Все, что ты хотел знать о роторных двигателях, но стеснялся спросить у этих… ну, с гаечными ключами

Доступный ликбез к 50-летию легендарной Mazda Cosmo Sport. Ветераны гаражных посиделок всегда вспоминают роторно-поршневые двигатели (РПД) с придыханием и делают лица, как на картине Перова «Охотники на привале». Отставив кружку на пыльный капот, кто-нибудь непременно расскажет, как у друга брата соседа знакомый в девяносто пятом пытался уйти на свежем «биммере» (тридцать четвертая, мотор M50 «плита»!) от роторной «пятерки» «Жигулей». Безуспешно, разумеется. Присутствующие при этом должны делать осведомленно-понимающие лица. Случись тебе оказаться в этом уютном гараже с постерами «Совтрансавто», ты бы, вероятно, не спросил, что это за «эр-пэ-дэ» такое, чтобы не ловить на себе взгляды, полные презрения и разочарования в человеке, который и дистиллированную воду в аккумулятор никогда не доливал. Впрочем, эти косые взгляды стоит понимать так: мало кто из тех, кто мечтательно закатывает глаза при упоминании «роторов», готов объяснить тебе, чем они отличаются от обычных поршневых моторов. Ну а мы попробуем. Это кинематика обычного 4-цилиндрового поршневого мотора Начнем сразу с анимации, так нагляднее. Только не с роторного двигателя, а как раз с обычного поршневого. В его цилиндрах горит смесь воздуха и горючего, обеспечивая возвратно-поступательное (вверх-вниз) движение поршней, которое преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. Роторный двигатель. Автор анимации Гарет Фоулер (Gareth Fowler) В роторном двигателе кинематика иная. В полости корпуса на эксцентрическом валу вращается ротор — тело, очерченное тремя дугами, что-то вроде треугольника с выпуклыми сторонами (точнее, это треугольник Рёло — почитай на досуге). Сам корпус двигателя называют по-разному: статором, картером или просто секцией. Внутри него и происходит весь рабочий цикл, те же такты (впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск отработавших газов), что и в поршневом двигателе. Такты по часовой стрелке: впуск, сжатие, воспламенение и рабочий ход, выпуск Но на этом сходство с обычным двигателем заканчивается. Цилиндров в роторно-поршневом моторе нет: все такты происходят в камере постоянно меняющегося объема, образованного неподвижными стенками секции и движущимся ротором — каждая вершина «треугольника» постоянно соприкасается с внутренней поверхностью корпуса, обеспечивая герметичность. Это постоянное трение уже само по себе проблема. Легко сказать — герметичный контакт трущихся деталей! Но надежное, а тем более долговечное уплотнение ротора и статичной секции даже с сегодняшними технологиями создать весьма сложно. Это, пожалуй, главный врожденный недостаток РПД. Неполная герметичность контакта влечет за собой высокий расход масла и бензина, а также грозит высокой токсичностью выбросов из-за большой доли несгоревших углеводородов. Очевидна и другая проблема: малый ресурс двигателя. Но все же оригинальную конструкцию решили довести до ума… Роторно-поршневой двигатель иногда называют «ванкелем» — по имени одного из его создателей. Доктор Феликс Ванкель совместно с Вальтером Фройде разработал прототип РПД в 1958 году для мотоцикла немецкой марки NSU. Эта фирма давно утратила самостоятельность и фактически растворилась в структуре сегодняшнего концерна Volkswagen. Роторные технологии надолго пережили свою колыбель и в конце пятидесятых казались невероятно перспективными: патент на двигатель Ванкеля купили и Mercedes-Benz, и Citroen, и даже ВАЗ. Правопреемник NSU, марка Audi, тоже построила несколько прототипов. Вазовские «пятерки» и «семерки» с РПД поставлялись только спецслужбам. Внешних отличий от стандартных машин не было, а вот мощность достигала 140 л.с. Позже роторные моторы устанавливали и на «восьмерки», часть из которых поступила в свободную продажу. Партия была малой и породила множество легенд Справедливый вопрос: чем так манила инженеров концепция с врожденными слабыми местами? Огромными преимуществами, помноженными на веру, что все сложности решаемы. Перспективы действительно манили. Если в обычном поршневом двигателе вращательное движение коленчатого вала обеспечивается возвратно-поступательным движением поршней, то роторная концепция предлагает только вращательное движение и поршня-ротора, и эксцентрического вала, что резко уменьшает число движущихся деталей. В результате сокращается число трущихся пар, источников шума и вибрации. Двигатель механически сбалансирован. Кроме того, в РПД отсутствует привычный механизм газораспределения. Впускные и выпускные отверстия («окна») открываются и закрываются самим вращающимся ротором. То есть отпадает необходимость и в клапанах, а вместе с ними — в приводном ремне, распредвалах, коромыслах, пружинах клапанов. Просто взгляни еще раз на анимацию поршневого ДВС и мысленно убери все, что выше снующих вверх-вниз поршней. То-то же! А ведь на этой схеме довольно простой клапанный механизм. В обычном поршневом двигателе деталей больше на несколько сотен. Роторная концепция также предлагает высокую удельную мощность и чрезвычайную компактность: РПД в 1,5—2 раза меньше поршневого безнаддувного мотора аналогичной мощности. И все же сложности с массовым производством «роторов» оказались чересчур значительны. Единственной компанией, которая более 50 лет упорно совершенствовала оригинальную и капризную концепцию, стала Mazda. В 1961 году японцы купили у NSU патент и сам двигатель. Первый серийный РПД из Японии был двухсекционным 1,0-литровым и развивал мощность 110 л.