Всё, что вы хотели знать о роторных двигателях
Ветераны гаражных посиделок всегда вспоминают роторно-поршневые двигатели (РПД) с придыханием и делают лица, как на картине Перова «Охотники на привале». Отставив кружку на пыльный капот, кто-нибудь непременно расскажет, как у друга брата соседа знакомый в девяносто пятом пытался уйти на свежем «биммере» (тридцать четвертая, мотор M50 «плита»!) от роторной «пятерки» «Жигулей». Безуспешно, разумеется. Присутствующие при этом должны делать осведомленно-понимающие лица. Случись вам оказаться в этом уютном гараже с постерами «Совтрансавто», вы бы, вероятно, не спросили, что это за «эр-пэ-дэ» такое, чтобы не ловить на себе взгляды, полные презрения и разочарования в человеке, который и дистиллированную воду в аккумулятор никогда не доливал.
Впрочем, эти косые взгляды стоит понимать так: мало кто из тех, кто мечтательно закатывает глаза при упоминании «роторов», готов объяснить, чем они отличаются от обычных поршневых моторов. Ну а мы попробуем.
Это кинематика обычного 4-цилиндрового поршневого мотора
Начнем сразу с анимации, так нагляднее. Только не с роторного двигателя, а как раз с обычного поршневого. В его цилиндрах горит смесь воздуха и горючего, обеспечивая возвратно-поступательное (вверх-вниз) движение поршней, которое преобразуется во вращательное движение коленчатого вала.
Роторный двигатель. Автор анимации — Гарет Фоулер (Gareth Fowler)
В роторном двигателе кинематика иная. В полости корпуса на эксцентрическом валу вращается ротор — тело, очерченное тремя дугами, что-то вроде треугольника с выпуклыми сторонами (точнее, это треугольник Рёло). Сам корпус двигателя называют по-разному: статором, картером или просто секцией. Внутри него и происходит весь рабочий цикл, те же такты (впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск отработавших газов), что и в поршневом двигателе.
Такты по часовой стрелке: впуск, сжатие, воспламенение и рабочий ход, выпуск
Но на этом сходство с обычным двигателем заканчивается.
Цилиндров в роторно-поршневом моторе нет: все такты происходят в камере постоянно меняющегося объема, образованного неподвижными стенками секции и движущимся ротором — каждая вершина «треугольника» постоянно соприкасается с внутренней поверхностью корпуса, обеспечивая герметичность.
Это постоянное трение уже само по себе проблема. Легко сказать — герметичный контакт трущихся деталей! Но надежное, а тем более долговечное уплотнение ротора и статичной секции даже с сегодняшними технологиями создать весьма сложно. Это, пожалуй, главный врожденный недостаток РПД. Неполная герметичность контакта влечет за собой высокий расход масла и бензина, а также грозит высокой токсичностью выбросов из-за большой доли несгоревших углеводородов. Очевидна и другая проблема: малый ресурс двигателя. Но все же оригинальную конструкцию решили довести до ума…
Роторно-поршневой двигатель иногда называют «ванкелем» — по имени одного из его создателей. Доктор Феликс Ванкель совместно с Вальтером Фройде разработал прототип РПД в 1958 году для мотоцикла немецкой марки NSU.
Эта фирма давно утратила самостоятельность и фактически растворилась в структуре сегодняшнего концерна Volkswagen. Роторные технологии надолго пережили свою колыбель и в конце пятидесятых казались невероятно перспективными: патент на двигатель Ванкеля купили и Mercedes-Benz, и Citroën, и даже ВАЗ. Правопреемник NSU, марка Audi, тоже построила несколько прототипов.
Вазовские «пятерки» и «семерки» с РПД поставлялись только спецслужбам. Внешних отличий от стандартных машин не было, а вот мощность достигала 140 л. с. Позже роторные моторы устанавливали и на «восьмерки», часть из которых поступила в свободную продажу. Партия была малой и породила множество легенд
Справедливый вопрос: чем так манила инженеров концепция с врожденными слабыми местами? Огромными преимуществами, помноженными на веру, что все сложности решаемы. Перспективы действительно манили. 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 резко уменьшает число движущихся деталей.
В результате сокращается число трущихся пар, источников шума и вибрации. Двигатель механически сбалансирован.
Кроме того, в РПД отсутствует привычный механизм газораспределения. Впускные и выпускные отверстия («окна») открываются и закрываются самим вращающимся ротором. То есть отпадает необходимость и в клапанах, а вместе с ними — в приводном ремне, распредвалах, коромыслах, пружинах клапанов… Просто взгляните еще раз на анимацию поршневого ДВС и мысленно уберите все, что выше снующих вверх-вниз поршней. То-то же!
А ведь на этой схеме довольно простой клапанный механизм…
В обычном поршневом двигателе деталей больше на несколько сотен. Роторная концепция также предлагает высокую удельную мощность и чрезвычайную компактность: РПД в 1,5–2 раза меньше поршневого безнаддувного мотора аналогичной мощности.
И все же сложности с массовым производством «роторов» оказались чересчур значительны. Единственной компанией, которая более 50 лет упорно совершенствовала оригинальную и капризную концепцию, стала Mazda.
В 1961 году японцы купили у NSU патент и сам двигатель.
Первый серийный РПД из Японии был двухсекционным 1,0-литровым и развивал мощность 110 л. с. И это, заметьте, в 1967 году! Двухроторная схема оказалась оптимальной для серийных легковых машин: она не намного сложнее односекционной, но обеспечивает наиболее равномерный крутящий момент, а заодно позволяет уменьшить объем камеры сгорания и, как следствие, долю несгоревшего топлива.
