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
Один день в долине Маадим Один день в долине Маадим

Рассказ Станислава Романова «Один день в долине Маадим»

Знание – сила
Новая дисциплина Новая дисциплина

Чемпионка мира, чемпионка Европы, призер Олимпийских игр – Евгения Медведева

Maxim
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
6 признаков глупого человека 6 признаков глупого человека

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

Psychologies
Дом для звезды Дом для звезды

Изящный особняк голливудской легенды Джуди Гарленд в Бель-Эйре

SALON-Interior
Все против всех Все против всех

Не пытка, а силовой допрос. Не война, а операция по поддержанию порядка…

Дилетант
Американка заработала обманом больше 100 тыс долларов, собирая деньги на лечение рака Американка заработала обманом больше 100 тыс долларов, собирая деньги на лечение рака

Как раскрыли аферу Аманды Райли из США по борьбе с раком

ТехИнсайдер
Время Евы Время Евы

История о том, как ученые всех запутали библейской метафорой об Адаме и Еве

Вокруг света
Дана Сапарова Дана Сапарова

Дана Сапарова направила глаз своего объектива на новых и классных актрис

Собака.ru
Иммунитет от хамства: как реагировать на грубость Иммунитет от хамства: как реагировать на грубость

Как защититься от хамства, не опускаясь до него?

Psychologies
«Глоу-ап» — расцвет после расставания: как разрыв отношений улучшает жизнь «Глоу-ап» — расцвет после расставания: как разрыв отношений улучшает жизнь

С чем связан неожиданный glow-up после уход от партнера?

Psychologies
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
«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
Передозировка витаминов Передозировка витаминов

Чем опасен избыток витаминов?

Здоровье
Кот, который ворует данные Кот, который ворует данные

Выявлен первый вирус для кражи данных с фото на устройствах Apple

Ведомости
Танго втроем Танго втроем

Спектакль-кабаре — так определил жанр своей новой постановки Пётр Шерешевский

OK!
Инна Ульянова: «Мы, женщины, любим обманываться» Инна Ульянова: «Мы, женщины, любим обманываться»

«Ее Маргарита Павловна чуть было не погубила всенародно любимый фильм»

Коллекция. Караван историй
Войти в положение: как люди становятся удобными Войти в положение: как люди становятся удобными

А всегда ли нужно «входить в положение» и быть удобной?

СНОБ
Алгоритмам становится тесно Алгоритмам становится тесно

Центробанк подталкивает трейдеров к регистрации в качестве паевых фондов

Монокль
5 способов восстановить режим сна быстро и правильно, советы врача 5 способов восстановить режим сна быстро и правильно, советы врача

Что такое режим сна, зачем он нужен и как приучить себя спать правильно?

РБК
«Быть смелым & задавать тренды» «Быть смелым & задавать тренды»

Наш новый герой на первый взгляд должен быть актером или певцом

OK!
Как спастись от микропластика Как спастись от микропластика

Как сократить присутствие пластика в своей жизни?

Здоровье
5 способностей животных, которые недоступны людям 5 способностей животных, которые недоступны людям

Как было бы круто, если бы обладали этими способностями животных

Maxim
Бой с тенью Бой с тенью

Непростая история соперничества с женщиной, которой больше нет

VOICE
Свет-оконце Свет-оконце

Сломаем шаблон типичной статьи про китайскую премьеру легкового D-класса

Автопилот
«Правда и вера светлее солнца» «Правда и вера светлее солнца»

Репортаж из Пскова об уникальной псковской иконе

Монокль
Что делать, если изменил, но хочешь сохранить отношения: случай из практики психолога Что делать, если изменил, но хочешь сохранить отношения: случай из практики психолога

Чем можно объяснить неверность? Стоит ли признаваться в ней партнеру?

Psychologies
Время собирать камни Время собирать камни

Стоит ли вкладывать деньги в природные бриллианты?

RR Люкс.Личности.Бизнес.
Борьба за пятое измерение Борьба за пятое измерение

Россия наметила свой путь освоения технологий — в стороне от мировой схватки

Монокль
Открыть в приложении