Серия «Роторно-поршневые двигатели»

Из-за чего конструкторы ДВС постоянно ищут альтернативу классическому поршневому двигателю? Чем он их не устраивает? Неужели с главным двигателем человечества XX и начала XXI века что-то не так?

В относительно короткой истории автомобилизации человечества, существовало немало индивидуальных средств передвижения с необычными силовыми установками. Паромобили, газотурбинные турбокары и даже атом-мобили – на их фоне машины оснащенные классическими поршневыми ДВС действительно выглядят бледновато. Судите сами: в них не происходят ядерные реакции деления урана, не вырабатывается и не конденсируется перегретый пар высокого давления, да и оборотов, сравнимых с ГТД, поршневые моторы не достигают.

Все это так, однако, поршневому четырехтактному двигателю внутреннего сгорания тоже есть чем похвастаться. Он достаточно мощный, экономичный, компактный и выносливый. В общем – отличный выбор, причем как для газонокосилок, так и для моторов гигантских танкеров. Но даже на солнце бывают пятна, что уж говорить об агрегате, обладающим серьезными концептуальными недостатками. И речь, в первую очередь, о необходимости трансформации возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленвала, осуществляемое с помощью кривошипно-шатунного механизма.

Кстати, ГРМ также не добавляет эффективности данному типу ДВС. Ведь все эти механизмы, так или иначе, снижают КПД, а это – святой грааль для инженеров. Вот если бы удалось избавиться от лишних деталей, тогда получилось бы всю энергию, полученную от сгорания топлива, тратить только на вращение выходного вала, а значит получился бы идеальный двигатель! Собственно, к этому и стремятся изобретатели альтернативных моторов.

Роторно поршневые двигатели

Одним из таких новаторов стал Феликс Ванкель, еще в межвоенный период размышлявший над тем, как заставить поршень вращать выходной вал способом аналогичным паровой (или газовой) турбине. Вообще-то, подобные роторно-поршневые насосы и компрессоры (например, коловратная машина) были известны еще с 16 века. Но Ванкель был первым, кто успешно применил этот принцип к двигателю внутреннего сгорания.

Краткая биография Феликса Ванкеля. Будущий инженер-самоучка родился 13 августа 1902 года, в городе Лар. В 1922 вступил в НСДАП, а спустя пару лет в голове гениального «нематематика» (арифметика ставит меня в тупик!) родилась идея роторно-поршневого двигателя. В 1933 году Ванкель получает патент на DKM-32. Правда практически реализовать проект удалось лишь после Второй Мировой – в 1957 году.

Странно, но в русскоязычной Википедии нет упоминаний, например, о звании герра Ванкеля и его должности. Или, что в том же 24-м Ванкель возглавил боевую группу «Великий немецкий югендвер».

Так вот, в разные годы Феликс занимал пост окружного лидера НСДАП в Мангейме, был оберштурмбанфюрером СС, и являлся гауляйтером гитлерюгенда в Бадене. Причем взгляды Ванкеля на воспитание молодежи оказались столь радикальными, что из НСДАП его выгнали. А вскоре (после голословных обвинений в коррупции Роберта Вагнера – регионального лидера нацистов) и вовсе заключили в тюрьму. Лишь благодаря вмешательству Вильгельма Кеплера, экономического советника фюрера, в сентябре 1933 года Ванкеля освободили.

Разумеется, что отныне о политической карьере не могло идти и речи, но Гитлер, после личной встречи в Мюнхене, считал Феликса Ванкеля никак не меньше чем «гениальным механиком планеты»: der fanatische Tüftler. Поэтому нет ничего удивительного в том, что вскоре Ванкель получил контракты сперва с BMW, а потом и с министерством авиации Рейха. Ванкелю даже предоставили целый институт в Линдау (Wankel-Versuchs-Werkstätten), расположенном на богемском озере! Там Феликс работал над усовершенствованием авиамоторов люфтваффе, а также разработал механизм дисковых клапанов для двигателя торпеды Junkers Jumo KM-8.

