Двигатель ванкеля на каких машинах

Единственной на сегодняшний день выпускаемой в промышленных масштабах моделью роторного мотора является двигатель Ванкеля, который относится к типу роторных двигателей с планетарным круговым движением главного рабочего элемента. Такая конструктивная компоновка роторного двигателя является, несомненно, самойпростой по своему техническому устройству, но не самой оптимальной по способу организации рабочих процессов и поэтому имеет свои неотъемлемые и серьезные недостатки.

Роторных двигателей с планетарным движением главного рабочего элемента существует достаточно много разновидностей, но по существу они отличаются друг от друга лишь количеством граней ротора и соотвествующей формой внутренней поверхности корпуса . Приведенные схемы разных компоновок подобных моторов взяты из книги «Судовые роторные двигатели», издания 1967 года, авторов Е.Акатов, В.Бологов и др. и подготовлены к публикаци в электронном виде автором этого сайта.

Роторный двигатель

   Кратко рассмотрим саму конструкцию двигателя этого типа вместе с историей его появления и сферой применения.   История создания роторных двигателей с планетарным вращательным движением главного рабочего элемента начинается в 1943 году, когда изобретатель Майлар предложил первую подобную схему. Потом в течение короткого времени было подано еще несколько патентов на двигатели подобной схемы. В том числе и разработчик германской фирмы NSU – В. Фреде. Но главным слабым местом этой схемы роторного двигателя были системы уплотнений между ребрами на стыке соседних граней вращающегося треугольного ротора и стенками неподвижного корпуса. Вот к решению к этой сложной инженерной задачи и был подключен Р.Ванкель как специалист по уплотнениям. Вскоре, благодаря своей энергичности и инженерному мышлению он стал лидером группы разработчиков. В 1957 году в лаборатории фирмы NSU построили прототип роторного двигателя типа «DKM», с треугольным ротором и рабочей камерой в форме капсулы, в которой ротор был неподвижным, а корпус вращался вокруг него. Гораздо более практичным был вариант компоновки типа «KKM» с нормальной схемой — рабочая камера в корпусе была неподвижной, а в ней вращался ротор. Этот мотор появился годом позже, в 1958-м. В ноябре 1959 года NSU официально объявила о создании работающего роторного двигателя. За короткое время около 100 компаний во всём мире приобрели лицензии на эту технологию, при этом 34 из них были японскими.
 

Мотор оказался очень небольшим, мощным и имел мало деталей. В Европе начались продажи машин с роторными двигателями, но как оказалось у них мал моторесурс, они потребляли много топлива и имели очень токсичный выхлоп.

Нефтяной кризис 1973 года из-за очередной арабо-израильской войны, когда цены на бензин увеличились в несколько раз, резко поставил вопрос об экономичности автомобильных моторов. Из-за этого в Европе и Америке попытки довести роторный двигатель Ванкеля до нужной степени совершенства были прекращены.

И только японская компания Mazda упорно продолжала работы в этом направлении. А еще советский завод ВАЗ – так как бензин в то время в СССР стоил копейки, а мощный, хотя и с малым ресурсом, мотор был нужен силовым ведомствам.

Но в 2004 году малосерийное производство на ВАЗе было закрыто и на сегодняшний момент Mazda является единственным автопроизводителем, который серийно выпускает автомобили с роторным двигателем.

   В настоящее время в мире серийно выпускается лишь один автомобиль с роторным двигателем системы Ванкеля – это спортивное купе Mazda RX-8. На этой машине устанавливается мотор «RENESIS» с двумя роторными секциями общим объемом 1,3 литра. Двигатель исполняется в нескольких вариантах с мощностью от 200 до 250 л.с.

После краткого обзора истории роторного двигателя с планетарным движением ротора остановимся на рассмотрении его преимуществ и недостатков.   ПРЕИМУЩЕСТВА роторного двигателя Ванкеля по сравнению с традиционными поршневыми моторами:   1) Повышенная удельная мощность (л.с.

/кг), она практически в два раза превышает этот показатель поршневых 4-х тактных двигателей. Масса неравномерно движущихся частей в двигателе Ванкеля гораздо меньше, чем в аналогичных по мощности поршневых двигателях, и амплитуда таких неуравновешенных движений заметно меньше.