Mazda Cosmo Sport. 1967 год
Двигатель дебютировал на изящном купе Mazda Cosmo Sport. За ним последовали другие интересные модели вроде Luce Rotary Coupe или Cosmo 1981 года, но самой славной стала модель RX-7. Первое поколение появилось в 1978 году. Его 1,1-литровый агрегат развивал 115 л. с.
Mazda Luce Rotary Coupe
Mazda Cosmo HT. 1981 год
Mazda Savanna RX-7. 1978 год
Вообще-то в 1970-х годах Mazda выпускала пикапы и даже легкие автобусы с РПД, но роторные моторы быстро стали ассоциироваться именно со спортивными моделями.
В 1991 году прототип Mazda 787B с трехроторным двигателем вошел в историю как единственный японский автомобиль, одержавший победу в 24-часовой гонке серии American LeMans. Гонки на выносливость известны тем, что даже самые надежные конструкции нередко сходят с дистанции задолго до финиша. Тем почетнее победа РПД, конструктивно уступающего поршневым моторам в ресурсе.
Прототип 787B жив и здоров. Фото сделано в 2015 году на Фестивале скорости в Гудвуде
На видео знаменитый гонщик Джонни Херберт спустя 20 лет выводит 787B на гоночный трек в Ле-Мане. Прототип звучит мощно и неистово, но, ты уж поверь, намного тише поршневых машин. Характерно, что до максимальных 9600 об/мин этот чудо-мотор раскручивается всего за секунду, и еще секунда нужна, чтобы сбросить обороты обратно до холостых.
Вот он, трехроторный монстр R26B, ревущий из недр прототипа 787В
Путь РПД на гражданских машинах не прерывался. Второе поколение купе RX-7 (1985) оснастили турбонаддувом, отчасти для улучшения экологических показателей, а третье поколение (1991) щеголяло уже двумя турбокомпрессорами и мощностью 255 л.
с. Редкой красоты купе выпускали до конца 2002 года, и мало кто догадывался, что инженеры уже несколько лет работают над совершенно новым РПД.
Mazda Savanna RX-7 GT. 1985 год
Третье поколение Mazda RX-7 выпускали с 1991 по 2003 год, и под конец производства мощность двухроторного мотора с турбонаддувом достигала 280 л. с. при 1,3 л рабочего объема
Mazda RX-8, мгновенно ставшая культовой, появилась в 2003 году. На ней многие наверняка гоняли в видеоиграх серии Need for Speed, видели ее в «Форсажах», клипе Мадонны с Бритни и даже в «Шерлоке», а российские режиссеры снимали стильное купе с распашными дверями чаще, чем голливудские. Впрочем, хватило бы и одного эпизода из «Дневного дозора», когда ведьма Алиса (Жанна Фриске) едет на RX-8 по стене гостиницы «Космос».
Ничего особенного. Просто RX-8 дрифтует по вертикальной стене гостиницы «Космос»…
Не самый известный факт: купе пошло в серию едва ли не случайно. Чтобы окупить затраты на новую заднеприводную платформу для родстера MX-5 третьего поколения (он дебютировал только в 2005 году), решили разработать еще одну модель на той же базе.
Но какую? Среди поисковых эскизов инженеры приметили необычное купе, асимметричные двери которого открывались в разные стороны. Вот оно! Вот какой кузов подойдет для новейшего РПД!
Mazda RX-8
Легкие полые роторы будущего экспериментального мотора показали еще в 1995 году на концепт-каре Mazda RX-01, а с 1999 года 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 атмосферного мотора впечатляют: 231 л. с. при 8500 об/мин!
Концепт-кар Mazda RX-01 1995 года. Так могло выглядеть четвертое поколение RX-7, но путевку в жизнь получила необычная RX-8. Пожалуй, так даже лучше
Renesis 13B был настолько далек от двигателя RX-7, как сам RX-7 от Cosmo Sport. Новый мотор вписали в тогдашние экологические нормы Euro 4 и сильно увеличили его ресурс.
Переработать пришлось буквально все. Боковое расположение керамических впускных окон оптимизировало сгорание смеси, на каждую секцию приходилось по две разновеликие свечи зажигания. В качестве уплотнителя выбрали особо стойкий пирографит. Каждый новый двигатель выходил с завода с полимерными слоем, микропоры в котором удерживали масло. В ходе приработки деталей, примерно за 1000 км пробега, этот слой стирался. Эксцентрический вал получил систему динамической балансировки — она снижала низкочастотные колебания на разгоне, учитывая даже объем масла, поступающий в роторы.
Заодно Renesis 13B получил все нововведения, характерные для поршневых моторов: электронный дроссель вместо тросового и систему впуска с пластиковым коллектором изменяемой геометрии. Вес мотора RX-8 сопоставим с рядной «четверкой» с алюминиевым блоком, а его компактный размер позволил сместить двигатель на 6 см назад и на 4 см вниз относительно RX-7.
Инженеры продолжали экспериментировать: научили Renesis 13B работать на водородном топливе и построили на его основе гибридную силовую установку, да и вообще не собирались прерывать роторную династию.
Сообщалось о разработке нового мотора Renesis 16X, который должен был при тех же габаритах и массе получить объем 1,6 л и непосредственный впрыск.
Mazda Cosmo Sport и RX-8. Фото 2009 года
Однако история нередко выбирает непредсказуемые дорожки. Производство RX-8 закончилось в 2011 году, и пока знаменитая серия не получила продолжения. Но мы надеемся, что прощаться с роторными двигателями, которые за 50 с лишним лет стали ассоциировать исключительно с автомобилями Mazda, пока рано.
