за 60-годишнината от създаването на изследователския център по роторни двигатели на Mazda компанията успя да създаде високотехнологична симбиоза между електрическа машина и модерен ванкелов двигател.

Десет години след спирането на RX-8 роторният мотор на Mazda се завърна. С определени условности, като двигател, задвижващ генератор в ролята на range extender, но пък покриващ стандарта за емисии Euro 6d. И тъкмо навреме, за да отбележи 60-годишнината на изследователския център по роторни двигатели на Mazda. .Може би ще стане традиция да започваме материал, свързан с технология на Mazda, с номера на някакъв патент. Защото пословичната скромност на хората от японската компания понякога води до дефицит на истинска информация относно същността на създаденото от тях. А то в много случаи е доста ценно. Подобно нещо можем да открием в заявката към американското патентно ведомство, заведена под номер 0381190 A1 и наречена скромно „Контролен апарат за електрически автомобил“. Никъде в прессъобщенията на компанията няма да откриете споменаването му, но патентът от 1 декември 2022 г. почти съвпада с представянето на хибридната технология на Mazda MX-30 e-Skyactiv R-EV. Именно в този патент обаче ще откриете как по удивителен начин конструкторите са успели да постигната това невероятно за ванкелов двигател ниво на емисии, как включването му в хибридна система като агрегат, задвижващ генератор, му помага да работи в ефективни режими и как електрическата машина е използвана, за да променя активно фазите на работата му. Нека обаче караме подред. 

Ванкеловата одисея

В Mazda се движат по свой собствен екзистенциален път, когато става дума за разбирането за автомобила и убеждението, че всичко е само въпрос на време, вяра и упоритост. Ако се поровим малко повече в историята на еволюцията на ванкеловия двигател при Mazda, ще открием невероятни неща. Тази машина е в основата на множество новаторски решения и експерименти, включително двуструен турбокопресор, турбокомпресор с променлива геометрия и каскадно пълнене при бензинов двигател, с което по-известен става Porsche. Всички проблеми на горивните процеси във ванкеловия двигател водят до натрупване на изключително богат опит в работата върху техния контрол, която пък е база за всичко създадено напоследък от Mazda под формата технологиите Skyactiv, включително новите Skyactiv X и Skyactiv D. Ето за какво става дума. Точно преди 60 години, през април 1963 г., Mazda създава свой собствен изследователски отдел по роторни мотори, който има за цел да развие целия процес, свързан с конструирането и подготовката за серийно производство на ванкелови агрегати. Първият проблем, с който инженерите трябва да се справят, е склонността към образуване на дълбоки напречни канали по статора в резултат от естествените честоти на вибрация на уплътнителните пластини, както и повишеният разход на масло. След множество опити заедно с Nippon Piston Ring и Nippon Oil Seal, специалистите от  Mazda разработват изцяло нова концепция за конструиране и производство на уплътнителни пластини. Но те са само част от проблемите. В началото на 60-те години, по време на първоначалните фази на разработка, Mazda създава различни проекти за роторни двигатели, преди да се спре на най-подходящото от гледна точка на съчетанието между балансирана работа и себестойност решение с два ротора. Двуроторният мотор има вибрации, близки до тези на редови шестцилиндров бутален двигател (въпреки въртеливото движение при еднороторния все още са налице колебания поради факта, че има само един работен такт на оборот на ротора). След два прототипни агрегата, подложени на множество тестове, се ражда и първият сериен двуроторен мотор на Mazda под името L10A, който от 1967 година започва да се монтира на Cosmo Sport. Машината с работен обем от 2 х 491 см3 има новоразработени уплътнителни пластини, изработени от изключително здравия пирографит и синтерован алуминий, които са със значително намалено износване. Те са и първият същински пробив на Mazda по отношение на надеждността на ванкеловия двигател. Компанията започва монтажа на мотора и в други модели – и точно когато хоризонтът пред роторния двигател започва да изглежда по-чист, през 1970 година Mazda се сблъсква с нови предизвикателства. Американското правителство започва въвеждането на нормите, свързани с т.нар. „Мъски акт“, според който автомобилите трябва значително да намалят нивото на замърсяване в отработилите си газове. Поради спецификите на работа (като по-големия топлообмен на камерата) ванкеловият двигател генерира по-малко азотни окиси, но променливата сърповидна форма води до образуване на повече въглеводороди, отколкото при конвенционалния бутален мотор. Затова от Mazda интегрират в изпускателните системи на машините си първоначално устройство, наречено термореактор, а по-късно, когато катализаторът става достатъчно съвършен, то е заменено именно с такъв.

