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

Сон о Соне Сон о Соне

Самая сексуальная солистка самой популярной группы дала нам интервью!

Maxim
Мирные переговоры войне не помеха Мирные переговоры войне не помеха

История завершения военных конфликтов с участием СССР и США

Монокль
Не за что судить Не за что судить

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

Дилетант
«Звери рейха». Как немецкая пропаганда использовала образы животных «Звери рейха». Как немецкая пропаганда использовала образы животных

Роль животных в повседневной жизни гитлеровской Германии

СНОБ
6 признаков глупого человека 6 признаков глупого человека

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

Psychologies
Мышь против 007 Мышь против 007

Краткая история «Тома и Джерри»

Weekend
Механизмы зрения: наука и жизнь Механизмы зрения: наука и жизнь

С чего начинается зрение?

Наука и жизнь
Психолог — о том, как найти решения в трудных жизненных ситуациях Психолог — о том, как найти решения в трудных жизненных ситуациях

Психолог о том, почему стремление к комфортным отношениям

РБК
Обитатели ледяных лун Обитатели ледяных лун

В каких уголках солнечной системы может скрываться внеземная жизнь?

Вокруг света
Ирина Темичева. «Каждый день просыпаюсь с мыслью: «Я мама!» Ирина Темичева. «Каждый день просыпаюсь с мыслью: «Я мама!»

Вы можете быть израненным внутри, но казаться легкомысленным, веселым человеком

Караван историй
10 женских заблуждений о мужчинах 10 женских заблуждений о мужчинах

Мужчины не так примитивны, как о них думают создания высшего уровня

Maxim
Рома Декабрев: Очередная попытка выстроить новую искренность, вероятнее всего, окажется лишь новой имитацией искренности Рома Декабрев: Очередная попытка выстроить новую искренность, вероятнее всего, окажется лишь новой имитацией искренности

Рома Декабрев — как поиск персональной истины помогает обретать новые смыслы

СНОБ
«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
Винный смол ток: да — чувствам, нет — снобизму Винный смол ток: да — чувствам, нет — снобизму

Какие существуют беспроигрышные темы для беседы за бокалом?

РБК
Владимир Михайлов Владимир Михайлов

Камнерез из Боровичей возродил утраченную технику пластики древнего Новгорода

Собака.ru
«Казус белых» на российском рынке вина «Казус белых» на российском рынке вина

На российском винном рынке красные вина постепенно уступают место белым

РБК
Первобытные домостроители Первобытные домостроители

Домостроительство, безусловно, одно из наиболее ранних умений человека

Знание – сила
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
Не могу дышать и двигаться: что такое сонный паралич и как от него избавиться Не могу дышать и двигаться: что такое сонный паралич и как от него избавиться

Что на самом деле чувствует человек в состоянии сонного паралича?

Forbes
Семейная ценность Семейная ценность

Tiggo 9, который пришел вовремя

Автопилот
Груз со страховкой Груз со страховкой

Рынок страхования грузов третий год подряд демонстрирует устойчивый рост

Ведомости
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
«Не хочу» остро мыслящего человека «Не хочу» остро мыслящего человека

«Minima moralia»: как человек с обрушившейся жизнью постепенно приходит в себя

Знание – сила
7 вещей, которые никогда не делают счастливые люди 7 вещей, которые никогда не делают счастливые люди

Эксперт по счастью: 7 вещей, которые никогда не делают счастливые люди

Inc.
Читать Читать

Эти издания помогут лучше себя чувствовать в виртуальном пространстве

Psychologies
Ледяные колокольчики Ледяные колокольчики

Что это за ледяные колокольчики, в изрядном числе свисающие над водой?

Наука и жизнь
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
Дай лапу, друг! Дай лапу, друг!

Самые подходящие питомцы для каждого знака Зодиака

Лиза
Самое продуктивное межсезонье Самое продуктивное межсезонье

Моды в гуманитарных науках никогда не бывают сезонными: это всегда межсезонье

Знание – сила
Миксы культурной столицы Миксы культурной столицы

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

Bones
Открыть в приложении