Как работает роторный двигатель автомобиля: принцип Ванкеля
Роторный двигатель работает принципиально иначе, чем поршневой: вместо возвратно-поступательного движения поршней здесь эксцентрично вращается трёхгранный ротор внутри овального корпуса — эпитрохоиды. Это позволяет за один оборот выполнить все четыре такта рабочего цикла сразу в трёх камерах, образованных гранями ротора и стенками корпуса. Конструкцию запатентовал немецкий инженер Феликс Ванкель в 1957 году, поэтому двигатель часто называют двигателем Ванкеля.
Устройство: ротор, корпус и эксцентриковый вал
Главная деталь роторного двигателя — ротор в форме треугольника с выпуклыми гранями. Он посажен на эксцентриковый вал с большим смещением оси, поэтому при вращении ротора три его вершины всегда скользят по внутренней поверхности корпуса, образуя три рабочие камеры. Объём каждой камеры постоянно меняется: она то расширяется, то сжимается. На вершинах ротора стоят пружинные уплотнения из высоколегированного чугуна — они разделяют камеры и удерживают давление.
Корпус (статор) изготавливают из алюминиевого сплава и покрывают изнутри твёрдым хромовым напылением. Внутренняя поверхность имеет строго рассчитанную форму эпитрохоиды с точностью обработки до нескольких микрон. Боковые крышки корпуса содержат каналы впуска топливно-воздушной смеси, выпуска отработанных газов и масляной смазки.
Рабочий цикл: четыре такта без клапанов
В роторном двигателе нет клапанов в обычном понимании. Впуск и выпуск управляются портами — просто отверстиями в корпусе, которые ротор поочерёдно открывает и закрывает своими гранями. Когда одна грань ротора проходит мимо впускного порта, камера расширяется и засасывает смесь бензина с воздухом. Затем ротор поворачивается дальше, камера сжимается до 9-10 атмосфер, и свечи зажигания (их обычно две на секцию) поджигают смесь. Давление газов толкает грань ротора, создавая крутящий момент. Наконец камера снова проходит мимо выпускного порта и выбрасывает отработанные газы.
Поскольку все три камеры работают поочерёдно, за один полный оборот ротора вал совершает три рабочих хода. При этом сам ротор делает один оборот, а вал из-за эксцентрика поворачивается на три оборота. Частота вращения серийных роторных двигателей достигает 8000-9000 об/мин, а у спортивных версий превышала 10 000 об/мин.
Особенности смазки и топлива
Роторный двигатель требует особого подхода к смазке. Масло подаётся непосредственно в камеры сгорания вместе с топливом (так называемая «масляная инжекция»), поэтому расход масла у него значительно выше, чем у поршневого двигателя: от 0,5 до 1,5 л на 1000 км. Водителям таких автомобилей необходимо регулярно контролировать уровень масла между плановыми заменами.
Роторный двигатель хорошо работает на высокооктановом бензине от 95 и выше, так как высокие рабочие температуры в камерах сгорания (до 2000 °C в момент воспламенения) требуют топлива с хорошей детонационной стойкостью.
Преимущества и слабые стороны конструкции
Главные достоинства роторного двигателя: компактность, низкий центр тяжести, отсутствие клапанов и балансировочных валов, а также превосходная плавность хода из-за равномерного приложения крутящего момента. При равном рабочем объёме роторный мотор значительно легче поршневого и выдаёт больше мощности.
Слабые стороны связаны с геометрией корпуса. Вытянутая форма камеры сгорания затрудняет полное сжигание топлива, что ведёт к повышенному расходу бензина и вредным выбросам. Уплотнения на вершинах ротора изнашиваются быстрее поршневых колец, а их замена требует полной разборки двигателя. Эти проблемы так и не удалось полностью решить за десятилетия серийного производства.
Тем не менее роторный двигатель занял прочное место в инженерной истории как оригинальное и изящное техническое решение, доказавшее свою состоятельность в спортивных и гоночных применениях. Сегодня интерес к нему возрождается в контексте гибридных силовых установок, где компактный ротор работает генератором для электромотора.
