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

Сон о Соне Сон о Соне

Самая сексуальная солистка самой популярной группы дала нам интервью!

Maxim
История любви История любви

Почему личные фонды — альтернатива западным трастам и частным фондам?

RR Люкс.Личности.Бизнес.
6 признаков глупого человека 6 признаков глупого человека

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

Psychologies
Разработана умная роботизированная инвалидная коляска Разработана умная роботизированная инвалидная коляска

Как умное кресло-коляска позволяет находить оптимальный путь к пункту назначения

ТехИнсайдер
Не за что судить Не за что судить

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

Дилетант
Семь причин ломкости ногтей Семь причин ломкости ногтей

Неправильное питание, холод, недостаток гормонов: причины ломкости ногтей

Здоровье
«Скелеты в шкафах» союзников «Скелеты в шкафах» союзников

Негласный запрет на темы, которые могли «всплыть» в ходе суда над нацистами

Дилетант
Бизнес с историей Бизнес с историей

Чем выгодны покупки инвесторами помещений в объектах культурного наследия

Ведомости
Разгрызенный полуостров Разгрызенный полуостров

Строго говоря, граница между Южной Кореей и КНДР проходит не по 38-й параллели

Дилетант
Микрокредитные лимиты Микрокредитные лимиты

Почему снижается доля одобрения микрозаймов для повторных клиентов?

Ведомости
Язык любовных прелюдий Язык любовных прелюдий

Предварительные ласки нужны только женщинам, а мужчины без них могут обойтись?

Psychologies
Композиторы из будущего: как изменилась музыка за последние 100 лет Композиторы из будущего: как изменилась музыка за последние 100 лет

Как композиторы с академическим образованием пришли к постцифровой эстетике

СНОБ
Дана Сапарова Дана Сапарова

Дана Сапарова направила глаз своего объектива на новых и классных актрис

Собака.ru
Марина Федоровская: Как стать мамой себе. И зачем Марина Федоровская: Как стать мамой себе. И зачем

«Шапку не забыла?» Эти вопросы нам давно не задают. Напрасно. Они нужны и важны

Afternoon Seasons of life
Как жить полной жизнью: 3 вида хобби Как жить полной жизнью: 3 вида хобби

Поэтому не стоит сосредотачиваться только на одном типе хобби?

Psychologies
Под замком Сфорца в Италии нашли тайные туннели: их описывал Леонардо да Винчи! Под замком Сфорца в Италии нашли тайные туннели: их описывал Леонардо да Винчи!

Как ученые смогли доказать, что под замком Сфорца существуют подземные туннели

ТехИнсайдер
Меню по сезону Меню по сезону

Зачем менять систему питания в зависимости от времени года?

Лиза
Развитие генетики ускоренным путем Развитие генетики ускоренным путем

Эмбриотрансфер в животноводстве набирает обороты

Агроинвестор
Картины, которые изменили живопись, но остались в тени Картины, которые изменили живопись, но остались в тени

Четыре неочевидные картины, которые повлияли на искусство

СНОБ
Черная королева русского андеграунда. Какой была Наталия Медведева Черная королева русского андеграунда. Какой была Наталия Медведева

Насколько интересны романы и стихи Наталии Медведевой в отрыве от ее биографии

СНОБ
Изабелла Росселлини: Все свободны! Изабелла Росселлини: Все свободны!

До первого контракта с Lancôme в 1983 году она вообще не красилась. Не хотела

Afternoon Seasons of life
Зимний гриль Зимний гриль

Закрываем холодный сезон снежным пикником в саду своего загородного дома

Лиза
Финтех попросил Минобрнауки скорректировать план подготовки IT-специалистов Финтех попросил Минобрнауки скорректировать план подготовки IT-специалистов

Дефицит кадров в IT-области до 2030 г. составит примерно 1 млн специалистов

Ведомости
Юрий Сапрыкин: «Все было на драйве, на кураже, на преодолении собственного невежества и непонимания» Юрий Сапрыкин: «Все было на драйве, на кураже, на преодолении собственного невежества и непонимания»

Юрий Сапрыкин об истории медиа, роли поколения пятидесятилетних и даже будущем

Afternoon Seasons of life
Как модельер Эльза Скиапарелли совмещала удобный крой и эксцентричность Как модельер Эльза Скиапарелли совмещала удобный крой и эксцентричность

Эльза Скиапарелли привнесла в моду искусство

Forbes
Кадры решают Кадры решают

Помогут ли новый федеральный проект и господдержка привлечь специалистов в АПК?

Агроинвестор
Вынашивающих потомство в горловом мешке лягушек эвакуировали с чилийского острова из-за смертельного грибка Вынашивающих потомство в горловом мешке лягушек эвакуировали с чилийского острова из-за смертельного грибка

Как редких южноамериканских лягушек спасли в Лондонском зоопарке

N+1
Непрерывный торг Непрерывный торг

Решение Мосбиржи проводить торги в выходные вызвало неоднозначную реакцию

Монокль
Как нехватка сна влияет на ваши внешность и тело? Эксперты дали полный ответ Как нехватка сна влияет на ваши внешность и тело? Эксперты дали полный ответ

Регулярные ночные недосыпы могут привести к серьезным проблемам со здоровьем

ТехИнсайдер
Новый виток Новый виток

Стася Милославская о непростых съемках на зимней натуре, северном сиянии и любви

Grazia
Открыть в приложении