Почему роторные двигатели не стали массовыми, хотя они лёгкие и мощные

У Mazda RX-8 с механической коробкой передач красная зона тахометра начиналась у 9000 оборотов в минуту. Такой характер обеспечивал небольшой двухроторный двигатель, которому не требовался привычный ряд цилиндров. Его можно было разместить низко и ближе к середине автомобиля, что было удобно для спортивной машины. Но за пределами нескольких моделей необычная конструкция так и не вытеснила обычные поршневые моторы.

Что вращается внутри двигателя

В привычном бензиновом моторе поршень ходит вверх и вниз, а шатун передаёт его усилие коленчатому валу. В роторно-поршневом двигателе Ванкеля вместо такого набора работает ротор, похожий на треугольник с выпуклыми сторонами. Он движется внутри корпуса сложной овальной формы: вращается вокруг собственной оси и одновременно обходит центр корпуса.

Между каждой стороной ротора и стенкой образуется рабочая камера. По мере движения её объём меняется: сначала внутрь поступает воздух с топливом, затем смесь сжимается, воспламеняется от свечи и расширяется. После этого отработавшие газы уходят через выпускное окно. Три стороны ротора проходят эти стадии по очереди, передавая усилие выходному валу через эксцентрик — участок, ось которого смещена относительно оси вала.

Впускные и выпускные окна открываются при движении самого ротора. Поэтому здесь нет обычного клапанного механизма с распределительными валами, пружинами и приводом. При этом двигатель остаётся бензиновым двигателем внутреннего сгорания: ему по-прежнему нужны топливная система, зажигание, охлаждение и смазка.

Откуда берутся компактность и высокая мощность

Роторной конструкции не нужен высокий блок с цилиндрами и головкой над ним. Несколько роторов можно расположить последовательно на одном валу, получив довольно короткий и низкий силовой агрегат. Для спортивного автомобиля это удобно: тяжёлые детали легче разместить ближе к земле и к середине машины. У RX-8 основная масса двигателя находилась позади линии передних колёс.

Поршни в обычном моторе постоянно разгоняются, останавливаются и меняют направление движения. У ротора нет такого возвратно-поступательного хода, а клапанные пружины не ограничивают обороты. Это помогает получить ровную работу и высокую мощность на больших оборотах. Допустимый предел определяют нагрузки на подшипники и уплотнения, прочность деталей и возможности охлаждения.

Паспортный рабочий объём RX-8 составлял примерно 1,3 литра: по 654 кубических сантиметра на каждый из двух роторов. За основу берётся разница между максимальным и минимальным объёмом одной рабочей камеры, хотя у каждого ротора таких камер три. Из-за особенностей рабочего цикла эта величина неравнозначна литражу обычного четырёхтактного мотора при сравнении их производительности. Ожидать от роторного двигателя расхода топлива как у поршневой малолитражки только по цифре «1,3» не стоит.

Почему уплотнения оказались сложной задачей

Чтобы двигатель работал, соседние камеры должны оставаться отделёнными друг от друга. На вершинах ротора установлены узкие уплотнительные планки, которые скользят по внутренней поверхности корпуса. Другие уплотнения закрывают зазоры по его боковым сторонам. Вместе они удерживают сжатую смесь и горячие газы, пока ротор меняет положение.

Планка на вершине движется по криволинейной поверхности и проходит участки с разной температурой. Возле впуска корпус охлаждается свежим зарядом, а возле сгорания и выпуска сильно нагревается. Нужно подобрать материалы, покрытие и прижим так, чтобы сохранить герметичность, не вызвать быстрый износ и не получить чрезмерное трение. Износ или повреждение уплотнений приводит к утечке газов между камерами, падению компрессии и затруднённому запуску.

Инженеры меняли форму планок, их материалы и покрытия корпуса на протяжении многих поколений. Роторные Mazda выпускались десятилетиями, а их конструкция постепенно совершенствовалась. Но небольшое число крупных движущихся деталей не делало мотор простым в изготовлении. Точность поверхностей и работа уплотнений оставались критичными для его состояния.

