Как изобретался и развивался роторно-поршневой двигатель?

Наука и жизньНаука

Ванкель — движение по кругу

Андрей Савченко, инженер

Феликс Хайнрих Ванкель (1902—1988) и его «двигатель с вращающимся поршнем» Drehkolbenmotor (DKM-54). Из-за плохого зрения конструктор никогда не имел водительских прав, а его собственный автомобиль NSU Ro 80 водил личный шофёр. Ванкель не смог получить классического высшего образования, что, однако, не помешало ему в 1969 году быть удостоенным почётной степени доктора технических наук Мюнхенского технического университета. Источник: AUDI AG, audi-mediacenter.com

Классические двигатели внутреннего сгорания (ДВС) принципиально не изменились за полтора столетия своего существования. Конструкция кривошипно-шатунного ДВС отработана поколениями инженеров: это цилиндры с клапанами, поршни, шатуны, коленчатый и распределительный валы, но тем не менее она далека от идеала. Такой двигатель с трудом размещается под капотом современного автомобиля, который стремится быть более компактным, низким и обтекаемым. Слишком много в двигателе движущихся тяжёлых деталей, велики потери на трение, а при малом числе цилиндров досаждает ещё и вибрация. Конструкторы не переставали размышлять: как бы заставить вращаться сами поршни, чтобы обойтись без шатунов, клапанов и других ходящих взад-вперёд деталей?

Стремление к совершенству

Решением стал роторно-поршневой двигатель. Разнообразных роторных двигателей было предложено немало, но до серийного производства «дорос» пока лишь один. В 1957 году конструкторы Феликс Хайнрих Ванкель, Вальтер Фройде и Ханс-Дитер Пашке, работавшие на немецком автомобильном заводе NSU (Neckar Sulm Union) Motorenwerke, запатентовали двигатель, который ныне известен всему миру как двигатель Ванкеля, роторно-поршневой двигатель (РПД), роторный двигатель или же просто — «ванкель». Поначалу он назывался на немецком скромно и не очень понятно — «крайсколбенмотор» (Kreiskolbenmotor, KKM), что буквально означает «кругопоршневой двигатель». Строго говоря, Феликс Ванкель сначала предлагал конструкцию двигателя с вращающимся корпусом. Но опытный Вальтер Фройде убедил его, что это, мягко говоря, не лучший вариант.

Автомобиль NSU Spider, 1964 год. Фото: Alexander Migl/Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Роторный двигатель, в самом простом варианте, состоит всего из трёх основных деталей. В центре похожего на барабан корпуса на подшипниках установлен эксцентриковый вал, подобный коленчатому валу одноцилиндрового двигателя. На «шатунную» шейку вала (она большого диаметра, поэтому вал и называется эксцентриковым, а не коленчатым, хотя по сути это практически одно и то же) свободно надет ротор-поршень треугольной формы, но с выпуклыми сторонами. К ротору изнутри прикреплена шестерня c внутренними зубьями, зацепленная с пустотелой шестернёй, которая жёстко зафиксирована в центре корпуса. Эксцентриковый вал проходит сквозь центральную шестерню. Число зубьев шестерён соотносится как 2:3, это обязательное условие!

При вращении эксцентрикового вала шестерня ротора обкатывается по неподвижной центральной шестерне, подобно тому, как обруч обкатывается по талии гимнастки. В результате ротор совершает планетарное движение, то есть вращается вокруг своей оси и одновременно его центр движется по кругу. Каждая из трёх вершин ротора описывает траекторию, напоминающую силуэт классической гитары. В точности с этой линией, называемой в математике эпитрохоидой, выточена внутренняя поверхность (зеркало) корпуса двигателя. Между ротором и корпусом образуются три замкнутые рабочие камеры, в форме полумесяцев, объём которых изменяется от максимума до минимума при взаимном вращении эксцентрикового вала и ротора на нём. Уплотняются рабочие камеры подпружиненными пластинами-апексами, установленными в прорезях вершин и в сегментных элементах на торцах ротора. Уплотнения прижимаются пружинами к внутренней поверхности (зеркалу) корпуса и плоским боковым крышкам.

