Роторні двигуни: принцип роботи, ресурс та особливості

Роторний двигун (РПД або роторно-поршневий двигун), на відміну від традиційного поршневого ДВЗ, простіший у плані конструкції. Також даний тип силової установки має вищий ККД. Відповідно, навіть при невеликому робочому обсязі віддача від такого мотора досить висока.

При цьому РПД не набув широкого поширення в автомобільній індустрії. На жаль, навіть з урахуванням усіх переваг, агрегат також має низку недоліків. Далі ми розглянемо, як влаштований та працює роторний мотор, а також його сильні та слабкі сторони.

Роторний двигун: конструкція та принцип роботи РПД

Отже, роторний двигун, який також називають двигун Ванкеля на честь його творця, є досить відокремленим типом ДВЗ. При цьому цей вид двигунів встановлювався на різні авто (наприклад, роторний двигун ВАЗ, роторний двигун Mazda і т.д.), проте більшою мірою популяризували агрегат саме Mazda завдяки спорткару Mazda RX-8 з роторним двигуном 13B-MSP.

Якщо коротко, у звичайному поршневому моторі енергію від згоряння палива в циліндрах перетворює на зворотно-поступальний рух громіздка поршнева група, після чого відбувається подальше перетворення в обертальний рух (обертання колінвала).

У свою чергу, у роторному моторі немає ЦПГ, перетворення енергії відбувається фактично «безпосередньо», тобто практично без втрат. Само собою, на Mazda роторний двигун став досить потужним «серцем» з визначними характеристиками.

Примітно те, що бензиновий атмосферний роторний мотор з робочим об'ємом лише 1.3 літра (13B-MSP) з 2 роторами у вигляді секцій видавав 192 кінські сили. Водночас, його форсована версія дозволяла зняти вже 231 «конячку».

• Якщо розглядати конструкцію, двигун отримав 5 корпусів, у результаті було утворено 2 камери. Зазначені камери, подібні до циліндрів, призначені для згоряння паливно-повітряної суміші. Енергія згоряння палива обертає ротори, які закріплені на ексцентриковому валу, що нагадує колінвал звичайного ДВЗ.

При цьому рух ротора складний, тому що ротор не обертається, а фактично "обкатується" своєю внутрішньою шестернею навколо стаціонарної шестерні, яка прикріплена в центрі однієї з бічних стінок камери. Сам ексцентриковий вал проходить через усі корпуси та стаціонарні шестерні. Обертання ротора, точніше, його обертальний рух відбувається так, що на 1 його оборот припадає 3 обороти ексцентрикового валу.

Ще примітно те, що хоча в роторному моторі є цикли впуску, стиснення, робочого такту і випуску, механізм ГРМ максимально спрощений. Відсутній привід газорозподільного механізму, немає розподільних валів, а також самих клапанів.

Усі необхідні функції реалізовані за рахунок впускних та випускних вікон, які виконані у бічних стінках. Насправді ротор під час обертання відкриває, а також закриває ці вікна. Щоб було зрозуміло, розглянемо принцип роботи роторного двигуна на прикладі агрегату з однією секцією.

• Отже, бічні сторони ротора разом із стінками корпусів формують робочу порожнину. Коли ротор двигуна знаходиться в початковому положенні, за обсягом порожнина невелика (це початок такту впуску). Далі, обертаючись, ротор відкриває впускні вікна, в результаті в камеру потрапляє робоча паливна суміш. Коли порожнина досягає максимального об'єму, ротор перекриє вікна, після чого почнеться такт стиснення (порожнина почне зменшуватися).

У момент, коли об'єм порожнини знову мінімальний, за рахунок іскри від свічки відбудеться спалах суміші і почнеться робочий такт. Далі енергія згоряння палива обертає ротор, після чого ротор перейде в положення, при якому відкриваються випускні вікна (здійснюється випуск відпрацьованих газів). Після випуску цикл повторюється.

Інші порожнини працюватимуть так само. З урахуванням того, що порожнин 3, за один оборот ротора відбудеться 3 робочі такти. Більше того, ексцентриковий вал обертається швидше за ротора в 3 рази. Результат - по одному робочому такту на один оборот валу двигуна з однією секцією. Цілком очевидно, що поршневий чотиритактний ДВЗ з одним циліндром має співвідношення вдвічі нижче порівняно з роторним.

Виходить, якщо зіставити число робочих тактів на оборот валу, тоді двосекційний 13B-MSP нагадує звичайний поршневий мотор на 4 циліндри, проте при об'ємі 1.3 л двигун такий самий потужний, як і поршневий агрегат з об'ємом трохи більше 2.5 літрів. Ще додамо, що роторний двигун має набагато більш високу детонаційну стійкість, що дозволяє перетворити цей двигун на двигун на водні.