Это происходит из-за того, что в «поршневике» осуществляются возвратно- поступательные движения, а в двигателе Ванкеля- вращательные, планетарной схемы. К тому же в двигателе Ванкеля отсутствуют коленчатый вал и шатуны.

На повышенную мощность Ванкеля играет и то, что такой двигатель однороторной конструкции выдаёт мощность в течение трёх четвертей каждого оборота выходного вала.

В отличие от одноцилиндрового 4-х тактного поршневого двигателя, который выдаёт мощность только в течение одной четверти каждого оборота выходного вала.   Именно по этим причинам с единицы объема камеры сгорания в серийном роторном моторе Ванкеля снимается гораздо большая мощность.

При объёме рабочей камеры 1300 см Mazda RX-8 имеет мощность 200 л.с – 250 л.с., а прежняя модель Mazda RX-7, с мотором такого же объема, но с турбокомпрессором выдавала 350 л.с.

Именно поэтому особым признаком Mazda RX являются отличные динамические характеристики:

• на низкой передаче возможно без излишней нагрузки на двигатель разогнать машину выше 100 км/ч на более высоких оборотах двигателя (8000 об/мин и более).
•  двигатель Ванкеля гораздо легче механически уравновесить и избавиться от вибрации, что позволяет повысить комфортность лёгких транспортных средств типа микроавтомобилей;
•  габаритные размеры роторно-поршневого двигателя меньше в 1,5—2 раза в соотношении со сравнимым по мощности поршневым мотором.

В двигателе Ванкеля на 35 — 40 % меньшее количество деталей.

 Недостатки:

1) Малая длина рабочего хода грани треугольного ротора, Хотя эти показатели напрямую с поршневым мотором сравнивать сложно – слишком различны типы движений поршня и ротора, но у двигателя Ванкеля примерно на пятую часть меньше длина рабочего хода.

Тут есть одно коренное отличие Ванкеля от поршневого мотора- у «поршневика» идет увеличение объема в направлении одного линейного направления, которое совпадает с направлением рабочего хода. А у Ванкеля – это движение сложное и только часть траектории перемещения треугольного ротора с планетарным движением становится собственно линией рабочего хода. (РИС.

) Именно поэтому у двигателя Ванкеля топливная эффективность хуже, чем у поршневых моторов.

Поэтому из-за малой длины рабочего хода очень высока температура выхлопных газов – рабочие газы не успевают передать основное свое давление на ротор, как уже открывается выхлопное окно и горячие газы высокого давления с еще не прекратившими горение объемными фрагментами рабочей смеси выходят в выхлопную трубу. Поэтому температура выхлопных газов у двигателя Ванкеля очень высока.

 

2) Сложная форма камеры сгорания «серповидной» формы. У такой камеры сгорания большая поверхность контакта газов со стенками корпуса и ротором. Поэтому значительная честь тепла уходит на нагрев деталей мотора, а это снижает тепловой КПД и усиливает нагрев мотора.

Кроме того, такая форма камеры сгорания приводит к ухудшению смесеобразования и замедлению скорости горения рабочей смеси. Поэтому на моторе Mazda RX-8 стоят 2 свечи зажигания на одной роторной секции.

Эти особенности так же отрицательно влияют на уровень термодинамического КПД.

3) Потенциально невысокий для роторного мотора крутящий момент. Для того чтобы снять вращение с движущегося ротора, центр вращения которого сам непрерывно осуществляет планетарное вращение по круговой траектории вокруг геометрического центра рабочей камеры, в этом двигателе применяется эксцентрично расположенные на главном валу диски. По сути дела – это элементы кривошипного устройства.

То есть двигатель Ванкеля так и не смог полностью избавиться от главного недостатка классических поршневых ДВС – кривошипно – шатунного механизма.

Хоть он и представлен в моторе Ванкеля в своем облегченном варианте – в виде эксцентрикового вала, но самые главные пороки этого механизма: рваный, пульсирующий режим крутящего момента и малое плечо главного элемента, воспринимающего крутящий момент – так и остались «не излеченными». (РИС.

) Именно поэтому односекционный Ванкель малоработоспособен и нужно делать 2 или 3 роторные секции для получений нормальных рабочих характеристик, еще желательно ставить на вал дополнительно и маховик.

