Роторний двигун

Історія роторного двигуна Mazda: АвтоМудрость Мазда на 110km.

07.08.2015

Історія роторного двигуна Mazda

Twitter

Історія роторного двигуна Mazda: АвтоМудрость Мазда на 110km.
Там же, у сні, він хвалився перед своїми друзями: «У моєї машини абсолютно новий двигун, заснований на новому принципі — це наполовину турбіна, а наполовину — зворотно-поступальний механізм. Я сам його винайшов!» Вранці він прокинувся з переконанням, що віщував цей сон народження нового принципу побудови двигуна внутрішнього згоряння, і розробити цей принцип повинен він, Фелікс.

В той час у Ванкеля не було практично ніяких знань про двигунах внутрішнього згоряння, однак якимось чином він інтуїтивно зрозумів, що чотири цикли роботи двигуна внутрішнього згорання — впуск, стиск, згорання, вихлоп — можуть бути здійснені при обертанні. Ця думка і стала початком роботи над роторним двигуном — завданням, яку намагалися вирішити дуже багато і незліченну кількість разів, починаючи приблизно з 16-го століття.

Плід мрії і інтуїції Ванкеля змінив усе його життя.

У 1924 році, у віці 22 років, Фелікс Ванкель організував невелику лабораторію для роботи над роторним двигуном, в якій і почав проводити серйозні дослідження в цьому напрямку. Під час Другої Світової Війни він продовжував свою роботу за підтримки німецького Міністерства Авіації і великих цивільних корпорацій, які бачили в роторному двигуні великі перспективи і значну користь для впевненого розвитку великої Німеччини і її промисловості.

Після війни Ванкель заснував Технічний Інститут Інженерних Досліджень, і продовжив свої дослідження і роботу над створенням роторного двигуна і роторного компресора.

Одна з відомих фірм-виробників мотоциклів, NSU, виявила жвавий інтерес до досліджень Ванкеля. NSU була досить популярна серед шанувальників мотогонок: мотоцикли цієї фірми багато разів завойовували перші місця на змаганнях різних рівнів, аж до світового. Вступивши в партнерство з Ванкелем, NSU надала значну підтримку його дослідженнями, в особливості розробки роторного двигуна з камерою трохоидного типу.

Перший двигун Ванкеля

Спочатку, однак, NSU завершила розробку роторного компресора і застосувала його в пристрої наддуву. Обладнаний цим вузлом мотоцикл NSU поставив новий світовий рекорд у класі мотоциклів з двигуном об’ємом 500 мл, досягнувши швидкості 192,5 км/ч. В 1957 році Ванкель і NSU побудували прототип роторного двигуна DKM, з трикутним ротором і робочою камерою, у формі капсули. Це був перший у світі роторний двигун.

Історія роторного двигуна Mazda: АвтоМудрость Мазда на 110km.
Новонароджений агрегат довів, нарешті, що роторний двигун не був лише мрією. Проте його конструкція була досить складна, так як передбачала обертання самої робочої камери, що позбавляло двигун практичності. Набагато більш практична схема KKM з нерухомою робочою камерою була доопрацьована і втілена в металі роком пізніше, в 1958-м. Цей двигун був оснащений досить складною системою охолодження, однак трохоидная форма робочої камери і трикутний ротор з масляним охолодженням зробили його справжнім прототипом сучасних роторних двигунів Ванкеля. До того моменту пройшло вже 39 років з тих пір, як до молодого Феліксу Ванкелю прийшла уві сні його чудова ідея.

У листопаді 1959 року NSU офіційно оголосила про створення працюючого роторного двигуна. За короткий час близько 100 компаній в усьому світі придбали ліцензії на цю технологію, при цьому 34 з них були японськими.

Мітки диявола

Президент фірми Mazda Цунеджи Матсуда одразу ж побачив у роторному двигуні величезний потенціал, і почав прямі переговори з NSU. Результатом переговорів стало підписання контракту у липні 1961 року. Японське уряд дав своє добро, і негайно після цього в NSU вирушила перша технічна група для вивчення нової технології, а в самій Mazda була сформований підвідділ для роботи над нею.

Історія роторного двигуна Mazda: АвтоМудрость Мазда на 110km.
Відправлена до Німеччини робоча група отримала в своє розпорядження прототип двигуна з одним ротором і робочою камерою об’ємом 400 мл, а також набір креслень. Японські інженери швидко зметикували, що основною проблемою конструкції є нерівномірний знос внутрішньої поверхні робочої камери, в результаті якого вона покривалася численними поперечними борознами, що дуже швидко призводило двигун в непридатність. Цю проблему виявили ще в NSU, і рішення для неї на той момент не було.

