Всем здрасьте. По многочисленным просьбам в комментах пишу пост про двигатель, стоящий особняком в мире ДВС, так как получил достаточно большое распространение в серийных автомобилях и иногда в мотоциклах, в отличии от других моторов оригинальных конструкций, обходящихся без кривошипно-шатунного механизма.
Придумали его конечно-же Немцы, сама идея пришла в голову Феликсу Генриху Ванкелю в 30х годах 20го века, однако конструкция мотора была далека от привычной нам конструкции РПД.
Тем не менее, созданный в 1936 году прототип очень заинтересовал фирму BMW, которая выделила средства на развитие идеи, которую хотели использовать в авиационных моторах.
Однако Фюрер, который кстати продержал Феликса полгода в тюрьме в 1933 году за протест нацистским идеалам, решил повоевать, и работа закончилась вывозом всего оборудования по репарациям в 45 году.
После войны Феликс Ванкель подался в компанию NSU, где продолжил свои разработки, однако знакомую нам концепцию Ванкелю подсказал другой сотрудник компании NSU — Вальтер Фройде, и собственно ему принадлежит сама идея РПД с треугольным ротором и эксцентриковым валом.
Первый прототип мотора был показан в 1957 году, после чего патент на РПД был выкуплен 11 мировыми автопроизводителями. Хоть в силу отсутствия подходящих материалов ресурс и показатели РПД оставляли желать лучшего, его конструкция многим показалась очень перспективной, так, в 1960 году, одной из компаний, отвалившей 280 миллионов иен, оказалась Mazda.
Но первым серийным автомобилем был NSU Spider, который вышел в продажу в 1964 году, и под его капотом находился поллитровый мотор Felix, который выдавал 50 лс.
Мотор получился неудачным, ненадежным и прожорливым, и в 1967 году компания NSU выпустила новую модель с доработанным мотором — NSU Ro 80, c литровым двухсекционным РПД, мощностью в 110лс. Но из-за низкого ресурса и частых отзывных компаний NSU обанкротилась и была приобретена ВАГом, который запихнул в Ro 80 обычный фордовский двигатель.
Однако мотору не дали погибнуть японцы, и в 1967 году дебютировала Mazda Cosmo, литровый мотор которой выдавал те-же 110 сил, однако вскоре мощность увеличили до 130 сил.
СССР также вел работы по РПД с 1960 года, и добился больших успехов. В первую очередь было произведено много прототипов мотоциклов с РПД, мне наиболее симпатичен такой «Ижак»))
А АВТОВАЗ серийно выпускал жигули с РПД, в основном для ГАИ.
На этом думаю все, более подробно о технике с РПД можно узнать из общедоступных источников, вернемся к самому РПД.
РПД устроен намного проще любого поршневого двигателя, у него мало деталей, отсутствует механизм ГРМ, нет деталей, совершающих обратно-поступательное движение. Он компактен, сбалансирован, у него высокая литровая мощность.
Основные детали РПД это:
Ротор, имеющий форму треугольника Рёло
- Ротор имеет полую конструкцию с ребрами жесткости, имеет три вида уплотнений:
- 1. Уплотнения апексов (на вершинах треугольника)
- 2. Торцевые уплотнения (изолируют торцы сторон треугольника)
- 3 Радиальные уплотнения ( компрессионные и маслосъемные кольца, уплотняющие область установки шестерни и вкладышей эксцентрикового вала.
- Так выглядит набор
Наибольшую нагрузку испытывают уплотнения апексов ротора, обычно именно ими ограничивается ресурс мотора до ремонта.
Представляют они из себя пластины из прочного сплава, вставляемые в прорези на вершинах ротора, подпружиненные листовыми пружинами.
Делать их массивными нельзя, так как на высоких скоростях вращения, центробежная сила слишком сильно прижимает уплотнения к стенкам камеры, ускоряя износ, а слишком тонкие уплотнения не смогут исключить прорыв газов между полостями.
На боковых поверхностях ротора сделаны продолговатые выемки, формирующие камеры сгорания.
Также в ротор устанавливается шестерня, которая является синхронизатором вращения ротора и эксцентрикового вала, она входит в зацепление с неподвижной шестерней на боковой крышке корпуса мотора.
Передаточное соотношение всегда равно 2:3, благодаря чему за один оборот ротора, эксцентриковый вал делает три оборота, это позволяет этому мотору отлично работать на высоких оборотах, так как при частоте вращения выходного вала в 9000об.
мин, ротор крутится со скоростью 3000об.мин.
В ротор впрессовывается подшипник скольжения, который взаимодействует с шейкой эксцентрикового вала
Таким образом, ротор, обкатывая своей шестерней неподвижную шестерню статора, движется внутри корпуса по эпитрохоиде, а так как у ротора три грани, за один оборот эксцентрикового вала одновременно происходит три такта, и на один оборот эксцентрикового вала приходится один рабочий ход, что свойственно двухтактным поршневым моторам. Благодаря этому РПД выдает весьма высокую литровую мощность, так как сочетает в себе эффективность двухтактного цикла с качественным смесеобразованием четырехтактного цикла.
Одной из особенностей РПД является форма камеры сгорания, которая имеет вытянутую линзовидную форму, что вынуждает использовать две свечи зажигания, работающие неодновременно, сначала осуществляется воспламенение рабочей смеси в передней части камеры сгорания, затем происходит дожиг смеси в задней части, для того чтобы не создавать сопротивление вращению в верхней мертвой точке эксцентрикового вала.
Смазка РПД также имеет свои особенности.