   Кроме наличия в двигателе Ванкеля кривошипного механизма, на малый для роторного двигателя крутящий момент еще влияет и то, что кинематическая схема такого мотора устроена очень нерационально с точки зрения восприятия поверхностью ротора давления рабочих газов расширения. Поэтому лишь некоторая часть давления – около трети – переводится в рабочее вращение ротора и создает крутящий момент. Подробнее крутящем моменте поговорим в специальном разделе сайта.

Подробно о принципе возникновения крутящего момента в роторном двигателе Ванкеля Смотри на страничке сайта КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ

4) Присутствие в корпусе вибраций. Дело в том, что система роторного мотора с планетарным движением рабочего элемента предполагает неравновесное движение этого органа. Т.е. при вращении центр масс ротора совершает непрерывное вращательное движение вокруг центра масс корпуса и радиус этого вращения равен плечу эксцентрика главного вала мотора.

Именно поэтому на корпус мотора действует изнутри постоянно вращающийся вектор силы, равный центробежной силе, возникающей на роторе. То есть ротор при вращении на вращающемся в свою очередь эксцентриковом валу имеет в характере своего движения неизбежные и выраженные элементы колебательного движения. Что и приводит к неизбежности вибраций. (РИС.

)

5) Быстрый износ торцевых радиальных уплотнений на углах треугольника ротора, так как на них идет сильная радиальная нагрузка, неизбежная в двигателе Ванкеля по самому его принципу работы. (РИС.)

6) Постоянная угроза прорыва газов высокого давления из полости одного рабочего такта в полость другого такта. Это происходит потому, что контакт радиального уплотнения ребра ротора и стенки камеры сгорания происходит по одной тонкой линии. При этом еще существует проблема прорыва газов через гнезда установки свечей, когда над ними проходит ребро ротора.

7) Сложная система смазки вращающегося ротора. В моторе Mazda RX-8 специальные форсунки впрыскивают масло в камеры сгорания для смазки трущихся при вращении о стенки камеры сгорания ребер ротора. Это усиливает токсичность выхлопа и одновременно делает мотор очень требовательным к качеству масла.

Кроме того, при высоких оборотах возникает повышенные требования к смазке цилиндрической поверхности эксцентриковой части главного вала, вокруг которой вращается ротор, и которая снимает главное усилие с ротора и переводит во вращение вала.

Именно эти две технические трудности, решить которые весьма непросто, приводили к недостаточной смазке на высоких оборотах наиболее нагруженных трением деталей такого мотора, а это, соответственно, резко уменьшало моторесурс двигателя.

Именно недостаточное решение таких технических задач приводило к очень малому ресурсу моторов Ванкеля, которые выпускал отечественный АвтоВАЗ. (РИС.- указать цилиндрическую поверхность контакта внутреннего гнеда ротора и эксцентр диска вала)

8) Высокие требования к точности исполнения деталей сложной формы делают такой мотор сложным в производстве.

Такое производство требует высокоточного и дорогого оборудования — станков, способных создавать сложные объемы рабочей камеры с криволинейной эпитрохоидальной поверхностью.

Сам ротор так же имеет форму сложного треугольника с выпуклыми поверхностями.

*** 

ПРОДОЛЖЕНИЕ РАЗГОВОРА О РОТОРНОМ ДВИГАТЕЛЕ ВАНКЕЛЯ

сентябрь 2016г.    Одна из самых трудных проблем всех типов роторных двигателей- это создание эффективной системы уплотнений, которая должна создавать замкнутый объём в рабочих камерах роторного двигателя.

Пока в схеме типа Тверской это является одной из главных трудностей. Там предстоит сделать эффективную и непростую в изготовлении систему уплотнений.

И чтобы потренировать руку и получить положительный опыт в таком деле, я решил создать небольшой рабочий экземпляр двигателя Ванкеля прямо с «ноля». Работа уже идет к концу- прилагаю фото такого моторчика.

Уплотнения

Ориентировочная мощность одной такой роторной секции предполагается около 35-40 л.с.. Мотор из 2-х роторных секций ожидается мощностью в 70-80 л.с..

***

ДВИГАТЕЛЬ ВАНКЕЛЯ — ДЕКАБРЬ
25 декабря 2016г    Изготовлене малого Ванкеля идет в оптимальном ритме. Двигатель готов на 95%, остаются небольшие мелочи.
Так как на некоторых площадких в интернете эти мои фото уже обсуждаются и вокруг них накручиваются немало фантазий- сообщаю.

