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. 

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:

1. Его малый вес и габариты, непосредственно влияющие на основу конструкции автомобиля. Данный фактор немаловажен при проектировании спортивного автомобиля с низким центром тяжести.
2. 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.
3. При одинаковом объеме с классическим поршневым двигателем, у роторно-поршневого мощность в 2-3 раза выше.
4. Плавность и эластичность работы, отсутствие ощутимых вибраций за счет того, что здесь нет возвратно-поступательных движений главных узлов.
5. Двигатель может “питаться” низкооктановым бензином.
6. Широкий диапазон рабочих оборотов позволяет применять трансмиссию с более короткими передачами, что крайне удобно для городских условий.
7. “Полка” крутящего момента обеспечивается на ⅔ цикла, а не на четверть, как в двигателе Отто.
8. 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.
9. Отсутствует детонация.

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

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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).