Роторно-поршневой двигатель

Роторно-поршневой двигатель(РПД), или двигатель Ванкеля. Двигатель внутреннего сгорания, разработанный Феликсом Ванкелем в 1957 году в соавторстве с Вальтером Фройде. В РПД функцию поршня выполняет трехвершинный (трехгранный) ротор, совершающий вращательные движения внутри полости сложной формы. После волны экспериментальных моделей автомобилей и мотоциклов, пришедшейся на 60-е и 70-е годы ХХ века, интерес к РПД снизился, хотя ряд компаний по-прежнему работает над совершенствованием конструкции двигателя Ванкеля. В настоящее время РПД оснащаются легковые автомобили компании Mazda. Роторно-поршневой двигатель находит применение в моделизме.

Содержание

Принцип работы

Сила давления газов от сгоревшей топливо-воздушной смеси приводит в движение ротор, насаженный через подшипники на эксцентриковый вал. Движение ротора относительно корпуса двигателя (статора) производится через пару шестерен, одна из которых, большего размера, закреплена на внутренней поверхности ротора, вторая, опорная, меньшего размера, жестко прикреплена к внутренней поверхности боковой крышки двигателя. Взаимодействие шестерен приводит к тому, что ротор совершает круговые эксцентричные движения, соприкасаясь гранями с внутренней поверхностью камеры сгорания. В результате между ротором и корпусом двигателя образуются три изолированные камеры переменного объема, в которых происходят процессы сжатия топливо-воздушной смеси, ее сгорания, расширения газов, оказывающих давление на рабочую поверхность ротора и очищения камеры сгорания от отработанных газов. Вращательное движение ротора передается на эксцентриковый вал, установленный на подшипниках и передающий вращающий момент на механизмы трансмиссии. Таким образом в РПД одновременно работают две механические пары: первая — регулирующая движение ротора и состоящая из пары шестерен; и вторая — преобразующая круговое движение ротора во вращение эксцентрикового вала. Передаточное соотношение шестерен ротора и статора 2:3, поэтому за один полный оборот эксцентрикового вала ротор успевает провернуться на 120 градусов. В свою очередь за один полный оборот ротора в каждой из трех образуемых его гранями камер производится полный четырехтактный цикл двигателя внутреннего сгорания.
схема РПД
1 — впускное окно; 2 выпускное окно; 3 — корпус; 4 — камера сгорания; 5 – неподвижная шестерня; 6 — ротор; 7 – зубчатое колесо; 8 — вал; 9 – свеча зажигания

Достоинства РПД

Главным достоинством роторно-поршневого двигателя является простота конструкции. В РПД на 35-40 процентов меньше деталей, чем в поршневом четырехтактном двигателе. В РПД отсутствуют поршни, шатуны, коленчатый вал. В «классическом» варианте РПД нет и газораспределительного механизма. Топливо-воздушная смесь поступает в рабочую полость двигателя через впускное окно, которое открывает грань ротора. Отработанные газы выбрасываются через выпускное окно, которое пересекает, опять же, грань ротора (это напоминает устройство газораспределения двухтактного поршневого двигателя).
Отдельного упоминания заслуживает система смазки, которая в простейшем варианте РПД практически отсутствует. Масло добавляется в топливо — как при эксплуатации двухтактных мотоциклетных моторов. Смазка пар трения (прежде всего ротора и рабочей поверхности камеры сгорания) производится самой топливо-воздушной смесью.
Поскольку масса ротора невелика и легко уравновешивается массой противовесов эксцентрикового вала, РПД отличается небольшим уровнем вибраций и хорошей равномерностью работы. В автомобилях с РПД легче уравновесить двигатель, добившись минимального уровня вибраций, что хорошо сказывается на комфортабельности машины в целом. Особой плавностью хода отличаются двухроторные двигатели, в которых роторы сами являются снижающими уровень вибраций балансирами.
Еще одно привлекательное качество РПД — высокая удельная мощность при высоких оборотах эксцентрикового вала. Это позволяет добиться от автомобиля с РПД отличных скоростных характеристик при относительно небольшом расходе топлива. Малая инерционность ротора и повышенная по сравнению с поршневыми двигателями внутреннего сгорания удельная мощность позволяют улучшить динамику автомобиля.
Наконец, немаловажным достоинством РПД являются небольшие размеры. Роторный двигатель меньше поршневого четырехтактного мотора той же мощности примерно вдвое. И это позволяет рациональней использовать пространство моторного отсека, более точно рассчитывать расположение узлов трансмиссии и нагрузку на переднюю и заднюю ось.