Посмотреть на легендарные роторные спорткары сегодня можно в Германии, где недавно начал работать музей Mazda Classic. Это первый случай, когда японская компания открывает подобное заведение в Европе. Будете в городке Аугсбург, что недалеко от Мюнхена, заходите.
Использованы материалы Maximonline.ru
Андрей Моторов
Теги
- авто
- технологии
Полезно знать.
Роторно-поршневой двигатель Феликса ВанкеляОпубликовано: Joice от в Железный цех: теория
устройство мотоцикла felix wankel роторно-поршневой двигатель устройство двигателя рпд
Двигатель Ванкеля всегда привлекал внимание тем, что он не такой как все остальные — он уникум. Можно только представить, насколько был обрадован и изумлен простотой идеи Феликс Ванкель, когда ему пришла в голову мысль превратить возвратно-поступательные движения во вращательные!? Простая и гениальная идея оказалась сложной в освоении — главным образом тем, что технология требовала огромной точности в производстве деталей, и, как оказалось позже — достижения еще большей, чем в стандартных двигателях, износоустойчивости.
В первые годы после появления первого автомобиля NSU Ro-80 с двигателем, работающим по схеме Ванкеля, десятки компаний на волне возросшего ажиотажа ринулись выкупать лицензии на право производства роторного двигателя, но только считанные единицы смогли разумно преобразовать дорогостоящие чертежи гениального Феликса Ванкеля в металл. Самым известным примером из мира авто остается компания Mazda, которая устанавливает «роторы» на некоторые автомобили серии RX. В мотоциклах этот двигатель тоже нашел применение, примеры которых далее в статье. Впрочем, давайте обо всем по порядку…
Зри в корень. Устройство двигателя Ванкеля
Так называемый двигатель Ванкеля был изобретен немецким инженером Феликсом Ванкелем в 1957 году. Этот тип двигателя внутреннего сгорания использует вращательные движения для создания напряжения вместо привычной поршневой системы.Особенность двигателя – применение трехгранного ротора (поршня), имеющего вид треугольника Рело, вращающегося внутри цилиндра специального профиля, поверхность которого выполнена по эпитрохоиде*.
* Эпитрохоида — плоская кривая, образуемая точкой, жёстко связанной с окружностью, катящейся по другой окружности.
{flashremote}http://www.motocafe.ru/images/stories/news_motocycles/news_076/articles/article19-rotary-engine-animation.swf{/flashremote}
Давление в РПД образуется за счёт вращения ротора. При этом происходит последовательное осуществление процессов – впуска, сжатия, сгорания, выпуска – в разных частях корпуса одного цилиндра. Такая конструкция даёт следующие преимущества: низкий уровень вибрации; отличные динамические характеристики; высокая мощность. Принципы процессов смесеобразования, зажигания, смазки, охлаждения, запуска принципиально ничем не отличаются от обычных поршневых двигателей внутреннего сгорания. Отсутствие громоздкого механизма газораспределения делает такой двигатель значительно проще четырехтактного поршневого за счёт меньшего количества деталей, обеспечивая необычайную компактность и высокую удельную мощность.
Из минусов РПД отмечают крайне высокую критичность к регулярному сервисному обслуживанию (замена масла, уплотнителей) и высокий нагрев двигателя, а также большой расход топлива и токсичный выхлоп, что является следствием характерной для РПД узкой серпообразной камера сгорания (по краям камеры сгорание топлива затрудняется). Соединение ротора с выходным валом через эксцентриковый механизм, являясь особенностью РПД Ванкеля, вызывает давление между трущимися поверхностями, что в сочетании с высокой температурой, приводит к дополнительному износу и нагреву двигателя.
В связи с этим возникает требование к частой замене масла. При правильной эксплуатации периодически производится капитальный ремонт, включающий в себя замену уплотнителей. Ресурс при правильной эксплуатации достаточно велик, но не заменённое вовремя масло неизбежно приводит к необратимым последствиям, и двигатель выходит из строя.
В таком моторе очень важно следить за состоянием уплотнителей. Площадь пятна контакта очень невелика, а перепад давления очень высокий.
Есть еще две сложности у этой схемы мотора — малая длина рабочего хода и очень специфический режим работы кривошипного механизма — эксцентрикового вала в отношении движения поршневой поверхности ротора. От этого у однороторного мотора плохой график крутящего момента.
Подробнее об устройстве двигателя Ванкеля:
http://autorelease.ru/articles/automobile/946-rotornyj-dvigatel-princzip-raboty.htmlКстати, не везде об этом говорится, но двигатель Ванкеля является всего лишь одним из пяти подтипов роторных двигателей. Подробнее:
http://www.rotor-motor.ru
Особенность двигателя – применение трехгранного ротора (поршня), имеющего вид треугольника Рело, вращающегося внутри цилиндра специального профиля, поверхность которого выполнена по эпитрохоиде*.
Следствием этого, неразрешимого для двигателей Ванкеля, противоречия являются высокие утечки между отдельными камерами и, как следствие, падение коэффициента полезного действия и токсичность выхлопа.
Интересно, что за счёт отсутствия преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, двигатель Ванкеля способен выдерживать гораздо большие обороты, и с меньшими вибрациями, по сравнению с традиционными двигателями.