У процесі випробувань прототипу, отриманого від NSU, Mazda в листопаді 1961 року побудувала свій власний прототип роторного двигуна. Обидва двигуни були схильні проблеми поперечних борозен на поверхні робочої камери. Про практичному використанні двигуна без вирішення цієї проблеми годі було й думати.

Історія роторного двигуна Mazda: АвтоМудрость Мазда на 110km.
У квітні 1963 року Mazda утворила Відділ Досліджень Роторного Двигуна. Під керівництвом голови відділу Кенічі Ямамото 47 інженерів взялися за інтенсивну роботу по чотирьох напрямах: дослідження, технічний дизайн, випробування і прикладне вивчення властивостей матеріалів. Кінцевою метою роботи було доведення технології до практичного застосування — іншими словами, масове виробництво і застосування в серійно випускаються автомобілях. Найважча проблема — виникнення поперечних борозен — все ще чекала свого рішення.

Поперечні борозни виникали на внутрішній поверхні робочої камери, по якій ковзають три вершини ротора, точніше, спеціальні ущільнювальне заглушки на вершинах. Обертання єдиного ротора породжувало вібрацію, самі заглушки також вібрували. Працівники Відділу Досліджень Роторного Двигуна охрестили борозни «мітками диявола»; вони визначили, що причиною їх появи є абразивний ефект, що проявляється при вібрації заглушок на вершинах ротора.

Для усунення цього явища були розроблені нові заглушки, з якими новий прототип двигуна зміг пропрацювати 300 годин на високих оборотах. Хоча ця технологія далі не застосовувалася в серійно вироблюваних двигунах, вона допомогла продовжити подальше вдосконалення заглушок в плані конструкції та застосовуваних матеріалів. Тим часом, на цій ранній стадії розробки роторного двигуна, виявилася ще одна проблема — важкий густий вихлоп, головним чином через споживання двигуном великої кількості масел — яку визнали серйозною перешкодою на шляху до комерціалізації двигуна. Причина була також в заглушках, хоча на цей раз в тих, що розташовані по боках ротора. У співпраці з компаніями Nippon Piston Ring Co і Nippon Oil Seal Co, Mazda розробила спеціальний новий матеріал для заглушок, завдяки якому проблему вдалося вирішити.

Ранні прототипи

Історія роторного двигуна Mazda: АвтоМудрость Мазда на 110km.
На початку 1960-х років, на початковій стадії робіт над роторним двигуном Mazda розробила і вивчила три типи двигунів: з двома, трьома і чотирма роторами. Варіанти з одним ротором, на зразок тих, що були створені NSU, могли працювати стабільно високих обертах, проте на малих обертах стабільність губилася, що призводило до вібрацій і різкого зниження крутного моменту. Цей факт був наслідком фундаментальних фізичних властивостей двигуна з одним ротором, що характеризується великою амплітудою флуктуацій крутного моменту на різних обертах.

було Вирішено розробити і побудувати двигун з двома роторами, флуктуації крутного моменту у якого очікувалися на рівні шестициліндрового чотиритактного двигуна. Наявність другого ротора також істотно знижувало вібрації і покращувало плавність і рівномірність обертання.

Перший двигун з двома роторами, тип L8A (обсяг кожної з двох камер 399 мл), був практично повністю оригінальною розробкою Mazda. Він встановлювався на прототипі спортивного автомобіля (тип L402A, ранній прототип Cosmo Sport), спеціально розробленого під роторний двигун. В грудні 1964 року був побудований новий випробувальний зразок двигуна з двома роторами, тип 3820 (об’єм кожної камери 491 мл), який незабаром еволюціонував пішов у масове виробництво двигун L10A.

Фірма Mazda завжди вірила в величезний потенціал, закладений в принципі роботи роторного двигуна, і вкладала значні кошти в розробку власних верстатів і обладнання, а також їх закупівлю в інших виробників, і продовжувала роботу над двигунами з трьома і чотирма роторами. Прототипи цих двигунів встановлювалися і проходили випробування на тестових примірниках спортивного автомобіля Mazda R16A. Машини випробовувалися на щойно збудованому (1965 року) високошвидкісний трасі Сура Proving Ground, однією з кращих в Азії на той час.