В каждой из трёх рабочих камер происходят те же процессы, что и в цилиндре четырёхтактного поршневого мотора: впуск смеси топлива и воздуха, её сжатие, воспламенение и расширение, а затем выпуск отработанных газов. Впуск и выпуск осуществляются через окна в корпусе или его боковых крышках, которые открывает и закрывает сам ротор, выполняя роль клапанов. Клапаны газораспределения вместе с их громоздким и сложным приводом стали не нужны. По принципу работы роторно-поршневой двигатель принципиально не отличается от классического поршневого двигателя, это такая же тепловая объёмная машина.

Воспламеняют рабочую смесь обычно не одна, а сразу две свечи зажигания, ввёрнутые в корпус. Расширяющиеся газы в общей зоне сгорания нажимают поочерёдно на каждую из трёх «подъезжающих» к ней сторон ротора, и тот вращает эксцентриковый вал. Зубчатая передача с прямыми зубьями не нагружена всем усилием расширяющихся газов, она лишь направляет ротор по нужной траектории. Ротор вращается в три раза медленнее вала, поэтому одному обороту вала соответствует один рабочий ход, что эквивалентно двухцилиндровому четырёхтактному поршневому двигателю, а за один оборот ротора происходят три рабочих хода.

Двухсекционные роторные двигатели с двумя роторами, каждый в своём корпусе, работающими на общий вал с шейками, развёрнутыми на 180 градусов, дают уже два рабочих хода на один оборот, как в четырёхцилиндровом четырёхтактном двигателе. При этом пульсации крутящего момента здесь меньше, поскольку из-за особенности кинематики рабочий ход длится три четверти (270 градусов) от полного оборота эксцентрикового вала вокруг своей оси против половины оборота (180 градусов) у коленчатого вала обычного поршневого двигателя. Считается, что по плавности работы двухроторный «ванкель» не уступает поршневой рядной «шестёрке».

Рабочий объём «ванкеля» зависит от двух параметров. Величина эксцентриситета вала задаёт размеры ротора и корпуса — это соответствует величине хода обычного поршня. Кроме того, у ротора есть ширина — это аналог диаметра цилиндра. Степень сжатия определяется объёмом выемок в виде «лодочек» в каждой из граней ротора.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Нулевая ступень Нулевая ступень

Весной 2019 года в небо поднялся самолет с самыми большими крыльями в истории

Популярная механика
«Главное — идея, которую ты воплощаешь» «Главное — идея, которую ты воплощаешь»

Винодел Павел Швец работает с вином с 19 лет. Что он может о нем сказать?

РБК
6 признаков глупого человека 6 признаков глупого человека

Как понять, кого нужно избегать? Да и нужно ли на самом деле?

Psychologies
Вернись с ответом Вернись с ответом

Каким должно быть сопроводительное письмо, чтобы взяли на работу мечты

VOICE
Не за что судить Не за что судить

Тайны советского туризма 70-х: почему некоторые не возвращались из походов?

Дилетант
Укол в сердце Укол в сердце

Нельзя обидеть – можно обидеться. Так ли это? В чем смысл этого послания?

Psychologies
Ураган Миранда Ураган Миранда

Миранда Керр. Австралийская супермодель, мать двоих детей и жена миллиардера

Maxim
Новости науки Новости науки

Масса W-бозона, сверхредкий распад частиц и избыток черных дыр

Знание – сила
Первые шаги в небо — по Земле. Наземные испытания самолета Первые шаги в небо — по Земле. Наземные испытания самолета

Производство самолетов: окончание сборки и начало испытаний

Наука и техника
Долгам ЦБ не писан Долгам ЦБ не писан

2024 год стал рекордным для рынка облигаций

Деньги
Ломать и строить Ломать и строить

Пожары, наводнения и набеги врагов развивали градостроительство

Вокруг света
Синдром опустевшего гнезда, часть 2: как общаться со взрослыми детьми и найти себя Синдром опустевшего гнезда, часть 2: как общаться со взрослыми детьми и найти себя

Что делать внутри пустого гнезда, когда дети выросли? Жить в радость!

