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

Не за что судить Не за что судить

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

Дилетант
Владимир Михайлов Владимир Михайлов

Камнерез из Боровичей возродил утраченную технику пластики древнего Новгорода

Собака.ru
Настя Ивлеева Настя Ивлеева

Настя Ивлеева: «Цифровая реальность – это в высшей степени сексуально!»

Playboy
Картины, которые изменили живопись, но остались в тени Картины, которые изменили живопись, но остались в тени

Четыре неочевидные картины, которые повлияли на искусство

СНОБ
6 признаков глупого человека 6 признаков глупого человека

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

Psychologies
Свидание с Россией Свидание с Россией

Богатые и успешные россияне о лучших городах Сибири и Дальнего Востока

RR Люкс.Личности.Бизнес.
«Восточного» коварство «Восточного» коварство

Как американский бизнесмен Майкл Калви оказался за решеткой

Forbes
Очень приятно, принц! Очень приятно, принц!

Советы и места, где искать мужчину мечты

Лиза
От сумасшествия до слепоты: что говорят картины о болезнях художников От сумасшествия до слепоты: что говорят картины о болезнях художников

Как болезни проявлялись в картинах великих художников

Maxim
5 типов токсичного общения: что ответить собеседнику 5 типов токсичного общения: что ответить собеседнику

По каким признакам распознать коммуникацию, нарушающую личные границы?

Psychologies
Тайна гибели академика Легасова Тайна гибели академика Легасова

В апреле 1988 года был обнаружен повесившимся Валерий Легасов

Дилетант
В поисках рифмы: каким получился музыкальный фильм про Пушкина с Юрой Борисовым В поисках рифмы: каким получился музыкальный фильм про Пушкина с Юрой Борисовым

Святослав Иванов рассказывает, каким получился байопик с Юрой Борисовым

Forbes
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
Шеф и деньги Шеф и деньги

Современный шеф уже не может позволить себе оставаться только художником

Bones
JONY JONY

Саундтрек жизни JONY, который поможет лучше его понять

Men Today
Почему болит запястье? Почему болит запястье?

Целый день работаешь за компьютером? Тебе грозит туннельный синдром

Лиза
Творчество и суждения Творчество и суждения

Как Джонни Депп снял фильм об Амедео Модильяни — и немного о себе

Weekend
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
Как отличить сухую кожу от обезвоженной и почему важно знать разницу: объяснения дерматологов Как отличить сухую кожу от обезвоженной и почему важно знать разницу: объяснения дерматологов

Перепробовала столько увлажняющих кремов, но ни один не помог?

VOICE
Заново начать Заново начать

Стас Пьеха откровенно об обидах, зависимостях, понимании себя и прощении

Psychologies
Фундамент будущего Фундамент будущего

Блиц-интервью с учеными, лидерами мнений в своей профессии

OK!
«Лыжный спорт все еще переживает постолимпийский бум» «Лыжный спорт все еще переживает постолимпийский бум»

Юрий Бородавко о перспективной молодежи в команде и российском инвентаре

Ведомости
Дымзавесы и перцовый газ: как оборонка СССР создавала противоугонные системы Дымзавесы и перцовый газ: как оборонка СССР создавала противоугонные системы

Охранная система, которая работала по принципу газового оружия, существовала

ТехИнсайдер
«Японские джунгли» в Париже: что нужно знать об основателе Kenzo дизайнере Кензо Такаде «Японские джунгли» в Париже: что нужно знать об основателе Kenzo дизайнере Кензо Такаде

Кензо Такада: смешение культур в коллекциях и смена моды на дизайн мебели

Правила жизни
Миксы культурной столицы Миксы культурной столицы

Разрабатывая барную карту, я в первую очередь вдохновлялся футуризмом в поэзии

Bones
8 трендов в уходе за кожей, которые дерматологи никому не советуют пробовать 8 трендов в уходе за кожей, которые дерматологи никому не советуют пробовать

Вирусные бьюти-тренды, от которых следует держаться подальше

VOICE
Африканские пленные Первой мировой Африканские пленные Первой мировой

Среди военнопленных Первой мировой войны одна категория людей оказалась забыта

Знание – сила
Пушкин — герой карнавала Пушкин — герой карнавала

Громкая премьера середины февраля — фильм «Пророк. История Александра Пушкина»

Монокль
Время собирать камни Время собирать камни

Стоит ли вкладывать деньги в природные бриллианты?

RR Люкс.Личности.Бизнес.
Печать счастья Печать счастья

Как определить по дате рождения, будет ли гармоничным твой брак

Лиза
Открыть в приложении