Двигатель создан с «НОЛЯ», ни одной детали из посторонних моделей в нем нет. В нем нет ни деталей от Sachs Wankel, которые уже не выпускаются лет 30, ни от современных малых современных aixro и пр. и др.
Кормпус двигателя выполнен из конструкционной легированной термостойкой стали, подвергнутой термохимическому упрочнению.

Твердость поверхностного слоя имеет показатель в 70 HRC. Глубина термоупроченного слоя состовляет в среднем 1,5 мм.Точно так же обработаны и до таких же показателей твердости и износоустойчивости доведены радиальные и торцевые уплотнения.

Двигатель имеет воздушное охлаждение, масло для смазки будет подаваться в камеру сжатия через 2-е специальные форсунки. Т.е. не нужно будет мешать масло с бензином как в 2-х тактных моторах.

Принцип работы роторного двигателя: схема устройства РПД, плюсы и минусы

Чтобы понять, почему промышленники прекратили оснащение автомобилей силовыми агрегатами этого типа, полезно ознакомиться с принципом работы роторного двигателя. Зная основные характеристики, конструкцию, достоинства и недостатки, изучив разновидности РПД, можно оценить перспективы и вероятность последующего серийного выпуска таких моделей машин.

Принцип работы роторного двигателя

Роторный мотор работает по схеме, отличающейся от технологии, характерной для стандартного ДВС с поршнями в качестве основного подвижного элемента. Кроме того, силовые агрегаты имеют различную конструкцию.

По аналогии с поршневым двигателем принцип действия РПД базируется на преобразовании энергии, получаемой в результате сгорания воздушно-топливной смеси. В первом случае давление, создаваемое в цилиндрах при сжигании горючего, вынуждает поршни двигаться. Возвратно-поступательные движения шатун и коленчатый вал преобразуют во вращательные, которые заставляют крутиться колеса.

Ротор движется во внутренней полости овальной капсулы, передавая мощность сцеплению и коробке передач. Благодаря треугольной форме, он выдавливает энергию топлива, направляя через трансмиссию на колесную систему. Обязательное условие – в качестве материала используется легированная сталь.

Внутри цилиндра, где располагается ротор, происходят следующие процессы:

1. воздушно-топливная смесь сжимается;
2. впрыскивается очередная доза горючего;
3. поступает кислород;
4. топливо воспламеняется;
5. сгоревшие элементы направляются в выпускное отверстие.

Треугольный ротор закрепляется на особом механизме. При запуске двигателя он выполняет специфические движения, не вращаясь, а как бы бегая внутри овальной капсулы.

Благодаря своей форме, он образует в корпусе 3 изолированные камеры.

В них наблюдаются такие процессы:

• в первую полость через впускное окно подается горючее и всасывается кислород, при перемешивании образующие воздушно-топливную смесь;
• во втором отсеке происходит сжатие и воспламенение;
• продукты сгорания вытесняются в выпускное отверстие из третьей камеры.

Схема устройства РПД

В конструкцию РПД входят следующие элементы:

1. Ротор с 3 выпуклыми гранями, выполняющими функции поршня. За счет углублений увеличивается скорость вращения, образуется больше пространства для воздушно-топливной смеси.
2. Пластины из металла, закрепленные на вершинах каждой из сторон. Их предназначение – формирование полостей в корпусе, где происходят рабочие процессы силовой установки.
3. 2 металлических кольца на гранях ротора служат для образования камерных стенок.
4. В центре конструкции располагаются 2 больших колеса с большим количеством зубьев, вращающихся вокруг шестерней меньшего диаметра. Зубчатая передача соединена с приводным устройством, закрепленном на выходном валу. Направление и траектория движения внутри камеры зависят от этого соединения.
5. Корпус ротора. Изготавливается в форме условного овала. Такая конфигурация обеспечивает постоянный контакт вершин треугольника со стенками капсулы, создавая 3 изолированных объема газа.
6. Окна впрыска и выхлопа. Клапанов не имеют. Впускное отверстие соединено с системой подачи топлива, а выпускное – с выхлопной трубой.
7. Выходной вал с эксцентриковой конструкцией. На нем расположены особые кулачки, смещенные относительно осевой линии. На каждый из этих выступов надевается отдельный ротор. Благодаря несимметричной установке, происходит неравномерное распределение силы давления. Это приводит к образованию крутящего момента, вызывающего стабильную работу силовой установки, основанную на оборотах вала.