В 1943 году Ванкель представил «Zischboot» – небольшой глиссирующий торпедный катер на подводных крыльях. «Вундерваффе» вызвал повышенный интерес рейхсфюрера СС Генриха Гиммлера, но до конца войны проект завершить не успели. Лишь в семидесятых Ванкель сумел снять сливки с былого сотрудничества с нацистами, представив «Zisch 2».

В конце весны 1945 года Феликса Ванкеля арестовали французы, лабораторию демонтировали, всю документацию изъяли. В конце 1951 года Ванкеля берет на работу фирма NSU. Вскоре мотоцикл Delphin III установит новый рекорд наземной скорости. Вильгельму Герцу удалось разогнать обтекаемую двухколесную капсулу до 339.635 км/ч. Эта наземная торпеда оснащалась роторным нагнетателем wankel.

Продолжение следует…

Примерно в это же время, то есть в конце шестидесятых, инженеры предприняли попытку подружить РПД с дизтопливом. Ведь общеизвестно, что по сравнению с моторами на тяжелом топливе, бензиновые обладают пониженным КПД. Однако даже в середине XX века все преимущества «дизеля» съедали его недостатки: высокая собственная масса, шумность работы и повышенные вибрации. То есть, моменты принципиально важные с точки зрения покупателей легковых автомобилей. Возможным выходом из положения представлялась попытка «подружить» дизельное топливо с новейшими РПД, лишенных многих принципиальных недостатков классического поршневого мотора. Подобные эксперименты проводил сам Феликс Ванкель, а также такие авторитетные фирмы как: Daimler-Benz, Klöckner-Humboldt-Deutz, Yanmar Diesel, MAN и даже Rolls-Royce.

Однако вскоре выяснилось что форма камеры сгорания (да к тому же еще и двигающаяся) и недостаточная степень сжатия значительно затрудняют воспламенение, де-факто делая его невозможным. В конечном итоге инженеры пришли к использованию концепции предварительного зажигания смеси дизтоплива и воздуха.

Пожалуй, наиболее радикально к попытке «поженить» ванкеля с дизелем подошли британцы, в начале 70-х построившие свой очередной прототип – Rolls-Royce 2–6R, походивший (в разрезе) на цифру 8.

В этом агрегате, основной ротор располагался сверху, именно там происходил впрыск топлива и начинался процесс сгорания. Нижняя часть представляла собой компрессор, также выполнявший функции впуска (и предварительного сжатия) воздуха и выпуска отработавших газов для «головы неваляшки». Оба ротора вращались в одну сторону, а их камеры соединялись между собой специальными каналами. Отбор мощности осуществлялся с нижней (компрессорной) части агрегата.

Предполагалось, что 6.5 литровый двигатель весом 421 кг, должен развивать 350 л.с, при 4500 об/мин. – отличные характеристики для начала 70-х! Однако на практике едва выдавал половину от расчетных показателей, да и весил на сотню килограмм больше. Более того, специалистам Rolls-Royce так и не удалось заставить чудо-агрегат работать без подачи извне предварительно сжатого и нагретого воздуха. И в любом случае для осуществления работы 2–6R требовалось больше мощности, чем мог произвести сам двигатель. Вскоре все работы в данном направлении были остановлены.

В некоторых компаниях, в том числе в Mazda, пытались использовать в качестве топлива водород. Ведь из-за того, что впуск происходит в «холодной» части двигателя, удавалось избежать преждевременного воспламенения. Серийного воплощения подобные силовые установки не получили, однако работы в данном направлении все еще продолжаются. В случае, если подобные двигатели все же пробьются на конвейер, удастся решить фундаментальную проблему РПД – плохую экологичность. После чего мощные маленькие «роторы» имеют все шансы затмить традиционный поршневой ДВС.

Кстати, а как получается что РПД, по литровой мощности, настолько превосходит традиционные моторы? Разумеется, «ротор» мощнее из-за меньшего количества деталей, и отсутствия необходимости трансформировать возвратно-поступательное движение поршня во вращение коленвала. Также добавляет «очков» отсутствие газораспределительного механизма, и здесь дело уже не только в снижении потерь на его привод. Просто из-за больших впускных и выпускных окон у РПД возникают более благоприятные условия процесса наполнения рабочей смесью: коэффициент достигает 0.98–1.1, против 0.75–0.8 у обычного двигателя. Но есть еще одна штука, за счет которой «ротор» получает преимущество.

