Проблема непосредственного преобразования давления газа (пара) во вращательное движение вала вот уже несколько столетий не дает покоя честолюбивым инженерам. Вплоть до середины ХХ века попытки создания работоспособных двигателей такого типа оставались безуспешными.

Только в 1957 г. Феликс Ванкель (F. Wankel) и Вальтер Фройде (W. Froude) продемонстрировали на конференции Общества германских инженеров работающий четырехтактный двигатель DKM 54 с поршнем-ротором, снабженным механическими уплотнениями. Несколько ранее основные технические решения прошли апробацию в конструкции компрессора, применявшегося для наддува мотоциклетного двигателя рекордного гоночного мотоцикла фирмы NSU (в 1955 г. эта фирма являлась крупнейшим в мире изготовителем мотоциклов). А совместная деятельность Ванкеля и Фройде началась после подписания соглашения между фирмами NSU Motorenwerke AG и Wankel GmbH еще в 1951 г., поэтому 2001 г. вполне можно рассматривать как год полувекового юбилея "роторно-поршневой" тематики в двигателестроении.

Каждый из этих двух немецких инженеров внес неоценимый вклад в разработку первого в мире роторно-поршневого двигателя (РПД). Ванкелю (и его группе) принадлежит заслуга создания классификации кинематических схем роторно-поршневых машин. Он провел обширные исследования механических уплотнений вращающихся клапанов (золотников), сформировал комплекс требований к эффективным подвижным уплотнениям. В этой области следует также отметить важную роль группы В. Бензингера (W. Benzinger) фирмы Daimler-Benz.

Усилиями средств массовой информации в научно-популярной литературе за РПД, очевидно, по аналогии с дизелем, закрепилось наименование "ванкель". Следует подчеркнуть, однако, что в профессиональной литературе такой жаргонизм напрочь отсутствует, поскольку именно второму соавтору, Фройде, главному конструктору двигателей фирмы NSU, принадлежала решающая роль в обосновании и выборе базовой кинематической схемы, а также формирование собственно инженерной концепции РПД. Сам же Ванкель считал вариант конструкции, принятый фирмой NSU за базовый, далеко не совершенным из-за необходимости уравновешивать противовесами эксцентрично вращающийся на валу ротор. До конца своей жизни человек, имя которого было увековечено в наименовании двигателя, работал над созданием совершенно иного мотора с простым вращением взаимодействующих роторов. Поэтому гораздо логичнее было бы именовать РПД по имени второго создателя - "фройде", но история распорядилась по-своему.

Первый РПД DKM-54 бироторной конструкции оказался чрезвычайно сложным (например, свечи зажигания устанавливались в роторе) и ненадежным, но он доказал принципиальную работоспособность всей предложенной концепции и приоткрыл направления для дальнейшей доводки. В 1958 г. NSU показала сразу две усовершенствованные Фройде модели: ККМ 125 (объем каждой из трех рабочих камер 125 см3) и ККМ 250 (объем 250 см3), в которых свечи зажигания размещались в неподвижном корпусе (статоре) и были легко доступными для обслуживания. Испытания подтвердили, что у двигателя с планетарным вращением ротора на эксцентрике вала отсутствуют серьезные механические проблемы.

Вспышка интереса к "ванкелю" во всем мире пришлась на конец пятидесятых - начало семидесятых годов. Первой лицензию на производство у NSU/Wankel приобрела всемирно известная корпорация Curtiss-Wright в 1958 г., а в 1960-1961 гг. успех признали крупнейшие германские моторостроительные фирмы Fichtel&Sachs, Daimler-Benz AG, MAN, Friedrich Krupp GmbH, Klockner-Humboldt-Deutz AG и первые японские - Yanmar Diesel Co. и Toyo Kogyo Co., а также английская фирма F/Perkins Ltd. В 1965 г. лицензии приобрели такие авторитетные компании, как Rolls-Royce, OMC и Porsche KG. Очередь гигантов класса Nissan Motor Co., General Motors Corp., Suzuki Motor Co., Toyota Motor, Ford-Werke AG, Ingersoll-Rand, Mercury Div., Brunswick Corp., Yamaha Motor, Kawasaki Heavy Industries Ltd. и American Motors Corp. пришла в 1970-1973 гг. Всего было заключено около 30 лицензионных соглашений на право производства.