5 основных слоев, скрепленных по окружности длинными шурупами, составляют стандартную конструкцию двухроторного двигателя. При этом создаются условия для свободной циркуляции охлаждающей жидкости внутри системы. Движущиеся части, представленные 2 роторами и эксцентриковым выходным валом, располагаются между 2 стационарными участками.

Мощность и ресурс

По сравнению со стандартным ДВС, роторный агрегат характеризуется большей удельной мощностью, которая измеряется в л.с./кг. Это объясняется меньшей массой подвижных деталей, составляющих конструкцию РПД. Обоснование – отсутствие газораспределительного механизма, клапанной системы, коленчатого вала и шатунов.

Кроме того, однороторный двигатель преобразует энергию сгорания топлива во вращательное движение на протяжении ¾ тактов рабочего цикла. Для поршневых моторов этот показатель снижен до ¼.

В результате при вместимости цилиндров 1,3 л современный РПД серийного производства развивает мощность до 220 л.с. А если базовая конструкция дополнена турбинным надувом, то до 350 л.с.

До 2011 г. только японские промышленники концерна «Мазда» выпускали автомобили с двигателями роторного типа. А потом и они сняли агрегат с производства.

Вероятная причина – заниженный ресурс силовой установки. До первого капитального ремонта транспортные средства проезжают всего 100 тыс. км.

При аккуратном стиле вождения и бережном отношении пробег увеличивается до 200 тыс. км.

Уязвимое звено – уплотнители ротора, страдающие от перегрева и высоких нагрузок. Кроме этих факторов на них оказывают негативное влияние детонация и износ подшипников, расположенных на эксцентриковом валу.

Достоинства и недостатки роторного двигателя

Впервые машина с роторным силовым агрегатом вышла на трассу для тестирования в 1958 г. У истоков его создания стоит Феликс Ванкель, именем которого часто называют РПД.

Игнорируя достоинства изобретения немецкого инженера, работавшего над ним совместно с коллегой-единомышленником Вальтером Фройде, многие автопромышленники не рискнули устанавливать новинку на серийные модели своих автомобилей.

К их числу не относятся производители Mazda, выпустившие первую версию транспортного средства с роторной силовой установкой в 1967 г.

Достоинства РПД

Плюсы РПД:

1. Высокий КПД, достигающий 40%. Обоснование – на 1 оборот эксцентрикового вала приходится 3 рабочих цикла.
2. Упрощенная конструкция. В ней отсутствуют многие узлы, характерные для поршневых ДВС, в т.ч. газораспределительный механизм, шатуны, клапаны и т.п.
3. Высокие обороты. Двигатель на базе треугольного роторного элемента раскручивается до 10 тыс. об/минуту.
4. Плавная работа при полном отсутствии вибраций. Объяснение – стабильная ориентация движения ротора в одном направлении.
5. Устойчивость перед детонацией. Это позволяет в процессе эксплуатации применять водород.
6. Компактные размеры. По сравнению с поршневыми агрегатами габариты РПД в 2 раза меньше. Следствие этого – небольшой вес полностью укомплектованной конструкции и наличие свободного пространства для комфортного расположения водителя и пассажиров.
7. Отсутствие дополнительных нагрузок при увеличении количества оборотов. С учетом указанного фактора можно разгонять транспортное средство до 100 км/ч на низкой передаче.
8. Сбалансированность. Позволяет эффективнее уравновесить автомобиль, создавая стабильную устойчивость на любом дорожном покрытии.