Продолжение следует…

Чтобы обычный одноцилиндровый четырехтактный двигатель завершил термодинамический цикл, коленвал должен провернуться на 720°, или на два полных оборота. С РПД все немного иначе. Для совершения полного четырехтактного термодинамического цикла на одной грани ротора, односекционному РПД нужно не 720°, а 1080° – три оборота эксцентрикового вала. Недостаток? Отнюдь нет. Ведь за это время отработают (совершат полный термодинамический цикл) все три камеры (грани ротора) одной секции, а не один поршень!

В двухсекционном варианте, из-за смещения шеек эксцентрикового вала, за означенный период отработают уже 6 граней! Но поскольку РПД сравнивают с агрегатом отрабатывающим цикл на цилиндр за два оборота (720°), то принято считать только четыре камеры – «как бы цилиндры».

А это означает, что (эквивалентный) рабочий объем (на примере Mazda 13B) составит: 654 см3 (объем одной камеры) х4 (отработавшие камеры) = 2,6 литра! Путем таких несложных манипуляций, wankelmotor предстает в ином свете: двигатель соответствующий по мощности обычным поршневым собратьям аналогичного размера, но в маленьком «тельце».

Узнай правду, Люк…

Однако был еще один подход, которого, к слову, изначально придерживались даже создатели «ванкельмотора» из NSU. С их точки зрения моторы с камерами по 125 см3, классифицировались как 375 кубовые. Соответственно проектируемые моторы с камерами в 500 см3 в NSU считались 1,5-литровыми в односекционном, и трехлитровыми в двухсекционном вариантах.

В данном случае создатели РПД использовали для подсчета так называемый термодинамический объем (позже описанный в SAE J1220). Который, на примере уже знакомого нам двухсекционного РПД Mazda 13B, будет составлять: 6 камер, умноженные на объем каждой из них (654 см³) = аж 3,9 литра! Это число отражает полный воздухообмен двигателя за время завершения цикла всеми его камерами за 1080°.

Разумеется, подобные расчеты никогда официально не признавались производителями РПД, в те годы предпочитающими считать геометрический объем лишь по одной камере каждой секции. Так что неудивительно, что столь радикальная разница методик вызывала оживленнейшую дискуссию в моторном мире! Особенно актуальную для таможенников и налоговых органов, а также в автоспорте.

Поэтому еще в 1964 году Международная спортивная комиссия приняла решение рассчитывать рабочий объем (разница максимального и минимального объема рабочих камер) по специальной формуле: Vh = 2Vk * i. Где Vh – рабочий объем, Vk – объем камеры сгорания, i – количество секций. Такое решение призвано было удовлетворить «и ваших и наших». С тех пор объем РПД принято считать по двум камерам каждой секции. Это так называемый «приведенный рабочий объем».

Однако в обычной эксплуатации не имеет значения каким способом подсчитана кубатура двигателя. Владельцу, скорее, важны мощность, ресурс и экономичность. Как раз с последними двумя характеристиками, по общепринятому мнению, у РПД были большие проблемы! Но после того, как японцам удалось победить в самом престижном автоспортивном марафоне – 24-часах Ле-Мана, фанаты получили неоспоримые доказательства того, что и с этими параметрами у «ротора» полный порядок.

Счет, как говорится, на табло: 23 июня 1991 года, Mazda 787B, оснащенная 2.6-литровым четырехсекционным «ротором», одолела пятилитровые наддувные Mercedes-Benz C11, и Jaguar XJR-12, с атмосферным мотором V12 на 7 литров! После победы машину доставили в Йокогаму, где, при большом стечении прессы, разобрали. К немалому изумлению собравшихся выяснилось, что ресурса R26B хватило бы еще на один марафон.

Узнать подробнее о пути Mazda к победе в Ле-Мане вы можете уже сейчас. Статья доступна на сайте Autoracingworld по этой ссылке.