Да живее ванкеловият мотор

Тъкмо в това разделно време компанията за първи път има шанса да демонстрира духа, който ще стане характерен за нейния облик – когато през 1973 година настъпва първата петролна криза и нормите за емисиите се съчетават с изисквания спрямо разхода на гориво, повечето компании напълно изоставят плановете си за развитие на ванкеловия двигател. Вместо да поемат по този консервативен път, отговорните фактори от Mazda поставят началото на т.нар. Projеct Phoenix, в основата на който стои целта за намаляване с 20 процента на разхода на гориво на ванкеловия мотор още през първата година от развойната работа и с още 40 процента през следващите години. За целта инженерите трябва да се върнат на чертожните маси и фундаментално да преразгледат работата на двигателя с вътрешно горене и на роторния двигател в частност, прецизирайки всичко – от горивните процеси до карбураторите. След поредица от детайлни промени и с въвеждането на топлобоменник (още едно иновативно решение) на изпускателната система намалението на разхода вече достига 40 процента. Израз на фундаменталните промени, постигнати в тези години благодарение на проекта „Феникс“, е спортната (Savanna) RX-7, представена през 1978 г. Като част от усъвършенстването на използваните технологични решения са въведени високоенергийна запалителна система, а впоследствие и процес на работа с бедни смеси с предкамера. Към това се добавят всмукателни тръбопроводи с променлив контур за двигателя 12А (2 х 573 см3) които са особено ценни за подобен мотор, пълнещ се по подобие на двутактовите двигатели чрез всмукателни отвори, а не с клапани. През 1983 г. версията на вероятно най-култовия роторен двигател 13B с атмосферно пълнене се сдобива с развитие на всмукателната система с променливи контури, наречено Dynamic Supercharging и използващо образуването на поредици от вълни с високо и ниско налягане пред всеки всмукателен отвор за създаване на ефект на подобрено пълнене. Благодарение на тази система версията на 13B с шест всмукателни отвора, отваряни в зависимост от натоварването и оборотите, както и с два инжектора, става значително по-ефективен.

Роторните турбомотори

Година по-рано, през 1982 г., Mazda представя и своя Cosmo RE Turbo, с който компанията отново става първопроходец в дадена област. Това е първият автомобил, задвижван от роторен двигател, оборудван с турбопълнене. Този тип машина и турбокомпресорът се оказват създадени един за друг. Рязкото отваряне на изпускателния отвор създава мощна вълна на газовете с висока кинетична енергия насочена към турбокомпресора с което изключително се подобрява ефективността му. При това то компенсира по-ниския въртящ момент в сравнение с конвенционалните бутални двигатели заради кинематиката на мотора и по-малкия „лост“ на ексцентриковия вал от този на коляновия. Но дори и това не достатъчно на инженерите от Mazda. За още по-добра работа на съчетанието от двигател и турбина те създават два типа системи за двуструйно пълнене. Технологията, която още по това време Mazda нарича Twin Scroll Turbo и се използва във версията 13B, задвижваща второто поколение на RX-7, е опростена разновидност на VNT турбокомпресор, която вместо насочващи газовете лопатки използва два отделни канала, по които те се отправят към турбината. При по-ниски оборотни режими единият канал се затваря с клапа, а движението на газовете само в другия им осигурява по-висока скорост и среща с турбината в нейната периферна част. При високи обороти и натоварване газовете преминават и по двата канала и удрят турбинното колело по цялата дължина на лопатките. Като част от развитието на 13B през 1989 г. Twin Scroll Turbo е заменена със системата Independent Twin Scroll Turbo, работеща по класическия принцип за отделяне в различни канали на взаимно гасящите се пулсации на газовете от отделните горивни камери – както при съвременните двуструйни турбокомпресори. Още от 1983 година компанията вече използва система за впръскване на горивото, заменяща карбуратора, като за целта се монтират два инжектора на ротор. При по-късните версии на двуроторният 13B-REW и трироторният 20B-REW инжекторите са различни, като при по-малко натоварване и обороти се използва такъв с по-малък капацитет, но по-фино разпрашаване. След почти три десетилетия борба с тъмните сили на роторния двигател, в която Mazda отдавна е поела ролята на единствен актьор в моноспектакъл, е създаден и най-мощният сериен роторен двигател. По това време Mazda вече е въвела името Eunos за част от най-престижните си модели, а Eunos Cosmo се задвижва от трироторния 20B-REW, чийто баланс на работа почти достига нивото на V12 двигател. Оказва се обаче, че конструирането и производството на трироторен мотор е доста сложен процес – това не е просто „наслагване“ на ротори. След като разделянето на зъбния механизъм на средния ротор се оказва прекалено комплексна задача, е избран вариант с използване на разделен ексцентриков вал със скосени връзки. Помощ за това идва и от спортния отдел, чиито модели участват в различни състезания, голяма част от които маратонски, имащи за цел определяне на границите на надеждността на роторните двигатели. Версията на 20B-REW с мощност 280 к.с. има 410 Нм въртящ момент при едва 3000 об./мин (много ниски предвид спецификите на мотора – при тях буталото се върти с едва 1000 об./мин). В поредния етап на еволюцията на двата агрегата както 13B-REW, така и 20B-REW се сдобиват със система за каскадно пълнене с малък и голям турбокомпресор (Hitachi HT15). До този момент единствено в Porsche със свръхскъпия си 959 са използвали подобно нещо в бензинов двигател. През следващите години и 13B ще бъде значително усъвършенстван, най-вече по отношение на електронното управление – с по-добри инжектори, дигитален контрол на процесите, детонационни датчици, система за прецизен контрол на смазването на различните детайли (който сам по себе си е огромен труд в областта на трибологията) с измерване на температурата на уплътнителните пластини в пряка връзка с триенето, водеща до значително намаляване на разхода на масло т.н. 

