Что такое роторный двигатель и как он работает

Среди типов автомобильных двигателей внутреннего сгорания, выпускаемых серийно, особое место занимает РПД, роторно-поршневой или просто роторный двигатель. Что это такое и почему они до сих пор редки

Mazda RX-7 с двигателем Ванкеля (Фото: carthrottle.com)

Что это
Принцип работы
Преимущества и недостатки

Содержание

Что такое роторный двигатель
Кто придумал роторный двигатель
Принцип работы роторного двигателя
Чем роторный двигатель отличается от обычного
Плюсы и минусы роторного двигателя

Что такое роторный двигатель

Роторный двигатель (роторно-поршневой, или РПД) — бензиновый двигатель внутреннего сгорания, в котором вместо обычного шатунного поршня используется ротор треугольного сечения, вращающийся в полости картера. Поскольку исключены вышеупомянутые тяжелые компоненты, а также коленчатый вал и газораспределительный механизм, можно получить легкий, компактный двигатель внутреннего сгорания с высокой мощностью даже при небольшом рабочем объеме.

Первым серийным автомобилем, оснащенным РПД, стал миниатюрный Spider немецкой компании NSU, выпускавшийся с 1964 по 1967 год тиражом 2375 штук. С началом нефтяного кризиса в 1973 году большинство стран прекратили совершенствование РПД, отличавшихся высоким расходом топлива. В то время экономичность стала одной из ключевых характеристик двигателей из-за резкого роста цен на бензин. В СССР АвтоВАЗ взял за образец роторный двигатель НСУ и после ряда неудач создал РПД (1,3 л, 140 л.с.), который устанавливался на ВАЗ 21079 для спецслужбы в постсоветский период. Работа Тольятти над проектом ротора не была окончательно прекращена до 2004 года.

НСУ Паук (1964 г.) — первый серийный автомобиль, оснащенный РПД (Фото: autowp.ru)

Mazda дольше других использовала РПД на своих моделях (до 2012 года). В 2023 году она вернула двигатель под капот гибридной версии e-Skyactiv R-EV компактного кроссовера MX-30, но только в качестве генератора для питания электродвигателя передней оси для зарядки тягового аккумулятора. При этом РПД практически всегда работает в стабильном, максимально экономичном режиме, с вредными выбросами в допустимых пределах. Перевод РПД на водородное топливо приведет к их сбросу. Такие проекты находятся в стадии разработки. В настоящее время РПД также используется на некоторых моделях боевых дронов.

Кто придумал роторный двигатель

Другое название роторного двигателя – Ванкеля, аналогично дизелю, названному в честь Рудольфа Дизеля, изобретателя самовоспламеняющегося двигателя внутреннего сгорания на рабочей смеси. Однако у RPD более одного родителя. Концепцию роторно-поршневого двигателя предложил Вальтер Фройде, руководитель инженерной группы Новосибирского государственного университета. После Второй мировой войны там работал Феликс Ванкель и долгое время занимался производством специальных уплотнений, без которых было бы невозможно обеспечить достаточный срок службы РПД. История надеялась, что фамилия Ванкель станет нарицательной.

Слева — поперечное сечение роторного двигателя с ротором, выполненным в виде треугольника Рело. Справа — Феликс Генрих Ванкель, соавтор роторно-поршневого двигателя (так называемого двигателя Ванкеля), который он разработал в 1957 году вместе с инженером НГУ Вальтером. Он дебютировал вместе с Вальтером Фройде, которому пришла в голову идея конструкции этого двигателя. (Фото: Softeis/CC BY-SA 3.0/Wikimedia Commons, Keystone/Getty Images)

В первых опытных образцах РПД ротор был неподвижен, а сам корпус двигателя вращался, но это решение оказалось неразумным и при проектировании двигателя, пошедшего в серию в конце 1950-х годов, от него отказались в пользу ставшего уже классическим варианта с вращающийся ротор. НГУ продал лицензии на производство РПД почти сотне автомобильных компаний, в том числе большому количеству японских автомобильных компаний.

Принцип работы роторного двигателя

Основными компонентами РПД являются:

Ротор, имеющий треугольное сечение и закругленную вершину, выполняет роль поршня и шатуна в классическом двигателе внутреннего сгорания и отвечает за передачу крутящего момента. Ротор может быть не один, а пара.

Статор (корпус) с внутренней овальной полостью, внутри которой вращается ротор, образуя при своем движении самостоятельные серповидные камеры, в которых формируется, сжимается и воспламеняется рабочая смесь, а затем удаляются отработавшие газы.

На поверхности ротора, контактирующей со статором, имеются специальные уплотнения. Уплотнение обеспечивает надежную герметизацию камеры, образующейся при вращении ротора.