Маслонасос подает масло под давлением в эксцентриковый вал, где по каналам оно подается к коренным подшипникам скольжения и к подшипникам ротора, выдавливаемое из зазора в подшипнике ротора масло разбрызгиванием смазывает шестерни ротора и статора, одновременно, через масляные форсунки расположенные в эксцентриковом валу, масло подается в полость ротора, омывая и охлаждая его. Форсунки хорошо видно здесь
Также отдельным дозирующим насосом масло подается во впуск вместе с топливо-воздушной смесью, для смазки поверхностей статора, как в двухтактных моторах. Это объясняет высокий расход масла на угар и крайнюю требовательность РПД к качеству масла.
В общем-то несоответствие экологическим требованиям и поставило крест на РПД, так как та-же Mazda успела побороть многие болячки этих моторов в последнем его варианте под названием Renesis, который можно встретить в RX8.
Одной из особенностей моторов Renesis стал перенос впускных и выпускных окон на боковые поверхности статора, а впускные окна сделали двойными, что позволило менять фазы газораспределения. На этой картинке хорошо видно двойные впускные окна и полую внутреннюю структуру ротора.
Раньше окна располагали на радиальных поверхностях статора, что сильно усложняло жизнь уплотнителям апексов и позволяло выхлопным газам прорываться к впускным окнам через выемку камеры сгорания в роторе.
Видно пятно износа, тянущееся от выпускного окна. Также в Renesis сильно усовершенствовали систему уплотнителей, что вкупе с боковым расположением впускных и выпускных окон полностью устранило проблему перепуска газов.
Также из особенностей РПД стоит заменить немного сниженные показатели крутящего момента по сравнению с поршневыми моторами, вызванные геометрией передачи усилия на эксцентриковый вал, из-за этого данные моторы выдают высокую мощность только на больших скоростях вращения
Видно, что полка момента сдвинута в сторону более высоких оборотов, что несвойственно моторам с турбонаддувом
Как итог, наверно стоит отметить плюсы и минусы этих моторов.
Плюсы:
1. Уравновешенность мотора. РПД из двух секций полностью уравновешен и практически не производит вибраций.
2. Высокая удельная мощность. Вышеприведенный график снят с мотора объемом 1.3 литра, и это далеко не предел.
3. Малые габаритные размеры и вес, моторы очень компактны и находятся вне конкуренции по соотношению вес — мощность.
4. Мало количество составных частей. Мотор прост и обладает небольшой массой вращающихся деталей. что делает его очень отзывчивым.
Минусы:
1. Сильно нагруженный узел ротор — эксцентриковый вал, что влечет высокие требования к качеству смазки, также высокая токсичность выхлопа в связи с присутствием масла в рабочей смеси. Это-же влечет высокий расход масла на угар.
2. Невысокий ресурс уплотнителей, износ которых влечет перепуск газов между камерами и снижение КПД мотора. На практике ресурс РПД составляет 50-100 000км.
3. Склонность к перегреву из-за специфической формы камеры сгорания, которая имеет очень большую площадь и как следствие большой коэффициент поглощения тепловой энергии при сгорании рабочей смеси.
4. Высокие требования к точности изготовления корпуса и ротора, требующие применения высокотехнологичной оснастки.
Я думаю, что история применения РПД еще не закрыта, инженеры мазды не опускают руки, и характеристики Renesis и Renesis-2 дают надежду еще увидеть эти интересные моторы под капотом серийных автомобилей. Новые материалы позволяют исправить врожденные недостатки, а современные масла позволят вписаться в экологические нормы.
А вообще тяжко впихивать такую тему в один пост, так как про РПД можно рассказывать долго. С ним ставили много интересных экспериментов, и много куда прикручивали, от мотоциклов до вертолетов.
Ну все, надеюсь, было интересно)
Ну и бонусом, интересное видео, где можно посмотреть на работу модельного РПД с прозрачным корпусом
Двигатель Ванкеля — устройство и принцип работы РПД автомобиля
За всю историю автомобилестроения было множество передовых решений, менялись конструкции узлов и агрегатов. Более 30 лет назад начались активные попытки сместить поршневой двигатель в сторону, дав преимущество роторно-поршневому двигателю Ванкеля. Однако, в силу многих обстоятельств, роторные моторы не получили свою право на жизнь. Обо всем этом читайте далее.
Принцип работы
Ротор имеет треугольную форму, с каждой стороны имеет выпуклую форму, которая выполняет функцию поршня. В каждой стороне ротора имеются специальные углубления, обеспечивающие большее пространство для топливно-воздушной смеси, тем самым повышают рабочие обороты двигателя.
Вершина граней оборудована маленькой герметизирующей перегородкой, которая способствует выполнению каждого такта. С двух сторон ротор оснащен уплотняющими кольцами, которые формируют стенку камер.
Середина ротора оснащена зубьями, при помощи которых осуществляется вращение механизма.
Принцип работы двигателя Ванкеля полностью отличается от классического, однако их объединяет единый процесс, состоящий из 4-х тактов (впуск-сжатие-рабочий ход-выпуск).
Топливо попадает в первую образуемую камеру, во второй сжимается, далее ротор вращается и сжатая смесь воспламеняется свечой зажигания, после рабочая смесь вращает ротор и выход в выпускной коллектор.
Главный отличительный принцип состоит в том, что в роторно-поршневом моторе рабочая камера не статическая, а формируется движением ротора.
Устройство
Перед пониманием устройства следует знать главные составные части роторно-поршневого мотора. Двигатель Ванкеля состоит из:
- корпуса статора;
- ротора;
- набора шестерен;
- эксцентрикого вала;
- свечей зажигания (воспламеняющая и дожигающая ).
Роторный мотор представляет собой агрегат внутреннего сгорания. В данном моторе все 4 такта работы происходят в полном объеме, однако для каждой фазы есть своя камера, которую вращательным движением образует ротор.