Недостатки РПД

Главный недостаток роторно-поршневого двигателя — невысокая эффективность уплотнений зазора между ротором и камерой сгорания. Имеющий сложную форму ротор РПД требует надежных уплотнений не только по граням (а их четыре у каждой поверхности — две по вершинным, две по боковым граням), но и по боковой поверхности, соприкасающейся с крышками двигателя. При этом уплотнения выполнены в виде подпружиненных полосок из высоколегированной стали с особо точной обработкой как рабочих поверхностей, так и торцов. Заложенные в конструкцию уплотнений допуски на расширение металла от нагрева ухудшают их характеристики — избежать прорыва газов у торцевых участков уплотнительных пластин практически невозможно (в поршневых двигателях используют лабиринтовый эффект, устанавливая уплотнительные кольца зазорами в разные стороны).
В последние годы надежность уплотнений резко возросла. Конструкторы нашли новые материалы для уплотнений. Однако, говорить о каком-то прорыве пока не приходится. Уплотнения до сих пор остаются самым узким местом РПД.
Сложная система уплотнений ротора требует эффективной смазки трущихся поверхностей. РПД потребляет больше масла, чем четырехтактный поршневой двигатель (от 400 граммов до 1 килограмма на 1000 километров). При этом масло сгорает вместе с топливом, что плохо сказывается на экологичности моторов. В выхлопных газах РПД опасных для здоровья людей веществ больше, чем в выхлопных газах поршневых двигателей.
Особые требования предъявляются и к качеству масел, используемых в РПД. Это связано, во-первых, со склонностью к повышенному износу (из-за большой площади соприкасающихся деталей — ротора и внутренней камеры двигателя), во-вторых, к перегреву (опять же из-за повышенного трения и из-за небольших размеров самого двигателя). Для РПД смертельно опасны нерегулярная смена масла — поскольку абразивные частицы в старом масле резко увеличивают износ двигателя, и переохлаждение мотора. Запуск холодного двигателя и недостаточный его прогрев приводят к тому, что в зоне контакта уплотнений ротора с поверхностью камеры сгорания и боковыми крышками оказывается мало смазки. Если поршневой двигатель заклинивает при перегреве, то РПД чаще всего — во время запуска холодного двигателя (или при движении в холодную погоду, когда охлаждение оказывается избыточным).
В целом рабочая температура РПД выше, чем у поршневых двигателей. Самая термонапряженная область — камера сгорания, которая имеет небольшой объем и, соответственно, повышенную температуру, что затрудняет процесс поджига топливо-воздушной смеси (РПД из-за протяженной формы камеры сгорания склонны к детонации, что тоже можно отнести к недостаткам этого типа двигателей). Отсюда требовательность РПД к качеству свечей. Обычно их устанавливают в эти двигатели попарно.
Роторно-поршневые двигатели при великолепных мощностных и скоростных характеристиках оказываются менее гибкими (или менее эластичными), чем поршневые. Они выдают оптимальную мощность только на достаточно высоких оборотах, что вынуждает конструкторов использовать РПД в паре с многоступенчатыми КП и усложняет конструкцию автоматических коробок передач. В конечном итоге РПД оказываются не такими экономичными, какими должны быть в теории.

