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

Судьба разведчика Судьба разведчика

Под покровом секретности на Урале в 1962 году случился международный скандал

Популярная механика
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
6 признаков глупого человека 6 признаков глупого человека

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

Psychologies
Дух большой воды Дух большой воды

Почему индейцы боятся «Большой воды» и уходят все глубже в лес?

Вокруг света
Не за что судить Не за что судить

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

Дилетант
Павел Прилучный. Когда проходит влюбленность, приходит любовь Павел Прилучный. Когда проходит влюбленность, приходит любовь

Когда нет благодарности у обоих, тогда и случаются эти кризисы

Караван историй
Частички Частички

Рассказ Игоря Волкова о случайности экспериментов

Наука и жизнь
2024-й в артефактах: самые любопытные открытия года 2024-й в артефактах: самые любопытные открытия года

Список археологических открытий 2024 года, которые привлекли внимание

Наука и жизнь
Стоит узнать! Вот почему у некоторых людей часто краснеют щеки Стоит узнать! Вот почему у некоторых людей часто краснеют щеки

В каком случае покраснения щек могут быть признаком заболевания?

ТехИнсайдер
Два месяца под землей без света и общения с людьми: эксперимент Мишеля Сифра Два месяца под землей без света и общения с людьми: эксперимент Мишеля Сифра

Как проходил эксперимент Мишеля Сифра и к каким он пришел выводам

ТехИнсайдер
Наши высочества Наши высочества

Интервью с высокими и талантливыми актрисами сериала «Дылды»

Maxim
Скорпионы и лавры: говорящие детали Скорпионы и лавры: говорящие детали

10 портретов-ребусов эпохи Возрождения

Вокруг света
Китайские кинематографисты: Российский кинорынок для нас очень важен Китайские кинематографисты: Российский кинорынок для нас очень важен

Джинг Ху и Диан Сонг — о том, почему Голливуд теряет свои позиции в Поднебесной?

Ведомости
«Я в шаге от того, чтобы послать ее куда подальше»: история влюбленности, которая рушит дружбу подруг «Я в шаге от того, чтобы послать ее куда подальше»: история влюбленности, которая рушит дружбу подруг

Почему выдуманные романы могут сказаться не только на дружеских отношениях?

Psychologies
Черный доктор Черный доктор

Как разоблачить обманщика в белом халате?

Лиза
Люди в Северной Корее начали «охоту за фекалиями»! Вот зачем это местным властям Люди в Северной Корее начали «охоту за фекалиями»! Вот зачем это местным властям

Северная Корея обязана собирать десятки килограммов отходов для удобрения

ТехИнсайдер
Сколько в среднем живут собаки и зависит ли это от породы Сколько в среднем живут собаки и зависит ли это от породы

Какова же средняя продолжительность жизни собак разных пород?

ТехИнсайдер
Электрическая коробка-автомат – электропередача тепловоза Электрическая коробка-автомат – электропередача тепловоза

Продолжаем рассказ о тонкостях железнодорожного дела

Наука и техника
Светлый ум Светлый ум

Первый в истории итальянской верфи Rossinavi катамаран

Y Magazine
«Ия, бросай всех и выходи за меня замуж!» — говорил Ефремов Саввиной «Ия, бросай всех и выходи за меня замуж!» — говорил Ефремов Саввиной

Я не актриса и по характеру, и по воспитанию

Коллекция. Караван историй
Вызов самой себе Вызов самой себе

Леонела Мантурова — о выборе профессии и умении не сдаваться перед сложностями

OK!
Дочь Михаила Ульянова: «От гнева папы я падала в обморок» Дочь Михаила Ульянова: «От гнева папы я падала в обморок»

Вокруг нашей семьи часто слагали какие-то легенды

Коллекция. Караван историй
Чемпионы не в цене: почему инвестиционный фонд спонсирует малоизвестных теннисистов Чемпионы не в цене: почему инвестиционный фонд спонсирует малоизвестных теннисистов

Из присутствия на телетрансляциях можно выжать максимум по минимальной цене

Forbes
Плохая идея: куда точно не нужно идти на первое свидание Плохая идея: куда точно не нужно идти на первое свидание

Разбираемся, куда и почему лучше не идти с незнакомцем/незнакомкой в первый раз

Maxim
Раскрыт нейронный механизм, который связывает рабочую и долговременную память Раскрыт нейронный механизм, который связывает рабочую и долговременную память

Ученые нашли нейроны гиппокампа, которые отвечают за рабочую и долгую память

ТехИнсайдер
Красная и белая Красная и белая

Как выбрать качественную консервированную фасоль

Лиза
Работаем на результат. 9 советов, которые помогут получить повышение на работе Работаем на результат. 9 советов, которые помогут получить повышение на работе

Разбираемся, как быстрее продвинуться по карьерной лестнице

Лиза
До чего дошел прогресс До чего дошел прогресс

Главные тренды, которые стали знаковыми для развития науки и технологий в 2024

Ведомости
«Я проголосовала!»: как Сьюзен Энтони боролась за избирательное право для женщин «Я проголосовала!»: как Сьюзен Энтони боролась за избирательное право для женщин

Чем суфражистка Сьюзен Энтони может вдохновить современных активисток?

Forbes
Как понять, что пора заменить бутылку для воды Как понять, что пора заменить бутылку для воды

О признаках того, что пришло время сменить вашу бутылку для воды

ТехИнсайдер
Открыть в приложении