отечественного РПД. Уже в 1978-м родился первый серийный "ротор" ВАЗ-311. Односекционный мотор объемом 1,3 л мощностью 51,5 кВт был в полтора раза компактнее и легче поршневого собрата. Кстати, обычно для РПД указывают приведенный рабочий объем, который вдвое больше "геометрического". Система зажигания - бесконтактная: датчики положения коленвала, коммутаторы на транзисторах, "жигулевские" катушки, оригинальные двухэлектродные свечи; за работой всех элементов следил блок управления.
Первые "роторы" были довольно прожорливыми - в охотку шел не только бензин, но и масло. Поэтому уровень смазки в картере регулировал оригинальный клапан с поплавком, перепускающий необходимое количество масла из резервного бачка в двигатель. Позже масляный аппетит двигателей умерили модификацией уплотнений. На первых РПД существовала система холодного пуска. Наледь на свечах смывал антифриз: водитель накачивал его в карбюратор резиновой грушей.
ОДИН ПЛЮС ОДИН
Время шло, поршневые моторы матерели, угрожая в любой момент превзойти по силам РПД. Кроме того, на производителей давили основные заказчики - спецслужбы, которым был нужен мощный и в то же время компактный двигатель. Прелесть РПД в том, что его легко "умножить на два" - добавить еще один статор и ротор.
Первым двухсекционным мотором, сделанным у нас, стал 120-сильный ВАЗ-411. Мотор получился удачным - 15 лет его устанавливали под капот "жигулей". Первые две машины передали спецслужбам летом 80-го, а всего выпустили более 200 автомобилей. Позже родился преемник с широкими секциями и увеличенной мощностью (99,3 кВт/135 л. с.).
С появлением переднеприводных моделей вазовское КБ начало активно работать над новым мотором. Опытный двухлитровый ВАЗ-414 немного отличался от предшественника. Статор - самый ответственный и дорогой элемент - был уже не открытого, а коробчатого типа. Подобная конструкция надежнее - деталь меньше страдает от перегрева и имеет большую жесткость. Правда, отливать заготовку и обрабатывать внутренние каналы такого корпуса сложнее. Окончательным вариантом для переднеприводных моделей стал карбюраторный ВАЗ-415 приведенным объемом 2,6 л. Электронный впрыск, как обязательный атрибут всех будущих моторов, уже разработан, но применяется только на авиационных "ванкелях". Когда он спустится с небес на землю - одному Богу известно.
К сожалению, развитие автомобильных РПД на ВАЗе приостановилось. Все же эти моторы требуют... собственных автомобилей. А в условиях массового производства держать на конвейере специальную модель "под РПД" не всегда удобно. Впрочем, японская "Мазда" последовательно доказывает обратное.
НАЗАД В ЯПОНИЮ
Кроме ВАЗа, во всем мире остался лишь один производитель серийных машин с РПД. Спортивные модели "Мазда" с индексом RX делают не один десяток лет, тогда как другие компании (а с РПД экспериментировал даже "Мерседес") отказались от подобных конструкций. За 35 лет фирма выпустила около 1,8 миллиона машин с двигателем Ванкеля. Новую роторную "Мазду-RX8" представили в этом году, и она наверняка не будет последней! Ее 280-сильный двигатель "Ренезис" вобрал в себя все лучшее, что наработали конструкторы, и доказал, что сдаваться перед поршневыми соперниками еще рано.
При одинаковом рабочем объеме разница в мощностях нашего ВАЗ-415 и восточного собрата составляет около 100 кВт. Впрочем, сравнивать моторы впрямую не совсем корректно - они относятся к разным поколениям. За питанием "японца" следит электронная система, впрыскивающая необходимую дозу топлива и поджигающая его в нужный момент.
"Ренезис" без труда укладывается в строгие экологические нормы и экономно расходует бензин. Ресурс - на уровне поршневых двигателей. При этом силенок у новичка по сравнению с предшественником от "Мазды-RX7" не убавилось. Факт примечательный, ведь тот мотор по праву носил титул "турбо", а "Ренезис" - атмосферный! Специалисты изменили количество, расположение и размеры выпускных и впускных окон, кроме этого, открытием впускных каналов разной длины управляет специальная система. Нововведения позволили значительно обеднить рабочую смесь и обеспечить ее полное сгорание. В результате на холостом ходу "Ренезис" потребляет примерно на 40% меньше топлива. Свою лепту в экономию внес и полегчавший на 14% ротор.
ЖИТЬ БУДЕТ?
Роторные двигатели относительно молоды и у них все еще впереди. Однако, взрослея, дети Ванкеля постепенно доказывают, что ничуть не хуже, а порой даже лучше своих поршневых родственников. Юный японец "Ренезис" служит тому подтверждением. Может, движение по эпитрохоиде и есть правильный путь - если не к полной победе над другими двигателями, то, по крайней мере, к завоеванию значительной ниши автомобильного рынка?
НА ГРАНИ ФАНТАСТИКИ
Не так давно в нашей стране всерьез рассматривали роторно-поршневой мотор как замену ныне господствующих в автомобильном мире двигателей Отто и Дизеля. Казалось бы - собирай секции в длиннющую "колбасу" и получишь ряд унифицированных (!) моторов мощностью до 1000 л. с.! Увы, стыковать больше двух секций очень сложно технологически. Впрочем, модульный принцип мог быть реализован с помощью угловых редукторов: секции РПД располагались вертикально, как цилиндры обычного мотора, а редукторы передавали крутящий момент на общий горизонтальный выходной вал! Относительно маломощные РПД предполагали устанавливать на легковые автомобили и небольшие самолеты, посильнее - на грузовики, пассажирский и железнодорожный транспорт. Красивая идея так и не воплотилась в жизнь... Пока?
Такт 1. Топливно-воздушная смесь через впускное окно попадает в камеру мотора.
Такт 2. Ротор поворачивается, объем камеры уменьшается, смесь сжимается.
Такт 3. Смесь воспламеняется основной и дожигательной свечами. Ротор выполняет рабочий ход.
Такт 4. Отработавшие газы выводятся через выпускное окно.
Рис. 2. Роторно-поршневой двигатель "Ренезис": 1 - блок управления открывает те или иные впускные трубопроводы в зависимости от оборотов двигателя; 2 - на каждую секцию приходится по три впускных трубопровода разной длины; 3 - специальная форсунка подает масло к рабочим поверхностям; 4 - смесь в камеру сгорания попадает через боковые окна; 5 - выпускные каналы покрыты термостойкой керамикой; 6 - из-за бокового расположения выпускных окон несгоревшие выхлопные газы не покидают камеру сгорания, а участвуют в следующем цикле; 7 - облегченный ротор развивает до 10 000 об/мин; 8 - ширина статора - 80 мм; 9 - основная и дожигающие свечи зажигания работают последовательно.