При включении зажигания стартер вращает маховик и двигатель запускается. Вращаясь, ротор, через корону передач передает крутящий момент на эксцентриковый вал (у поршневого двигателя это распредвал).
Итогом работы двигателя Ванкеля должно быть образование давления рабочей смеси, заставляющей снова и снова повторять вращательные движения ротора, передавая крутящий момент на трансмиссию.
В данном моторе, цилиндры, поршни, коленчатый вал с шатунами заменяет всего корпус статора с ротором. Благодаря этому объем двигателя значительно уменьшился, а мощность при этом во много раз выше, чем у классического мотора с кривошипно-шатунным механизмом, при равном объеме. Данная конструкция обладает высоким КПП также из-за низких потерь на трение.
Кстати, рабочие обороты двигателя могут превышать 7000 об/мин, а у моторов Mazda Wankel (для спортивных соревнований) обороты превышают 10000 об/мин.
????Еще по теме: Устройство механических коробок передач
Дизайн
Одно из главных преимуществ данного агрегата — его компактность и меньший вес относительно классических двигателей равного объема. Компоновка позволяет существенно снизить центр тяжести, а это благоприятно влияет на устойчивость и остроту управления. Данным преимуществом пользовались и пользуются небольшие самолеты, спортивные автомобили и мототехника.
История
История возникновения и распространения двигателя Ванкеля позволит вам лучше понять, почему это был лучшим двигателем в свое время, и почему сегодня от него отказались.
Ранние разработки
В 1951 году немецкой компанией NSU Motorenwerke разработано два двигателя: первый — Феликсом Ванкелем, под наименованием DKM, и второй — KKM Ханса Пашке (основан на разработке Ванкеля).
Основа работы агрегата Ванкеля заключалась на отдельном вращении корпуса и ротора, за счет чего рабочие обороты достигали 17000 в минуту. Неудобство заключалось в том, что для замены свечей зажигания пришлось разбирать мотор. А вот двигатель ККМ имел неподвижный корпус и его конструкция была куда проще главного прототипа.
Выданных лицензий
В 1960 году, NSU Motorenwerke подписали договор с американской компанией-производителем Curtiss-Wright Corporation.
Договор заключался в том, чтобы немецкие инженеры сосредоточились на разработке небольших роторно-поршневых моторах для легкового транспорта, в то время как американский “Кертис-Райт” занимался разработкой авиационных моторов. Также был нанят в качестве дизайнера немецкий инженер-механик Макс Бентеле.
Абсолютное большинство мировых автопроизводителей, среди которых Citroen, Porsche, Ford, Nissan, GM, Mazda и многие другие. В 1959 году американская компания представила усовершенствованную версию двигателя Ванкеля, а через год Британский Rolls Royce показал свой двухступенчатый дизельный роторно-поршневой мотор.
Тем временем некоторые европейские автопроизводители стали пробовать оснащать автомобили новыми моторами, однако не все нашли свое применение: GM отказался, Citroen был зациклен на разработке двигателя со встречными поршнями для самолетов, а Mercedes-Benz установил роторно-поршневой мотор в экспериментальную модель C 111.
В 1961 году в Советском Союзе НАМИ совместно с другими научно-исследовательскими институтами начал разработку двигателя Ванкеля. Было сконструировано множество вариантов, один из них нашел свое применение в автомобиле ВАЗ-2105 для КГБ. Точное количество собранных моторов неизвестно, но оно не превышает нескольких десятков.
Кстати, спустя годы, только автомобильная компания Mazda, поистине нашла себе применение роторно-поршневого двигателя. Яркий тому пример — модель RX-8.
Разработки для мотоциклов
В Британии мотопроизводитель Norton Motorcycles разработал для мототехники роторно-поршневой двигатель с воздушным охлаждением Sachs. Более подробно вы можете узнать о разработке, прочитав про мотоцикл Hercules W-2000.
Suzuki не осталась в стороне, и также выпустила свой мотоцикл. Однако инженеры тщательно проработали конструкцию мотора, применили ферросплав, что значительно повысило надежность и ресурс агрегата.
Разработки для автомобилей
Подписав исследовательский контракт между “Маздой” и NSU, компании стали соревноваться за первенство в выпуске первого автомобиля с агрегатом Ванкеля. По итогу, в 1964 году NSU представила свой первый автомобиль NSU Spider, в ответ Mazda представила прототип 2-х и 4-х роторных двигателей.
Через 3 года NSU Motorenwerke выпускает модель Ro 80, однако получил массу негативных отзывов из-за многочисленных отказов на фоне несовершенной конструкции. Данную проблему не решили до 1972 года и компания через 7 лет была поглощена Audi, а двигатели Ванкеля уже успели получить дурную славу.
Японский производитель Mazda заявил о том, что их инженеры решили проблемы уплотнения вершины (для герметичности между камерами), стали использовать моторы не только в спорткарах, но и на коммерческой технике. Кстати, владельцы автомобилей Mazda с роторным мотором отмечали высокую приемистость и эластичность работы двигателя.
Позже Mazda отказывается от массового внедрения передового двигателя, устанавливая его только модели RX-7 и RX-8. Для RX-8 сконструировали двигатель Renesis, который усовершенствовали со многих сторон, а именно:
- сместили отверстия выхлопа для улучшения продувки, что значительно увеличило мощность;
- добавили некоторые детали из керамики для недопущения теплового искажения;
- продуманная электронная система управления двигателем;
- наличие двух свечей зажигания (основная и для дожига);
- добавление водяной рубашки для исключения отложения углерода на выпуске.