Практическое применение в автопромышленности

Наибольшее распространение РПД получили в конце 60-х и начале 70-х годов прошлого столетия, когда патент на двигатель Ванкеля был куплен 11 ведущими автопроизводителями мира.
В 1967 году немецкая компания NSU выпустила серийный легковой автомобиль бизнес-класса NSU Ro 80. Эта модель выпускалась в течение 10 лет и разошлась по миру в количестве 37204 экземпляров. Автомобиль пользовался популярностью, но недостатки установленного в нем РПД, в конце концов, испортили репутацию этой замечательной машины. На фоне долговечных конкурентов модель NSU Ro 80 выглядела «бледно» — пробег до капитального ремонта двигателя при заявленных 100 тысячах километров не превышал 50 тысяч.
С РПД экспериментировали концерн Citroen, Mazda, ВАЗ. Наибольших успехов добилась Mazda, которая выпустила свой легковой автомобиль с РПД еще в 1963 году, на четыре года раньше появления NSU Ro 80. Сегодня концерн Mazda оснащает РПД спорткары серии RX. Современные автомобили Mazda RX-8 избавлены от многих недостатков РПД Феликса Ванкеля. Они вполне экологичны и надежны, хотя среди автовладельцев и специалистов по ремонту считаются «капризными».

Практическое применение в мотопромышленности

В 70-е и 80-е годы с РПД экспериментировали некоторые производители мотоциклов — Hercules, Suzuki и другие. В настоящее время мелкосерийное производство «роторных» мотоциклов налажено только в компании Norton, выпускающей модель NRV588 и готовящей к серийному выпуску мотоцикл NRV700.
Norton NRV588 — спортбайк, оснащенный двухроторным двигателем общим объемом в 588 кубических сантиметров и развивающим мощность в 170 лошадиных сил. При сухом весе мотоцикла в 130 кг энерговооруженность спортбайка выглядит в буквальном смысле запредельной. Двигатель этой машины оснащен системами впускного тракта переменной величины и электронного впрыска топлива. О модели NRV700 известно лишь то, что мощность РПД у этого спортбайка будет достигать 210 л.с.

Любопытные факты

1. Роторно-поршневые двигатели получили распространение среди авиамоделистов. Поскольку в модельном двигателе требования к надежности и экономичности снижены до предела, производство этих моторов оказывается недорогим. В этих двигателях уплотнений ротора либо нет вообще, либо эти уплотнения имеют простейшую конструкцию. Главное достоинство авиамодельного РПД в том, что его можно легко встроить в летающую масштабную модель. В частности, модельные РПД применяются при создании копий реактивных самолетов.
2. Получив патент на РПД в 1936 году Феликс Ванкель стал изобретателем не только двигателя внутреннего сгорания, но еще и роторно-поршневых насоса и компрессора. И эти устройства можно встретить гораздо чаще, чем РПД — на производстве, в ремонтных мастерских, в быту. Например, портативные электрические компрессоры для автомобилистов очень часто устроены по принципу роторно-поршневого насоса.

Статья в журнале об РПД польского инженера Рожицкого, «За рулем» №12, 1961

Как работает роторно-поршневой двигатель в машине?

На момент создания роторно-поршневого двигателя его концепция казалась идеальной. К тому же были очевидными недостатки других типов двигателя. Компания Мазда верила в идеальность концепции вплоть до 2012 года. Затем иллюзии развеялись, и они сняли с производства свою последнюю модель с таким типом мотора — RX-8. В этой статье мы расскажем о принципе работы роторно-поршневого двигателя, и ты поймешь, почему он так нравился именитому автопроизводителю. Также мы расскажем об истории создания, преимуществах и недостатках, об автомобилях, которые работают на моторе такого типа.

Роторный мотор можно назвать аналогом дизеля, он обозначается РПД и имеет второе название — ванкель. Изобретение долгое время приписывали Феликсу Ванкелю, на эту тему есть трогательная легенда, как изобретатель шел к поставленной цели в те времена, пока Гитлер стремился к его цели. Но если исходить из исторических фактов, а не из легенд, то все будет иначе.

История создания

Выдающийся инженер и разработчик Феликс Ванкель действительно в тот период работал над созданием нового двигателя. Он хотел сделать простую систему, работающую по принципу внутреннего сгорания. Но создал он не совсем РПД, а мотор, который работает за счет синхронного кругового движения роторов. Когда завершилась вторая мировая, Ванкеля привлекли к разработкам германского объединения NSU, они специализировались на мотоциклах. Ванкель вошел в группу, которая трудилась над роторным мотором.

