Принцип работы роторно-поршневого двигателя Ванкеля, история создания и развития

Словосочетание « двигатель внутреннего сгорания» у большинства людей вызывает ассоциации с цилиндрами и поршнями, системой газораспределения и кривошипно-шатунным механизмом. Все потому, что подавляющее большинство автомобилей снабжено классическим и ставшим наиболее популярным типом двигателей – поршневым.

Сегодня речь пойдет о роторно-поршневом двигателе Ванкеля, который обладает целым набором выдающихся технических характеристик, и в свое время должен был открыть новые перспективы в автомобилестроении, но не смог занять достойного места и массовым не стал.

История создания

Самым первым тепловым двигателем роторного типа принято считать эолипил. В первом веке нашей эры его создал и описал греческий механик-инженер Герон Александрийский.

Конструкция эолипила довольна проста: на оси, проходящей через центр симметрии, расположена вращающаяся бронзовая сфера. Водяной пар, используемый как рабочее тело, истекает из двух сопел, установленных в центре шара друг напротив друга и перпендикулярно оси крепления.
Механизмы водяных и ветряных мельниц, использующих в качестве энергии силу стихии, тоже можно отнести к роторным двигателям древности.

Классификация роторных двигателей

Рабочая камера роторного ДВС может быть герметично замкнутой или иметь постоянную связь с атмосферой, когда от окружающей среды ее отделяют лопасти роторной крыльчатки. По такому принципу построены газовые турбины.

Стоит отметить, что у большинства описываемых конструкций нет действующих образцов и они существуют на бумаге.
Классифицировал их русский инженер И.Ю. Исаев, который сам занят созданием совершенного роторного двигателя. Он произвел анализ патентов России, Америки и других стран, всего более 600.

Роторный ДВС с возвратно-вращательным движением

Ротор в таких двигателях не вращается, а совершает возвратно-дуговые качания. Лопатки на роторе и статоре неподвижны, и между ними происходят такты расширения и сжатия.

С пульсирующе-вращательным, однонаправленным движением

В корпусе двигателя расположены два вращающихся ротора, сжатие происходит между их лопастей в моменты сближения, а расширение в момент удаления. Из-за того что вращение лопастей происходит неравномерно, требуется разработка сложного механизма выравнивания.

С уплотнительными заслонками и возвратно-поступательными движениями

Схема с успехом применяемая в пневмомоторах, где вращение осуществляется за счет сжатого воздуха, не прижилась в двигателях внутреннего сгорания по причине высокого давления и температур.

С уплотнителями и возвратно-поступательными движениями корпуса

Схема аналогична предыдущей, только уплотнительные заслонки расположены не на роторе, а на корпусе двигателя. Недостатки те же: невозможность обеспечить достаточную герметичность лопаток корпуса с ротором сохраняя их подвижность.

Двигатели с равномерным движением рабочего и иных элементов

Наиболее перспективные и совершенные виды роторных двигателей. Теоретически могут развивать самые высокие обороты и набирать мощность, но пока не удалось создать ни одной работающей схемы для ДВС.

С планетарным, вращательным движением рабочего элемента

К последним относится наиболее известная широкой общественности схема роторно-поршневого двигателя инженера Феликса Ванкеля.

Хотя существует огромное количество других конструкций планетарного типа:

• Умплеби (Umpleby)
• Грея и Друммонда (Gray & Dremmond)
• Маршалла (Marshall)
• Спанда (Spand)
• Рено (Renault)
• Томаса (Tomas)
• Веллиндера и Скуга (Wallinder & Skoog)
• Сенсо (Sensand)
• Майлара (Maillard)
• Ферро (Ferro)

История Ванкеля

Жизнь Феликса Генриха Ванкеля не была простой, рано оставшись сиротой (отец будущего изобретателя погиб в первой мировой войне), Феликс не мог собрать средства для обучения в университете, а рабочую специальность не позволяла получить сильная близорукость.

Это побудило Ванкеля на самостоятельное изучение технических дисциплин, благодаря чему в 1924 году ему пришла в голову идея создать роторный двигатель с вращающейся камерой внутреннего сгорания.


В 1929 году он получает патент на изобретение, которое и стало первым шагом к созданию знаменитого РПД Ванкеля. В 1933 году изобретатель, оказавшись в рядах противников Гитлера, проводит полгода в тюрьме. После освобождения разработками роторного двигателя заинтересовались в компании BMW и стали финансировать дальнейшие исследования, выделив для работы мастерскую в Ландау.

После войны она достается в качестве репарации французам, а сам изобретатель попадает в тюрьму, как пособник гитлеровского режима. Лишь в 1951 году, Феликс Генрих Ванкель устраивается на работу в компанию по производству мотоциклов «NSU» и продолжает исследования.