Перший автомобіль з роторним двигуном від Mazda

Історія роторного двигуна Mazda: АвтоМудрость Мазда на 110km.
30 травня 1967 року почалися продажі першого в світі серійного автомобіля, обладнаного роторним двигуном з двома роторами — Cosmo Sport.

На машині був встановлений 110-сильний двигун типу 10A (об’єм кожної камери 491 мл). Ротори двигуна були обладнані новітніми заглушками з пирографита, високоміцного пластику, сплавленого з алюмінієм в результаті спеціально розробленого процесу. Ці заглушки були результатом незалежної дослідницької роботи Mazda, і пройшли випробування протягом 1000 годин безперервної роботи. Навіть після 100000 км пробігу у двигуна спостерігався лише незначний знос, а «мітки диявола» повністю були відсутні.

Історія роторного двигуна Mazda: АвтоМудрость Мазда на 110km.
Для впорскування паливної суміші використовувалася система з двоетапним, чотирикамерним карбюратором і впускними отворами на бічних поверхнях робочих камер двигуна. Цим досягалося рівне, стабільне згорання на будь-яких оборотах. Наявність свічок запалювання забезпечувало стабільну роботу при будь-якій температурі і будь-якому режимі роботи двигуна, будь то в міських умовах, або на міжміських трасах. Автомобілі Cosmo Sport за час випробувань «накрутили» більше трьох мільйонів кілометрів.

Вихлопи

Почавши масове виробництво свого двигуна з двома роторами тип 10A в 1967 році Mazda не обмежилася встановленням лише моделлю Cosmo Sport, яка, по суті, була нишової. Після успіху Cosmo Sport, фірма встановила роторний двигун ще на одному седані, а також однієї моделі формату купе, чим суттєво розширила обсяги виробництва таких машин, а заодно придбала велику кількість нових прихильників своєї продукції.

У планах Mazda також значився експорт автомобілів з роторними двигунами на світовий ринок.

У 1970 почалися поставки в Сполучені Штати. В той час уряд США готувалося до ратифікації стандартів на рівень шкідливих викидів автомобілів, причому досить суворих по тим часам.

Ще в 1966-му Mazda почала роботу над зниженням рівня шкідливих викидів, продовжуючи роботу над роторним двигуном, яка, як ми вже знаємо, перебувала тоді на досить ранній стадії. У порівнянні зі звичайними поршневими двигунами, роторні виділяють меншу кількість оксидів азоту, але не більше вуглеводнів за рахунок неповного згоряння палива. Для того, щоб автомобілі з роторними двигунами могли відповідати новим стандартам, що вводяться в США, Mazda, з одного боку, почала розробку «ідеального» каталізатора, який повинен був істотно знизити кількість будь-яких шкідливих викидів, проте, з іншого запропонувала більш просте рішення у вигляді теплового реактора. Термальний реактор був, за своєю суттю, пристроєм, в якому дожигались залишки вуглеводнів у вихлопних газах. Всі автомобілі, що поставлялися на американський ринок, були обладнані таким пристроєм — і першою такою моделлю стала R100 (у Японії вона називалася Familia Rotary Coupe), яка відповідала всім стандартам США по шкідливим викидам.

Історія роторного двигуна Mazda: АвтоМудрость Мазда на 110km.
Пізніше, в той час, як інші виробники автомобілів у всьому світі скаржилися на те, що неможливо досить швидко домогтися відповідності новим стандартам по шкідливим викидам, представники Mazda на публічних слуханнях заявили про те, що роторні двигуни знаходяться в повній відповідності з новими вимогами. У листопаді 1972 року в Японії Mazda почала продажі автомобілів зі зниженим рівнем шкідливих викидів, обладнаних спеціальною системою REAPS (Rotary Engine Anti-Pollution System, система зниження шкідливих викидів для роторних двигунів). У лютому 1973 року роторні двигуни Mazda пройшли офіційну сертифікацію на відповідність новим стандартам в США.

Паливний криза

У 1970-х світ пережив досить неспокійні з точки зору міжнародної політики часів. Багато країн почали набирати вагу та силу на міжнародній арені, спираючись на свої нафтові ресурси. Результатом політичних чвар став період нафтової кризи.

