Роторний двигун: принцип роботи. Плюси і мінуси роторного двигуна
З винаходом двигуна внутрішнього згоряння прогрес у розвитку автомобілебудування зробив крок далеко вперед. Незважаючи на те, що загальний пристрій ДВС залишалося однаковим, дані агрегати постійно вдосконалювалися. Поряд з цими моторами з'являлися більш прогресивні агрегати роторного типу. Але чому вони так і не набули широкого поширення в автомобільному світі? Відповідь на це питання ми розглянемо у статті.
Історія виникнення агрегату
Двигун роторного типу був сконструйований і випробуваний розробниками Феліксом Ванкелем і Вальтером Фройде в 1957 році. Перший автомобіль, на який було встановлено даний агрегат, - спорткар NSU «Спайдер». Дослідження показали, що при потужності мотора в 57 кінських сил дана машина мала можливість розігнатися до колосальних 150 кілометрів на годину. Виробництво автомобілів «Спайдер» в комплектації з 57-сильним роторним двигуном тривало близько 3-х років.
Після цього даним типом двигунів стали оснащувати автомобіль NSU Ro-80. Згодом роторні мотори встановлювалися на «Сітроен», «Мерседеси», ВАЗи і «Шевроле».
Одним з найпоширеніших автомобілів з роторним двигуном є японський спорткар «Мазда» моделі Cosmo Sport. Також японці стали оснащувати даними мотором модель RX. Принцип роботи роторного двигуна («Мазда» RX) полягав у постійному обертанні ротора зі зміною тактів роботи. Але про це трохи пізніше.
У нинішній час японський автовиробник не займається серійним випуском машин з роторними двигунами. Останньою моделлю, на яку ставився такий мотор, стала «Мазда» RX8 модифікації Spirit R. Однак в 2012 році виробництво даної версії автомобіля було припинено.
Будову та принцип роботи
Який має роторний двигун принцип функціонування? Даний тип моторів відрізняється 4-тактний циклом дії, як і на класичному ДВС. Однак принцип роботи роторно-поршневого двигуна трохи відрізняється від такого у звичайних поршневих.
У чому головна особливість даного мотора? Роторний двигун Стірлінга має в своїй конструкції не 2, не 4 і не 8 поршнів, а всього один. Називається він ротором. Обертається даний елемент в циліндрі спеціальної форми. Ротор насаджується на вал і з'єднується із зубчастим колесом. Останнє має шестеренчатого зчеплення зі стартером. Обертання елемента відбувається по епітрохоїдальній кривої. Тобто лопаті ротора поперемінно перекривають камеру циліндра. В останній відбувається згорання палива. Принцип роботи роторного двигуна («Мазда» Cosmo Sport в тому числі) полягає в тому, що за один оборот механізм штовхає три пелюстки жорстких кіл. У той час як деталь обертається в корпусі, три відсіки всередині змінюють свій розмір. Завдяки зміні розмірів в камерах створюється певний тиск.
Фази роботи
Як діє роторний двигун? Принцип роботи (gif-зображення і схему РПД ви можете побачити нижче) даного мотора полягає в наступному. Функціонування двигуна складається з чотирьох повторюваних циклів, а саме:
- Подачі палива. Це перша фаза роботи двигуна. Вона відбувається в той момент, коли вершина ротора знаходиться на рівні отвору подачі. Коли камера відкрита для основного відсіку, її обсяг наближається до мінімуму. Як тільки ротор обертається повз неї, у відсік потрапляє паливно-повітряна суміш. Після цього камера знову стає закритою.
- Стиснення. Коли ротор продовжує свій рух, простір у відсіку зменшується. Таким чином, відбувається стиснення суміші з повітря і палива. Як тільки механізм проходить відсік зі свічок запалювання, обсяг камери знову зменшується. У цей момент відбувається займання суміші.
- Займання. Найчастіше роторний двигун (ВАЗ-21018 в тому числі) має декілька свічок запалювання. Це обумовлено великою довжиною камери згоряння. Як тільки свічка запалює горючу суміш, рівень тиску всередині збільшується в десятки разів. Таким чином, ротор знову приводиться в дію. Далі тиск в камері і кількість газів продовжують зростати. У цей момент відбувається переміщення ротора і створення крутного моменту. Так продовжується до тих пір, поки механізм не пройде вихлопної відсік.