Конструктивні особливості роторного двигуна

Хоча роторний мотор конструктивно має менше деталей, його принцип роботи є дещо складнішим. Також у пристрої роторного двигуна застосовані елементи з різних матеріалів (чавун, алюміній). Ще є спеціальні покриття (наприклад, хром).

Статори (корпуси роторів) мають металеві вставки з особливої сталі, вбудовані в алюмінієвий корпус. Насправді, статор більше схожий на циліндр із хонінгованою гільзою. У свою чергу, бічні корпуси виконані з чавуну, в них виготовлені впускні та випускні вікна. На крайніх статорах кріпляться шестерні.

Сам ротор є поршнем та шатуном, зроблений із полегшеного чавуну. На кожній стороні ротора є камера згоряння та ущільнювачі для збереження герметичності. У внутрішній частині ротора стоїть роторний підшипник, що нагадує вкладиш колінвала.

• На звичайному поршні традиційного ДВЗ поршень має 3 кільця – пара компресійних та маслознімне кільце. У свою чергу, ротор має апекси (ущільнювачі вершин ротора). Апекси грають роль компресійних кілець. Зазначені елементи притискаються до стінки статора пружиною, а також притиснуті за рахунок відцентрової сили.

Функцію другого пояса компресійних кілець виконують бічні та кутові ущільнення. Вони також притискаються пружинами. Ці бічні ущільнювачі виконані з металокераміки, у той же час кутові ущільнювачі чавунні. Додатково є ущільнення для ізоляції, щоб відпрацьовані гази не потрапляли у впускні вікна через зазори, які утворюються між самим ротором і бічним корпусом відповідно.

Ще з двох сторін ротора є спеціальні масляні ущільнення (за аналогією з маслознімними кільцями), які утримують масло, що надходить у внутрішню порожнину ротора для охолодження.

До речі, система змащення роторного ДВЗ складна, включає радіатор охолодження масла, а також цілу групу з декількох типів масляних форсунок. Форсунки інтегровані в ексцентриковий вал для охолодження роторів, також встановлені в статори.

Ще масло подається і в робочу порожнину, змішуючись із горючою сумішшю та вигоряючи разом із паливним зарядом. Насправді, роторний мотор дуже вимогливий до якості масла. Якщо заливати непідходяще масло, агрегат коксується, виникає детонація і т.д.

Також додамо, що система живлення проста, є кілька форсунок (пара форсунок перед впускними вікнами, а також у впускному колекторі). Що стосується запалення, використано дві свічки на один ротор. Це зроблено через те, що камери згоряння власними силами вийшли довгими. В результаті, щоб досягти рівномірного та повноцінного згоряння суміші, використовують дві свічки, причому їх електроди відрізняються. При заміні свічок важливо звертати на це увагу.

Недоліки роторного двигуна

На старті продажів роторна Mazda користувалася активним попитом, так як автомобіль приваблював автолюбителів своїм незвичайним і потужним двигуном (особливо форсовані версії з потужністю близько 500 к.с.). Проте трохи пізніше власники вже на відносно невеликих пробігах зіткнулися з першими проблемами та мінусами даного типу ДВЗ.

Основні недоліки – велика витрата палива та відносно низький ресурс роторного двигуна 13B-MSP. В ідеальних умовах силова установка цього типу здатна виходжувати близько 100 тис. км пробігу. Що стосується реальної експлуатації, часто мотори стали непридатними вже до 50-60 тис. км. пробігу.

Зазвичай першими виходять із ладу ущільнення ротора. Причина цілком очевидна, тому що ущільнення знаходяться під високими навантаженнями та сильно нагріваються. Також дається взнаки і детонація, знос підшипників ексцентрикового валу, роторів і т.д.

• Примітно, що першими здаються апекси (ущільнення на торцях), тоді як бічні ущільнювачі ходять набагато довше. В результаті зношування апексів, а також їх настановних місць на роторі, в двигуні падає компресія, кути ущільнювачів можуть відвалюватися, пошкоджуючи статора поверхні.

Також слід відзначити швидкий вихід із ладу корінних вкладишів ексцентрикового валу. З урахуванням того, що вал здійснює обертання в 3 рази швидше за ротори, ротори дещо зміщуються по відношенню до стінок статора, причому вершини роторів повинні завжди бути видалені на одну відстань від стінок.

В результаті, коли кути апексів випадають, на поверхні статора неминуче з'являються задираки. При цьому діагностика роторного двигуна дуже утруднена, тому що, на відміну від звичайного мотора, роторний двигун не стукає у разі зношування вкладишів.