"Сердцем" типичного РПД является ротор с тремя выпуклыми гранями, эксцентрично вращающийся внутри цилиндрической полости статора. Контур цилиндра двигателя (рис. 1) представляет собой перитрохоиду, то есть такую кривую, по которой без отрыва проходят вершины ротора в случае, когда радиус внешней шестерни планетарного механизма r, жестко соединенной с ротором, превосходит радиус внутренней неподвижной шестерни радиусом rg.

Подобно обычному бензиновому двигателю, в РПД реализован четырехтактный цикл. Рис. 2 иллюстрирует чередование фаз в рабочих камерах при полном повороте ротора; обратите внимание на то, что в ходе такого полного поворота трижды осуществляется рабочий ход, а также на то, что частота вращения выходного вала в три раза выше частоты вращения ротора, что соответствует одному рабочему ходу на оборот вала.

Положение I соответствует началу фазы всасывания в рабочую камеру V1, началу фазы сжатия в камере V2 и рабочему ходу в камере V3. В положении II рабочий ход завершен, вот-вот откроется окно выхлопа. Положение III соответствует моменту подачи зажигания в камеру V3, при этом в двух других камерах продолжаются процессы сжатия и выхлопа, соответственно. В положении IV начинается очередной рабочий ход - давление газов воспламенившейся топливовоздушной смеси в камере V3 приводит к энергичному провороту ротора.

"Золотой век" РПД

Первым в мире серийным автомобилем с односекционным РПД стал Spider-54, запущенный в производство фирмой NSU в 1964 г. Спустя три года начался выпуск Ro80 с двухсекционным двигателем ККМ 612 мощностью 129 л.с. Но настоящий успех пришел к "ванкелю", когда японская фирма Mazda (заключившая в 1961 г. договор с NSU) приступила к выпуску автомобиля Cosmo Sport 110S. В 1973 г. из 104 960 автомашин Mazda, проданных в США, более 92 % оснащались роторно-поршневым двигателем. В начале семидесятых годов фирма Citroen производила два типа легковых автомобилей с РПД, Mersedes разработала несколько прототипов, а General Motors планировала установить РПД на одной из своих перспективных машин (Corvette). В этот же период появились в производстве мотоциклы с РПД (Hercules W2000, Suzuki RE-5, Vaаn-Veen, Norton Commander).

Важнейшими достоинствами РПД по сравнению с традиционными поршневыми бензиновыми моторами являются:

• - меньшее на 35…40 % число деталей;
• - меньшие в 1,5...2 раза габаритные размеры;
• - малая удельная масса при высокой удельной мощности. К примеру, современный серийный РПД с объемом рабочей камеры 1300 см3 имеет мощность 220 л.с., а с турбокомпрессором - 350 л.с. Миниатюрный моторчик OSMG 1400 (рабочий объем 5 см3) мощностью 1,27 л.с. весит всего 335 г;
• - низкий уровень вибраций. РПД полностью механически уравновешен, что позволяет повысить комфортность легких транспортных средств типа микроавтомобилей, мотокаров и юникаров;
• - отличные динамические характеристики.
  Масса движущихся частей в РПД гораздо меньше, чем в аналогичных по мощности "нормальных" поршневых двигателях, ведь в нем отсутствуют коленчатый вал и шатуны.

Середина шестидесятых ознаменовалась все более широким применением разнообразных вариантов РПД в качестве транспортных, стационарных и переносных многоцелевых двигателей. К примеру, Curtiss-Wright продемонстрировала многотопливный двигатель модели RC 2-60 для привода генератора мощностью 60 кВт. Он весил вчетверо меньше аналогичного дизеля и занимал объем в полтора раза меньше, чем традиционный бензиновый поршневой "движок". Тогда же было показано, что РПД примерно на 20 % экономичнее обычных двухтактных подвесных лодочных моторов при меньшей массе и гораздо более низком уровне шума. Важной положительной особенностью "ванкеля" стала его многотопливность. Роторно-поршневому двигателю нашлось место и на катерах, и на снегоходах, и на легких самолетах. Однако наиболее важной сферой применения в то время являлось автомобилестроение.

Стремление получить быстрый экономический эффект от внедрения РПД оказалось не подкреплено глубокими научными исследованиями особенностей рабочего процесса и путей оптимизации теплового состояния двигателя. Остро стояла проблема выбора конструктивных элементов и материалов, обеспечивающих эффективность уплотнений, и установления взаимосвязи между характеристиками источников зажигания и сгоранием при малых нагрузках и частотах вращения. Всерьез теория РПД начинает складываться только в настоящее время.