Вклад Ванкеля значительный, он провел обширные исследования уплотнений клапанов, у него даже был патент на роторное вращение. Но сама концепция принадлежит руководителю этой рабочей группы — инженеру Фройде.

Первый созданный прототип представлял собой статичный элемент, ротора, и подвижные камеры. Быстро стали очевидными неудобства. В 1958 их поменяли местами, так родилась первая в мире конструкция с вращающимся ротором. Она не сильно отличается от современных потомков, разве что расположением свечей, теперь они находятся на корпусе. Совсем скоро компания заявила, что изобрела самый современный двигатель новейшего типа. Лицензии на эту установку закупили сотни компаний, примерно треть из них приходится на японских автопроизводителей.

Что сделали в Советском Союзе

Союз не стал приобретать лицензию, вместо этого было решено разработать свой уникальный мотор роторного типа. Сначала советским ученым привези авто, произведенное немецким NSU. Машину разобрали и начали изучать, работы начались в 1967. Прошло 7 лет, и при концерне ВАЗ открылось конструкторское бюро, оно проектировало и производило РПД. Так был создан ВАЗ-311, похвастаться им не получилось, машину доделывали еще 6 лет.

Модель с таким типом мотора для серийного производства — ВАЗ 21018, его представили в 1982. И это тоже привело к неудаче, у всех пробных авто отказали двигатели, последовал год доработок. Затем вышли ВАЗ 411 и 413, они использовались силовыми ведомствами страны. То, что получилось, пришлось кстати для сотрудников охраны правопорядка. Им были нужны неприметные авто, которые обладают достаточной мощностью, чтобы догнать иномарку. К тому же в ведомствах особенно не беспокоились о высоком расходе топлива и небольшом ресурсе двигателя. Рядового автомобилиста такое конечно же не устроило бы.

Что сделали на Западе и Востоке?

Там тоже шли работы, но перспектива сделать РПД не стала фурором. Работы завершились с началом топливного кризиса, в 1973 бензин очень сильно подорожал. Тогда автолюбители начали проявлять интерес к экономичным двигателям, к ним РПД конечно же не относился. Он потреблял до двадцати л на сто километров, поэтому абсолютно не пользовался спросом.

Но на востоке осталась страна, которая не разочаровалась, это Япония. С течением времени многие японские производители отказались от столь непопулярного двигателя. В итоге его сторонником осталась лишь Мазда.

Для Советского Союза топливный кризис прошел незаметно. Поэтому машины с роторным двигателем производили, это продолжилось и после распада СССР. В результате ВАЗ использовал такую концепцию до 2004 года, Мазда продержалась за нее дольше — до 2012.

Особенности

Ключевой элемент конструкции — треугольник Рёло, это ротор треугольной конфигурации с выпуклостью на гранях. Он вращается вокруг оси, представленной статором. Верхняя часть рисует эпитрохоиду, кривую определенной формы. По данной кривой создается оболочка для ротора.

Главный конкурент роторного мотора — это поршневой. И у того, и у другого рабочий цикл делится на четыре такта. У РПД между капсулой и гранями треугольника образуются капсулы переменной серповидной формы. Эта особенность породила некоторые недостатки. Чтобы изолировать камеры, используют разные типы уплотнителя.

Система газораспределения сделала конструкцию проще. Также стоит выделить высокую для таких небольших габаритов мощность. Отказ от коленвала сделал конструкцию легкой, также отсутствуют межкамерные сопряжения, они бы тоже добавили веса.

Плюсы и минусы

Есть ряд преимуществ:

• меньшее количество деталей, как минимум на 35% меньше относительно поршневого. Меньше деталей — меньше поломок;
• если сопоставить с конкурентом такой же мощности, то РПД будет в 2 раза меньше по размеру;
• отсутствие высокой нагрузки даже на больших оборотах и если на низких передачах разогнаться сильнее сотни километров в час;
• меньше весит, поэтому машину проще уравновесить, она становится более устойчивой;
• нет проблемы вибрации даже у самых легких авто. Поршневой вибрирует гораздо сильнее, ввиду чего роторный лучше сбалансирован.