Історія роторного двигуна Mazda: АвтоМудрость Мазда на 110km.
Більшість близькосхідних країн-виробників нафти у той час обмежили обсяги експорту. Ціни на нафту в усьому світі піднялися з-за її дефіциту. У відповідь на це автовиробники стали розробляти нові автомобільні двигуни, які споживають значно менше палива. Керівництво Mazda швидко збагнуло, що різке підвищення економічності автомобілів було на той день ключовим чинником виживання жадібного до палива роторного двигуна, і заснував так званий «Проект Фенікс», метою якого було зниження споживання палива роторним двигуном на 20% протягом першого року розробок, і досягнення в кінцевому підсумку 40% економії.

Для досягнення цього завдання, інженерам Mazda довелося ще раз переглянути всю конструкцію двигуна, починаючи з фундаментальних принципів його роботи. Серйозній переробці піддалися термореактор і карбюратор. Протягом року проміжна мета — 20% зниження споживання палива — була досягнута. Пізніше, за рахунок подальших доопрацювань, зокрема, додавання теплообмінника в вихлопну систему, стало можливим досягти і кінцевої мети проекту — зниження споживання палива на 40%.

Історія роторного двигуна Mazda: АвтоМудрость Мазда на 110km.
Успіх Проекту Фенікс зробив можливим появу спортивного автомобіля Savanna RX-7, запущеного у виробництво в 1978 році. Випуском цієї моделі Mazda довела всьому світу, що роторний двигун прийшов у цей світ всерйоз і надовго. Пізніше, успішна розробка першого у світі каталітичного конвертера для роторних двигунів дозволила ще раз знизити споживання палива. Досить скоро після цього був вдосконалений випускний колектор, додана нова система запалювання, була розроблена і впроваджена двостадійна система фільтрації часток у складі вихлопних газів. Результатом появи всіх цих нових технологій з’явився новий, ще більш економічний роторний двигун.

6-портова система подачі палива

Історія роторного двигуна Mazda: АвтоМудрость Мазда на 110km.
Після досягнення двох найважливіших цілей — розробки системи для зниження шкідливих викидів і значного зниження споживання палива — Mazda розробила для свого нового двигуна 12A (обсяг кожної робочої камери 573 мл) 6-портову систему подачі паливної суміші і двухстадийную монолітну каталітичну систему. 6-портова система подачі палива складається з трьох впускних отворів у кожній з двох робочих камер. Контролюючи потрапляння паливної суміші в робочі камери через ці отвори, інженери Mazda змогли ще більше поліпшити економічність без втрати продуктивності на високих оборотах. Таким чином, вдосконалення роторного двигуна тривало.

Turbo!

Модель Cosmo RE Turbo, продажі якої почалися в 1982 році, стала першим в світі автомобілем з роторним двигуном і турбонаддувом. Одне з властивостей роторного двигуна полягає в тому, що його вихлоп володіє більшою енергією, ніж вихлоп звичайних поршневих двигунів, так що він як не можна краще підходить для установки турбіни. Більш того, Cosmo RE Turbo стала першою в світі серійною машиною з роторним двигуном і електронним контролем подачі палива.

В той час Cosmo RE Turbo був найшвидшим з усіх серійно вироблюваних японських автомобілів. Він як не можна більш ясно демонстрував всі переваги роторних двигунів. Пізніше на ринок вийшла модель Impact-Turbo, спеціально розроблена для використання з роторним двигуном. Як і годиться нової моделі, поліпшення керованості і продуктивності отримали в ній подальше продовження.

Історія роторного двигуна Mazda: АвтоМудрость Мазда на 110km.
Система динамічного наддуву була розроблена в 1983 році для безнаддувного роторного двигуна типу 13B. Ця система значно підвищує обсяг що надходить у двигун повітря без використання додаткової турбіни або механічного пристрою наддуву, а лише за счот використання деяких унікальних характеристик двороторного механізму.

Обладнаний 6-портової системою подачі палива і двома паливними інжекторами на кожну робочу камеру, роторний двигун 13B тепер поставлявся також з системою динамічного наддуву, яка дозволила збільшити його вихідну потужність у всьому діапазоні оборотів. Ця система була ще більш вдосконалена в 1985 році за рахунок зміни конфігурації повітрозабірних камери.

Twin Scroll Turbo

Історія роторного двигуна Mazda: АвтоМудрость Мазда на 110km.
Друге покоління Savanna RX-7 був обладнаний двигуном типу 13B, оснащеним системою Twin-Scroll Turbo для скорочення затримки реакції двигуна, властивої всім турбованим двигунів. Суть нового пристрою полягала в поділі впускного колектора турбіни надвоє, що дозволило регулювати обсяг пропускається повітря. Крім цього, патрубок, за яким вихлопні гази надходили до турбіни, був розділений на два, і один з них був оснащений клапаном. У такій конфігурації одне просте пристрій наддуву могло працювати майже так само, як турбіна зі змінюваною геометрією, і зберігало ефективність у широкому діапазоні швидкостей. Крім цього, при такій конфігурації відчутно скорочується згадана затримка реакції двигуна.