Скользящим планкам нужна смазка непосредственно на рабочей поверхности. Например, у RX-8 специальный насос дозированно подавал туда масло, часть которого затем сгорала. Небольшой расход масла был предусмотрен конструкцией, и производитель отдельно требовал регулярно проверять его уровень. Это отличалось от привычного ожидания, что исправному автомобильному двигателю между заменами почти не понадобится долив.

Почему небольшой мотор расходовал много топлива

Камера сгорания у роторного двигателя получается вытянутой, с большой площадью стенок относительно её объёма. Во время сгорания топливо нагревает эти стенки, и часть энергии уходит в систему охлаждения. Пламени также приходится распространяться по длинной камере, форма которой продолжает меняться. В отдельных её участках смесь может догорать поздно или оставаться несгоревшей.

Это одновременно усложняет экономию топлива и очистку выхлопа от несгоревших углеводородов. Дополнительные требования создаёт масло, поступающее для смазки уплотнений. Увеличить мощность такого двигателя удавалось, но для массовой машины нужно было ещё обеспечить небольшой расход, стабильную работу в городе и соответствие ужесточающимся нормам. Именно на этих режимах преимущества компактного корпуса уже не решали всех задач.

Способы улучшения существовали. В RENESIS для RX-8 выпускные окна перенесли на боковые поверхности корпуса, изменив газообмен и уменьшив выбросы углеводородов. В новом двигателе 8C появились непосредственный впрыск, переработанная камера сгорания и другие меры для повышения эффективности. Каждый такой шаг, однако, требовал отдельной разработки и испытаний, а поршневые конкуренты в это время тоже становились экономичнее.

Почему ротор остался в спортивных машинах

В 1960-х и начале 1970-х ротор рассматривали как двигатель для самых разных автомобилей. Mazda ставила его на купе, седаны и даже пикап, а немецкая NSU выпускала большой седан Ro 80. Компактность и плавность работы могли пригодиться далеко за пределами автоспорта. Но покупателям семейных машин приходилось ежедневно оплачивать расход топлива, независимо от технической необычности мотора.

Нефтяной кризис 1973 года сделал этот недостаток особенно заметным. После резкого подорожания топлива спрос на роторные автомобили Mazda упал, и компания пересмотрела ставку на такую конструкцию. NSU Ro 80 тоже не добился устойчивого коммерческого успеха и закончил свою историю в 1977 году. Достоинств необычного двигателя оказалось недостаточно, чтобы обеспечить этим машинам большой рынок.

У спортивных RX-7 и RX-8 были другие приоритеты. Там компактный двигатель помогал компоновке, а высокие обороты и характер работы составляли часть привлекательности автомобиля. Mazda продолжала совершенствовать ротор, но большинство производителей развивало уже освоенные поршневые семейства. Для массового рынка требовалось оправдать затраты на отдельную конструкцию, производство и обслуживание, а её преимущества подходили далеко не каждому автомобилю.

Зачем ротор вернулся в гибрид

Выпуск RX-8 завершился в 2012 году, однако серийная история роторных машин на этом не закончилась. В 2023-м Mazda начала производство MX-30 e-Skyactiv R-EV с новым однороторным двигателем. Он приводит генератор, а колёса вращает электромотор. Такой вариант MX-30 представлен и в японской линейке 2026 года.

В этой схеме компактность снова оказалась полезной. Рядом нужно разместить двигатель, генератор и тяговый электромотор, сохранив место для пассажиров. Поскольку механической связи ротора с колёсами нет, его обороты можно выбирать с учётом потребности в электричестве и эффективности установки. Изменения нагрузки при разгоне принимает на себя вся гибридная система, включая аккумулятор.

Новый двигатель сохранил уплотнения, горячую камеру и необходимость очищать выхлоп. Mazda переработала его под другую работу: снабжать электричеством автомобиль, который едет на электромоторе. Преимущество маленького корпуса сохранилось, а способ его использования изменился. Ротор получил ещё одну конкретную задачу, для которой его размеры оказались полезными.