Роторные двигатели: принцип работы, ресурс и особенности

Роторный двигатель (РПД или роторно-поршневой двигатель), в отличие от традиционного поршневого ДВС, проще в плане конструкции. Также данный тип силовой установки имеет более высокий КПД. Соответственно, даже при небольшом рабочем объеме «отдача» от такого мотора достаточно высокая. 

При этом РПД не получил широкого распространения в автомобильной индустрии. К сожалению, даже с учетом всех преимуществ, агрегат также имеет целый ряд недостатков. Далее мы рассмотрим, как устроен и работает роторный мотор, а также его сильные и слабые стороны.

Роторный двигатель: устройство и принцип работы РПД

Итак, роторный двигатель, который также называют двигатель Ванкеля в честь его создателя, представляет собой достаточно обособленный тип ДВС. При этом данный вид двигателей устанавливался на разные авто (например, роторный двигатель ВАЗ, роторный двигатель Мазда и т.д.), однако в большей степени популяризировали агрегат именно Mazda благодаря спорткару Мазда RX‑8 с роторным двигателем 13B-MSP.

Если коротко, в обычном поршневом моторе энергию от сгорания топлива в цилиндрах преобразует в возвратно-поступательное движение громоздкая поршневая группа, после чего происходит дальнейшее преобразование во вращательное движение (вращение коленвала).

В свою очередь, в роторном моторе нет ЦПГ, преобразование энергии происходит фактически «напрямую», то есть практически без потерь. Само собой, на Мазда роторный двигатель стал достаточно мощным «сердцем» с выдающимися характеристиками.

Примечательно то, что бензиновый атмосферный роторный мотор с рабочим объемом всего лишь 1.3 литра (13B-MSP) с 2  роторами в виде секций выдавал 192 лошадиных силы. В то же время его форсированная версия позволяла снять уже 231 «лошадку».

• Если рассматривать конструкцию, двигатель получил 5 корпусов, в результате чего были образованы 2 камеры. Указанные камеры, подобно цилиндрам, предназначены для сгорания топливно-воздушной смеси. Энергия сгорания топлива вращает роторы, которые закреплены на эксцентриковом валу, который напоминает коленвал обычного ДВС.

При этом движение ротора сложное, так как ротор не вращается, а фактически «обкатывается» своей внутренней шестерней вокруг стационарной шестерни, которая прикреплена в центре одной из боковых стенок камеры. Сам эксцентриковый вал проходит через все корпуса и стационарные шестерни. Вращение ротора, точнее, его вращательное движение происходит так, что на 1 его оборот приходится 3 оборота эксцентрикового вала.

Еще примечательно то, что хотя в роторном моторе также есть циклы впуска, сжатия, рабочего такта и выпуска, механизм ГРМ максимально упрощен. Отсутствует привод газораспределительного механизма, нет распределительных валов, а также и самих клапанов.

Все необходимые функции реализованы счет впускных и выпускных окон,  которые выполнены в боковых стенках. На деле, ротор во время вращения открывает, а также закрывает эти окна. Чтобы было понятно, давайте рассмотрим принцип работы роторного двигателя на примере агрегата с одной секцией.

• Итак, боковые стороны ротора вместе со стенками корпусов формируют рабочую полость. Кода ротор двигателя находится в начальном положении, по объему полость небольшая (это начало такта впуска). Далее, вращаясь, ротор, открывает впускные окна, в результате в камеру попадает рабочая топливная смесь. Когда полость достигает максимального объема, ротор перекроет впускные окна, после чего начнется такт сжатия (полость начнет уменьшаться).

В момент, когда объем полости снова минимален, за счет искры от свечи произойдет воспламенение смеси и начнется рабочий такт. Далее энергия сгорания топлива вращает ротор, после чего ротор перейдет в положение, при котором открываются выпускные окна (осуществляется выпуск отработавших газов). После выпуска весь цикл повторяется.

Другие полости будут работать точно так же. С учетом того, что полостей 3, за один оборот ротора произойдет 3 рабочих такта. Более того, эксцентриковый вал вращается быстрее ротора в 3 раза. Результат — по одному рабочему такту на один оборот вала мотора с одной секцией. Вполне очевидно, что поршневой четырехтактный ДВС с одним цилиндром имеет соотношение в 2 раза ниже по сравнению с роторным.

Получается, если сопоставить число рабочих тактов на оборот вала, тогда двухсекционный 13B-MSP напоминает обычный поршневой мотор на 4 цилиндра, однако при объеме 1.3 л двигатель такой же мощный, как и поршневой агрегат с объемом чуть более 2.5 литров. Еще добавим, что роторный мотор  имеет намного более высокую детонационную стойкость, что позволяет превратить этот мотор в двигатель на водороде.