По итогу получился компактный двигатель, объемом 1.3 литра, и развивающий мощность порядка 231 л.с.
Преимущества
О главных преимуществах роторно-поршневого двигателя:
- Его малый вес и габариты, непосредственно влияющие на основу конструкции автомобиля. Данный фактор немаловажен при проектировании спортивного автомобиля с низким центром тяжести.
- Меньшее количество деталей. Это не только позволяет сократить расходы на содержание мотора, а также снизить мощностные потери на движение или вращение сопутствующих деталей. Данный фактор непосредственно повлиял на высокий КПД.
- При одинаковом объеме с классическим поршневым двигателем, у роторно-поршневого мощность в 2-3 раза выше.
- Плавность и эластичность работы, отсутствие ощутимых вибраций за счет того, что здесь нет возвратно-поступательных движений главных узлов.
- Двигатель может “питаться” низкооктановым бензином.
- Широкий диапазон рабочих оборотов позволяет применять трансмиссию с более короткими передачами, что крайне удобно для городских условий.
- “Полка” крутящего момента обеспечивается на ⅔ цикла, а не на четверть, как в двигателе Отто.
- Моторное масло, практически, не загрязняется, интервал замены во много раз шире. Здесь масло не подвержено горению, как у поршневых моторов этот процесс происходит через кольца.
- Отсутствует детонация.
????Еще по теме: Что такое индуктивный датчик?
Кстати, доказано, что даже если этот мотор будет на грани ресурса, потреблять много масла, работать при низкой компрессии, его мощность сократиться незначительно. Именно это достоинство и подкупило к установке роторно-поршневого мотора на авиатехнику.
Наряду с впечатляющими достоинствами присутствуют и недостатки, которые и помешали передовому роторно-поршневому двигателю выйти в широкие массы.
Недостатки
- Процесс сгорания недостаточно эффективный, за счет чего вырастает расход топлива и ухудшаются показатели норм токсичности. Частично проблема решается наличием второй свечи, которая дожигает рабочую смесь.
- Высокий расход масла. Недостаток обоснован тем, что двигатели Ванкеля имеют чрезмерное смазывание, а в определенных местах, иногда, масло может сгорать.
В зонах сгорания есть избыток масла, приводящий к появлению углерода. С данной проблемой пробовали бороться путем установки “тепловых” трубок, улучшающих теплообмен и выравнивающих температуру масла во всем моторе.
- Сложность при ремонте. Далеко не все специалисты готовы профессионально взяться за ремонт двигателя Ванкеля.
Конструктивно агрегат не сложнее классического мотора, однако существует масса нюансов, несоблюдение которых приведет к скорому выходу из строя двигателя. Сюда же добавим высокую стоимость ремонта.
- Низкий ресурс. Для владельцев Mazda RX-8 пробег 80 000 км обозначает то, что пора делать капитальный ремонт.
К сожалению, за такие компактность и высокий КПД необходимо платить дорогим и комплексным ремонтом раз в 80-100 тысяч километров.
Вопросы и ответы:
Чем отличается роторный двигатель от поршневого? В роторном моторе нет поршней, а значит, для вращения вала ДВС не используются возвратно-поступательные движения – в нем сразу вращается ротор.
Что такое роторный двигатель в машине? Это тепловой агрегат (работает за счет сгорания воздушно-топливной смеси), только в нем используется вращающийся ротор, на котором закреплен вал, идущий на коробку передач.
Чем так плох роторный двигатель? Главный недостаток роторного мотора – очень маленький рабочий ресурс за счет быстрого износа уплотнителей между камерами сгорания агрегата (постоянно меняется рабочий угол и постоянные перепады температур).
Устройство автомобилей
Поршневой двигатель внутреннего сгорания занял прочные позиции под капотом подавляющего большинства автомобилей и другой самоходной техники. Этому способствовала простота преобразования теплоты в механическую работу, а также достаточно высокий КПД по сравнению с другими тепловыми двигателями.
Тем не менее, конструкция с классическим кривошипно-шатунным механизмом и поршнем, совершающим во время работы возвратно-поступательные движения, не лишена серьезных недостатков.
Одним таких недостатков является высокая инерционная нагрузка на детали, обусловленная именно характером движения поршня (или поршней), имеющих знакопеременные скорости и ускорения, что при даже небольшой массе поршня приводит к появлению значительных сил инерции, и, как следствие, к повышенной вибрации двигателя во время работы и необходимости его уравновешивания.
Кроме этого, поршневой ДВС нуждается в сложной системе газообмена, которая решается применением газораспределительного механизма (ГРМ), существенно усложняющего конструкцию двигателя.
Поэтому конструкторы во всем мире продолжают поиск оригинальных решений для конструкций ДВС, пытаясь избавиться от недостатков поршневого двигателя.
В середине прошлого века инженеры немецкой компании NSU Motorenwerke AG (NSU) Вальтер Фройде и Феликс Ванкель вплотную занялись разработкой уникальной конструкции теплового двигателя, в котором поршень во время работы совершал бы не возвратно-поступательное, а вращательное движение.
Если верить историкам, автором идеи являлся Феликс Ванкель, который в еще в далекой молодости задумался о замене поршня на ротор, но приступить к реализации своих замыслов из-за финансовых трудностей он смог лишь в зрелые годы.
Биография Феликса Ванкеля
Феликс Ванкель (нем. Felix Heinrich Wankel) родился в 1902 году в германском городке Лар.
Детство и молодость Ванкеля были нелегкими – его отец погиб в Первую Мировую войну, и у Феликса не было средств не только на учебу в ВУЗе, но даже на обучение какой-либо рабочей специальности.
Но любовь к технике и природный ум позволили юному изобретателю самостоятельно освоить грамотность и даже углубленно изучить многие технические дисциплины.