Генезисът достига до Renesis

През деветдесетте години обаче Mazda търси начин за създаване на още по-ефективен роторен двигател. Въпреки огромната еволюция на 13B с всички гореспоменати промени и допълнителни агрегати, от компанията решават отново да се върнат към атмосферното пълнене, но да променят някои фундаментални елементи от управлението и цялостната геометрия на роторната машина. Така през 1995 г. на изложението в Токио за първи път се появява двигателят MSP-RE, задвижващ концептуалния модел RX-01. След няколко студийни версии те ще еволюират съответно до Renesis и RX-8. Основаната промяна при Renesis (с вътрешнофирмено име 13B MSP) спрямо предшествениците е поставянето на всмукателните и изпускателните отвори в страничната част на статора. Главното предимство на това решение е елиминиране на припокриването на фазите на отваряне на всмукателните и изпускателните тръбопроводи. По-свободното им разполагане позволява и оформяне на по-големи отвори, в резултата от това по-добро пълнене и позиционирането им така, че да се удължи фазата на работния такт и да се подобри ефективността на мотора. Страничната позиция позволява и по-свободно проектиране на контурите на всмукателните и изпускателните тръбопроводи. Двуроторният двигател се изработва в два варианта, съответно с общо четири и общо шест всмукателни отвора (с различна мощност), всеки от които със сложна система от променливи контури за оптимизиране на пълненето с вълнови ефекти в различните оборотни диапазони. По-мощният вариант (250 к.с.) постига параметрите си благодарение на възможността за оптимално пълнене и при по-високи обороти от по-слабия (215/232 к.с.) в зависимост от пазара за който е насочен, макар че въртящият момент и при двата е близък и в диапазона 216–222 Нм. Представеният официално през 2003 г. RX-8 се задвижва от новия Renesis, който разполага и с дигитална система за управление с електронна дроселова клапа. Renesis постига максималната си мощност при цели 8500 об./мин (при атмосферната версия на предшественика 13B-REW те са 6500) в немалка степен и благодарение на олекотения ротор и тройката инжектори на ротор – по един с 12 и два с 4 отвора. Напълно нови са и уплътнителните и маслосъбиращи елементи с изцяло различна конструкция. Последните в много по-малка степен допускат преминаване на газове от един сектор в друг, което заедно със страничните отвори не позволява проникването им в изпускателната система. Вместо това те остават в горивните камери за допълнителна обработка. При това проектирането на този сложен от гледна точка на процесите двигател е едната страна на медала. Mazda създава изцяло нови производствени процеси, машини, съоръжения и поточни линии, за да го произвежда. Уникален е моделът RX-8 Hydrogen RE, задвижван с водород, който е предшестван и от версии на предишните мотори, захранвани с това гориво. Въпросът е в това, че най-големият проблем при контрола на работата с водород е ниската му енергия на самовъзпламеняване (въпреки високата температура на самовъзпламеняване и респективно високото октаново число – над 130). Това означава, че по време на процеса на сгъстяване сместа от водород и кислород може лесно да се самовъзпламени от локално прегрети места. Инженерите от BMW често се сблъскваха с този проблеми при създаването на своите прототипи със захранвани с водород двигатели с вътрешно горене. При ванкеловия двигател обаче всмукването става в сравнително хладна част на двигателя и практически тези рискове се елиминират. През 2012 г. след девет години и 192 094 произведени броя окончателно е прекратено производството на RX-8, без да се обяви наследник. С него на този етап е сложен краят и на продължилата 50 години ера „роторен двигател“ в Mazda. Въпреки огромните усилия на инженерите от фирмата фундаменталните проблеми на ванкеловия двигател, водещи в края на краищата до висок разход и емисии, стават причина за постепенно намаляване на и без това малките му продажби. Макар и невероятно иновативна компания, Mazda е относително малък производител на фона на гиганти като Toyota, Renault-Nissan-Mitsubishi, Hyundai-Kia, PSA-Opel и прочее. Дори теоретично да има технологичен потенциал да създаде ванкелов двигател, постигащ изискваните съвременни нива на емисии при директно задвижване без хибридна система, Mazda няма как да отдели подобни ресурси и да ги абсорбира в производството. Успешното проектиране на HCCI мотор обаче в голяма степен се дължи на развитието на ванкеловия двигател. Ако това е била неговата мисия за Mazda, значи, всичко си е заслужавало. Роторният мотор не донесе големи финансови ползи за марката, но в голяма степен ѝ помогна да бъде това, което e.