В том же году он начинает совместную работу с главным конструктором «NSU» Вальтером Фройде, который и сам давно занимается изысканиями в области создания роторно-поршневого двигателя для гоночных мотоциклов. В 1958 году первый образец двигателя занимает место на испытательном стенде.

Как работает роторный двигатель

Сконструированный Фройде и Ванкелем силовой агрегат, представляет собой ротор, выполненный в форме треугольника Рело. Ротор планетарно вращается вокруг шестерни, закрепленной в центре статора — неподвижной камеры сгорания. Сама камера выполнена в форме эпитрохоиды, которая отдаленно напоминает восьмерку с вытянутым наружу центром, она выполняет роль цилиндра.

Совершая движение внутри камеры сгорания, ротор образует полости переменного объема, в которых происходят такты двигателя: впуск, сжатие, воспламенение и выпуск. Камеры герметично отделены друг от друга уплотнителями – апексами, износ которых является слабым место роторно-поршневых двигателей.

Воспламенение топливо-воздушной смеси осуществляется сразу двумя свечами зажигания, поскольку камера сгорания имеет вытянутую форму и большой объем, что замедляет скорость горения рабочей смеси.

На роторном двигателе используется угол запоздания а не опережения, как на поршневом. Это необходимо чтобы воспламенение происходило чуть позже, и сила взрыва толкала ротор в нужном направлении.

Конструкция Ванкеля позволила значительно упростить двигатель, отказаться от множества деталей. Отпала необходимость в отдельном газораспределительном механизме, существенно уменьшились вес и размеры мотора.

Преимущества

Как говорилось ранее, роторный двигатель Ванкеля не требует такого большого количества деталей как поршневой, поэтому имеет меньшие размеры, вес и удельную мощность (количество «лошадей» на килограмм веса).

Нет кривошипно-шатунного механизма (в классическом варианте), что позволило снизить вес и вибронагруженность. Из-за отсутствия возвратно-поступательных движений поршней и малой массы подвижных частей, двигатель может развивать и выдерживать очень высокие обороты, практически мгновенно реагируя на нажатие педали газа.

Роторный ДВС выдает мощность в трех четвертях каждого оборота выходного вала, тогда как поршневой лишь на одной четверти.

Недостатки

Именно по причине того, что двигатель Ванкеля, при всех своих плюсах, имеет большое количество минусов, сегодня только Mazda продолжает развивать и совершенствовать его. Хотя патент на него купили сотни компаний, среди которых Toyota, Alfa Romeo, General Motors, Daimler-Benz, Nissan и другие.

Малый ресурс

Главный, и самый существенный недостаток – малый моторесурс двигателя. В среднем он равен 100 тысячам километров для России. В Европе, США и Японии этот показатель вдвое больше, благодаря качеству горючего и грамотному техническому обслуживанию.


Самую высокую нагрузку испытывают металлические пластины, апексы – радиальные торцевые уплотнители между камерами. Им приходится выдерживать высокую температуру, давление и радиальные нагрузки. На RX-7 высота апекса составляет 8.1 миллиметра, замена рекомендована при износе до 6.5, на RX-8 ее сократили до 5.3 заводских, а допустимый износ не более 4.5 миллиметров.

Низкая экологичность

Поскольку система смазки роторно-поршневого двигателя подразумевает прямой впрыск масла в камеру сгорания, а еще из-за неполного сгорания топлива, выхлопные газы имеют повышенную токсичность. Это затрудняло прохождение экологической проверки, нормам которой необходимо было соответствовать, чтобы продавать автомобили на американском рынке.

Для решения проблемы инженеры Mazda создали термальный реактор, который дожигал углеводороды перед выбросом в атмосферу. Впервые его установили на автомобиль Mazda R100.


Вместо того чтобы свернуть производство как другие, Mazda в 1972 году начала продажу автомобилей с системой снижения вредных выбросов для роторных двигателей REAPS (Rotary Engine Anti-Pollution System).

Высокий расход

Все авто с роторными двигателями отличает высокий расход горючего.

Кроме Mazda были еще Mercedes C-111, Corvette XP-882 Four Rotor (четырехсекционный, объем 4 литра), Citroen M35, но это в основном экспериментальные модели, да и из-за разгоревшегося в 80-х годах нефтяного кризиса их производство было приостановлено.

Малая длина рабочего хода ротора и серповидная форма камеры сгорания, не позволяют рабочей смеси прогореть полностью. Выпускное отверстие открывается еще до момента полного сгорания, газы не успевают передать всю силу давления на ротор. Поэтому и температура выхлопных газов этих двигателей такая высокая.