Идея конструкции роторно-поршневого двигателя (РПД) пришла к Ванкелю еще в 22 года (а по одной из легенд 17-летний Ванкель увидел РПД во сне), но для ее реализации нужны были исследования, опытные разработки и, конечно же, финансы.
Свой двигатель Ванкель назвал «машиной с вращающимися поршнями» и 1936 году получил на нее патент, а также приглашение от компании BMW перебраться в Баварию, в город Линдау, чтобы заняться разработкой авиационных моторов в условиях хорошо оснащенной лаборатории.
Мечты начинали сбываться, однако через несколько лет работа над двигателем была прервана войной.
Тем не менее, еще до начала войны Ванкель построил несколько рабочих прототипов роторно-поршневого двигателя, однако изобретатель никак не мог определиться с оптимальной формой ротора и внутренней поверхности статора.
Экспериментируя с эллипсовидными и овальными формами, он не мог добиться нужной степени уплотнения между ротором и камерой сгорания.
По-видимому, сказывались недостатки образования, полученного в молодые годы, особенно скупость познаний в математике и геометрии.
В 1942 году лаборатория Ванкеля в Линдау была распущена, а сам изобретатель был переведен на работу в конструкторское бюро DVL, занимавшееся разработкой моторов для военной авиации и быстроходных катеров.
В последние годы войны Ванкель тесно сотрудничал со специалистами японской компании Hitachi, благодаря чему в Японии было выпущено несколько моделей скоростных истребителей. Судьба довоенных и военных разработок Ванкеля неизвестна.
По одной из версий все документы, касающиеся разработок и исследований лаборатории Ванкеля, были вывезены во Францию в качестве репарационного трофея после победы над фашистской Германией.
После войны в 1951 году роторно-поршневым двигателем заинтересовалась компания «Гётце» (Goetze), которая выделила средства на восстановление частной лаборатории Ванкеля в Линдау. В том же году Феликс Ванкель возобновил разработку РПД. Главным заказчиком Ванкеля стала немецкая компания NSU, производившая мотоциклы и автомобили.
Безуспешные поиски оптимальной формы ротора и статора продолжались бы долго, если бы не помощь вдохновленного идеями РПД инженера компании NSU Вальтера Фройде. Именно он в 1957 году нашел оптимальное сочетание формы ротора и камеры сгорания.
Тем не менее, изобретателем роторно-поршневого двигателя справедливо считается Феликс Ванкель – ведь именно ему принадлежит сама идея РПД, над которой он упорно работал долгие годы.
И двигатель, конструкции которого Ванкель посвятил практически всю свою сознательную жизнь, по праву носит его имя.
В 1958 году компания NSU выпустила первый в мире автомобиль с РПД, но конструкция была «сырой» и нуждалась в дальнейшей доработке.
После того, как в 1969 году компания NSU перешла под контроль концерна Volkswagen, Феликс Ванкель продолжил работу в своем центре в Линдау над совершенствованием РПД по заказам японской компании Toyo Kogyo, позднее сменившей имя на Mazda, и советской компании «ВАЗ». Феликс Ванкель работал над конструкцией роторно-поршневого двигателя до самой смерти. Он умер 9 октября 1988 года в Хайдельберге в возрасте 86 лет.
Любопытно, но Феликс Ванкель никогда в жизни не садился за руль автомобиля. С раннего детства него было очень слабое зрение. Известно также, что он старался избегать математических расчетов, полагаясь на интуицию. Здесь, очевидно, сказывается и недостаток образования, полученного в юности. Тем не менее, этот факт лишь подчеркивает уникальный природный талант изобретателя.
***
Конструкция двигателя Ванкеля
Конструкция роторно-поршневого двигателя не отличается высокой сложностью. На эксцентриковом валу установлен ротор треугольной формы (треугольник Рёло), каждая из граней которого имеет форму выпуклой дуги.
Треугольник Рёло ограничивает площадь, образуемую при пересечении трёх кругов одинакового диаметра с центрами в вершинах правильного треугольника и радиусами, равными стороне этого треугольника (см. рисунок).
Стороны такого треугольника, по сути, являются дугами окружностей одинакового диаметра.
Как геометрическая фигура, треугольник Рёло обладает рядом уникальных свойств, которые и используются в технике — на его основе были созданы кулачковые и грейферные механизмы, роторно-поршневой двигатель Ванкеля, и даже станки, позволяющие сверлить (фрезеровать) квадратные отверстия.
Название фигуры происходит от фамилии немецкого механика Франца Рёло, исследовавшего ее свойства и использовавшего этот криволинейный треугольник в своих механизмах.
Ротор вращается по принципу планетарного механизма вокруг центральной оси внутри неподвижного статора. Вершины треугольника при этом описывают сложную кривую, именуемую эпитрохоидой.
Каждая из трех вершин ротора скользит по внутренней поверхности статора, имеющей форму эпитрохоиды, при этом серповидные полости (камеры) между ротором и статором постоянно изменяются, последовательно увеличиваясь и уменьшаясь в объеме.
Эпитрохоидой называют плоскую кривую, образуемую точкой окружности, которая без скольжения перекатывается по наружной стороне другой окружности.
Для изоляции камер друг от друга используются специальные уплотнители — радиальные и торцевые подпружиненные пластины, называемые «апексами».
Газораспределение в двигателе Ванкеля осуществляется через специальные окна – впускное и выпускное, т. е. конструкция не нуждается в сложном клапанном механизме ГРМ, как у четырехтактного поршневого двигателя.
