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

Рим и германцы Рим и германцы

Встреча с варварами потрясла Рим, заставив изменить организацию римской армии

Дилетант
Психологическая роль и символизм Масленицы: как отмечать этот праздник правильно Психологическая роль и символизм Масленицы: как отмечать этот праздник правильно

Масленица с точки зрения истории, традиций и современной психологии

Psychologies
Новая дисциплина Новая дисциплина

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

Maxim
Не хочу, не буду! Не хочу, не буду!

Как отказаться от сладкого так, чтобы не сорваться уже через неделю

Лиза
6 признаков глупого человека 6 признаков глупого человека

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

Psychologies
Спасет ли Zara торговые центры? Спасет ли Zara торговые центры?

Иностранные арендаторы вряд ли вернут российские торговые центры к процветанию

Монокль
Про напиток из цикория Про напиток из цикория

Есть время и место для кофе и есть время и место для цикория

Наука и жизнь
Морщины ни при чем Морщины ни при чем

Почему не стоит переживать из-за морщин и над чем стоит поработать

Afternoon Seasons of life
Почему шотландский виски — напиток интеллектуалов Почему шотландский виски — напиток интеллектуалов

С помощью этого напитка ты можешь очаровывать друзей и заводить девушек

Maxim
«Поток»: история создания, сюжет и психологический анализ мультфильма, номинированного на «Оскар» «Поток»: история создания, сюжет и психологический анализ мультфильма, номинированного на «Оскар»

Чем же так интересен мультфильм «Поток»?

Psychologies
Кто такие зомби Кто такие зомби

Эволюция от послушных рабов к агрессивной нежити

Вокруг света
Рыбу подтягивают к потребителю Рыбу подтягивают к потребителю

Российский ретейл расширяет прямое сотрудничество с рыболовными компаниями

Монокль
Виктор Добронравов: «Всегда должна быть толика сомнений» Виктор Добронравов: «Всегда должна быть толика сомнений»

Виктор Добронравов о своем персонаже и грядущей премьере «Кракена»

Ведомости
Путешествия во времени и пространстве Путешествия во времени и пространстве

Немного о городе Гранада и полном роскоши дворце Альгамбра

Знание – сила
Пора и Soueast знать Пора и Soueast знать

Прикатились кроссоверы Soueast. Что они такое? Кому такие?

Автопилот
6 пород кошек, самых простых в уходе 6 пород кошек, самых простых в уходе

Рассказываем про лучших кошек для чайников: с кем меньше возни и больше радости

Maxim
На каких самолетах будут летать россияне в ближайшие годы На каких самолетах будут летать россияне в ближайшие годы

Как развивается гражданская авиаотрасль в России

СНОБ
Поморская Масленица Поморская Масленица

Масленица – один из любимых народных праздников

Лиза
Илья Волошин: «Отечественное виноделие переживает ренессанс» Илья Волошин: «Отечественное виноделие переживает ренессанс»

Почему отечественное игристое может составить конкуренцию зарубежным аналогам

Ведомости
Пентхаус на слиянии двух рек Пентхаус на слиянии двух рек

Екатерина Богачик о современном интерьере квартиры в пентхаусе

SALON-Interior
Всё о платных дорогах России: как пользоваться, стоимость, как оплатить Всё о платных дорогах России: как пользоваться, стоимость, как оплатить

Что необходимо знать выезжающим на платные дороги в России водителям?

РБК
Где русские хайвеи? Где русские хайвеи?

Как идет развитие автодорожной сети в России?

Монокль
Принудительная стерилизация и рекордные аборты: как живут женщины в Гренландии Принудительная стерилизация и рекордные аборты: как живут женщины в Гренландии

За что борются активистки Гренландии?

Forbes
Мошенники ищут вклады Мошенники ищут вклады

Почему граждане стали чаще жаловаться на хищения денег с депозитов?

Ведомости
Выцарапанное на Золотых воротах изображение назвали тамгой Андрея Боголюбского Выцарапанное на Золотых воротах изображение назвали тамгой Андрея Боголюбского

Что означает тамга, обнаруженная во Владимире на Золотых воротах

N+1
Оседлать единорога: 10 шагов невротика к спокойной жизни Оседлать единорога: 10 шагов невротика к спокойной жизни

Какие действия помогают обрести долгожданное спокойствие

Psychologies
Дом для звезды Дом для звезды

Изящный особняк голливудской легенды Джуди Гарленд в Бель-Эйре

SALON-Interior
Хорошо там, где нас нет? Хорошо там, где нас нет?

На смену синдрому FOMO пришел FOBI. Почему теперь мы вовсе не хотим вовлекаться?

Grazia
Знакомство с сапиенсами Знакомство с сапиенсами

Что случилось же 50 тысяч лет назад? Интереснейшие находки в Денисовой пещере

Afternoon Seasons of life
Мода требует жертв? Мода требует жертв?

Какие элементы гардероба на самом деле очень вредны для здоровья?

Лиза
Открыть в приложении