— читайте наши новости на Яндексе
Роторный двигатель начался с почти фантастической идеи, явившейся во сне 17-летнему Феликсу (1902 — 1988) летом 1919 года. В этом сне он приехал на какой-то концерт в автомобиле, построенном собственными руками. Там же, во сне, он хвастал перед своими друзьями: «У моей машины совершенно новый двигатель, основанный на новом принципе — это наполовину турбина, а наполовину — возвратно-поступательный механизм. Я сам его изобрёл!» Утром он проснулся с убеждением, что этот сон предвещал рождение нового принципа построения двигателя внутреннего сгорания, и разработать этот принцип должен он, Феликс.
В то время у Ванкеля не было практически никаких знаний о двигателях внутреннего сгорания, однако каким-то образом он интуитивно понял, что четыре цикла работы двигателя внутреннего сгорания — впуск, сжатие, сгорание, выхлоп — могут быть осуществлены при вращении. Эта мысль и послужила началом работы над роторным двигателем — задачей, которую пытались решить очень многие и бесчисленное количество раз, начиная примерно с 16-го века.
Плод мечты и интуиции Ванкеля изменил всю его жизнь.
В 1924 году, в возрасте 22 лет, Феликс Ванкель организовал небольшую лабораторию для работы над роторным двигателем, в которой и начал проводить серьёзные исследования в этом направлении. Во время Второй Мировой Войны он продолжал свою работу при поддержке немецкого Министерства Авиации и крупных гражданских корпораций, которые видели в роторном двигателе большие перспективы и значительную пользу для уверенного развития великой Германии и её промышленности.
После войны Ванкель основал Технический Институт Инженерных Исследований, и продолжил свои исследования и работу над созданием роторного двигателя и роторного компрессора.
Одна из известных фирм-производителей мотоциклов, NSU, проявила живой интерес к исследованиям Ванкеля. NSU была весьма популярна среди любителей мотогонок: мотоциклы этой фирмы много раз завоёвывали первые места на соревнованиях различных уровней, вплоть до мирового. Вступив в партнёрство с Ванкелем, NSU оказала значительную поддержку его исследованиям, в особенности разработке роторного двигателя с камерой трохоидного типа.
Первый двигатель Ванкеля
Вначале, однако, NSU завершила разработку роторного компрессора и применила его в устройстве наддува. Оборудованный этим узлом мотоцикл NSU поставил новый мировой рекорд в классе мотоциклов с двигателем объёмом 500 мл, достигнув скорости 192,5 км/ч. В 1957 году Ванкель и NSU построили прототип роторного двигателя DKM, с треугольным ротором и рабочей камерой в форме капсулы. Это был первый в мире роторный двигатель.
Новорожденный агрегат доказал, наконец, что роторный двигатель не был только лишь мечтой. Однако, его конструкция была весьма сложна, так как предусматривала вращение самой рабочей камеры, что лишало двигатель практичности. Гораздо более практичная схема KKM с неподвижной рабочей камерой была доработана и воплощена в металле годом позже, в 1958-м. Этот двигатель был оснащён довольно сложной системой охлаждения, однако трохоидная форма рабочей камеры и треугольный ротор с масляным охлаждением сделали его настоящим прототипом современных роторных двигателей Ванкеля. К тому моменту прошло уже 39 лет с тех пор, как к молодому Феликсу Ванкелю пришла во сне его замечательная идея.
В ноябре 1959 года NSU официально объявила о создании работающего роторного двигателя. За короткое время около 100 компаний во всём мире приобрели лицензии на эту технологию, при этом 34 из них были японскими.
Метки дьявола
Президент фирмы Mazda Цунеджи Матсуда сразу же увидел в роторном двигателе огромный потенциал, и начал прямые переговоры с NSU. Результатом переговоров явилось подписание контракта в июле 1961 года. Японское правительство дало своё добро, и немедленно после этого в NSU отправилась первая техническая группа для изучения новой технологии, а в самой Mazda была сформирован подотдел для работы над ней.