Впускные и выпускные окна в стенке статора вместе с ротором заменяют классический газораспределительный механизм с распределительными валами и клапанами.

Эксцентриковый вал обеспечивает вращение ротора по сложной траектории внутри полости статора и получение крутящего момента (так же, как коленчатый вал в классическом двигателе внутреннего сгорания), который затем через трансмиссию передается на колеса.

Система смазки.

система охлаждения.

Инжектор для приготовления рабочей смеси (ранее назывался карбюратор.

свеча зажигания.

Цикл двигателя Ванкеля: впуск (синий), сжатие (зеленый), рабочий ход (красный), выпуск (желтый) (Фото: Fred the Oyster / CC BY-SA 4.0 / Wikipedia Commons)

Чем роторный двигатель отличается от обычного

РПД работает по тому же циклу, что и классический четырехтактный двигатель внутреннего сгорания (впуск, сжатие, рабочий такт, выпуск) и имеет аналогичные системы подачи топлива и зажигания, а также системы охлаждения и смазки. Однако РПД имеет ряд существенных отличий:

Если в обычном двигателе внутреннего сгорания энергия сгорания рабочей смеси сначала преобразуется в возвратно-поступательное движение поршня, а затем во вращение коленчатого вала, то в РПД промежуточные звенья передачи отсутствуют, что повышает КПД двигателя.

Отсутствие клапанного механизма, создающего завихрения в камере сгорания, приводит к неоднородностям рабочей смеси в РПД, что отрицательно влияет на целостность ее сгорания и, следовательно, на эффективность и чистоту отработавших газов.

Необходимость смазки уплотнений РПД приводит к тому, что часть масла смешивается с рабочей смесью и воспламеняется. Это не только существенно увеличивает расход моторного масла, но и предъявляет более высокие требования к нагару в смазочном масле. Минеральное масло здесь лучше синтетического, но интервал замены сокращается примерно до 5000 км.

Плюсы и минусы роторного двигателя

Потребительское качество RPD резко контрастирует.

К преимуществам ротора относятся:

Количество деталей уменьшено на 35-40% по сравнению с обычными двигателями внутреннего сгорания, что обеспечивает компактность. При сопоставимой отдаче РПД занимает половину места.

Высокая мощность и небольшой рабочий объем.

По сравнению с рядными и V-поршневыми двигателями РПД компактен и имеет меньшую высоту, что снижает центр тяжести автомобиля и тем самым повышает устойчивость автомобиля.

Из-за отсутствия традиционной поршневой группы возвратно-поступательного движения РПД подвергается меньшим вибрационным нагрузкам, что положительно сказывается на комфорте езды.

Он более устойчив к высоким оборотам, чем традиционные двигатели внутреннего сгорания, позволяя разогнать автомобиль до максимально возможной скорости на пониженных передачах, не перегружая двигатель.

Более высокая взрывостойкость, поскольку разрушительная энергия, образующаяся при взрыве, действует в направлении вращения ротора, а не в противоположном направлении движения поршня, как в обычных двигателях внутреннего сгорания.

Роторно-поршневой двигатель Renesis, установленный на Mazda RX-8 (Фото: Mazda)

Роторы имеют множество недостатков:

Неоптимальная форма камеры сгорания и неоднородность подаваемой в камеру сгорания рабочей смеси являются причиной высокого расхода топлива.

Расход топлива высокий, до 1 литра на 1000 километров. Игнорирование этой особенности неизбежно приведет к серьезному повреждению двигателя.

Неполное сгорание рабочей смеси и поступающего в нее масла приводит к повышенной токсичности выхлопных газов.

По сравнению с обычными двигателями внутреннего сгорания уплотнения ротора подвергаются воздействию высоких давлений и значительно больших перепадов температур, а их быстрый износ может привести к потере герметизации в камерах, образующихся при вращении ротора, и привести к снижению производительности двигателя.

Низкая ремонтопригодность. При появлении царапин на стенках полостей статора сверлить стенки полостей статора нельзя, так как невозможно изготовить ремонтные комплекты большего размера.

Стоимость РПД выше из-за повышенных требований к качеству материалов и точности изготовления элементов конструкции.

Также читайте:

Двигатель внутреннего сгорания: что это такое и как он работает. 5 интересных фактов
Дизельный двигатель: как работает, преимущества и недостатки
Что такое контрактный двигатель? Нужна ли регистрация в ГИБДД для замены двигателя
Что такое оппозитные двигатели и на какие автомобили они устанавливаются

Об авторе
Хотите связаться со мной?

Главный редактор , wekauto.ru

Василий Штормин

[email protected]

Знаю что такое авто от А до Я. Люблю интересоваться гонками, конструкцией автомобилей, ремонтом. Знакомые советовали поделиться своими знаниями в интернете. Давайте вместе окунемся в мир авто и всего, что с ним связано.