Но есть и недостатки:

• главный минус — небольшой ресурс, это издержка простой конструкции. Рабочий угол уплотнителей постоянно меняется, из-за чего они быстро изнашиваются. Износ усиливается и от того, что через каждый такт меняется температура. Вдобавок давление, оказываемое на трущиеся поверхности, от этого есть только одно средство — впрыскивание масла в коллектор;
• при износе уплотнителей образуются утечки между камерами. Разница в давлении очень большая, от этого страдает КПД. Вред для экологии усиливается;
• из-за серповидной конфигурации камер топливо сгорает не полностью. Из-за небольшой длины рабочего хода и скорости вращения ротора выталкиваются несгоревшие газы высокой температуры. Выделяются не только продукты сгорания бензина, но и масло, ввиду чего окружающая среда подвергается крайне негативному влиянию. Поршневые двигатели не настолько вредные для экологии;
• про высокий расход топлива уже было сказано, но это касается не только бензина, но и масла. Такой двигатель съедает до литра на тысячу километров. Если забыть про масло, то можно столкнуться с необходимостью дорогого ремонта или вовсе замены мотора;
• высокая себестоимость. Требуются качественные дорогие материалы и высокотехнологичное оборудование.

У роторного двигателя достаточно недостатков, но и его конкурент не совершенный. Поэтому соревнование между ними длилось достаточно долго. Сейчас гонка окончена, но никто не может сказать, навсегда или нет.

Машины на РПД

Автомобили с таким типом двигателя используются по сей день.

Mazda RX 8

В Мазде не просто слепо верили в перспективу такого двигателя, они его постоянно совершенствовали. И делали это довольно успешно, им удалось добиться, чтобы двигатель объемом всего 1,3 литра выдавал мощность на 215 лошадиных сил. С таким же объемом был еще более мощный вариант — на 231 лошадку. Но продажи таких автомобилей начали падать, поэтому в конце 2011 года производить RX-8 перестали.

Ваз 2109-90

На момент создания возможности этого авто на роторном двигателе впечатляли. Его устанавливали на полицейские экипажи, чтобы они были быстрыми и мощными. Показатель мощности — 140 лошадиных сил, разгон до сотни километров в час составлял 8 секунд, максимальная скорость — две сотни километров в час. Такие машины не стали популярными, они обходились дорого и не были достаточно надежными. Их использование было выгодным только в виду высокий скоростных характеристик, они обгоняли любой советский автомобиль и многие иномарки.

Mercedes C111

Его презентовали в 1970 году, в него установлен роторный двигатель на три секции объемом 1,8 литра. Мощность — 280 лошадиных сил. Максимальная скорость — 275 километров в час, причем до первой сотни разгоняется за пять секунд.

Ваз 21019 Аркан

Если бегло глянуть на эту машину, то можно перепутать его с ВАЗом 21011. Если судить по тому, что внутри, то это скорее ВАЗ-411. Это роторный мотор из двух секций, благодаря которому авто может развивать мощность до 120 лошадок. Разогнаться он может до 160 километров в час, это в теории, на практики удавалось разогнать и до более высоких скоростей. В советские времена это был один из самых скоростных автомобилей, ни одна другая отечественная машина не могла его обогнать. Превзойти Аркан могли бы, пожалуй, только иностранные авто из спортивного класса, в которых все рассчитано на скорость.

Подведем итоги

Моторы роторно-поршневого типа превосходно показывают себя в гонках. У них есть для этого высокая мощность, большое количество оборотов. Немаловажно, что машины на нем очень легкие относительно других, так как двигатель меньше и легче. Ресурс двигателя для гонок — не самый важный показатель, как и прожорливость. Но в обычной жизни нельзя этого не учитывать.

Вне недостатки обусловлены строением и принципом работы роторно-поршневого двигателя. Их нельзя отнести к недоработкам, скорее, это особенности. Но в теории есть способ вновь начать пользоваться РПД. Для этого нужно сделать его более экологичным, повысить ресурс и сделать его более экономичным.