Конструктивные особенности роторного мотора

Хотя роторный мотор конструктивно имеет меньше деталей, его принцип работы несколько сложнее. Также в устройстве роторного двигателя применены элементы из разных материалов (чугун, алюминий). Еще имеются особые покрытия (например, хром).

Статоры (корпусы роторов) имеют металлические вставки из особой стали, интегрированные в алюминиевый корпус. На деле, статор больше похож на цилиндр с хонингованной гильзой. В свою очередь, боковые корпусы выполнены из чугуна, в них сделаны впускные и выпускные окна. На крайних статорах крепятся шестерни.

Сам ротор является поршнем и шатуном, сделан из облегченного чугуна. Н каждой стороне ротора есть камера сгорания и уплотнители для сохранения герметичности. Во внутренней части ротора стоит роторный подшипник, напоминающий вкладыш коленвала.

• На обычном поршне традиционного ДВС поршень имеет 3 кольца – пара компрессионных и маслосъемное кольцо. В свою очередь, ротор имеет апексы (уплотнители вершин ротора). Апексы играют роль компрессионных колец. Указанные элементы прижимаются к стенке статора пружиной, а также они прижаты за счет центробежной силы.

Функцию второго пояса компрессионных колец выполняют боковые, а также угловые уплотнения. Они тоже прижимаются пружинами. Эти боковые уплотнители выполнены из металлокерамики, в то же время  угловые уплотнители чугунные. Дополнительно имеются  уплотнения для изоляции, чтобы отработавшие газы не попадали во впускные окна через зазоры, которые образуются между самим ротором и боковым корпусом соответственно.

Еще с двух сторон ротора имеются особые масляные уплотнения (по аналогии с маслосъемными кольцами), которые удерживают масло, поступающее во внутреннюю полость ротора для охлаждения.

Кстати, система смазки роторного ДВС сложная, включает в себя радиатор охлаждения масла, а также целую группу из нескольких типов масляных форсунок. Форсунки интегрированы в эксцентриковый вал для охлаждения роторов, также они установлены в статоры.

Еще масло подается и в рабочую полость, смешиваясь с горючей смесью и выгорая вместе с топливным зарядом. На деле, роторный мотор весьма требователен к качеству масла. Если заливать неподходящую смазку, агрегат коксуется, возникает детонация и т.д.

Также добавим, что система питания простая, есть несколько форсунок (пара форсунок перед впускными окнами, а также во впускном коллекторе). Что касается зажигания, использованы две свечи на один ротор. Это сделано по причине того, что камеры сгорания сами по себе получились длинными. В результате, чтобы добиться равномерного и полноценного сгорания смеси,  используют две свечи, причем их электроды отличаются. При замене свечей важно обращать на это внимание.

Недостатки роторного двигателя

На старте продаж роторная Мазда пользовалась активным спросом, так как автомобиль привлекал автолюбителей своим  необычным и мощным двигателем (особенно форсированные версии с мощностью около 500 л.с.). Однако немного позже владельцы уже на относительно небольших пробегах столкнулись с первыми проблемами и минусами данного типа ДВС.    

Основные недостатки — большой расход топлива и относительно низкий ресурс роторного двигателя 13B-MSP. В идеальных условиях силовая установка данного типа способна выходить около 100 тыс. км пробега. Что касается реальной эксплуатации, часто моторы приходили в негодность уже к 50-60 тыс. км. пробега.

Обычно первыми выходят из строя уплотнения ротора. Причина вполне очевидна, так как уплотнения находятся под высокими нагрузками и сильно нагреваются. Также дает о себе знать и детонация, износ подшипников эксцентрикового вала, роторов и т.д.

• Примечательно то, что первыми сдаются апексы (уплотнения на торцах), тогда как боковые уплотнители ходят намного дольше. В результате износа апексов, а также их установочных мест на роторе, в двигателе падает компрессия, углы уплотнителей могут отваливаться, повреждая поверхности статора.

Также следует отметить быстрый выход из строя коренных вкладышей эксцентрикового вала. С учетом того, что вал осуществляет вращение в 3 раза быстрее роторов, роторы несколько смещаются по отношению к стенкам статора, причем вершины роторов должны всегда быть удалены на одно расстояние от стенок.

Рекомендуем также прочитать статью о том, что такое гибридный двигатель автомобиля. Из этой статьи вы узнаете, как устроен и работает двигатель гибрид, а также что нужно знать о гибридном двигателе перед покупкой автомобиля с силовой установкой данного типа.

В результате, когда углы апексов выпадают, на поверхности статора неизбежно появляются задиры. При этом диагностика роторного двигателя сильно затруднена, так как, в отличие от обычного мотора, роторный двигатель не стучит в случае износа вкладышей.

