Роторно-поршневые двигатели Ванкеля, или сокращенно РПД, выгодно отличаются от столь модных сейчас «атмосферников» своим небольшим весом и малым количеством подвижных частей. Например, японцы из компании Mazda, используя этот тип двигателя, добились мощность в 230 «лошадок». И это при том, что рабочим объемом этот двигатель был в 1,3 литра. У РПД очень много других преимуществ, о которых пойдет речь.
Для начала, как появился двухсекционный роторно-поршневый двигатель Ванкеля? Первые роторные двигателя принадлежат Джеймсу Ватту, известному изобретателю. Именно он стал первооткрывателем в этом направлении. Первым двигателем, который он изобрел, был роторно-паровой. Исследователь Феликс Ванкель продолжил линию Ватта по усовершенствованию этого типа двигателей. В ходе долгой работы Ванкелю удалось прийти к наилучшей формуле статора и ротора. Работа Ванкеля велась при содействии компании NSU, изготавливающей мотоциклы. Итог его долгих трудов появился в 1957 году в виде двухсекционного роторно-поршневого двигателя Ванкеля. Конечно, тот двигатель был еще далек от совершенства, и потребовалось два года на то, чтобы доработать его.
Одним из первых выгоды и преимущества нового вида двигателя заметил Матсуда, являющийся главой японской компании Mazda. Он предложил компании NSU продолжить работу над двигателем вместе. Таким образом, в японской компании появился новый отдел, занимавшийся доработкой конструкции РПД - Rotary Engine, который помог компании с 1963 года начать выпускать эти двигателя массово.
Впервые новый вид двигателя появился на машине, получившей название Cosmo Sport. На тот момент разработчикам удалось добиться мощность в 110 «лошадок», однако, работа продолжалась. Целью было достижение большей экономичности двигателя, а также его экологичности. И того, и другого, удалось достичь. В семидесятые годы продажи серийных автомобилей, оснащенных двухсекционными роторно-поршневыми двигателями, начали стремительно расти. В 1978 году было продано более миллиона таких машин.
Давайте рассмотрим принцип работы двухсекционного роторно-поршневого двигателя. Главное отличие роторного от четырехтактного двигателя заключается в том, что за впрыск, сжатие, сжигание и выпуск отвечают различные отсеки камеры. В четырехтактном же двигателе все это совмещается в действии одного цилиндра. Цилиндр этот разделяется на четыре секции, каждая из которых занимается своим процессом. Принцип работы поршневого двигателя заключается в том, что каждый поршень под воздействием давления, приходит в движение. Поршни в каждом из цилиндров передвигаются вперед и назад. Таким образом, появляется толкательное движение. Чтобы оно превратилось во вращательное, необходимое машине для передвижения, существуют шатуны и коленвал. Роторный принцип в двигателе подразумевает отсутствие толкательного движения. В нем образуется сразу движение вращательное. Все дело в давлении, которое приводит ротор в движение. Роторный принцип прекрасен в плане достижения большего количества оборотов для двигателя.
Из всего сказанного, мы можем сделать вывод, что роторный двигатель работает для автомобиля более эффективно, чем обычный поршневой. Одни и те же показатели мощности он может выдавать при меньших размерах и массе, что само по себе очень ценно.
Итак, в поршневом двигателе главной рабочей силой является поршень, соответственно, в роторном – ротор, имеющий три вершины. Давление газа в камере приводит ротор в действие, и он начинает вращаться. Роль статора выполняет корпус двигателя. Возможность двигаться ротору внутри двигателя дают две шестерни. Первая находится в самом роторе, вторая прикреплена к крышке корпуса сбоку (она прикрепляется жестко). Шестерня на корпусе цепляется за шестерню на роторе, который начинается вращаться вокруг нее за счет зубчиков на шестерне.
Принцип работы вала в двухсекционного роторно-поршневого двигателя. таков: на корпусе двигателя расположены подшипники. Сам вал скреплен с эксцентриком цилиндрической формы (это одновременно деталь ротора – на ней он совершает обороты). Шестерни связаны между собой, и вместе они позволяют ротору двигаться в нужном направлении по отношению к статору. В итоге, в роторно-поршневом двигателе можно выделить три отдельных камеры. Оборот эксцентрикового вала позволяет ротору один раз повернуться на 120 градусов. Передаточное отношение в этом типе двигателя будет равным два к трем. Четырехтактный цикл, характерный для обычных двигателей, присутствует и в РПД. Он происходит отдельно в каждой его камере в течение одного оборота ротора. Здесь мы можем видеть еще одно преимущество РПД – ему не нужен газораспределительный механизм.
Каждая камера РПД герметична, для этого используются специальные платины, которые уплотняют их с торца и по радиусу. Эти пластины оказываются плотно прижатыми к цилиндру засчет возникновения центробежной силы, а также давления газа. Механическая деталь, прижимающая их – это ленточные пружины. Сила давления газов, прогоняемая через ротор, позволяет появляться в двигателе крутящему моменту.
В остальном принцип работы РПД похож на принцип работы поршневых двигателей. Это и образование смеси, и система зажигания, запуск двигателя, смазка, система охлаждения.
Конечно, у РПД есть свои плюсы и минусы. Повторимся, что его главный плюс – небольшой размер и масса. Это возможно благодаря тому, что РПД не нужны шатуны, поршни и коленвал. А размер и вес двигателя играют очень большое значение в динамических характеристиках автомобиля. Кроме того, у РПД исключается вибрация благодаря тому, что все его детали работают в одном направлении. В отличие от РПД, у поршневого двигателя детали имеют разнонаправленное движение (поршни двигаются в разные стороны).
Однако, есть несколько минусов в конструкции роторного двигателя, которые являются почти неизбежными. Дело в том, что форма камеры у РПД – серповидная, тогда как у поршневого двигателя – цилиндрическая. Соответственно, если взять обе эти камеры, имеющие одинаковый объем, то мы получим гораздо большую площадь у камеры РПД. Большая площадь означает и большую нагрузку, а отсюда – меньший коэффициент полезного действия (в плане тепла).
РПД гораздо более «прожорлив» в плане топлива, так как топливная смесь сгорает в нем не полностью. Это идет опять же от серповидной формы камеры. Соответственно, этот двигатель будет и больше засорять атмосферу своими выбросами.
В плане производства РПД достаточно сложен. Корпус этого двигателя имеет довольно сложную форму, которую не так-то просто сделать. При этом, статор РПД должен быть сделать из теплоустойчивого материала, так как в процессе работы двигателя он получает серьезную тепловую нагрузку. Дело в том, что в РПД впуск происходит всегда в одном месте, также, как и само сгорание. Поэтому в процессе работы камеры почти не охлаждаются.
Еще один серьезный вопрос – это долговечность уплотнений ротора. Каждый раз, прикасаясь к корпусу, они действую под разными углами, что подвергает их сильному износу. Смазка уплотнений, при этом, очень скудна, а вот тепловая нагрузка, наоборот, серьезная. Чтобы уплотнения не износились чересчур быстро, приходится доливать масло через впускной коллектор.