Отправленная в Германию рабочая группа получила в своё распоряжение прототип двигателя с одним ротором и рабочей камерой объёмом 400 мл, а также набор чертежей. Японские инженеры быстро сообразили, что основной проблемой конструкции является неравномерный износ внутренней поверхности рабочей камеры, в результате которого она покрывалась многочисленными поперечными бороздами, что очень быстро приводило двигатель в негодность. Эту проблему обнаружили ещё в NSU, и решения для неё на тот момент не было.
В процессе испытаний прототипа, полученного от NSU, Mazda в ноябре 1961 года построила свой собственный прототип роторного двигателя. Оба двигателя были подвержены проблеме поперечных борозд на поверхности рабочей камеры. О практическом использовании двигателя без решения этой проблемы нечего было и думать.
В апреле 1963 года Mazda образовала Отдел Исследований Роторного Двигателя. Под руководством главы отдела Кеничи Ямамото 47 инженеров принялись за интенсивную работу по четырём направлениям: исследования, технический дизайн, испытания и прикладное изучение свойств материалов. Конечной целью работы было доведение технологии до практического применения — иными словами, массовое производство и применение в серийно выпускаемых автомобилях. Самая тяжёлая проблема — возникновение поперечных борозд — всё ещё ждала своего решения.
Поперечные борозды возникали на внутренней поверхности рабочей камеры, по которой скользят три вершины ротора, точнее, специальные уплотнительные заглушки на вершинах. Вращение единственного ротора порождало вибрацию, сами заглушки также вибрировали. Работники Отдела Исследований Роторного Двигателя окрестили борозды «метками дьявола»; они определили, что причиной их появления является абразивный эффект, проявляющийся при вибрации заглушек на вершинах ротора.
Для устранения этого явления были разработаны новые заглушки, с которыми новый прототип двигателя смог проработать 300 часов на высоких оборотах. Хотя эта технология далее не применялась в серийно производимых двигателях, она помогла продолжить дальнейшее совершенствование заглушек в плане конструкции и применяемых материалов. Тем временем, на этой ранней стадии разработки роторного двигателя, обнаружилась ещё одна проблема — тяжёлый густой выхлоп, главным образом по причине потребления двигателем большого количества масел — которую сочли серьёзным препятствием на пути к коммерциализации двигателя. Причина была также в заглушках, хотя на этот раз в тех, что расположены по сторонам ротора. В сотрудничестве с компаниями Nippon Piston Ring Co и Nippon Oil Seal Co, Mazda разработала специальный новый материал для заглушек, благодаря которому проблему удалось решить.
Ранние прототипы
В начале 1960-х годов, на начальной стадии работ над роторным двигателем, Mazda разработала и изучила три типа двигателей: с двумя, тремя и четырьмя роторами. Варианты с одним ротором, вроде тех, что были созданы NSU, могли работать стабильно на высоких оборотах, однако на малых оборотах стабильность терялась, что приводило к вибрациям и резкому снижению крутящего момента. Этот факт являлся следствием фундаментальных физических свойств двигателя с одним ротором, характеризующегося большой амплитудой флуктуаций крутящего момента на разных оборотах.
Решено было разработать и построить двигатель с двумя роторами, флуктуации крутящего момента у которого ожидались на уровне шестицилиндрового четырёхтактного двигателя. Наличие второго ротора также существенно снижало вибрации и улучшало плавность и равномерность вращения.
Первый двигатель с двумя роторами, тип L8A (объём каждой из двух камер 399 мл), являлся практически полностью оригинальной разработкой Mazda. Он устанавливался на прототипе спортивного автомобиля (тип L402A, ранний прототип Cosmo Sport), специально разработанного под роторный двигатель. В декабре 1964 года был построен новый испытательный образец двигателя с двумя роторами, тип 3820 (объём каждой камеры 491 мл), который вскоре эволюционировал в ушедший в массовое производство двигатель L10A.