с. И это, заметь, в 1967 году! Двухроторная схема оказалась оптимальной для серийных легковых машин: она не намного сложнее односекционной, но обеспечивает наиболее равномерный крутящий момент, а заодно позволяет уменьшить объем камеры сгорания и, как следствие, долю несгоревшего топлива. Mazda Cosmo Sport, 1967 г. Двигатель дебютировал на изящном купе Mazda Cosmo Sport. За ним последовали другие интересные модели вроде Luce Rotary Coupe или Cosmo 1981 года, но самой славной стала модель RX-7. Первое поколение появилось в 1978 году. Его 1,1-литровый агрегат развивал 115 л.с. Mazda Luce Rotary Coupe Mazda Cosmo HT, 1981 г. Mazda Savanna RX-7, 1978 г. Вообще-то в 1970-х годах Mazda выпускала пикапы и даже легкие автобусы с РПД, но роторные моторы быстро стали ассоциироваться именно со спортивными моделями. В 1991 году прототип Mazda 787B с трехроторным двигателем вошел в историю как единственный японский автомобиль, одержавший победу в 24-часовой гонке серии American LeMans. Гонки на выносливость известны тем, что даже самые надежные конструкции нередко сходят с дистанции задолго до финиша. Тем почетнее победа РПД, конструктивно уступающего поршневым моторам в ресурсе. Прототип 787B жив и здоров. Фото сделано в 2015 году на Фестивале скорости в Гудвуде На видео знаменитый гонщик Джонни Херберт спустя 20 лет выводит 787B на гоночный трек в Ле-Мане. Прототип звучит мощно и неистово, но, ты уж поверь, намного тише поршневых машин. Характерно, что до максимальных 9600 об/мин этот чудо-мотор раскручивается всего за секунду, и еще секунда нужна, чтобы сбросить обороты обратно до холостых. Вот он, трехроторный монстр R26B, ревущий из недр прототипа 787В Путь РПД на гражданских машинах не прерывался. Второе поколение купе RX-7 (1985) оснастили турбонаддувом, отчасти для улучшения экологических показателей, а третье поколение (1991) щеголяло уже двумя турбокомпрессорами и мощностью 255 л.с. Редкой красоты купе выпускали до конца 2002 года, и мало кто догадывался, что инженеры уже несколько лет работают над совершенно новым РПД. Mazda Savanna RX-7 GT, 1985 г. Третье поколение Mazda RX-7 выпускали с 1991 по 2003 год, и под конец производства мощность двухроторного мотора с турбонаддувом достигала 280 л.с. при 1,3 л рабочего объема Mazda RX-8, мгновенно ставшая культовой, появилась в 2003 году. На ней ты гонял в Need for Speed, видел ее в «Форсажах», клипе Мадонны с Бритни и даже в «Шерлоке», а российские режиссеры снимали стильное купе с распашными дверями чаще, чем голливудские. Впрочем, хватило бы и одного эпизода из «Дневного дозора», когда ведьма Алиса (Жанна Фриске) едет на RX-8 по стене гостиницы «Космос». Ничего особенного. Просто RX-8 дрифтует по вертикальной стене гостиницы «Космос». Не самый известный факт: купе пошло в серию едва ли не случайно. Чтобы окупить затраты на новую заднеприводную платформу для родстера MX-5 третьего поколения (он дебютировал только в 2005 году), решили разработать еще одну модель на той же базе. Но какую? Среди поисковых эскизов инженеры приметили необычное купе, асимметричные двери которого открывались в разные стороны. Вот оно! Вот какой кузов подойдет для новейшего РПД! Mazda RX-8 Легкие полые роторы будущего экспериментального мотора показали еще в 1995 году на концепт-каре Mazda RX-01, а с 1999 года двигатель Renesis 13B уже готовили к серийному производству. Турбонаддув остался в прошлом, суммарный геометрический объем двух секций составил 1,3 л. Официально для автомобилей, оснащенных РПД, указывается «приведенный», удвоенный объем, в данном случае — 2,6 л. Даже с этой поправкой характеристики атмосферного мотора впечатляют: 231 л.с. при 8500 об/мин! Концепт-кар Mazda RX-01 1995 года. Так могло выглядеть четвертое поколение RX-7, но путевку в жизнь получила необычная RX-8. Пожалуй, так даже лучше Renesis 13B был настолько далек от двигателя RX-7, как сам RX-7 от Cosmo Sport. Новый мотор вписали в тогдашние экологические нормы Euro 4 и сильно увеличили его ресурс. Переработать пришлось буквально все. Боковое расположение керамических впускных окон оптимизировало сгорание смеси, на каждую секцию приходилось по две разновеликие свечи зажигания. В качестве уплотнителя выбрали особо стойкий пирографит. Каждый новый двигатель выходил с завода с полимерными слоем, микропоры в котором удерживали масло. В ходе приработки деталей, примерно за 1000 км пробега, этот слой стирался. Эксцентрический вал получил систему динамической балансировки — она снижала низкочастотные колебания на разгоне, учитывая даже объем масла, поступающий в роторы. Заодно Renesis 13B получил все нововведения, характерные для поршневых