Роторный двигатель внутреннего сгорания¶

Роторный двигатель — тип двигателя внутреннего сгорания, в котором рабочий процесс осуществляется за счёт вращения ротора внутри корпуса специальной формы, без возвратно-поступательного движения поршня. Наибольшую известность получила конструкция Феликса Ванкеля, доведённая до серийного производства компанией Mazda. В русскоязычной технической литературе такие двигатели часто называют роторно-поршневыми (РПД).

¶История

Принцип роторного расширения был известен с XVI века, однако работоспособную конструкцию предложил немецкий инженер Феликс Ванкель, получивший в 1936 году патент на роторный двигатель. В 1951 году Ванкель начал сотрудничество с фирмой NSU, а в 1957 году был собран первый работоспособный образец DKM. В 1960 году на конференции Общества автомобильных инженеров (SAE) в Детройте NSU представила двигатель KKM, ставший основой для лицензирования технологии по всему миру.

Лицензии на производство приобрели более двадцати компаний, включая Mercedes-Benz, Volkswagen, Rolls-Royce, Toyota, Nissan и Mazda. В 1967 году Mazda выпустила первый серийный автомобиль с роторным двигателем — Mazda Cosmo Sport 110S. В СССР работы над РПД велись с 1970-х годов во ВНИИмотопроме и на Волжском автомобильном заводе; роторные двигатели устанавливались на отдельные партии автомобилей ВАЗ и на мотоциклы.

¶Устройство и принцип работы

Основные элементы двигателя Ванкеля:

• Ротор — трёхгранная деталь с эпитрохоидальным профилем, совершающая планетарное движение.
• Статор (корпус) — неподвижная камера, внутренняя поверхность которой выполнена в форме эпитрохоиды.
• Эксцентриковый вал — вал, на котором вращается ротор; передаёт крутящий момент.
• Стационарная шестерня и зубчатое колесо ротора — обеспечивают согласованное вращение.
• Системы впуска, выпуска, зажигания и охлаждения.

Ротор делит внутреннюю полость на три рабочие камеры переменного объёма. За один оборот ротора в каждой камере последовательно происходят четыре такта: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. За один оборот эксцентрикового вала совершаются три рабочих хода, что обеспечивает высокую удельную мощность.

¶Преимущества и недостатки

Преимущества:

• малые габариты и масса при высокой мощности;
• отсутствие возвратно-поступательно движущихся деталей, что снижает вибрации;
• плавность работы и высокая частота вращения;
• меньшее число деталей по сравнению с поршневым двигателем.

Недостатки:

• повышенный расход топлива и смазочного масла;
• сложность уплотнения камер (торцевые и радиальные уплотнители ротора);
• повышенные требования к материалам и точности изготовления;
• более высокий уровень токсичности отработавших газов;
• меньший ресурс по сравнению с классическими поршневыми двигателями.

¶Применение

Роторные двигатели применялись в автомобилях (Mazda RX-7, RX-8, NSU Ro 80, ВАЗ-2105 «ротор»), мотоциклах, снегоходах, лодочных моторах, авиации малой авиации и в качестве вспомогательных силовых установок. В спорте двигатель Ванкеля использовался в гонках «24 часа Ле-Мана»: в 1991 году Mazda 787B с четырёхроторным двигателем одержала победу.

В авиации роторные двигатели применяются благодаря компактности и низкой массе; в частности, они использовались в беспилотных летательных аппаратах. В СССР и России РПД применялись на мотоциклах «Восход» и на экспериментальных автомобилях.

¶Современное состояние

После ужесточения экологических норм серийное производство автомобилей с роторными двигателями было прекращено: Mazda завершила выпуск RX-8 в 2012 году. Возрождение интереса связано с использованием роторного двигателя в качестве генератора для гибридных силовых установок: в 2023 году Mazda представила MX-30 e-Skyactiv R-EV, где роторный двигатель работает как генератор для электромотора.

Разработки в области роторных двигателей продолжаются в направлении повышения эффективности, снижения токсичности и применения альтернативных топлив, включая водород.

¶Интересные факты

• Роторный двигатель Ванкеля имеет всего три основные движущиеся детали — ротор, эксцентриковый вал и уплотнители.
• В 1991 году победа Mazda 787B стала первой и единственной победой роторного автомобиля в абсолютном зачёте Ле-Мана.
• В СССР роторные двигатели выпускались на Рыбинском моторостроительном заводе; их устанавливали на автомобили для спецслужб, что позволяло развивать высокую динамику.
• Компания Mazda остаётся единственным производителем, выпускавшим роторные двигатели серийно на протяжении нескольких десятилетий.

Источники: технические публикации SAE, материалы NSU и Mazda, справочники по двигателестроению, статьи ВНИИмотопрома.