Psychologies
Ситуэйшеншип: почему зумеры избегают обязательств и как взять максимум от таких отношений Ситуэйшеншип: почему зумеры избегают обязательств и как взять максимум от таких отношений

Ситуэйшеншип: в чем польза и вред такого формата отношений?

Psychologies
Не могу дышать и двигаться: что такое сонный паралич и как от него избавиться Не могу дышать и двигаться: что такое сонный паралич и как от него избавиться

Что на самом деле чувствует человек в состоянии сонного паралича?

Forbes
Винные тренды 2025 года — мнения экспертов и героев проекта «РБК Визионеры» Винные тренды 2025 года — мнения экспертов и героев проекта «РБК Визионеры»

Тренды винной культуры в мире и мнения экспертов

РБК
Дмитрий Лысенков: «Главное – это неравнодушие» Дмитрий Лысенков: «Главное – это неравнодушие»

Дмитрий Лысенков — о том, почему не всегда оправдывает злодеев, которых играет

Ведомости
Без сна Без сна

Инструкция к идеальной ночи

Men Today
Соскочить с крючка вины: как распознать манипуляцию с первой секунды Соскочить с крючка вины: как распознать манипуляцию с первой секунды

Что такое навязанная вина и как она связана с манипуляцией?

VOICE
Адель. Обратный отсчет Адель. Обратный отсчет

Я не создаю музыку для глаз, я создаю музыку для ушей

Караван историй
Джонни Депп — очень смелый режиссер Джонни Депп — очень смелый режиссер

Итальянский актер Риккардо Скамарчо о Джонни Деппе в роли режиссера

Ведомости
Груз со страховкой Груз со страховкой

Рынок страхования грузов третий год подряд демонстрирует устойчивый рост

Ведомости
Потребительский терроризм и конфиденциальность данных: подводные камни при управлении салоном красоты Потребительский терроризм и конфиденциальность данных: подводные камни при управлении салоном красоты

Ключевые ошибки, которые совершают бизнесмены в бьюти-сфере

Inc.
Театр в Казани: агрессивно, бескомпромиссно Театр в Казани: агрессивно, бескомпромиссно

Здание театра Камала в Казани — проект редких амбиций и остроты архитектуры

Монокль
3 фразы, которые помогут определить газлайтинг в отношениях 3 фразы, которые помогут определить газлайтинг в отношениях

Некоторые фразы и сигналы, которые могут вызвать подозрение в газлайтинге

Inc.
Работа без мышей Работа без мышей

Почему в России упал спрос на цифровые навыки?

Ведомости
Почему рацион японцев считается таким полезным Почему рацион японцев считается таким полезным

Как японская традиционная диета влияет на продолжительность жизни?

ТехИнсайдер
Первобытные домостроители Первобытные домостроители

Домостроительство, безусловно, одно из наиболее ранних умений человека

Знание – сила
Японцы сделали роборуку с человеческими мышцами Японцы сделали роборуку с человеческими мышцами

Японские инженеры разработали биогибридную руку с человеческими мышцами

N+1
Дорамы, мелодрамы или классика? Что о тебе говорит кино, которое ты смотришь Дорамы, мелодрамы или классика? Что о тебе говорит кино, которое ты смотришь

Какие тайны личности выдаст твой любимый жанр кино?

VOICE
Ника Здорик — горячие фото красавицы, которая раскрылась в сериале «Ландыши…» Ника Здорик — горячие фото красавицы, которая раскрылась в сериале «Ландыши…»

Все хотят знать, кто такая очаровательная Ника Здорик

Maxim
Открыть в приложении