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

Чёрный передел: версия 1939 года Чёрный передел: версия 1939 года

Секретный протокол к Пакту о ненападении

Дилетант
Моя прелесть Моя прелесть

История про собирательство, про страсть, которая согревает, наполняет и радует

Afternoon Seasons of life
Новая дисциплина Новая дисциплина

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

Maxim
Опять двадцать пять Опять двадцать пять

Какие тренды будут изменять жизнь во второй четверти XXI века

Men Today
6 признаков глупого человека 6 признаков глупого человека

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

Psychologies
«Визитная карточка» для Роскомнадзора: как защитить персональные данные клиентов и избежать проверок «Визитная карточка» для Роскомнадзора: как защитить персональные данные клиентов и избежать проверок

Как избежать наказания за утечку персональных данных клиентов?

Inc.
Первый холокост Первый холокост

Религиозный фанатизм крестоносцев первыми ощутили на себе евреи

Дилетант
Роботы Figure научились сообща сортировать предметы Роботы Figure научились сообща сортировать предметы

Компания Figure разработала универсальный алгоритм управления роботами

N+1
Почему у мужчин «пунктик» на анальном сексе? Почему у мужчин «пунктик» на анальном сексе?

Откуда у мужчин эта причудливая фиксация на анальном сексе

Cosmopolitan
IT-разработка «внутри» или готовое решение: что выбрать IT-разработка «внутри» или готовое решение: что выбрать

Стоит ли IT-компании разрабатывать ПО с нуля или лучше купить готовое решение?

Inc.
Историки установили кто придумал десятичную точку. Это великое открытие случилось в 1440 году, но о нем надолго забыли Историки установили кто придумал десятичную точку. Это великое открытие случилось в 1440 году, но о нем надолго забыли

Открытие Джованни Бьянкини было слишком революционным и было забыто

ТехИнсайдер
Родина акушерского туризма Родина акушерского туризма

Зачем Вологодскую область хотят сделать привлекательной для рожениц

Ведомости
Фундамент будущего Фундамент будущего

Блиц-интервью с учеными, лидерами мнений в своей профессии

OK!
Тень опричника Тень опричника

Как город Александров несколько раз оказался столицей

Weekend
Победа без победителя: кто одержал верх в Палестине? Победа без победителя: кто одержал верх в Палестине?

Замороженный кризис в Газе можно смело назвать «конфликтом без победителей»

Монокль
Вон из дома Вон из дома

Подробная инструкция, как распрощаться с ненужными вещами и заодно заработать

VOICE
Аэропорты меняют психику людей? Вот что влияет на восприятие времени и контроль над собой! Аэропорты меняют психику людей? Вот что влияет на восприятие времени и контроль над собой!

Замечали ли вы, что в аэропортах люди ведут себя иначе?

ТехИнсайдер
Пентхаус на слиянии двух рек Пентхаус на слиянии двух рек

Екатерина Богачик о современном интерьере квартиры в пентхаусе

SALON-Interior
Хотите избавиться от эмоциональной зависимости от партнера? Вам поможет психодраматическое упражнение! Хотите избавиться от эмоциональной зависимости от партнера? Вам поможет психодраматическое упражнение!

Как быть, если вы понимаете, что выйти из отношений без потерь не получится?

Psychologies
Часы в России встали Часы в России встали

Рынок умных часов перешел к умеренному росту в темпе потребительской инфляции

Ведомости
Людмила Полякова: «Соломин дважды изменил мою судьбу» Людмила Полякова: «Соломин дважды изменил мою судьбу»

Если бы не он, не бывать мне артисткой. Соломин стал моим ангелом-хранителем

Коллекция. Караван историй
Один день в долине Маадим Один день в долине Маадим

Рассказ Станислава Романова «Один день в долине Маадим»

Знание – сила
«Сплошные уроды, еще и с двойным дном». Актер Илья Любимов о «Пророке», Жуковском, гениальности и «новых героях» «Сплошные уроды, еще и с двойным дном». Актер Илья Любимов о «Пророке», Жуковском, гениальности и «новых героях»

Актер Илья Любимов — о плате за гениальность и упрощении поп-культуры

СНОБ
Первобытные домостроители Первобытные домостроители

Домостроительство, безусловно, одно из наиболее ранних умений человека

Знание – сила
Помнить, чтобы забыть: что такое постпамять и зачем она нам Помнить, чтобы забыть: что такое постпамять и зачем она нам

Может ли прошлое быть не стабильным конструктом, а процессом?

Psychologies
Хельга Филиппова: «В «Триггере» у меня было два любимца — Максим Матвеев и Даня Воробьев» Хельга Филиппова: «В «Триггере» у меня было два любимца — Максим Матвеев и Даня Воробьев»

«Я всегда была Хельгой. У меня финские корни»

Коллекция. Караван историй
«Тень за спиной». Кто такие сталкеры и как от них защититься «Тень за спиной». Кто такие сталкеры и как от них защититься

Как обезопасить себя от сталкера и какими тактиками они пользуются

СНОБ
«Это был последний шанс изменить жизнь»: история наркозависимого, которому удалось «соскочить» «Это был последний шанс изменить жизнь»: история наркозависимого, которому удалось «соскочить»

История Романа Аджиева, который сумел побороть свою зависимость

Psychologies
Вероника Долина: Милан Кундера и жест протеста Вероника Долина: Милан Кундера и жест протеста

В память о Милане Кундере, без которого жизнь моя была б иной или ничтожной

Afternoon Seasons of life
Самый медленный лифт в Нью-Йорке Самый медленный лифт в Нью-Йорке

Предисловие Егора Мостовщикова к книге иконы «новой журналистики» Гэя Тализа

RR Люкс.Личности.Бизнес.
Открыть в приложении