Итак, компактность, производительность, оборотистость — не это ли есть магическая формула идеального двигателя, к которой пытаются приблизиться все без исключения производители мотоциклов? Да, именно так. Но в мотомире роторный двигатель пока прижиться не смог — все ставки сделаны на классический поршневой мотор различных конфигураций, таких как рядные «четверки» и v-образные «двойки» и «четверки». Правда, попадаются и редкие исключения:
Мотоциклы с РПД
Hercules
В 1974 году компания Hercules первой выпустила в массы мотоциклы серии Wankel (W-2000), с двигателями KC-27 от компании «Sachs».
Norton
В начале 1980-х годов этот же двигатель использовался для установки в немногочисленные мотоциклы Norton, не смотря на то, что опытные прототипы РПД появились на байках Norton еще в начале 70-х. Надо отдать должное инженерам Norton, которые достаточно успешно использовали РПД в спорте — в конце 80-х и начале 90-х им практически не было равных. Особенно нужно отметить модели RCW588 и сменивший его в 91-м году NRS588, которые принесли Norton множество побед на поприще мотоспорта.
В настоящее время Norton производит 588-кубовую двух-роторную модель NRV588 и разрабатывает 700сс версию с названием NRV700. NRV588 — современный спортбайк со доработанным, теперь уже инжекторным 170-сильным двигателем Ванкеля с впускным трактом переменной величины и электронным управлением дросселя. Характеристики байка — 130кг / 170л.с., поэтому производительность мотоцикла просто феноменальная. Ожидается, что NRV700 сможет развивать уже 210 л.с. при схожем весе мотоцикла, однако в самой компании пока об этом не распространяются.
MZ
К 1963 году в рамках программы модернизации, отдел перспективных разработок завода MZ представил роторно-поршневой двигатель для мотоцикла.
До 1965 года проводилось тестирование этого двигателя в нескольких прототипах MZ, но на этом все и закончилось.
Suzuki
На общей волне интереса к РПД, за разработку модели мотоцикла с роторно-поршневым двигателем взялась и японская компания Suzuki. Мотоцикл серии RE5 выпускался совсем недолго — с 1974 по 1976 г.г и вскоре стал предметом коллекционирования. Двигатель с рабочим объемом 497,5 см.куб. на 6500 об. мин. развивал мощность в 62 л.с. и максимальный крутящий момент в 54.9 Нм при 3500 об.мин.
Надо заметить, из Японцев, кроме Suzuki, планы по запуску в производство мотоциклов роторно-поршневыми двигателями были и у остальных компаний. Так, Honda тогда разрабатывала и тестировала свой прототип, а в 1972 году Yamaha даже показала на выставке Tokyo Motor Show готовую модель мотоцикла RZ-201 с двухроторным двигателем.
Henk van Veen
И настоящей экзотикой является этот мотоцикл OCR 1000 компании Van Veen — датского дилера марки Kreidler.
После того, как Kreidler обанкротилась, в Van Veen приступили к разработке своего собственного дорожного мотоцикла с роторно-поршневым двигателем. С 1966 по 1968 год было выпущено всего 30 таких аппаратов. Двигатель рабочим объемом: 2 х 498 см.куб.и мощностью — 100 л.с. был позаимствован у автомобиля NSU-Citroen Comotor (Citroen GZ), трансмиссия в центре разработок Porsche, а рама — у Moto Guzzi.
Энтузиасты не обходят стороной двигатель Ванкеля. Установка РПД в раму кастом-мотоцикла сразу же выделяет байк на фоне остальных и привлекает внимание, при должном умении обеспечивая оригинальнейший образ мотоциклу. Ярким примером служит кастом Revelation Родни Агуэра (Rodney Aguiar) с роторно-поршневым двигателем Mazda RX-7, карданным приводом на заднее колесо от BMW R1100GS и передней вилкой от Suzuki GSX-R 750. Как утверждает владелец, на заднем колесе его кастома Revelation целых 250 л.с., и не верить ему причин у нас не имеется. Подробнее »
Мотоциклы с РПД — отечественные разработки от ВНИИмотопром
Интересно, что в Советском Союзе тоже существовали разработки в области РПД.
И если о роторном автомобиле ВАЗ известно многим, то существование в прошлом отечественных мотоциклов с двигателями, построенными по схеме Ванкеля, до сих пор для многих остается секретом.
Еще в 1970 году начались дорожные испытания двигателя РД-350В, установленного в шасси от Днепр К-650. Динамика машины оказалась удовлетворительной, мощность двигателя была доведена до 30,5 л.с., но очень малый ресурс мотора (всего в 100 часов) не позволил увидеть разработке светлое будущее.
В 1972 году создается новый вариант РПД — РД-500В. Его корпус выполнен из алюминиевого сплава, с хромовым покрытием рабочей поверхности. Двигатель развивал мощность 40 л.с. при 6000 об/мин. Дорожные испытания мотора проводились в шасси мотоцикла Днепр МТ-9. На нем впервые опробовали систему впрыска топлива, но впоследствии отказались от нее из-за затрудненного запуска холодного двигателя (системы впрыска топлива тех времен были далеки от совершенства). Развитием РД-500В стал созданный в 1973 году РД-501, в котором применили износо-жаростойкое никасилевое покрытие алюминиевого корпуса, ротор двигателя был изготовлен из спеченного алюминиевого сплава, а воспламенение бензовоздушной смеси обеспечивалось электронной бесконтактной системой зажигания.
Решительным шагом стал переход на систему жидкостного охлаждения в 1976 году. Такой двигатель, получивший обозначение РД-510, развивал уже 48 л.с. при 6000 об/мин. Дальнейшие работы были направлены на повышение «живучести» двигателя, снижение расхода топлива и токсичности отработавших газов.