Rotary Reborn

И тук идва голямото но… Защото ако все пак бъдат взети предвид съвременните възможности за проектиране, електрониката, системите за впръскване, материалите и наличието на хибридни системи, може да се окаже, че роторният двигател може и да бъде възроден. Да, както обикновено, от Mazda решават да експериментират след вече натрупания опит от създаването на сложния горивен процес на Skyactiv X. Така се ражда двигателят 8C, монтиран в Mazda MX-30. Новият агрегат вече използва директно впръскване с високо налягане, което е новост за този тип машини. Това се оказва изключително полезно, защото позволява много по-добро разпрашване и смесване на горивото с въздуха и значително подобрява хомогенността на сместа. Решенията с впръскване във всмукателните колектори водеха до образуване на по-богати зони в периферията на сърповидната и изменяща конфигурацията си камера. Връщането на отработили газове пък играе роля на средство не само за редукция на азотните окиси, но и за компенсация за увеличените загуби на топлина заради големите площи на камерата. Страничните корпуси на двигателя вече са от алуминий, върху който с процес на плазмено инжектиране е нанесено керамично покритие. Това също помага за намаляване на загубите на топлина. Увеличена е дебелината на уплътнителните пръстени, с което се намаляват утечката на газове и разходът на масло. Едно от най-съществените решения, свързани с ефективността, е начинът, по който електрическата машина се използва за постигане на по-ефективно пълнене. Въпросът е в това, че докато при конвенционалните бутални двигатели фазите и ходът на клапаните могат да се управляват, като например при по-високи оборотни режими се осигурява по-продължително време за отваряне, при ванкеловите мотори всмукването на въздух и процесът на изпускане на газовете са фиксирани от т.нар. време-сечение – фазите настъпват, когато въртящият се ротор отваря с периферията си всеки от отворите. Логично е при по-високи оборотни режими времето за пълнене с пресен въздух и за изхвърляне на газове да става по-кратко и това да влияе върху ефективността на работата на двигателя. Патентът на Mazda всъщност е фокусиран върху това как с помощта на електрическа машина може да се повлияе на този процес. Ако двигателят се настрои да работи оптимално при определени средни оборотни режими, в хода на движението на ротора и в рамките на периода, в който той отваря и затваря всмукателния канал, в зависимост от това дали той работи в по-високи или по-ниски от оптималните обороти може да се приложи отрицателен въртящ момент (съпротивление) или положителен въртящ момент (тяга) от електрическа машина. Така роторът ще ускори движението си, когато отваря всмукателния канал, ако се върти с по-ниски обороти, или ще го забави, ако се върти с по-високи. Това би довело до неравномерно, но оптимизиращо пълненето движение. Подобни флуктуации не биха се усещали в автомобила, в случай че няма пряка механична връзка между двигателя и колелата. Компановката изисква по-сложни софтуерни решения, но на фона на контрола на горивния процес при двигателя със самовъзпламеняване SPCCI или на новия дизелов двигател DSCPI те не са проблем за инженерите на Mazda. Специално при MX-30 не се използва отделна електрическа машина – в тази роля се включва самият генератор. Двигателят от своя страна е настроен да бъде най-ефективен при оборотите на максималната си мощност. Така електрическата машина трябва само да ограничава съпротивлението си, респ. генерираното електричество, във времето, когато роторът преминава покрай отвора, за да може той да се ускори. Все едно за миг двигателят да вдигне оборотите и отново да ги върне. Примерът с това да натиснете за кратко съединителя, докато се движите, и двигателят да повиши оборотите си, е много подходящ за случая. За да бъде горивният процес ефективен и екологичен обаче, ексцентриковият вал (играещ ролята на колянов в роторния мотор) достига максимално 4500 об./мин, при които моторът отдава максималната си мощност е за които е оптимално настроен, както споменахме по-горе. Това не са особено високи обороти за един ванкелов мотор – поради естеството на предаване на въртящия момент и взаимодействието на ротора с ексцентриковия механикъм въпросният ротор се върти със значително по-ниски обороти, в случая с около 1500 об./мин.

Изводът от всичко това може да бъде изречен само с една дума: Mazda.