Следует признать, что в связи с новизной конструкции вариант РПД, примененный на автомашинах Mazda в семидесятых годах, обладал рядом конструктивно-производственных и эксплуатационных недостатков. Важнейшим из них являлся повышенный расход топлива. Нефтяное эмбарго 1973 г., последовавшее в ответ на поддержку, оказанную Соединенными Штатами Израилю в войне против арабской коалиции, нанесло чувствительный удар по американским автомобилистам и выдвинуло проблему экономичности на первый план, в то время как разработчики фирмы Mazda не уделили ей должного внимания. Вследствие всех этих причин "японское чудо" постепенно потускнело в глазах американских потребителей. В 1974 г. фирме удалось продать в США всего 61 192 автомобиля. Многие компании вынуждены были отказаться от планов производства РПД, так как реальными техническими средствами для быстрого решения двуединой задачи - уменьшения расхода топлива и снижения выбросов токсичных компонентов с отработавшими газами - они не располагали.

И все же в 1978 г. Mazda сумела продать миллион автомобилей с РПД, а к 2000 г. общее количество проданных автомобилей перевалило за два миллиона.

Современный РПД

Вплоть до 1996 г. Mazda продолжала производить и поставлять в США спортивный автомобиль RX-7. В результате проведения обширной программы исследований компании Mazda удалось решить проблему недостаточной экономичности РПД и снизить эмиссию токсичных компонентов отработавших газов до принятых норм. В октябре 1999 г. на 33-й токийской автомобильной выставке демонстрировался новый спортивный автомобиль RX-EVOLV, оснащенный современным вариантом "ванкеля" - двухсекционным двигателем MSPRE мощностью 280 л.с. Эту машину специалисты компании называли "концепт-каром", обещая в ближайшем будущем перенести заложенные в ней новинки в серийные модели RX-7.

В США сформировалась заметная группа гонщиков-любителей, которым Mazda в свое время сделала великолепный подарок. Оценивая предыдущие варианты RX-7, эти люди не скупятся на похвалы. По их мнению, отличительной особенностью РПД, установленного на "семерке", является потрясающая надежность: даже при эксплуатации в чрезвычайно напряженном "гоночном" режиме "ванкель" без какого-либо ремонта легко обеспечивал пробег свыше 100 000 миль! Фанаты RX-7 организовали сбор подписей с требованием возобновить поставки их любимца в США. Этих людей не пугает цена.

Кстати, о цене. Современный РПД, как уже отмечалось ранее, имеет меньшее число деталей по сравнению с равным по мощности "нормальным" бензиновым двигателем. Для нынешних станков с ЧПУ обработка поверхностей типа перитрохоиды является вполне посильной задачей, а требования к точности воспроизведения формы для деталей РПД даже менее жесткие, чем у классического двигателя с его цилиндрами и поршнями. В РПД нет клапанов, а значит, нет распредвала с толкателями и т.п. Применение износостойких покрытий, в том числе керамических, решает проблему надежности и долговечности. Таким образом, потенциально, при соответствующих масштабах производства, "ванкель" не дороже хорошего классического бензинового мотора равной мощности при одинаковой экономичности и, по крайней мере, не худших экологических показателях! Во всяком случае, фирма Mazda всерьез намеревается придать РПД второе дыхание и изменить стереотипное представление о важнейших качествах "ванкеля", сложившееся у потребителей по результатам эксплуатации его ранних моделей.

Ряд фирм предпринимал попытки реализации дизельного рабочего процесса в РПД. Однако успехи Curtiss-Wright, впервые успешно применившей послойное смесеобразование (что позволило “ванкелю” работать на дизельном топливе, авиационном керосине и т.п.), сделали неактуальными разработку дизельных вариантов РПД. "Всеядность" РПД позволяет использовать в качестве топлива сжиженный природный газ, а также водород. Великолепные перспективы открываются для применения РПД в авиации. Прежде всего, это касается беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) - разведывательных, метеорологических, а также самолетов-ретрансляторов и даже небольших транспортных машин. Приемник глобальной навигационной системы NAVSTAR позволяет новейшим беспилотникам летать на огромные расстояния, не сбиваясь с курса, а цифровая автоматизированная система взлета/посадки DGPS обеспечивает сохранность груза. Современный БПЛА типа Hermes 1500 UAV с двумя РПД способен нести 350 кг полезной нагрузки и держаться в воздухе 30 ч! Его летный ресурс 20 000 ч, что свидетельствует о переходе БПЛА из класса "одноразовых дорогостоящих игрушек" в разряд вполне степенных, "долгоиграющих" транспортных средств.