Односекционный РД-515, в середине 70-х предполагалось ставить на тяжелые мотоциклы. При весе 38 кг и объеме 491 см куб. он выдавал 38 л.с. (6000 об./мин.) и 51 Нм (3500 об./мин.). Торцевые уплотнители изготовляли из стали или чугуна. Специально для этого мотора разработали технологию нанесения износостойкого жаропрочного никель-кремниевого покрытия «никосил» на алюминиевую основу. Агрегат выхаживал до капитального ремонта 50 тыс. км.
Последними из известных нам проектов в области отечественных мотоциклов с РПД являются разработанные в середине 80-х аппараты РД — 660 и эскортный мотоцикл РД-601 (613 куб.см, мощность 52 л.
с. при 6000 об./мин.)
Становится понятным, что к началу «перестройки» 90-х годов институт располагал несколькими отработанными конструкциями РПД. Но дальнейший разворот событий в нашей стране убил все надежды на какое-либо успешное продолжение разработок. На сегодняшний день разработки советских времен в области роторно-поршневых двигателей можно наблюдать в таком состоянии:
Как мы видим, эпоха роторного двигателя так и не смогла захватить мир более привычной поршневой системы и занять свою устойчивую позицию на рынке. Обладатели мотоциклов с РПД автоматически превратились в небольшой клуб с единым интересом, а их байки – раритетом и диковинкой, которую с удовольствием примет практически любой музей!
Но вполне возможно, что будущее, которое сулили разработчики и производители двигателю Ванкеля просто еще не настало. По крайней мере, возобновившийся к нему интерес марки Norton может развить новую спираль разработок и достижений, и тогда Феликс Ванкель еще себя покажет!
- Вперед
Почему роторный двигатель вышел из строя
Какое-то время роторный двигатель Ванкеля казался будущим.
В 1963 году немецкий автопроизводитель NSU, позже вошедший в состав Audi, представил Wankel Spider, первый серийный автомобиль с двигателем внутреннего сгорания, не оснащенный возвратно-поступательными поршнями; В 1967 году NSU выпустила двухроторный Ro80, а Mazda выпустила Cosmo Sport. Mercedes провел серьезные исследования двигателя, и GM даже полагал, что роторный двигатель заменит поршневой во всем, от Vega до Corvette. Казалось, что ротор Ванкеля представляет собой лучший путь вперед, но, оглядываясь назад, мы знаем, что это совсем не так.
Связанные истории
- Поиздание на вождение: Mazda Cosmo Sport
- The NSU RO80 был революцией (ARY Infall)
Кеничи Ямамото, глава команды, которая разработала Ротари Мазды, а затем президент и председатель автопроизводителя написал в его книге 1981 года Rotary Engine говорится, что роторные паровые двигатели восходят к 1700-м годам. Еще в 1908 году ряд инженеров изготовили роторные двигатели внутреннего сгорания, но именно базовая конструкция немца Феликса Ванкеля стала производственной реальностью.
«Во-первых, его принцип лучше», — писал Ямамото. «Во-вторых, были предприняты огромные и неустанные усилия, чтобы заставить его работать».
В то время как сегодня мы хорошо и искренне признали фундаментальную правильность четырехтактного поршневого двигателя, Джон Б. Хеге в Роторный двигатель Ванкеля: история указывает, что в первые дни автомобиля это не было обязательно так. Поршневой двигатель сложный, с большим количеством движущихся частей; роторный двигатель намного проще, обычно с двумя роторами треугольной формы, прикрепленными к эксцентриковому валу, и без каких-либо клапанов. Движение ротора открывает и закрывает впускные и выпускные отверстия. Автопроизводители стремятся уменьшить сложность и, следовательно, снизить стоимость везде, где это возможно, поэтому роторный двигатель Ванкеля был очень привлекательным. Кроме того, поршни, движущиеся вверх и вниз в обычном двигателе, создают огромные трясущие силы, с которыми лучше всего бороться, увеличивая количество цилиндров.
Роторный двигатель не имеет возвратно-поступательного движения массы, а только вращающуюся массу, поэтому даже однороторный двигатель работает совершенно плавно. Роторные двигатели также намного меньше, чем их поршневые аналоги, что позволяет использовать всевозможные возможности аккуратной упаковки. Все это привело к «огромным и неустанным усилиям» не только Mazda и NSU, но и Citroën, Mercedes-Benz, American Motors и даже GM, среди многих других.
Феликс Ванкель.
ullstein bild Dtl.//Getty Images В 30-е годы Ванкель работал как над поршневыми двигателями с вращающимися дискообразными клапанами, так и над настоящими роторными двигателями. Он также был воинствующим нацистом и столкнулся с партийным руководством, будучи заключенным в тюрьму в 1933 году. Его техническое мастерство вызвало интерес у Daimler-Benz, главный инженер которой убедил одного из советников Гитлера, Вильгельма Кепплера, освободить Ванкеля. Судя по всему, Ванкель был немного упрям, потому что проработал в Mercedes меньше года, прежде чем перешел на работу в BMW.
В 1936, нацистское правительство предоставило ему собственную мастерскую для дальнейшей разработки поршневых двигателей с дисковым клапаном, которые в конечном итоге использовались в истребителях Люфтваффе и торпедах. Ванкель был заключен в тюрьму после войны и освобожден в 1946 году, и впоследствии Кепплер поместил его в NSU.
Мотоциклетный компрессор Ванкеля 1954 года выпуска.