- Випуску газів. Коли ротор проходить даний відсік, газ під високим тиском починає вільно переміщатися в вихлопну трубу. При цьому рух механізму не припиняється. Ротор стабільно обертається до тих пір, поки об'єм камери згоряння знову не впаде до мінімуму. До цього часу з мотора видавиться залишився кількість відпрацьованих газів.
Саме такий має роторний двигун принцип роботи. ВАЗ-2108, на який також монтувався РПД, як і японська «Мазда», відрізнявся тихою роботою мотора і високими динамічними характеристиками. Але в серійне виробництво дана модифікація так і не була запущена. Отже, ми з'ясували, який має роторний двигун принцип роботи.
Недоліки і переваги
Не дарма даний мотор привернув увагу настільки багатьох автовиробників. Його особливий принцип роботи і конструкція мають цілий ряд переваг в порівнянні з іншими типами ДВС.
Отже, які має роторний двигун плюси і мінуси? Почнемо з явних переваг. По-перше, роторний двигун має найбільш збалансовану конструкцію, а тому практично не викликає високих вібрацій при роботі. По-друге, даний мотор має більш легку вагу і велику компактність, а тому його установка особливо актуальна для виробників спорткарів. Крім того, невелика вага агрегату дав можливість конструкторам домогтися ідеальної развесовки навантажень по осях. Таким чином, автомобіль з даним двигуном ставав більш стійким і маневреним на дорозі.
Ну і, звичайно ж, простору конструкції. Незважаючи на те ж саме кількість тактів роботи, влаштування даного двигуна набагато простіше, ніж у поршневого аналога. Для створення роторного мотора було потрібно мінімальна кількість вузлів і механізмів.
Однак головний козир даного двигуна полягає не в масі і низьких вібраціях, а у високому ККД. Завдяки особливому принципом роботи роторний мотор мав велику потужність і коефіцієнт корисної дії.
Тепер про недоліки. Їх виявилося набагато більше, ніж переваг. Основна причина, по якій виробники відмовлялися купувати такі мотори, полягала в їх високій витраті палива. В середньому на сто кілометрів такий агрегат витрачав до 20 літрів пального, а це, погодьтеся, чималий витрата за сьогоднішніми мірками.
Складність виробництва деталей
Крім того, варто відзначити високу вартість виробництва деталей даного двигуна, яка пояснювалася складністю виготовлення ротора. Для того щоб даний механізм правильно пройшов епітрохоїдальній криву, потрібна висока геометрична точність (для циліндра в тому числі). Тому при виготовленні роторних двигунів неможливо обійтися без спеціалізованого дорогого обладнання та спеціальних знань в технічній галузі. Відповідно, всі ці витрати заздалегідь закладаються в ціну автомобіля.
Перегріви і високі навантаження
Також через особливої конструкції даний агрегат був часто схильний перегріву. Вся проблема полягала в лінзоподібної формі камери згоряння. 
На відміну від неї, класичні ДВС мають сферичну конструкцію камери. Паливо, яке згорає в лінзовідние механізмі, перетворюється на теплову енергію, що витрачається не тільки на робочий хід, але й на нагрів самого циліндра. Зрештою часте «закипання» агрегату призводить до швидкого зносу і виходу його з ладу.
Ресурс
Не тільки циліндр терпить великі навантаження. Дослідження показали, що при роботі ротора значна частина навантажень лягає на ущільнювачі, розташовані між форсунками механізмів. Вони піддаються постійному перепаду тиску, тому максимальний ресурс двигуна становить не більше 100-150 тисяч кілометрів. 
Після цього мотору потрібен капітальний ремонт, вартість якого часом рівносильна купівлі нового агрегату.
Витрата масла
Також роторний двигун дуже вимогливий до обслуговування. 
Витрата масла у нього складає більше 500 мілілітрів на 1 тисячу кілометрів, що змушує заливати рідину кожні 4-5 тис. Кілометрів пробігу. Якщо вчасно не зробити заміну, мотор просто вийде з ладу. Тобто до питання обслуговування роторного двигуна потрібно підходити більш відповідально, інакше найменша помилка чревата дорогим ремонтом агрегату.