Отечественный "ванкель"

История отечественного "ванкеля" началась в 1961 г., когда Минавтопром и Минсельхозмаш СССР поставили соответствующую задачу перед научно-испытательными институтами - НАМИ, НАТИ и ВНИИмотопромом. Параллельно по линии Минобороны изучением РПД занялся НИИД. В числе создателей отечественных конструкций роторно-поршневого двигателя следует назвать Чистозвонова, Ханина, Турянского, Зиновьева (НАМИ), Гостева и Бениовича (НАТИ), а также Иваницкого, Карманова и Александрова (ВНИИмотопром).

В период 1961-78 гг. в отраслевых НИИ и учебных институтах СССР были проведены исследовательские и опытно-конструкторские работы, которые завершились созданием опытных образцов РПД различного назначения и технологий для их производства.

В 1974 г. решением правительства дальнейшие работы по РПД были поручены Волжскому автозаводу, где развертывалось специальное конструкторское бюро (СКБ РПД). Это решение, с одной стороны, придало новый импульс разработке отечественного варианта РПД (начались, в частности, проектные работы по строительству цехов для серийного производства "ванкелей"), а с другой - привело к фактической утрате многого из того, что наработали институты, поскольку в качестве прототипа специалисты ВАЗа решили ориентироваться на двигатель фирмы Mazda и опыт его массового производства. У истоков РПД стояли такие руководители как В.Н. Поляков, Е.А. Башинджагян, А.А. Житков, Б.С. Поспелов и М.А. Коржов. Ныне СКБ РПД ВАЗа возглавляет В.А. Шнякин.

СКБ РПД сумело разработать семейство двигателей мощностью 40…200 л.с. различного назначения. Наибольшие усилия были сосредоточены на доводке агрегатов мощностью 120 и 140 л.с. Удалось успешно решить проблемы РПД, связанные с работоспособностью подшипников, газовых и маслосъемных уплотнений, отладить эффективный рабочий процесс в камере неблагоприятной формы. Кроме того, была снята проблема коробления корпусных деталей из-за их неравномерного прогрева, а также создана многоканальная цифровая система зажигания.

Российским исследователям (И.В. Зиновьеву) удалось уточнить особенности процессов сгорания в РПД, влияние систем зажигания и добиться значительного улучшения экономичности РПД, применив послойное сжигание топлива в камере сгорания и динамический наддув за счет отраженной волны от смежной секции. Проблема снижения токсичности РПД решается преимущественно путем внедрения усовершенствований, обычных для поршневых двигателей - оптимизации смесеобразования и процесса сгорания, а также применения средств обезвреживания отработавших газов. Кроме того, получила экспериментальное подтверждение высокая эффективность подачи водорода в топливо-воздушную смесь.

В резерве сохраняется и такой способ улучшения экономических и экологических показателей автомобиля с РПД при обеспечении высоких динамических качеств, как полное отключение одной или нескольких секций многосекционных РПД на частичных нагрузках. С таким экспериментальным двухсекционным РПД (изготовленным из двух двигателей ВАЗ-311) на автомобиле ГАЗ-24 экипаж НАМИ занимал первые места на Всесоюзных ЭКО-ралли в 1989-1990 гг.

В настоящее время РПД оснащаются малые партии автомобилей ВАЗ-2105, -2107, -2108, -2109, -21099, проходит испытания ВАЗ-2110 с "ванкелем" ВАЗ-415. Максимальная скорость роторной "семерки" составляет 180 км/ч, а "восьмерка" способна выжать и 200 км/ч, причем для разгона до скорости 100 км/ч ей необходимо всего 8 с. Двухсекционный двигатель ВАЗ-415 при массе 113 кг развивает мощность 140 л.с. Минимальный расход топлива - 230 г/л.с.·ч, а ресурс до первого капитального ремонта - 125 тыс. км. Кстати, в эксплуатации имеются автомашины с "ванкелями", успешно отработавшими без капремонта и обеспечившими пробег свыше 300 тыс. км.