Ralf Pfeifer//Wikimedia CommonsПервоначальная роторная конструкция Ванкеля отличалась как треугольным ротором, подобным тому, который мы знаем сегодня, так и камерой сгорания, которая также вращалась. В 1954, NSU представила мотоциклетный нагнетатель, использующий эту конструкцию. Однако именно Ханс Дитер Пашке из NSU (без ведома Ванкеля) создал конструкцию, известную нам сегодня, с ротором, вращающимся на эксцентриковом валу в фиксированном корпусе. (Его по-прежнему называли Ванкелем, потому что Феликс владел патентом на этот тип двигателя.)
Прототип дорожного роторного двигателя прибыл в 1957 году, и вскоре NSU рекламировала его как двигатель будущего.
Взгляд Road & Track в июне 1960 года на роторные двигатели Ванкеля и другие типы роторных двигателей приобретает тон скептического недоумения. В нем делается вывод: «Были опробованы сотни типов поворотных клапанов, и именно их равномерный и регулярный отказ заставляет более искушенного инженера чувствовать себя несколько менее чем оптимистично в отношении любой формы роторного двигателя. Если поворотный клапан малого диаметра не сработает — как может работать в качестве двигателя еще более крупный блок? Шансы очень малы, а пока нам остается только ждать (и надеяться), чтобы увидеть, окажется ли двигатель НСУ глубоким и важным прорывом, или другой блуждающий огонек».
Y_tambe//Wikimedia Commons
Автопроизводители были явно более оптимистичны или, по крайней мере, подстраховывались, поскольку многие подписывались на получение лицензии на технологию еще до дебюта Wankel Spider. Mazda была одной из первых, получивших лицензию в 1961 году, всего через год после начала производства своего первого автомобиля.
Это оказалось решающим шагом. Как и большинство стран, разоренных войной, Япония придерживалась подхода «экспортируй или умри» в своей автомобильной промышленности. Министерство международной торговли и промышленности Японии подтолкнуло различных автопроизводителей страны к объединению для достижения этих целей, и Mazda, вероятно, собиралась объединиться с Toyota, Nissan или Isuzu. Его исследования роторного двигателя убедили правительство дать Mazda шанс сделать это в одиночку.
Mazda
Mazda
Ямамото возглавил группу по разработке роторных двигателей, позже известную как «47 самураев». Согласно статье об истории Mazda, он сказал им: «Отныне роторный двигатель должен быть у вас на уме все время, спите вы или бодрствуете». В 1963 году один из самураев придумал решение одной из самых больших проблем двигателя. Три наконечника или вершины ротора всегда соприкасаются с внешними стенками камеры сгорания, и это вызывает быстрый износ. Инженер разработал верхнее уплотнение уникальной формы из углеродно-алюминиевого сплава, что позволило двигателю стать коммерчески жизнеспособным.
В 1964, Mazda продемонстрировала первый прототип двухроторного Cosmo Sport и в течение следующих трех лет систематически отрабатывала изломы, чтобы сделать ротор готовым к общественному потреблению. В 1968 году, через год после дебюта Cosmo Sport, Mazda поставила свой двухроторный двигатель на массовый автомобиль Familia Coupe, за которым последовали многие другие модели.
Роторный двигатель Ванкеля отмечает, что NSU выдал 15 лицензий на свою технологию к 1966 году, что само по себе является прибыльным предприятием. Компактность ротора была огромным преимуществом. В книге Ямамото есть отличная иллюстрация, показывающая, что двухроторный двигатель намного короче по высоте и длине, чем рядные четырех- и шестицилиндровые двигатели. На другом изображении показано содержание основных деталей двухроторного и однокулачкового рядного шестицилиндрового двигателя, а у роторного двигателя их количество составляет менее трети, за вычетом крепежных деталей. Ротор тоже легко модульный — вы можете просто добавлять роторы, сколько душе угодно.
Хотя, конечно, что-то вроде четырехроторного двигателя относительно длинное.
Помимо NSU и Mazda, единственным автопроизводителем, запустившим роторный двигатель, был Citroën. Это была катастрофа. Французский автопроизводитель был чем-то вроде инженерного центра, но отставал по двигателям. Роторный двигатель не только удовлетворил склонность Citroen к причудливым инженерным решениям, но и его предпочтение переднеприводной компоновке с продольным расположением двигателя и расположением двигателя впереди передних колес.
Клаус Нар//Wikimedia Commons
Citroën и NSU создали компанию Comotor для разработки роторных двигателей для французского автопроизводителя. Первым был однороторный двигатель, использовавшийся в экспериментальном M35, который был сдан в аренду постоянным клиентам Citroën для своего рода публичного бета-тестирования. (А вы думали, что Тесла был единственным автопроизводителем, который делал подобные вещи.) M35 привел к созданию двухроторного двигателя для GS, семейного автомобиля Citroën среднего уровня, занимающего место между базовым 2CV и его производными, а также большим роскошным DS.
В то время как в стандартных версиях GS использовался оппозитный четырехцилиндровый двигатель с воздушным охлаждением от Ami, GS Birotor стоял на вершине линейки с 2,0-литровым двухроторным двигателем мощностью более 100 лошадиных сил, что почти вдвое больше, чем у стандартной модели.
История по теме
- В справедливом мире все бы водили Citroën GS
В самый неподходящий момент дебют GS Birotor состоялся в сентябре 1973 года, за месяц до того, как мир потряс нефтяной кризис. Ротор Comotor, возможно, был небольшим и мощным, но GS Birotor был менее экономичным, чем гораздо более крупный DS. Как сообщает Lane Motor Museum, которому принадлежит, по его мнению, единственный работающий GS Birotor в США, Birotor также был на 70 процентов дороже стандартной модели, что превышало цену базовой модели DS. Вдобавок ко всему, он был ненадежен: замена двигателя часто требовалась через 20 000 миль из-за выхода из строя верхних уплотнений. Citroen хотел, чтобы роторный двигатель приводил в действие CX, заменяющий DS, но вскоре ему пришлось отменить всю программу роторных двигателей после того, как было продано всего 847 GS Birotors.