Паралельно зазначимо, що на версіях цього двигуна з наддувом робота агрегату на збідненій суміші призводить до перегріву апекса. Далі пружина, що притискає апекс, просто гне його, і компресія сильно знижується. Ще форсовані (роторні двигуни з наддувом) відрізняються нерівномірним нагріванням корпусу.

У верхній частині ДВЗ, де відбуваються такти впуску та стиску, холодніші. У той же час нижня частина, де протікає процес згоряння суміші та випуску розпечених газів, нагрівається набагато сильніше. Результат – деформація корпусу форсованих версій.

• Також зазначимо, що окремо виявилися й проблеми системи змащення. На практиці масляні форсунки в статорі часто забруднюються і перестають працювати. При цьому промити клапани форсунок не виходить, тобто потрібна заміна. Якщо вчасно проблема не була встановлена, масляне голодування стає причиною сильного зношування цілого ряду елементів роторного двигуна.

При цьому у всіх випадках і незалежно від причини, статор на практиці відновити практично неможливо, а також слід відзначити відсутність ремонтних запчастин. Це означає, що, якщо статор пошкоджено, відновити двигун дуже складно та дорого. Те саме стосується і ротора. Якщо пази під апекси пошкоджені, відремонтувати деталь практично неможливо.

Все це означає, що двигун практично «одноразовий» і якісно його відремонтувати немає можливості. Єдиний вихід - купівля та встановлення нового двигуна, так як контрактні варіанти в більшості випадків теж будуть зношені і довго не прослужать. Звісно, купити роторний двигун без пробігу можна, але ціна роторного двигуна буде високою.

Поради та рекомендації

Насамперед, роторний двигун необхідно «годувати» лише якісним високооктановим бензином (не нижче за АІ-98). Тільки якісне паливо дозволяє уникнути детонації, а також уповільнює процес накопичення нагару на електродах свічок запалювання.

Ще слід пам'ятати, що цей мотор гранично чутливий не тільки до якості, але й типу масла. Наприклад, не рекомендується лити синтетику, оскільки швидко накопичується нагар на апексах, компресія падає. Заливати в такий мотор слід виключно рекомендоване самим виробником масло або підходящу з усіх допусків «мінералку».

Також заміну масла потрібно проводити часто, масло в роторному двигуні змінюють кожні 4-5 тис. км. Ще важливо своєчасно змінювати повітряний фільтр двигуна, оскільки його забруднення може призвести до закоксовування масляних форсунок системи змащування. Що стосується свічок запалювання, краще проводити їх заміну кожні 10-15 тис. км.

• Як правило, основною ознакою проблем роторного мотора є втрата компресії, яка проявляється у утрудненому холодному запуску. Далі неполадки прогресують, мотор починає погано заводитися як на холодну, так і на гарячу. Зазвичай у разі очевидний знос апексів, накопичення відкладень на електродах свічок запалювання тощо.

У подібній ситуації необхідно терміново вирушати на діагностику до фахівців з ремонту ДВЗ даного типу. На практиці, хоча ремонт складний і дорогий, останнім часом у СНД з'явилося кілька центрів, що спеціалізуються на дефектуванні та ремонті роторного двигуна з гарантією.

Як правило, у рамках ремонту виконується заміна статорів, ущільнень роторів, самих роторів тощо. Звичайно, ремонт не дешевий, але більш доступний в порівнянні з покупкою нового силового агрегату.

Насамкінець відзначимо, як і поршневий двигун, роторний мотор потребує прогріву перед поїздкою. При цьому поки двигун не вийде на робочі температури, навантажувати агрегат не слід. За такого підходу, а також у поєднанні з якісним бензином і маслом, а також своєчасному обслуговуванні, є всі шанси, що роторний двигун Mazda RX-8 пройде без ремонту близько 80 або навіть 100 тис. км.

Підведемо підсумки

З урахуванням наведеної вище інформації стає зрозуміло, чому роторний двигун не набув широкого поширення навіть з урахуванням цілого ряду переваг. Насамперед, невеликий ресурс, необхідність частого та витратного обслуговування, а також складність ремонту РПД є серйозними недоліками силових установок даного типу.

Тому слід окремо вивчити всі нюанси, розглянуті вище, особливо якщо до покупки розглядається автомобіль з роторним двигуном. Наприклад, Mazda RX-8 на вторинному ринку може здатися чудовим варіантом, так як дані авто продаються за привабливою ціною на тлі конкурентів з аналогічними характеристиками.

Однак на практиці такий автомобіль може вимагати заміни або серйозного та дорогого ремонту силового агрегату. Більше того, навіть якщо з двигуном все гаразд, не варто розраховувати на великий ресурс, а також потенційним власникам слід готуватися до більш високих витрат на планове обслуговування роторного двигуна порівняно з форсованими ДВЗ поршневими (як атмосферними, так і з наддувом).

Джерело: krutimotor.ru