Недостатки РПД

Конструкторы, разработавшие роторную силовую установку, так и не смогли устранить недостатки:

1. Основной недоработкой создателей автомобилисты считают ограниченный ресурс двигателя, обоснованный особенностями конструкции. Постоянные изменения рабочего угла апексов вызывают их ускоренный износ.
2. Срок службы заканчивается быстрее из-за перепадов температур, сопровождающих каждый такт. В комбинации с нагрузками, которым подвергаются трущиеся детали, они наносят непоправимый вред функциональным узлам и материалам. Проблему можно решить прямым впрыскиванием минеральной смазки в коллектор.
3. Поскольку внутренние полости камер имеют серповидную форму, топливо в них сжигается не полностью. Ротор, вращаясь на скорости при ограниченной длине рабочего хода, выталкивает раскаленные газы в выхлопное отверстие. Присутствие фрагментов масла в продуктах сгорания приводит к токсичности выброса.
4. Недостаточная герметичность конструкции, вызванная износом уплотнителей – причина утечки между отсеками с большими перепадами давления между отделениями. Результат – снижение КПД и повышение вреда окружающей природе.
5. Высокий расход ГСМ. По сравнению с поршневым двигателем, роторный агрегат потребляет намного больше топлива (20 л на 100 км) и масла (1 л на 1 тыс. км). Забывчивость водителя, пропустившего очередную заправку смазкой, приводит к незапланированному капитальному ремонту или полной замене мотора.
6. Для производства РПД применяется высокоточное оборудование. К качеству материалов также предъявляются повышенные требования. В результате конечная стоимость роторного двигателя увеличивается.

Машины с роторным двигателем

• В разработке усовершенствованных концепций силового агрегата с базовым элементом конструкции в виде подвижного ротора участвовали и российские конструкторы, включая Зуева, Желтышева, ингушских изобретателей братьев Ахриевых.
• Игнорируя инновации, на автомобили по-прежнему устанавливают двигатели Ванкеля.
• В число моделей с РПД входят:

1. Мазда RX-8. Конструкторское бюро японского концерна достигло прогресса в усовершенствовании.

   Их последняя разработка вместимостью 1,3 л развивает мощность 215 л.с. Более поздняя версия с аналогичным объемом выдает 231 л.с. Производство прекращено с августа 2011 г. в результате снижения спроса.

2. ВАЗ 2109-90.

   Такими машинами пользовались в служебных целях сотрудники российских правоохранительных органов. Милицейские автомобили за 8 секунд могли разогнаться до 100 км/ч и развивали скорость 200 км/ч, легко догоняя преступников. Производились и агрегаты с большей мощностью.

   Но большая цена и малый ресурс не позволили прижиться РПД, и полицейским пришлось пересесть на транспортные средства с поршневыми моторами.

3. Мерседес С-111. Впервые был представлен автолюбителям на женевском автосалоне в 1970 г. Спортивный автомобиль оснащался трехкамерным двигателем Ванкеля.

   Максимальная скорость составляла 275 км/ч. На разгон до первой сотни уходило 5 секунд.

4. ВАЗ 21019 Аркан. Модель также закупалась для нужд МВД. Советских милиционеров на таких машинах догнать было невозможно и, тем более, уйти от погони. Большинство преследований завершалось поимкой преступников.

   Объяснение тому – способность служебного транспорта развивать предельную скорость 160 км/ч. Трехсекционный мотор в 1,3 л выдавал 120 л.с.

В заключение

Двигатель роторного типа – отличный вариант для спортивных и гоночных автомобилей, где не требуется большой ресурс. Высокие скоростные и мощностные показатели позволяют надеяться, что промышленники обратят на него внимание и с небольшими доработками снова начнут выпускать машины с моторами Ванкеля.

Другие интересные материалы

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.

https://www.youtube.com/watch?v=g0J-O2sesHU\u0026t=643s

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

Какой двигатель в машине советской милиции, помогал догонять нарушителей

Кто-нибудь из вас сможет назвать хоть один автомобиль с роторным мотором? Сомнительно, что сегодня кто-либо это сделает (за исключением, разве что, поклонников японского автопрома).

Если вы реально в теме, то знаете Мазду Рыксу, ну а если нет, всё равно, наверное, слышали её официальное название – Mazda RX -8.

Ну, даже если вы раньше не знали о ходовом названии модели, то теперь восполнили этот пробел.

Рыксу уже сняли с серийного производства. Несмотря на то, что технические характеристики были довольно впечатляющими, её роторный двигатель был слишком уж капризным. А, учитывая стоимость ремонта, покупка такого японца была нерентабельной.