Это был один из главных факторов, приведших к банкротству Citroën в 1919 году.75 с последующей продажей Peugeot.
Mazda RX-3, первый из спортивных автомобилей «RX».
Mazda Проблемы плохого расхода топлива и плохих уплотнителей не были уникальными для Citroën. NSU когда-либо производил только Ro80, и он тоже страдал от тех же проблем. И Ro80, и торговая марка NSU умерли в 1977 году. Mazda разработала роторный двигатель намного дальше, чем когда-либо удавалось NSU, однако ее продажи сильно пострадали из-за топливного кризиса, упав на 50 процентов в период с 1973 по 1974 год. До нефтяного кризиса Mazda работала над модельный ряд с полностью роторным приводом; впоследствии ему пришлось переориентироваться на поршневые двигатели, передав роторные двигатели специализированным приложениям, таким как линейка спортивных автомобилей RX. Продажи его двигателя Ванкеля никогда больше не приближались к максимуму в 1973. В книге Хеге также отмечается, что роторные двигатели Mazda считались очень сложными в обслуживании, и в дополнение к проблемам экономии топлива и износа апексных уплотнений они чрезмерно потребляли масло.
Многие во всем мире могут обвинить американцев в ложном убеждении, что мир вращается вокруг них, но, по крайней мере, в том, что касается автомобильного мира в семидесятых, так оно и было. США были крупнейшим рынком для многих автопроизводителей, и столько усилий уходило на соблюдение наших все более строгих стандартов. У Mazda было адское время, пытаясь соответствовать стандартам выбросов, установленным Законом о чистом воздухе 19.70, в то время как другие просто бросили попытки. Даже включая могучий Mercedes-Benz.
Компания Mercedes увидела потенциал роторного двигателя как высокопроизводительной альтернативы поршневому двигателю. Согласно статье Hemmings Sports and Exotic историка Карла Людвигсена, автопроизводитель определил, что тенденция Ванкеля к высокой мощности по сравнению с низким и средним крутящим моментом делает его непригодным для его все более тяжелых автомобилей класса люкс. «На низких оборотах он не давал такой большой мощности.
Тогда это была идея [главного инженера Mercedes Руди] Уленхаута сделать небольшие спортивные автомобили», — цитирует Людвигсен инженера Ханса Лейбольда. «Это лучше подходило двигателю. Мы начали с двух роторов в обычном легковом автомобиле, затем с тремя роторами в спортивном автомобиле».
Mercedes-Benz
Mercedes-Benz AG — Mercedes-Benz Classic Communications
Спорткар представлял собой концепт C111, движущийся исследовательский автомобиль. В образе Mk2 C111 отличался впечатляющим четырехроторным двигателем мощностью 345 л.с. — столько же, сколько у современной Ferrari Daytona с 4,4-литровым V-12. Мощность не была проблемой, и, по словам инженеров Mercedes, не было проблем с надежностью и расходом масла, которые преследовали другие роторные двигатели. Однако его эффективность и выбросы были такими, и Mercedes пришел к выводу, что концепция двигателя Ванкеля была в корне ошибочной.
Чертеж ротора Mercedes в разрезе.
Mercedes-Benz AG — Mercedes-Benz Classic Communications Роторный двигатель может быть компактным и нетребовательным к деталям, но его тепловой КПД (количество вырабатываемой энергии по сравнению с отработанной тепловой энергией) оставляет желать лучшего.
В ретроспективной статье Mercedes Курт Обленедер, один из ведущих инженеров Ванкеля автопроизводителя, прямо сказал: «Камера сгорания является центральным элементом двигателя внутреннего сгорания. Приоритетом является создание оптимальной конструкции, чтобы добиться наиболее благоприятного термодинамического КПД, т. е. как можно более полного сгорания топлива.Тот факт, что этого не произошло с двигателем Ванкеля, да и не могло произойти, проявился сначала в большом расходе топлива, а затем еще более публично и подтвержденный официально, в трудностях с соблюдением все еще довольно ручных норм выбросов выхлопных газов для легковых автомобилей из-за высокой доли несгоревших углеводородов.Именно этот врожденный дефект двигателя Ванкеля, его неспособность предложить оптимальную камеру сгорания, которая была ответственность за его быструю кончину, а не за постоянно повторяющиеся предположения о механических проблемах».
Из-за формы камеры сгорания в роторном двигателе сгорание происходит медленно.
Это означает, что много топлива остается несгоревшим. В Америке, заботящейся о топливе и выбросах — опять же, на самом важном автомобильном рынке в мире в то время — это просто не сработало. В конечном итоге Mercedes отказался от Ванкеля, как и все, кроме Mazda. Хиросимская компания потратила так много на технологию, что, вероятно, не хотела сразу ее убивать, и на протяжении семидесятых и восьмидесятых годов Ямамото поднимался по служебной лестнице, попутно защищая Ванкеля.
Кеничи Ямамото и Mazda 787B 1991 года, победившая в Ле-Мане.
Mazda Не то, чтобы не было нескольких минут славы после того, как лихорадка поутихла. Mazda RX-7 дала роторным двигателям лучший дом и неожиданно добилась успеха в продажах. Экономика пузыря Японии оставила автопроизводителей на плаву в середине-конце восьмидесятых, и Mazda вложила еще больше денег в Wankel, придав ему своего рода ренессанс. Мощный твин-турбо двигатель RX-7 третьего поколения, уникальный трехроторный двигатель автомобиля Eunos Cosmo GT и, конечно же, самый мощный из них — четырехроторный двигатель победителя Ле-Мана 787B.