История отечественного РПД

В начале 80-х технологией заинтересовались и в СССР. Правда патент не был куплен, и до всего решили доходить своим умом, проще говоря – скопировать принцип работы и устройство роторного двигателя Mazda.

Для этих целей было создано конструкторское бюро, а в Тольятти цех для серийного производства. В 1976 году первый опытный образец односекционного двигателя ВАЗ-311, мощностью 70 л. с. установлен на 50 автомобилей. За очень короткий срок они выработали ресурс. Дала о себе знать плохая сбалансированность РЭМ (роторно-эксцентрикового механизма) и быстрый износ апексов.


Однако разработкой заинтересовались спецслужбы, для которых динамические характеристики мотора были куда важней ресурса. В 1982 году свет увидел двухсекционный роторный двигатель ВАЗ-411, с шириной ротора 70 см и мощностью 120 л. с., и ВАЗ-413 с ротором 80 см и 140 л. с. Позже моторами ВАЗ-414 оснащают машины КГБ, ГАИ и МВД.

Начиная с 1997 года на авто общего пользования ставят силовой агрегат ВАЗ-415, появляется Волга с трехсекционным РПД ВАЗ-425. Сегодня в России машины подобными моторами не комплектуются.

Список автомобилей с роторно-поршневым двигателем

Марка Модель NSU Spider Ro80 Mazda Cosmo Sport (110S) Familia Rotary Coupe Parkway Rotary 26 Capella (RX-2) Savanna (RX-3) RX-4 RX-7 RX-8 Eunos Cosmo Rotary Pickup Luce R-130 Mercedes C-111 Corvette XP-882 Four Rotor Citroen M35 GS Birotor (GZ) ВАЗ 21019 (Аркан) 2105-09 ГАЗ 21 24 3102

Список роторных двигателей Mazda

Тип Описание 40A Первый стендовый экземпляр, радиус ротора 90 мм L8A Система смазки с сухим картером, радиус ротора 98 мм, объем 792 куб. см 10A (0810) Двухсекционный, 982 куб. см, мощность 110 л. с., смешение масла с топливом для смазки, вес 102 кг 10A (0813) 100 л. с., увеличение веса до 122 кг 10A (0866) 105 л. с., технология снижения выбросов REAPS 13A Для переднеприводной R-130, объем 1310 куб. см, 126 л. с., радиус ротора 120 мм 12A Объем 1146 куб. см, упрочнен материал ротора, увеличен ресурс статора, уплотнения из чугуна 12A Turbo Полупрямой впрыск, 160 л. с. 12B Единый распределитель зажигания 13B Самый массовый двигатель, объем 1308 куб. см, низкий уровень выбросов 13B-RESI 135 л. с., RESI (Rotary Engine Super Injection) и впрыск Bosch L-Jetronic 13B-DEI 146 л. с., переменный впуск, системы 6PI и DEI, впрыск с 4 инжекторами 13B-RE 235 л. с., большая HT-15 и малая HT-10 турбины 13B-REW 280 л. с., 2 последовательные турбины Hitachi HT-12 13B-MSP Renesis Экологичный и экономичный, может работать на водороде 13G/20B Трехроторные двигатели для автогонок, объем 1962 куб. см, мощность 300 л. с. 13J/R26B Четырехроторные, для автогонок, объем 2622 куб. см, мощность 700 л. с. 16X (Renesis 2) 300 л. с., концепт-кар Taiki

Правила эксплуатации роторного двигателя

Эксперты рекомендуют в обслуживании придерживаться следующих правил:

замену масла производить каждые 3-5 тысяч километров пробега. Нормальным считается расход 1.5 литра на 1000 км.

следить за состоянием масляных форсунок, средний срок их жизни составляет 50 тысяч.

менять воздушный фильтр каждые 20 тысяч.

использовать только специальные свечи, ресурс 30-40 тысяч километров.

заливать в бак бензин не ниже АИ-95, а лучше АИ-98.

замерять компрессию при замене масла. Для этого используется специальный прибор, компрессия должна быть в пределах 6.5-8 атмосфер.

День сегодняшний

На сегодняшний день производится серийный выпуск модели Mazda RX-8, оснащенной двигателем Renesis (сокращение Rotary Engine + Genesis).


Конструкторам удалось вдвое сократить потребление масла и на 40% расход топлива, а экологический класс довести до уровня Euro-4. Двигатель с рабочим объемом 1.3 литра выдает мощность в 250 л. с.

Несмотря на все достижения японцы не останавливаются на достигнутом. Вопреки утверждениям большинства специалистов о том, что РПД не имеет будущего, они не прекращают совершенствовать технологию, и не так давно представили концепт спортивного купе RX-Vision, с роторным двигателем SkyActive-R.