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

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018» Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
«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.
Не за что судить Не за что судить

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

Дилетант
Вызов простоты Вызов простоты

Как решение абстрактной задачи угрожает всей экономике?

Вокруг света
Вибраторы и лечение. Когда и как появились компаньоны женщин — занимательная история Вибраторы и лечение. Когда и как появились компаньоны женщин — занимательная история

История вибраторов: как они помогали в лечении женщин

ТехИнсайдер
Битва СССР с канадскими профи. Почему хоккейная Суперсерия-72 имела такое значение Битва СССР с канадскими профи. Почему хоккейная Суперсерия-72 имела такое значение

Суперсерия-72: как она изменила хоккей

СНОБ
Это фантастика! Это фантастика!

Казалось бы, в сексе сложно ждать каких-то прорывов, и все же...

Men’s Health
Софонисба Вторая… — Первая! Софонисба Вторая… — Первая!

Кто сказал, что эмансипированные женщины появились только в конце XIX века?

Знание – сила
Вон из России! Вон из России!

Осенью 1922-го от причалов отходили не только корабли с белогвардейцами

Дилетант
Возвратно-отступательные движения Возвратно-отступательные движения

Власти прорабатывают условия возвращения в Россию иностранных компаний

Ведомости
Рога и гобелены Рога и гобелены

В Париже открылась выставка «Кутюр в Лувре: предметы искусства, предметы моды»

Weekend
Весеннее обострение в феврале: как раннее потепление влияет на наши головы Весеннее обострение в феврале: как раннее потепление влияет на наши головы

Как заботиться о ментальном здоровьем во время смены сезона

Psychologies
Выбирайте выражения Выбирайте выражения

Какие фразы могут сильно усложнить вашему ребенку?

Лиза
Машина для февраля Машина для февраля

Почем автомобили для российской зимы

Деньги
Александра Киселева: «Я не могла так просто сдаться» Александра Киселева: «Я не могла так просто сдаться»

«Вернувшись из экспедиции в Индию, я не представляла, как существовать дальше»

Коллекция. Караван историй
Актив меж двух океанов Актив меж двух океанов

Как строили и распоряжались Панамским каналом

Деньги
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.
Почему телефон быстро разряжается и как это исправить: 5 простых советов Почему телефон быстро разряжается и как это исправить: 5 простых советов

Как сделать, чтобы телефон не разряжался быстро

CHIP
Инвестиции без страха Инвестиции без страха

Создание Первой ткацкой фабрики — уникальный для российского легпрома проект

Монокль
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
В поисках частиц темной материи В поисках частиц темной материи

Три основные гипотезы о том, что представляют собой частицы темной материи

Знание – сила
Мультпарад Мультпарад

Что можно узнать о любви из популярных анимационных фильмов?

Лиза
Антон Хабаров: «Многим кажется, что я рубаха-парень. Но у меня сложный характер» Антон Хабаров: «Многим кажется, что я рубаха-парень. Но у меня сложный характер»

«Если умереть завтра, могу сказать, что прожил очень счастливую жизнь»

Коллекция. Караван историй
От Таиланда до Португалии: как российские шеф-повара открывают рестораны за границей От Таиланда до Португалии: как российские шеф-повара открывают рестораны за границей

Как шеф-повара из России адаптируются к заграничным особенностям ведения бизнеса

Forbes
Тянут на себя Тянут на себя

Типаж у этих актеров разный, а сила их харизмы примерно одинакова

VOICE
«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
Тишина зимнего леса Тишина зимнего леса

Человека тянет в лес. Зимой, вероятно, чтобы послушать тишину…

Наука и жизнь
Мода требует жертв? Мода требует жертв?

Какие элементы гардероба на самом деле очень вредны для здоровья?

Лиза
Насколько вы интернет-зависимы? Насколько вы интернет-зависимы?

Узнайте себя лучше и разберитесь, насколько вы зависите от виртуального мира

Psychologies
Ai-Da ИИ Ai-Da ИИ

Робот-вундеркинд или пустышка

Weekend
Открыть в приложении