. По сей день 787B остается единственным непоршневым автомобилем, выигравшим великую гонку, и, скорее всего, так и останется.
Mazda создала новый роторный двигатель Renesis для спортивного автомобиля RX-8 в 2003 году, хотя, даже если оглянуться на десятилетия разработки Ванкеля, он страдал такой же ненадежностью, расходом масла и неэффективностью его предшественники. RX-8 был отменен в 2012 году, хотя Mazda сохранила команду, работающую над разработкой Ванкеля, и в начале этого года компания выпустила версию своего MX-30 EV с 0,8-литровым роторным расширителем диапазона. Даже с учетом того, что сегодня в продаже есть роторный двигатель, хотя и не в Северной Америке, трудно представить, что этот тип двигателя вернется. Mazda — единственная компания, обладающая институциональными знаниями для создания роторных автомобилей, но, как и все другие автопроизводители, она должна сосредоточить свои ресурсы на массовом рынке двигателей внутреннего сгорания и чисто электрических силовых агрегатов.
Основные компоненты твин-турбо ротора RX-7. Обратите внимание на эксцентриковый вал в правом нижнем углу.
Архив R&TЗадним числом 20:20, и в шестидесятых, когда газ был дешевым, а воздух грязным, легко понять, почему ротор Феликса Ванкеля мог обеспечить лучший путь вперед. Просто мир изменился, и поршневое внутреннее сгорание оказалось более универсальным, чем могли подумать Ванкель и любые другие приверженцы роторного двигателя. Весь этот клапанный механизм сложен, и справиться с этими возвратно-поступательными силами сложно, но это можно сделать, и сделать дешево, эффективно и достаточно чисто, чтобы удовлетворить автопроизводителей, клиентов и регулирующие органы.
Итак, как мы уже говорили в 1960 году, это оказалось блуждающим огоньком, но очень увлекательным, и тем, что обеспечило Mazda будущее. Мы лучше для этого.
Крис Перкинс
Старший репортер
Автомобильный энтузиаст с детства, Крис Перкинс является инженером Road & Track и апологетом Porsche.
Он присоединился к команде в 2016 году, и с тех пор никто не придумал, как его уволить. Он паркует Porsche Boxster в Бруклине, Нью-Йорк, к большому ужасу всех, кто видит машину, и не в последнюю очередь самого автора. Он также настаивает на том, что он не конвертируемый человек, несмотря на то, что у него их три.
Двигатели с прямым приводом | Коллморген
Компания Kollmorgen стала пионером в разработке технологии прямого привода и сегодня предлагает самый широкий ассортимент двигателей с прямым приводом в отрасли. Двигатели с прямым приводом обеспечивают лучшую в отрасли производительность, отсутствие обслуживания, чистую механическую сборку, повышенную точность, более высокую пропускную способность, повышенную надежность и плавную и бесшумную работу, что соответствует широкому спектру требований к конструкции машин.
Механические трансмиссии, такие как коробки передач, зубчатые ремни, шкивы или ходовые винты, вызывают люфт, механические потери и неприятный звуковой шум, которые могут снизить производительность машины, увеличить размер и массу машины.
Двигатели с прямым приводом, корпусные роторные (DDR), патронные роторные (CDDR) или бескаркасные (высоковольтные роторные KBM или низковольтные ротационные TBM или линейные двигатели DDL) непосредственно устанавливаются на приводимую в движение нагрузку, тем самым исключая трансмиссию, предоставление гораздо более надежной альтернативы (Хотите узнать больше о бескаркасных двигателях или технологии линейного привода с прямым приводом? Просмотрите нашу страницу «Что такое бескаркасный двигатель?» или статью в блоге «Как работает линейный привод с прямым приводом?»). Техническое обслуживание системы значительно сокращается, так как механические детали, подверженные износу, удаляются, что значительно увеличивает среднее время безотказной работы. Также улучшено ускорение нагрузки, снижено энергопотребление, уменьшена инерция системы и повышена точность — основные преимущества, которые могут обеспечить решения с прямым приводом.
Бескаркасные двигатели серии TBM2G >
Эти бескаркасные двигатели нового поколения обеспечивают высокую плотность крутящего момента для вашего самого компактного и легкого электромагнитного блока, стандартные размеры для гармонического редуктора и масштабируемую конструкцию, чтобы вы могли справиться с глобальными производственными потребностями.
Cartridge DDR® >
Наши эксклюзивные серводвигатели Cartridge DDR® сочетают в себе преимущества безрамных двигателей с простотой установки полноразмерных двигателей. Усовершенствованная электромагнитная конструкция обеспечивает плотность крутящего момента на 50 % выше, чем у обычных серводвигателей сопоставимого размера.
Корпусные D и DH >
Корпусные серводвигатели DDR обеспечивают высокую плотность крутящего момента, точную производительность и не требуют обслуживания в легко устанавливаемом сервоприводе.
Бескаркасная серия KBM >
Серия KBM отличается высокой производительностью, длительным сроком службы и простотой установки в комплект двигателя, который можно встроить непосредственно в вашу механическую конструкцию. Огромный выбор стандартных двигателей и недорогих модификаций обеспечивают идеальное соответствие.
Серия TBM Бескаркасный >
Наша серия TBM включает в себя бескаркасные двигатели с прямым приводом, предназначенные для непосредственного встраивания в механическую структуру ваших систем, с минимальным весом, размером и инерцией без ущерба для производительности.