Фирма Mazda всегда верила в огромный потенциал, заложенный в принципе работы роторного двигателя, и вкладывала значительные средства в разработку собственных станков и оборудования, а также их закупку у других производителей, и продолжала работу над двигателями с тремя и четырьмя роторами. Прототипы этих двигателей устанавливались и проходили испытания на тестовых экземплярах спортивного автомобиля Mazda R16A. Машины испытывались на только что построенной (в 1965 году) высокоскоростной трассе Miyoshi Proving Ground, одной из лучших в Азии на то время.
Первый автомобиль с роторным двигателем от Mazda
30 мая 1967 года начались продажи первого в мире серийного автомобиля, оборудованного роторным двигателем с двумя роторами — Cosmo Sport.
На машине был установлен 110-сильный двигатель типа 10A (объём каждой камеры 491 мл). Роторы двигателя были оборудованы новейшими заглушками из пирографита, высокопрочного пластика, сплавленного с алюминием в результате специально разработанного процесса. Эти заглушки были результатом независимой исследовательской работы Mazda, и прошли испытание в течение 1000 часов непрерывной работы. Даже после 100000 км пробега у двигателя наблюдался лишь незначительный износ, а «метки дьявола» полностью отсутствовали.
Для впрыска топливной смеси использовалась система с двухстадийным, четырёхкамерным карбюратором и впускными отверстиями на боковых поверхностях рабочих камер двигателя. Этим достигалось ровное, стабильное сгорание на любых оборотах. Наличие свечей зажигания обеспечивало стабильную работу при любой температуре и любом режиме работы двигателя, будь то в городских условиях, или на междугородних трассах. Автомобили Cosmo Sport за время испытаний «накрутили» более трёх миллионов километров.
Выхлопы
Начав массовое производство своего двигателя с двумя роторами тип 10A в 1967 году Mazda не ограничилась его установкой лишь моделью Cosmo Sport, которая, по сути, была нишевой. После успеха Cosmo Sport, фирма установила роторный двигатель ещё на одном седане, а также одной модели формата купе, чем существенно расширила объёмы производства таких машин, а заодно приобрела большое количество новых приверженцев своей продукции.
В планах Mazda также значился экспорт автомобилей с роторными двигателями на мировой рынок.
В 1970 начались поставки в Соединённые Штаты. В то время правительство США готовилось к ратификации стандартов на уровень вредных выбросов автомобилей, причём довольно строгих по тем временам.
Ещё в 1966-м Mazda начала работу над снижением уровня вредных выбросов, продолжая при этом работу над роторным двигателем, которая, как мы уже знаем, находилась тогда на довольно ранней стадии. По сравнению с обычными поршневыми двигателями, роторные выделяют меньшее количество окислов азота, но больше углеводородов за счёт неполного сгорания топлива. Для того, чтобы автомобили с роторными двигателями могли соответствовать новым стандартам, вводимым в США, Mazda, с одной стороны, начала разработку «идеального» катализатора, который должен был существенно снизить количество любых вредных выбросов, однако, с другой предложила более простое решение в виде термального реактора. Термальный реактор был, по своей сути, устройством, в котором дожигались остатки углеводородов в выхлопных газах. Все автомобили, поставлявшиеся на американский рынок, были оборудованы таким устройством — и первой такой моделью стала R100 (в Японии она называлась Familia Rotary Coupe), которая отвечала всем стандартам США по вредным выбросам.
Позднее, в то время, как остальные производители автомобилей во всём мире жаловались на то, что невозможно достаточно быстро добиться соответствия новым стандартам по вредным выбросам, представители Mazda на публичных слушаньях заявили о том, что роторные двигатели находятся в полном соответствии с новыми требованиями. В ноябре 1972 года в Японии Mazda начала продажи автомобилей с пониженным уровнем вредных выбросов, оборудованных специальной системой REAPS (Rotary Engine Anti-Pollution System, система снижения вредных выбросов для роторных двигателей). В феврале 1973 года роторные двигатели Mazda прошли официальную сертификацию на соответствие новым стандартам в США.
Топливный кризис
В 1970-х мир пережил довольно неспокойные с точки зрения международной политики времена. Множество развивающихся стран начали набирать вес и силу на международной арене, опираясь на свои нефтяные ресурсы. Результатом политических распрей стал период нефтяного кризиса.