И все же, сегодня отнюдь не автомобильные двигатели находятся в центре внимания конструкторов СКБ РПД Волжского автозавода. Со второй половины восьмидесятых годов в конструкторское бюро зачастили визитеры из смежной отрасли промышленности - авиационной. Важнейшими причинами, побудившими авиаторов приглядываться к РПД, являются его малая удельная масса и… отсутствие в стране отечественных авиационных двигателей мощностью 40…270 л.с. На первом этапе слегка модернизированный автомобильный "ванкель" ВАЗ-413 установили на самолет "Леший" и судно на воздушной подушке "Волга-2". Испытания подтвердили перспективность применения РПД на летательных аппаратах, но одновременно выявили необходимость определенной доводки двигателя для того, чтобы он удовлетворял авиационным требованиям.

В 1990 г. по заказу МВЗ им. М.Л. Миля началась разработка авиационного роторного двигателя ВАЗ-430, предназначавшегося для легкого вертолета Ми-34ВАЗ. Предполагалось, что доступ к авиационным технологиям позволит быстро создать качественный РПД, но эти надежды не оправдались. Камнем преткновения стало не только отсутствие государственного финансирования, но и утраченный авиационной промышленностью опыт создания малоразмерных двигателей внутреннего сгорания и соответствующих агрегатов.

Впоследствии по заказу частной фирмы был разработан легкий авиационный РПД ВАЗ-1187 мощностью 40 л.с. для дельталетов и его усовершенствованный вариант ВАЗ-1188 (60 л.с.). Основываясь на собственном опыте и учитывая зарубежную практику, руководство СКБ РПД сделало вывод о целесообразности создания авиационных роторно-поршневых двигателей в диапазоне мощности 40…300 л.с., где они конкурентоспособны с классическими "поршневиками". В настоящее время усилия СКБ сосредоточены на разработке авиационного трехсекционного РПД ВАЗ-426 мощностью 210…240 л.с. Об уровне совершенства современных РПД конструкции Волжского СКБ свидетельствуют следующие факты: масса двигателя составляет всего 145 кг, а удельный расход топлива при работе на автомобильном бензине на крейсерской мощности не превышает 205 г/л.с.·ч.

Возвращаясь к автомобильной тематике, следует сказать еще об одном произведении СКБ РПД - односекционном двигателе ВАЗ-1185 мощностью 40 л.с. Актуальность этого двигателя обусловлена устойчивой тенденцией к росту количества ежегодно выпускаемых микроавтомобилей (легковых автомобилей класса "А"). Как правило, такие машины выполняются четырехместными, имеют передний привод колес и оснащаются двигателями мощностью 30...50 л.с. Наблюдается тенденция к повышению мощности двигателя микроавтомобилей до уровня 80…90 л.с. Основными причинами повышения интереса к автомобилям этого класса являются стремление снизить затраты на топливо, уменьшить транспортную напряженность в центре больших городов и улучшить условия парковки.

Объемы мирового производства микроавтомобилей можно охарактеризовать следующими цифрами: в 1996 г. в Японии было построено более 900 тыс., а в западноевропейских странах - около 700 тыс. таких автомобилей. Масштабы выпуска легковых автомобилей класса "А" в России крайне невелики (серийно производится только "Ока"; в 1999 г. построено около 40 тыс.), в то время как платежеспособный спрос, по мнению специалистов, оценивается в 150...160 тыс. автомашин ежегодно. Наращивание выпуска "Оки" сдерживается возможностями ВАЗа по изготовлению двигателей, и в ближайшие пять лет объемы ее производства вряд ли превысят 80 тыс. в год.

Таким образом, вот она - ниша для РПД ВАЗ-1185. Создание нового недорогого автомобиля с роторно-поршневым двигателем, малогабаритным, неприхотливым и надежным, обеспечивающим комфорт в транспортном средстве ограниченных размеров (низкие шум и вибрации), в силу особенностей современной экономической ситуации в стране является весьма привлекательным проектом. Следует подчеркнуть особую актуальность развертывания массового производства легких автомобилей класса "А" для Москвы, обильно хлебнувшей лиха от пробок на дорогах, высокой загазованности в центре города и нехватки зон для парковки.

Уходят в прошлое слухи и мифы. Постепенно, по мере накопления опыта, внедрения новых технических решений у эксплуатантов возникает положительное отношение к РПД в ряде секторов техники, таких как малая авиация, автомобилестроение, стационарная энергетика. Если судить по публикациям в Интернете, рекламе, патентной активности и выставкам, намеченным на 2001 г., роторно-поршневой двигатель вступает в период нового всплеска интереса к нему.

Рис. 1	Рис. 2
Роторно-поршневой двигатель ВАЗ-1185	Индикаторная диаграмма двигателя ВАЗ-1185