Параллельно отметим, что на версиях данного мотора с наддувом работа агрегата на обедненной смеси приводит к перегреву апекса. Далее пружина, прижимающая апекс, просто гнет его и компрессия сильно снижается. Еще форсированные (роторные двигатели с наддувом) отличаются неравномерным нагревом корпуса.

В верхней части ДВС, где происходят такты впуска и сжатия, более холодные. В то же время нижняя часть, где протекает процесс сгорания смеси и выпуска раскаленных газов, нагревается намного сильнее. Результат – деформация корпуса форсированных версий.

• Также отметим, что отдельно проявились и проблемы системы смазки. На практике, масляные форсунки в статоре часто загрязняются и перестают работать. При этом промыть клапаны форсунок не получается, то есть нужна замена. Если же вовремя проблема не была установлена, масляное голодание становится причиной сильного износа целого ряда элементов роторного двигателя.

При этом во всех случаях и независимо от причины, статор на практике восстановить практически не представляется возможным, а также следует отметить отсутствие ремонтных запчастей. Это значит, что если статор поврежден, восстановить двигатель очень сложно и дорого. То же самое касается и ротора. Если пазы под апексы повреждены, отремонтировать деталь практически невозможно.

Все это означает, что мотор фактически «одноразовый» и качественно его отремонтировать нет возможности. Единственный выход – покупка и установка нового двигателя, так как контрактные варианты в большинстве случаев тоже будут изношены и долго не прослужат. Само собой, купить роторный двигатель без пробега можно, но цена роторного двигателя будет высокой.   

Советы и рекомендации

Прежде всего, роторный двигатель необходимо «кормить» только качественным высокооктановым бензином (не ниже АИ-98). Только качественное топливо позволяет избежать детонации, а также замедляет процесс накопления нагара на электродах свечей зажигания.

Еще следует помнить, что этот мотор предельно чувствителен не только к качеству, но и типу масла. Например, не рекомендуется лить синтетику, так как быстро скапливается нагар на апексах, компрессия падает. Заливать в такой мотор следует исключительно рекомендуемое самим производителем масло или подходящую по всем допускам «минералку».

Также замену масла нужно производить часто, масло в роторном моторе меняют каждые 4-5 тыс. км.  Еще важно своевременно менять воздушный фильтр двигателя, так как его загрязнение может привести к закоксовке масляных форсунок системы смазки. Что касается свечей зажигания, лучше производить их замену каждые 10-15 тыс. км.

• Как правило, основным признаком проблем роторного мотора является потеря компрессии, которая проявляется в затрудненном холодном пуске. Далее неполадки прогрессируют, мотор начинает плохо заводиться как на «холодную», так и на «горячую». Обычно в таком случае очевиден износ апексов, скопление отложений на электродах свечей зажигания и т.д.

В подобной ситуации необходимо срочно отправляться на диагностику к специалистам по ремонту ДВС данного типа. На практике, хотя ремонт сложный и дорогой, в последнее время  в СНГ появилось  несколько центров, специализирующихся на дефектовке и ремонте роторного двигателя  с гарантией.

Как правило, в рамках ремонта выполняется замена статоров, уплотнений роторов, самих роторов и т.д. Конечно, ремонт не дешевый, но однозначно более доступный по сравнению с покупкой нового силового агрегата.

Напоследок отметим, как и поршневой двигатель, роторный мотор нуждается в прогреве перед поездкой. При этом пока мотор не выйдет на рабочие температуры, нагружать агрегат не следует. При таком подходе, а также в сочетании с качественным бензином и маслом, а также своевременном обслуживании, есть все шансы, что роторный двигатель Mazda RX-8 пройдет без ремонта около 80 или даже 100 тыс. км.

Подведем итоги

С учетом приведенной выше информации становится понятно, почему роторный двигатель не получил широкого распространения даже с учетом целого ряда преимуществ. Прежде всего, небольшой ресурс,  необходимость частого и затратного облуживания, а также сложность ремонта РПД являются серьезными недостатками силовых установок данного типа.

Рекомендуем также прочитать статью о том, что такое двигатель на водороде. Из этой статьи вы узнаете, какие особенности имеет водородный двигатель, а также какие перспективы имеет двигатель на водороде.

По этой причине следует отдельно изучить все нюансы, рассмотренные выше, особенно если к покупке рассматривается автомобиль с роторным двигателем. Например, Мазда RX-8 на вторичном рынке может показаться  отличным вариантом, так как данные авто продаются по привлекательной цене на фоне конкурентов с аналогичными характеристиками.

Однако на практике такой автомобиль может требовать замены или серьезного и дорогостоящего ремонта силового агрегата. Более того, даже если с двигателем все в порядке, не стоит рассчитывать на большой ресурс, а также потенциальным владельцам следует готовиться к более высоким расходам на плановое обслуживание роторного двигателя по сравнению с форсированными поршневыми ДВС (как атмосферными, так и с наддувом).  

Источник