Рабочий цикл двигателя Ванкеля можно разложить на следующие такты:
- всасывание топливовоздушной смеси через впускное окно благодаря образованию разрежения в пространстве между ротором и статором. Может применяться впуск чистого воздуха с последующим впрыском топлива форсункой;
- сжатие смеси благодаря уменьшению объема между вращающимся ротором и статором, после чего смесь воспламеняется электрической искрой свечи зажигания;
- рабочий ход совершается благодаря высокому давлению продуктов горения на одну из криволинейных стенок ротора в камере сгорания, при этом ротор вращается и передает усилие на цилиндрический эксцентрик выходного вала;
- выпуск — пространство между статором и вращающимся ротором уменьшается в объеме, и отработанные газы вытесняются через выпускное окно.
Преимущества и недостатки двигателя Ванкеля
Перед поршневыми двигателями роторно-поршневой двигатель Ванкеля имеет ряд существенных преимуществ:
- хорошая механическая уравновешенность, низкий уровень вибрации;
- относительно нешумная работа;
- высокие динамические характеристики и уравновешенность позволяют очень быстро раскрутить вал двигателя до высоких оборотов;
- высокая удельная мощность благодаря малой массе, поскольку конструкция не содержит промежуточных паразитических элементов, в т. ч. для уравновешивания (шатуны, коленчатый вал, массивный маховик);
- меньшие габаритные размеры;
- меньшее число деталей и относительно простая конструкция.
К основным недостаткам двигателя Ванкеля можно отнести следующее:
- высокое давление между трущимися поверхностями приводит к интенсивному износу и нагреву двигателя, поэтому возникает потребность в частой замене уплотнителей и контроле над качеством и количеством моторного масла;
- относительно небольшой ресурс из-за интенсивного износа основных деталей;
- следствием износа уплотнителей являются высокие утечки между камерами и, как следствие, снижение динамики, падение КПД и увеличение токсичности выхлопа;
- меньшая экономичность по сравнению с поршневыми двигателями классической конструкции. Автомобили с РПД потребляют от 7 до 20 литров топлива на 100 км, в зависимости от режима движения, моторного масла — от 0,4 л до 1 л на 1000 км.
- высокие требования к геометрической точности изготовления деталей двигателя делают его сложным в производстве.
Первые роторные двигатели, устанавливавшиеся на автомобили, не произвели фурора среди потребителей. Особенно сильно по «репутации» РПД ударил топливный кризис 1973-74 года, когда цены на бензин резко взлетели, и покупатели машин стали прицениваться к моделям с экономным расходованием топлива.
Роторно-поршневой двигатель расходовал до 20 литров бензина на сотню километров пробега, поэтому неудивительно, что продажи автомобилей с РПД во время кризиса упали до предела.
Единственной автомобильной компанией, не отказавшейся от «затеи» с роторно-поршневым двигателем, оказалась японская Mazda, где РПД использовался в различных моделях вплоть до 2012 года. 
Достаточно долгое время автомобили с роторно-поршневыми двигателями выпускались и на советском ВАЗе (в СССР понятия «топливный кризис» не существовало).
Особенности эксплуатации роторно-поршневого двигателя
Роторно-поршневой двигатель требует особого ухода по сравнению с классическим поршневым ДВС. РПД боится перегревов, боится масляного «голодания», и чувствителен к качеству топлива.
Расход масла РПД существенно выше, чем у исправного поршневого ДВС, поэтому необходимо внимательно следить за его уровнем в смазочной системе.
Даже небольшой масляный «голод», способен вывести двигатель в капитальный ремонт или даже в утиль.
Для удаления нагара, образуемого на стенках статора, следует регулярно (но непродолжительно) форсировать двигатель (давать высокие обороты). Так же, нужно контролировать состояние масляных форсунок.
Признаки скорого отказа двигателя Ванкеля связаны чаще всего с износом рабочих поверхностей и уплотнителей, что обычно диагностируется заметным снижением компрессии. К таким признакам можно отнести неустойчивую работу на холостом ходу, и затрудненный пуск горячего двигателя.
Применение РПД в технике
Двигатель разрабатывался изначально именно для применения на автотранспорте. Первый серийный автомобиль с роторным двигателем — немецкий спорткар NSU Spider, первый автомобиль серийного производства — немецкий седан бизнес-класса NSU Ro 80.
К сожалению, ресурс двигателя Ванкеля на этих автомобилях оказался крайне малым (ремонт требовался уже после пробега порядка 50 тыс. км), поэтому первые автомобили, оснащенные РПД, заслужили плохую репутацию и даже скандальную известность.
Тем не менее, определенные и явные достоинства двигателей Ванкеля привлекали внимание конструкторов и инженеров, пытавшихся усовершенствовать конструкцию технически и технологически.
Наиболее настойчивыми и удачливыми оказались инженеры компании Mazda, создавшие роторно-поршневые двигатели серии «Renesis», которые оказались достаточно экономичными и экологичными по сравнению с немецкими предшественниками. Японским конструкторам удалось значительно сократить потребление масла и бензина, а также довести выброс вредных веществ до норм, соответствующих Euro IV.
Автомобили марки Mazda с индексом «RE» в наименовании (первые буквы от названия «Renesis») могут использовать в качестве топлива как бензин, так и водород (РПД менее чувствителен к детонации, чем поршневой двигатель). Это явилось очередным витком роста внимания к РПД со стороны разработчиков.
В 2019 году российские учёные из Центрального института авиационного моторостроения им. П. И. Баранова и Фонда перспективных исследований решили эту проблему, создав РПД на основе материалов нового поколения с использованием металло-керамических композитов.
Согласно результатам испытаний, износ этих элементов значительно ниже, чем у аналогичных металлических. Это подтвердило возможность и перспективность применения композиционных материалов для изготовления наиболее нагруженных и проблемных элементов конструкции РПД.