У 1989 році система Twin-Scroll Turbo була вдосконалена, і одночасно дещо спрощена. Одночасно модернізації піддалися і інші вузли двигуна, завдяки чому вдалося підвищити крутний момент на низьких обертах, і потужність в цілому.

Подвійні паливні інжектори

Історія роторного двигуна Mazda: АвтоМудрость Мазда на 110km.
Починаючи з 1983 року, в конструкції системи керованої подачі палива роторних двигунів Mazda були передбачені за два інжектора на кожну робочу камеру. Якщо не вдаватися в подробиці й деталі, можна сказати, що для досягнення великої потужності більше підходять великі інжекторні форсунки, так як вони пропускають більше палива. З іншого боку, для забезпечення кращого згоряння на низьких швидкостях краще використовувати форсунки невеликого розміру, так як вони забезпечують більш тонке розпилювання палива.

Подвійні інжектори були розроблені для того, щоб забезпечити найбільш оптимальну подачу палива в максимально широкому діапазоні режимів функціонування двигуна. Двороторний 13B-REW і трехроторный 20B-REW були оснащені інжекторами нового типу.

Двигун з трьома роторами

У 1990 році в продаж надійшла модель Eunos Cosmo, оснащена новітнім двигуном 20B-REW з трьома роторами — втілення всіх праць, досліджень та розробок протягом чверті століття розвитку технології побудови роторних двигунів. Двигуни з двома роторами стабільності видається потужності впритул наблизилися до показників шестициліндрових двигунів, а трехроторный перевершив восьмициліндрові, показавши параметри, порівнянні з двенадцатицилиндровыми агрегатами.

Історія роторного двигуна Mazda: АвтоМудрость Мазда на 110km.
Однак, на шляху створення двигунів з великою кількістю роторів були серйозні інженерні перешкоди, пов’язані з функціонуванням цих роторів на одному эксцентриковом вале. На початку розробок роторних двигунів з кількома роторами Mazda вдавалася до використання єдиного ексцентрикового валу, так як питання зчленування двох окремих валів був визнаний занадто складним для масового виробництва, і залишили до кращих часів. Однак наприкінці 1980-х цю проблему вдалося вирішити за допомогою застосування конусних зчленувань. Після закінчення розробки і побудови тестових зразків двигунів з трьома роторами, вони пройшли надзвичайно жорсткі випробування на потужність і надійність: зокрема, автомобілі з такими двигунами брали участь у знаменитих 24-годинних гонках Le Mans

Послідовна подвійна турбіна (Sequential Twin Turbo)

Історія роторного двигуна Mazda: АвтоМудрость Мазда на 110km.
Ідея технології Sequential Twin-Turbo, вперше застосованої в роторних двигунах 20B-REW і 13B-REW в 1990 році, була заснована на застосуванні двох послідовно встановлених пристроїв турбонаддуву. На малих швидкостях працювала лише одна турбіна, однак зі збільшенням навантаження на двигун, до неї підключалася друга. Крім всіх звичайних переваг, які дає двигуну турбіна, подібна схема дозволила істотно знизити внутрішній опір системи наддуву, що призвело до додаткового підвищення потужності двигуна. Як уже коротко згадувалося вище, роторні двигуни отримують відчутно більшу користь від системи турбонаддува, так як створюють більший тиск вихлопних газів, а також мають менш протяжний і звивистий випускний колектор. Для того, щоб отримати як можна більш повну віддачу від останнього фактора, випускний колектор був перероблений спеціально для того, щоб вихлопні гази проходили як можна меншу відстань до потрапляння в турбіну. Ця технологія отримала назву Dynamic Pressure Manifold (колектор з динамічним тиском).

Короткий опис статті: роторний двигун Роторний двигун розпочався з майже фантастичної ідеї, що стала уві сні 17-річному Феліксу (1902 — 1988) влітку 1919 року. У цьому сні він приїхав на якийсь концерт в автомобілі, збудованому власними руками, Історія роторного двигуна Mazda: АвтоМудрость Мазда

Джерело: Історія роторного двигуна Mazda: АвтоМудрость Мазда на 110km.uk

Також ви можете прочитати