Большинство ближневосточных стран-производителей нефти в то время ограничили объёмы экспорта. Цены на нефть во всём мире поднялись из-за её дефицита. В ответ на это автопроизводители стали разрабатывать новые автомобильные двигатели, потребляющие значительно меньше топлива. Руководство Mazda быстро поняло, что резкое повышение экономичности автомобилей являлось на тот день ключевым фактором выживания жадного до топлива роторного двигателя, и учредило так называемый «Проект Феникс», целью которого было снижение потребления топлива роторным двигателем на 20% в течение первого года разработок, и достижение в конечном итоге 40% экономии.
Для достижения этой задачи, инженерам Mazda пришлось ещё раз пересмотреть всю конструкцию двигателя, начиная с фундаментальных принципов его работы. Серьёзной переработке подверглись термореактор и карбюратор. В течение года промежуточная цель — 20% снижение потребления топлива — была достигнута. Позднее, за счет дальнейших доработок, в частности, добавления теплообменника в выхлопную систему, стало возможным достичь и окончательной цели проекта — снижения потребления топлива на 40%.
Успех Проекта Феникс сделал возможным появление спортивного автомобиля Savanna RX-7, запущенного в производство в 1978 году. Выпуском этой модели Mazda доказала всему миру, что роторный двигатель пришёл в этот мир всерьёз и надолго. Позже, успешная разработка первого в мире каталитического конвертера для роторных двигателей позволила ещё раз снизить потребление топлива. Довольно скоро после этого был усовершенствован выпускной коллектор, добавлена новая система зажигания, была разработана и внедрена двухстадийная система фильтрации частиц в составе выхлопных газов. Результатом появления всех этих новых технологий явился новый, ещё более экономичный роторный двигатель.
6-портовая система подачи топлива
После достижения двух важнейших целей — разработки системы для снижения вредных выбросов и значительного снижения потребления топлива — Mazda разработала для своего нового двигателя 12A (объём каждой рабочей камеры 573 мл) 6-портовую систему подачи топливной смеси и двухстадийную монолитную каталитическую систему. 6-портовая система подачи топлива состоит из трёх впускных отверстий в каждой из двух рабочих камер. Контролируя попадание топливной смеси в рабочие камеры через эти отверстия, инженеры Mazda смогли ещё более улучшить экономичность без потери производительности на высоких оборотах. Таким образом, совершенствование роторного двигателя продолжалось.
Turbo!
Модель Cosmo RE Turbo, продажи которой начались в 1982 году, стала первым в мире автомобилем с роторным двигателем и турбонаддувом. Одно из свойств роторного двигателя заключается в том, что его выхлоп обладает большей энергией, нежели выхлоп обычных поршневых двигателей, так что он как нельзя лучше подходит для установки турбины. Более того, Cosmo RE Turbo стала первой в мире серийной машиной с роторным двигателем и электронным контролем подачи топлива.
В то время Cosmo RE Turbo был самым быстрым из всех серийно производимых японских автомобилей. Он как нельзя более ясно демонстрировал все преимущества роторных двигателей. Позже на рынок вышла модель Impact-Turbo, специально разработанная для использования с роторным двигателем. Как и положено новой модели, улучшения управляемости и производительности получили в ней дальнейшее продолжение.
Система динамического наддува была разработана в 1983 году для безнаддувного роторного двигателя типа 13B. Эта система значительно повышает объём поступающего в двигатель воздуха без использования дополнительной турбины или механического устройства наддува, а только лишь за счё т использования некоторых уникальных характеристик двухроторного механизма.
Оборудованный 6-портовой системой подачи топлива и двумя топливными инжекторами на каждую рабочую камеру, роторный двигатель 13B теперь поставлялся также с системой динамического наддува, которая позволила увеличить его выходную мощность во всём диапазоне оборотов. Эта система была ещё более усовершенствована в 1985 году за счёт изменения конфигурации воздухозаборной камеры.