Принцип работы роторного двигателя

О том, что роторные авто выпускались ещё во времена Союза, сейчас вообще помнят единицы (и раньше-то не многие об этом знали). Причём производство продолжалось и после распада СССР, в девяностые. Если выпущенные в России ВАЗ-21079 мог приобрести каждый, то в советские времена модели 2101 и 2103 с двигателями роторного типа предназначались исключительно для правоохранительных органов.

ВАЗ-21079 с роторным двигателем для милиции

Первая малотиражная серия, предназначенная для милиции сошла с конвейера Волжского автозавода ещё в 1982 году. Это были Жигули с роторно-поршневым двигателем Ванкеля. Было выпущено 50 автомобилей.

Те, кто разбирается в теме, сейчас, возможно, посмеялись над этим – ведь устройство роторного двигателя не подразумевает наличия поршней, значит автор осмеливается писать о том, в чём и сам не сильно разбирается. Дело в том, что официально двигатели Ванкеля назывались именно роторно-поршневыми, это и имелось в виду в предыдущем абзаце. Автор вполне понимает, что ротор в данном случае и является заменой поршню.

Спустя совсем немного времени была выпущена ещё одна серия авто с двигателями Ванкеля – ВАЗ-2103. Хотя некоторые и считают, что модель называлась ВАЗ-21038, официальных свидетельств, подтверждающих это, нет. Также неизвестно и количество машин в этой серии.

ВАЗ-21038 с роторным двигателем Ванкеля

Роторный мотор серии ВАЗ-311 оказался неудачным экспериментом. Срок его службы был очень мал, поэтому конструкторы вели работу по его усовершенствованию до конца существования СССР.

Семейство роторно-поршневых двигателей ВАЗ-311 и ВАЗ-411

Самая последняя модель авто с роторным мотором, выпущенная при Союзе – ВАЗ 2105. На них были установлены двигатели, подвергнутые доработке ВАЗ-411 и 413.

Эти 2 модификации различались между собой по мощности и объёму – у первого эти характеристики составляли 120 лошадиных сил и 1.1 литра, у второго – 140 лошадиных сил и 1.3 литра.

Как можно догадаться, последние 2 цифры в названии модели, означают литраж.

Роторно-поршневой двигатель

Конечно, усовершенствованные модели превзошли по надёжности первые образцы, но всё равно выходили из строя слишком часто.

Для сотрудников правоохранительных органов основным неудобством было то, что роторные двигатели не могли ремонтировать механики в автомастерских, этим занимались только на производственных площадках Волжского автозавода, поэтому роторные моторы при поломке необходимо было отправлять туда.

После распада СССР в 1992 году в России начался БУМ подержанных иномарок и отечественные авто перестали пользоваться спросом. Чтобы попытаться вернуться на рынок руководство АвтоВАЗА приняло решение разработать новый роторный двигатель ВАЗ-414. Его главным отличием от предыдущих моделей являлась адаптация под переднеприводные автомобили.

Двигатель был сконструирован, однако дальше создания концептов дело не пошло – серийного производства авто с такими двигателями почему-то не было. Но спустя 3 года состоялся массовый выпуск новых роторных ВАЗ-21079, оснащённых обновлёнными моторами ВАЗ-415. На него возлагались большие надежды, так как ВАЗ-415 можно было устанавливать на авто как с задним, так и с передним приводом.

Роторно-поршневой двигатель (РПД) ВАЗ-415 с трансмиссией

Но и эта модификация не оправдала надежд производителей и покупателей. Хотя сначала продажи пошли очень хорошими темпами, очень скоро стало ясно, что 415-й роторный движок крайне недолговечен.

Уже после 50 000 км пробега требовался капитальный ремонт, сделать который можно было, опять же, только на заводе-производителе. Поэтому, практически все предпочитали после первой же серьёзной поломки, менять роторный двигатель на обычный. Причём это был не единственный недостаток нового мотора.

Ещё один минус – большой расход бензина. В городских условиях на 100 км уходило около 20 литров.

Роторный двигатель в моторном отсеке ВАЗ-2107 (восстановленный)

Именно поэтому широкой популярности ВАЗ-21079 не получили. Лишь редкие по тем временам любители гонок могли приобрести машину для своих целей. Поэтому в АвтоВАЗ решили свернуть разработки роторно-поршневых двигателей. Хотя может быть и зря – могли бы сейчас быть единственным в мире производителем.