Різновиди
На даний момент існує п'ять різновидів даних типів агрегатів:
- Роторні мотори з зворотно-обертальними рухами валу.
- З рівномірним обертанням валу. При цьому в його конструкції не використовуються будь-які ущільнювальні механізми. Розташування камер згоряння у них спірального типу.
- Агрегати з пульсірующе-обертовим рухом, спрямованим в 1 сторону.
- З планетарним обертанням валу, без елементів ущільнювачів. Яскравий приклад тому - двигун Ванкеля.
- РПД з рівномірною роботою робочих елементів і спіральним типом розташування камер згоряння.
Роторний двигун (ВАЗ-21018-2108)
Історія створення ВАЗівських роторних ДВЗ датується 1974 роком. Саме тоді було створено перше конструкторське бюро РПД. Проте перший розроблений нашими інженерами двигун мав схожу конструкцію з мотором Ванкеля, який укомплектовуються на імпортні седани NSU Ro80. Радянський аналог отримав назву ВАЗ-311. Це найперший радянський роторний двигун. Принцип роботи на ВАЗівських автомобілях даного мотора має однаковий алгоритм дії РПД Ванкеля.
Першим автомобілем, на який стали встановлювати дані двигуни, став ВАЗ модифікації 21018. Машина практично нічим не відрізнялася від свого «предка» - моделі 2101 - за винятком використовуваного ДВС. Під капотом новинки стояв односекційний РПД потужністю в 70 кінських сил. Проте в результаті досліджень на всіх 50 зразках моделей були виявлені численні поломки мотора, які змусили Волзький завод відмовитися від застосування даного типу ДВС на своїх автомобілях на найближчі кілька років.
Основна причина несправностей вітчизняного РПД полягала в ненадійних ущільненнях. Проте радянські конструктори вирішили врятувати даний проект, презентувавши світу новий 2-секційний роторний двигун ВАЗ-411. Згодом був розроблений ДВС марки ВАЗ-413. Основні їх відмінності полягали в потужності. Перший примірник розвивав до 120 кінських сил, другий - близько 140. Однак у серію дані агрегати знову не увійшли. Завод прийняв рішення ставити їх тільки на службові автомобілі, що використовувалися в ДАІ і КДБ.
Мотори для авіації, «вісімок» і «дев'яток»
У наступні роки розробники намагалися створити роторний мотор для вітчизняної малої авіації, однак всі спроби виявилися безрезультатними. У підсумку конструктори знову зайнялися розробкою двигунів для легкових (тепер уже передньопривідних) автомобілів ВАЗ серії 8 і 9. На відміну від своїх попередників новоразработанние мотори ВАЗ-414 і 415 були універсальними і могли використовуватися на задньопривідних моделях авто типу «Волга», «Москвич» і так далі.
Характеристики РПД ВАЗ-414
Вперше даний двигун з'явився на «дев'ятках» лише в 1992 році. У порівнянні зі своїми «предками» даний мотор мав такі переваги:
- Високу питому потужність, яка давала можливість машині набрати «сотню» всього за 8-9 секунд.
- Великий коефіцієнт корисної дії. З одного літра згорілого палива вдавалося отримати до 110 кінських сил потужності (і це без будь-якої форсировки і додаткової розточення блоку циліндрів).
- Високий потенціал для форсування. При правильному налаштуванні можна було збільшити потужність двигуна на кілька десятків кінських сил.
- Високоспритних мотора. Такий двигун здатний був працювати навіть при 10 000 об. / Хв. При таких навантаженнях міг функціонувати тільки роторний двигун. Принцип роботи класичних ДВС не дозволяє їх експлуатувати довго на високих оборотах.
- Відносно малий витрата палива. Якщо колишні екземпляри «з'їдали» на «сотню» близько 18-20 літрів палива, то даний агрегат споживав всього 14-15 в середньому режимі експлуатації.
Сьогоднішня ситуація з РПД на Волзькому автозаводі
Всі вищеописані двигуни не отримали великої популярності, і незабаром їх виробництво було згорнуто. Надалі Волзький автозавод поки не планує відроджувати розробку роторних двигунів. Так що РПД ВАЗ-414 так і залишиться зім'ятим клаптиком паперу в історії вітчизняного машинобудування.
Отже, ми з'ясували, який має роторний двигун принцип роботи і пристрій.