Twin Scroll Turbo
Второе поколение Savanna RX-7 было оборудовано двигателем типа 13B, оснащённым системой Twin-Scroll Turbo для сокращения задержки реакции двигателя, свойственной всем турбированным двигателям. Суть нового устройства состояла в разделении впускного коллектора турбины надвое, что позволило регулировать объём пропускаемого воздуха. Кроме этого, патрубок, по которому выхлопные газы поступали к турбине, был также разделён на два, и один из них был оснащён клапаном. В такой конфигурации одно простое устройство наддува могло работать почти так же, как турбина с изменяемой геометрией, и сохраняло эффективность в широком диапазоне скоростей. Помимо этого, при такой конфигурации ощутимо сокращается упомянутая задержка реакции двигателя.
В 1989 году система Twin-Scroll Turbo была усовершенствована, и одновременно несколько упрощена. Одновременно модернизации подверглись и другие узлы двигателя, благодаря чему удалось повысить крутящий момент на низких оборотах, и мощность в целом.
Двойные топливные инжекторы
Начиная с 1983 года, в конструкции системы управляемой подачи топлива роторных двигателей Mazda были предусмотрены по два инжектора на каждую рабочую камеру. Если не вдаваться в подробности и детали, можно сказать, что для достижения большой мощности больше подходят крупные инжекторные форсунки, так как они пропускают больше топлива. С другой стороны, для обеспечения лучшего сгорания на низких скоростях лучше использовать форсунки небольшого размера, так как они обеспечивают более тонкое распыление топлива.
Двойные инжекторы были разработаны для того, чтобы обеспечить наиболее оптимальную подачу топлива в максимально широком диапазоне режимов функционирования двигателя. Двухроторный 13B-REW и трёхроторный 20B-REW были оснащены инжекторами нового типа.
Двигатель с тремя роторами
В 1990 году в продажу поступила модель Eunos Cosmo, оснащённая новейшим двигателем 20B-REW с тремя роторами — воплощение всех трудов, исследований и разработок в течение четверти века развития технологии постройки роторных двигателей. Двигатели с двумя роторами по стабильности выдаваемой мощности вплотную приблизились к показателям шестицилиндровых двигателей, а трёхроторный превзошёл восьмицилиндровые, показав параметры, сравнимые с двенадцатицилиндровыми агрегатами.
Однако, на пути создания двигателей с большим количеством роторов имелись серьёзные инженерные препятствия, связанные с функционированием этих роторов на одном эксцентриковом вале. В начале разработок роторных двигателей с несколькими роторами Mazda прибегала к использованию единого эксцентрикового вала, так как вопрос сочленения двух отдельных валов был сочтён слишком сложным для массового производства, и оставлен до лучших времён. Однако в конце 1980-х эту проблему удалось решить посредством применения конусных сочленений. После окончания разработки и построения тестовых образцов двигателей с тремя роторами, они прошли чрезвычайно жёсткие испытания на мощность и надёжность: в частности, автомобили с этими двигателями участвовали в знаменитых 24-часовых гонках Le Mans
Последовательная двойная турбина (Sequential Twin Turbo)
Идея технологии Sequential Twin-Turbo, впервые применённой в роторных двигателях 20B-REW и 13B-REW в 1990 году, была основана на применении двух установленных последовательно устройств турбонаддува. На малых скоростях работала лишь одна турбина, однако с увеличением нагрузки на двигатель, к ней подключалась вторая. Помимо всех обычных преимуществ, которые даёт двигателю турбина, подобная схема позволила существенно снизить внутреннее сопротивление системы наддува, что привело к дополнительному повышению мощности двигателя. Как уже кратко упоминалось выше, роторные двигатели получают ощутимо большую пользу от системы турбонаддува, так как создают большее давление выхлопных газов, а также имеют менее протяжённый и извилистый выпускной коллектор. Для того, чтобы получить как можно более полную отдачу от последнего фактора, выпускной коллектор был переработан специально для того, чтобы выхлопные газы проходили как можно меньшее расстояние до попадания в турбину. Эта технология получила название Dynamic Pressure Manifold (коллектор с динамическим давлением).
— читайте наши новости на Яндексе
Источник: //audiomobile.ru/texts/15607.html