В новом отечественном двигателе применена также специально разработанная для РПД система турбонаддува с охлаждением воздуха и новая система управления.
- Каковы дальнейшие перспективы использования двигателя Ванкеля в автомобилестроении – покажет время.
- ***
- Уравновешивание двигателя
Главная страница
Дистанционное образование
- Группа ТО-81
- Группа М-81
- Группа ТО-71
Специальности
Учебные дисциплины
Олимпиады и тесты
Устройство и принцип работы роторного двигателя
Не все знатоки автомобилестроения знают, что в разное время в разных странах мира, включая СССР, на авто ставились необычные роторные двигатели внутреннего сгорания. Этот уникальный агрегат имеет свою большую историю и, возможно, хорошие перспективы на применение в будущем.
Что представляет собой роторный двигатель Ванкеля
Это простой по техническому решению силовой агрегат. Вместо нескольких поршней с кольцами и шатунами, он имеет один треугольный ротор, посаженный на вал. При этом вал не коленчатый, а эксцентриковый. Камеры сгорания расположены равномерно поочередно по всему кругу вращения ротора.
Роторный двигатель
В роторном ДВС в 2 с лишним раза меньше деталей в сравнении с поршневым вариантом. Нет головки блока цилиндров с системой клапанов в её привычном виде и самой поршневой группы. Значительно меньше вес и габариты.
В настоящее время известно 5 разных типов роторных ДВС. Между собой они имеют существенные конструктивные отличия. Но главный принцип един для всех типов – ротор на эксцентриковом вале вместо поршней на кривошипно-шатунном механизме.
История создания роторного двигателя
Силовые агрегаты с ротором вместо поршневой группы получили устойчивое название «двигатель Ванкеля», по фамилии изобретателя. На самом деле в мире было разработано несколько типов роторных моторов, отличных от изобретения Ванкеля. Но первым в этой области еще в 1920-ых годах начал работать именно немецкий инженер Фридрих Ванкель.
Для двигателя требовались узлы и детали, производство которых возможно только с применением высоких технологий металлообработки, точнейшей подгонки, с чем в то время были определенные трудности. Поэтому быстро запустить изделие в серию сразу не получилось. К тому же началась Вторая мировая война, когда требовались не экспериментальные, а серийные проверенные изделия.
Работы над двигателем были завершены уже во Франции, куда попало оборудования из побежденной Германии, в 1957 году, в компании NSU под руководством инженера Вальтера Фройде.
Применение двигателя Ванкеля на Западе и в СССР
Первый роторный двигатель мощностью 57 л.с. был установлен в 1957 году на спорткар фирмы NSU «Спайдер». Спорткар развивал невероятные для того времени и такой мощности ДВС скорость – 150км/час.
Автомобиль NSU Spider
С 1963 года роторные двигатели стали использовать на серийных автомобилях для населения. Несколько лет их ставили на «Мерседесы», «Шевроле» и «Ситроены». Но двигатель показал ряд существенных недостатков. В результате производители вернулись к использованию классических, проверенных поршневых ДВС.
Настойчивее остальных оказались японские автопроизводители. Они использовали роторные ДВС на некоторых моделях «Мазда». Устранялись слабые места, увеличивался моторесурс до капремонта, снижалось потребление топлива. Однако по ряду причин и японцы вернулись к классическим ДВС . Последняя Мазда RX Spirit R с роторным двигателем сошла с конвейера в 2012 году.
В СССР первый роторный двигатель отечественного производства ставился в 1974 году на легендарную «копейку» – ВАЗ 2101.
Для его создания было организовано специальное конструкторское бюро. Прообразом служил двигатель Ванкеля. Было изготовлено около 50 опытных образцов с маркировкой ВАЗ 311. ВАЗы с ними не продавались населению, а поступили в распоряжение сотрудников ГАИ и КГБ в качестве служебных машин.
Поначалу «копейки» с этим силовым агрегатом вызывали восхищение своей мощью, динамикой разгона, низким шумом и плавностью хода. Но уже через год на ходу осталась только одна машина. Двигатели остальных вышли из строя. Основной причиной поломок стала ненадежность уплотнений, обеспечивающих герметизацию камер сгорания во время вспышки топлива.
Работы над отечественным роторным ДВС продолжались, и были созданы мощные двухсекционные ВАЗ 411 и 413 мощностью 120 и 140 л.с. “Жигули” с этими двигателями снова попали на службу в силовые структуры.
Данное достижение советского автопрома не афишировалось. В народе лишь ходили слухи о том, что сотрудники КГБ ездят на скоростных авто с невероятными секретными двигателями.
Затем были разработаны роторные двигатели ВАЗ 414 и 415. Это были более совершенные универсальные агрегаты. Их можно было ставить как на вазовские «восьмерки» и «девятки», так и на не менее популярные в то время «Москвичи» и «Волги».
Последняя разработка ВАЗ 415 так и не была использована. Ее предшественник, ВАЗ 414 с 1992 года ставился на популярной модели авто ВАЗ 2109 («Спутник», «Самара»).
«Девятки» с этими двигателями обладали необычными характеристиками. Разгон до 100 км/ч за 8 секунд, возможность длительной работы на предельно высоких оборотах. ВАЗ 414 потреблял меньше топлива (14-15 л на 100 км), чем предыдущие роторные ДВС (18-20 л на 100 км). Но все равно больше, чем поршневой мотор.
Однако и на ВАЗе роторные ДВС не смогли конкурировать с традиционными, и вскоре их использование было прекращено.
