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

Загадки исчезнувшей цивилизации Загадки исчезнувшей цивилизации

800 лет назад на месте современного Татарстана располагалась Волжская Булгария

Дилетант
Поменяйте настройки в телевизоре, чтобы смотреть фильмы с удовольствием! Список лайфхаков Поменяйте настройки в телевизоре, чтобы смотреть фильмы с удовольствием! Список лайфхаков

Настроить телевизор правильно — проще, чем кажется

ТехИнсайдер
Не за что судить Не за что судить

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

Дилетант
Амазонские дельфины помочились в воздух Амазонские дельфины помочились в воздух

Как китообразные используют мочеиспускание для коммуникации

N+1
6 признаков глупого человека 6 признаков глупого человека

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

Psychologies
Деэскалация усложняет прогноз Деэскалация усложняет прогноз

Деэскалация представляет сейчас главную неопределенность для макропрогнозов

Ведомости
Вся надежда на русскую пчелу Вся надежда на русскую пчелу

Роспотребнадзор запретил ввоз пчел из Узбекистана, Казахстана и Киргизии

Наука
Лед тронулся Лед тронулся

Как вернуть Арктику с периферии общественного внимания?

Ведомости
AllGrip Select. Почему полный привод от Suzuki называют интеллектуальным? AllGrip Select. Почему полный привод от Suzuki называют интеллектуальным?

Что такое интеллектуальный полный привод у Suzuki?

4x4 Club
Почему у нас нет воспоминаний из младенчества? Вот что говорит наука: интересные факты! Почему у нас нет воспоминаний из младенчества? Вот что говорит наука: интересные факты!

Почему большинство людей не помнит событий до их 2-3-летнего возраста?

ТехИнсайдер
Золотой век палеонтологии Золотой век палеонтологии

Динозавры выглядели совсем не так, как мы их себе представляли

Наука и жизнь
Сила маркетинга: рекламные кейсы, которые меняют индустрию Сила маркетинга: рекламные кейсы, которые меняют индустрию

Отрывок из книги «50 кейсов, которые изменили маркетинг»

Inc.
ПП — питание персонала ПП — питание персонала

Обеденный перерыв — важный элемент эффективной работы любой команды

Bones
Коротко о том, как устроен наш мозг: почему при трении ушиба мы перестаем чувствовать боль Коротко о том, как устроен наш мозг: почему при трении ушиба мы перестаем чувствовать боль

Неужели наш мозг способен контролировать боль?

ТехИнсайдер
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
Тройная радость Тройная радость

Маша Миногарова, Аня Pokrov и Яна Пилецкая раскрывают души, планы и косметички

VOICE
Исследование: в мозге человека нанопластика хватит на целую пластиковую ложку! Исследование: в мозге человека нанопластика хватит на целую пластиковую ложку!

Какие последствия может иметь для здоровья наличие в мозге нанопластика?

ТехИнсайдер
Дух большой воды Дух большой воды

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

Вокруг света
Счастье – в простом Счастье – в простом

Певица Алсу доверила журналу свои личные переживания, связанные с разводом

Psychologies
Выбирай головой Выбирай головой

Как понять, к кому обратиться — психологу, психотерапевту и психиатру?

VOICE
Безалкогольное вино: что это такое и почему оно становится все популярнее Безалкогольное вино: что это такое и почему оно становится все популярнее

В чем причины взрывного роста безалкогольного вина на рынке

РБК
Почему некоторые таблетки лучше не запивать молоком Почему некоторые таблетки лучше не запивать молоком

Пять лекарств, которые не следует смешивать с молочными продуктами

ТехИнсайдер
Планы на межсезонье Планы на межсезонье

Куда отправятся россияне весной и сколько им на это придется потратить

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

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

Ведомости
«2 часа пролетают за 20 секунд» «2 часа пролетают за 20 секунд»

Дина Аверина и Дмитрий Соловьёв — гармоничная пара проекта «Ледникового периода»

OK!
Эксперты: для здоровья лучше пить чай с шоколадом, нежели чем вино! И вот почему Эксперты: для здоровья лучше пить чай с шоколадом, нежели чем вино! И вот почему

Сочетание щоколада и чая обладает мощными антиоксидантными свойствами

ТехИнсайдер
Театр в Казани: агрессивно, бескомпромиссно Театр в Казани: агрессивно, бескомпромиссно

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

Монокль
«Опыт — не главное». Как мы устраивались работать на российский автозавод «Опыт — не главное». Как мы устраивались работать на российский автозавод

Как устроиться на работу на автозавод, что требуется и сколько будут платить

РБК
Ле Корбюзье, история безумия и секты: 10 значимых книг, которые вышли в феврале Ле Корбюзье, история безумия и секты: 10 значимых книг, которые вышли в феврале

В феврале книжный мир еще только просыпается и готовится к выходу бестселлеров

Правила жизни
Хочу чужую жизнь: почему мы недовольны тем, что имеем и хотим получить то, чего у нас нет Хочу чужую жизнь: почему мы недовольны тем, что имеем и хотим получить то, чего у нас нет

Почему нам постоянно мало того, что у нас уже есть?

VOICE
Открыть в приложении