Работы над усовершенствованием роторных ДВС ведутся в мотоциклетной отрасли. В начале 1980-ых был создан мотоцикл Norton с двигателем Ванкеля, который показал невероятные результаты. Сегодня компания выпускает байки с таким двигателем объемом 588 куб.см. Ведутся работы над новым мотором с объемом 700 куб.см.
Автомобилей в такими двигателями сегодня не выпускают. Не исключено, что автопроизводители могут вести конструкторские работы в этом направлении без афиширования, втайне от конкурентов.
Принцип работы и устройство роторного ДВС одновременно схож с работой обычного поршневого двигателя и электродвигателя.
Так же, как поршневой ДВС роторный вариант имеет камеры сгорания, системы впрыска топлива, выхлопа и зажигания.
Сходство конструкции с электродвигателем в том, что ротор получает энергию при вращении внутри корпуса. (Кроме роторного ДВС с возвратно-поступательным движением вала).
Электродвигатель получает кинетическую энергию за счет перемещения электромагнитного поля. Роторный ДВС – за счет воспламенения топливно-воздушной смеси и резкого роста давления в камерах сгорания, так же, как и поршневые ДВС.
На сегодня известны 5 типов роторных моторов:
- С возвратно-поступательным движением вала. В таких типах ДВС ротор и вал не делают полных оборотов вокруг оси.
- Классический двигатель Ванкеля с планетарным вращением вала.
- Двигатели, в которых камеры сгорания расположены по спирали.
- Двигатели с равномерным вращением вала с камерами сгорания, расположенными по спирали без уплотнительных элементов.
- Двигатели с пульсирующим вращением.
Как и поршневые ДВС, роторные варианты имеют 4 рабочих такта:
- Впрыск топливно-воздушной смеси.
- Сжатие смеси.
- Воспламенение.
- Выпуск.
Рабочие циклы роторного двигателя
В обычных поршневых двигателях впрыск топлива и герметичность камеры сгорания обеспечиваются работой системы клапанов и поршневыми кольцами.
В разных типах роторных ДВС последовательность тактов обеспечивается по-разному. В одних уменьшается объем камеры сгорания и обеспечивается сжатие смеси за счет перекрытия камеры вершиной ротора.
В других – за счет уплотнений с механическим приводом. Но принцип работы един для всех типов.
- Воспламенение топливной смеси многократно повышает давление в камере сгорания.
- Давление дает кинетический импульс плоскости ротора и поворачивает его.
- Ротор передает крутящий момент через вал и зубчатую шестерню далее к механизмам авто. Плоскость ротора доходит до окна выхлопа, окно открывается и в него сбрасываются отработанные газы.
- Цикл повторяется.
Преимущества и недостатки
Роторный двигатель имеет набор больших преимуществ перед традиционным поршневым.
Главное преимущество – простота конструкции. Из-за отсутствия поршневой и кривошипно-шатунной группы узлов роторный двигатель почти в два раза легче и компактнее обычного. Легкий вес позволяет равномерно распределить нагрузку по всей базе автомобиля. Это улучшает управляемость, повышает динамические показатели автомобиля.
- Компактность позволяет увеличить размер салона.
- Ротор вращается плавно, без вибраций от взрыва топливной смеси в каждом цилиндре, равномерно выдает мощность.
- При том же объеме камер сгорания роторный двигатель значительно мощнее.
- Простота конструкции и минимум деталей облегчают ремонт.
Поэтому кажется, что весь мировой автопром давно и полностью должен был отказаться от поршневых двигателей в пользу роторных. Но этого не произошло. Следовательно, роторный вариант имеет ряд существенных недостатков, которые на сегодняшний день перевешивает все его плюсы. Недостатки в следующем:
- Роторный двигатель потребляет намного больше топлива. Это крупный минус в наше время, когда каждый автопроизводитель стремится сделать свое авто как можно более экономичным.
- Повышен расход масла – 0,5 литра на 1 тыс. км пробега. Долив масла требуется каждые 4-5 тыс. км. Отсутствие масла приводит к мгновенному выходу ДВС из строя.
- Производство ротора и криволинейных камер сгорания требуют высочайшей технологической точности на дорогом сверхточном оборудовании. Это повышает стоимость двигателя.
- Особенность линзовидных камер сгорания в том, что они поглощают больше тепла при работе. В итоге двигатель склонен к перегреву, закипанию охлаждающей жидкости в системе охлаждения, что мешает в эксплуатации авто и приводит к ускоренному выходу из строя деталей двигателя.
- Роторный двигатель имеет своё слабое место. Уплотнители, обеспечивающие герметичность камеры сгорания в момент воспламенения топливной смеси, не могут долго выдерживать нагрузки и выходят из строя. В итоге моторесурс самого совершенного роторного двигателя без ремонта не превышает 100 – 150 тыс. км пробега авто.
Кроме экономических и технических недостатков, роторный ДВС просто непривычен для водителей и механиков. Автомобиль с ним едет по-другому. Ввиду малой массы двигателя, у него нет запаса инерционной энергии.
При малейшем сбросе педали газа машина быстро теряет скорость, что хорошо при торможении, но неудобно при движении. Приходится чаще переключать передачи. Таким двигателем нельзя тормозить, заглушенный двигатель даже на первой передаче легко проворачивается.
Некоторым просто не нравится звук работающего роторного двигателя.
Возможно, у этого двигателя есть большое будущее. Поршневой мотор прошел долгий путь эволюции. Коленчатые валы и поршневые системы начали создаваться ещё на паровых двигателях.
У роторного варианта не было такой длительной эволюции и массовости производства, поэтому он имеет недоработки и слабые места. Важно то, что роторный двигатель может эффективно работать на газовом топливе, в том числе на водороде. Это может открыть ему большие перспективы в будущем.
(2
Загрузка...
