Двигатель Ванкеля — Мастерок.жж.рф — LiveJournal
Паровые машины и двигатели внутреннего сгорания обладают одним общим недостатком — возвратно-поступательное движение поршня должно быть преобразовано во вращательное движение колёс. Отсюда и заведомо низкий КПД, и высокая изнашиваемость элементов механизма. Многим хотелось построить двигатель внутреннего сгорания так, чтобы все подвижные части в нём только вращались — как это происходит в электромоторах.
Однако задача оказалась не простой, успешно решить её удалось только механику-самоучке, который за всю свою жизнь так и не получил ни высшего образования, ни даже рабочей специальности.
Феликс Генрих Ванкель (Felix Heinrich Wankel, 1902–1988) родился 13 августа 1902 года в небольшом немецком городке Лар. Во время Первой мировой войны погиб отец Феликса, из-за чего будущему изобретателю пришлось бросить гимназию и пойти работать учеником продавца в книжной лавке при издательстве. Благодаря этой работе Ванкель пристрастился к чтению книг, по которым он самостоятельно изучал технические дисциплины, механику и автомобилестроение.
Существует легенда, что решение задачи пришло семнадцатилетнему Феликсу во сне. Правда это или нет — неизвестно. Зато очевидно, что Феликс обладал весьма незаурядными способностями к механике и «незамыленным» взглядом на вещи. Он понял, как все четыре цикла работы обычного двигателя внутреннего сгорания (впрыск, сжатие, сгорание, выхлоп) можно осуществить при вращении.
Довольно быстро Ванкель пришёл к первой конструкции двигателя, и в 1924 году он организовал небольшую мастерскую, которая также служила и импровизированной «лабораторией». Здесь Феликс и начал проводить первые серьёзные исследования в области роторно-поршневых ДВС.
С 1921 года Ванкель был активным членом НСДАП. Он выступал за партийные идеалы, был основателем всегерманского военного юношеского объединения и юнгфюрером различных организаций. В 1932 году он вышел из партии, обвинив одного из своих бывших коллег в политической коррупции. Однако по встречному обвинению ему самому пришлось провести в тюрьме шесть месяцев. Освободившись из заключения благодаря заступничеству Вильгельма Кепплера (Wilhelm Keppler), он продолжил работы над двигателем. В 1934 он создал первый опытный образец и получил на него патент. Он сконструировал новые клапаны и камеры сгорания для своего мотора, создал несколько различных его вариантов, разработал классификацию кинематических схем различных роторно-поршневых машин.
В 1936 году прототип двигателя Ванкеля заинтересовал BMW — Феликс получил деньги и собственную лабораторию в Линдау для разработки опытных авиадвигателей.
Впрочем, до самого разгрома фашистской Германии ни один двигатель Ванкеля в серию не пошёл. Возможно, на доведение конструкции до ума и создания массового производства требовалось слишком много времени.
После войны лаборатория была закрыта, оборудование вывезено во Францию, а Феликс остался без работы (сказалось былое членство в национал-социалистической партии). Однако вскоре Ванкель всё же получил должность инженера-конструктора в компании NSU Motorenwerke AG, являющейся одним из старейших производителей мотоциклов и автомобилей.
В 1957 году совместными усилиями Феликса Ванкеля и ведущего инженера NSU Вальтера Фрёде (Walter Froede) роторно-поршневой двигатель впервые был установлен на автомобиль NSU Prinz. Первоначальная конструкция оказалась далека от совершенства: даже для замены свечей требовалось разбирать почти весь «движок», надёжность оставляла желать лучшего, а про экономичность на данном этапе разработки и вовсе говорить было грешно. В результате испытаний в серию пошёл всё же автомобиль с традиционным ДВС. Тем не менее первый роторно-поршневой двигатель DKM-54 доказал свою принципиальную работоспособность, открыл направления для дальнейшей доводки и продемонстрировал колоссальный потенциал «роторников».
Таким образом, новый тип ДВС получил, наконец, свою путёвку в жизнь. В дальнейшем его ждёт ещё немало усовершенствований и доработок. Но перспективы роторно-поршневого двигателя настолько привлекательны, что инженеров уже ничто не могло остановить в деле доведения конструкции до эксплуатационного совершенства.
Прежде чем разбирать достоинства и недостатки роторно-поршневых ДВС, стоит всё-таки подробней рассмотреть их конструкцию.
В центре ротора проделано круглое отверстие, изнутри покрытое зубцами как у шестерёнки. В это отверстие вставлен вращающийся вал меньшего диаметра, также с зубцами, что обеспечивает отсутствие проскальзывания между ним и ротором. Отношения диаметров отверстия и вала подобраны так, чтобы вершины треугольника двигались по одной и той же замкнутой кривой, которая называется «эпитрохоида», — искусство Ванкеля как инженера заключалось в том, чтобы сначала понять, что это возможно, а потом всё точно рассчитать. В итоге, поршень, имеющий форму треугольника Рело, отсекает в камере, повторяющей форму найденной Ванкелем кривой, три камеры переменного объёма и положения.
Конструкция роторно-поршневого ДВС позволяет реализовать любой четырехтактный цикл без применения специального механизма газораспределения. Благодаря этому факту «роторник» оказывается значительно проще обычного четырёхтактного поршневого двигателя, в котором в среднем почти на тысячу деталей больше.
Герметизация рабочих камер в роторно-поршневом ДВС обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к «цилиндру» ленточными пружинами, а также центробежными силами и давлением газа.
Ещё одна его техническая особенность — это высокая «производительность труда». За один полный оборот ротора (то есть за цикл «впрыск, сжатие, воспламенение, выхлоп»), выходной вал совершает три полных оборота. В обычном поршневом двигателе таких результатов можно добиться только используя шестицилиндровый ДВС.
После первой же успешной демонстрации роторного ДВС в 1957 году крупнейшие автогиганты стали проявлять к разработке повышенный интерес. Сначала лицензию на двигатель, получивший неформальное название «ванкель», купила корпорация Curtiss-Wright, через год, Daimler-Benz, MAN, Friedrich Krupp и Mazda. Всего за весьма короткий промежуток времени лицензии на новую технологию приобрели около ста компаний во всём мире, включая таких монстров как Rolls-Royce, Porsche, BMW и Ford.
К тому же «ванкель» почти в два раза компактней и легче традиционного поршневого ДВС, что в свою очередь улучшает управляемость автомобиля, облегчает оптимальное расположение трансмиссии и позволяет сделать более просторный и удобный салон.
Роторно-поршневой двигатель развивает высокую мощность при довольно скромном расходе топлива. Например, современный «ванкель» объёмом всего 1300 смі развивает мощность в 220 л.с., а с турбокомпрессором — все 350. Ещё один пример — миниатюрный двигатель OSMG 1400 весом 335 г (рабочий объем 5 смі) развивает мощность в 1,27 л.с. Фактически, эта кроха на 27% сильнее лошади.
Ещё одно важное преимущество — низкий уровень шумов и вибраций. Роторно-поршневой двигатель отлично уравновешен механически, кроме того масса движущихся частей (и их количество) в нём значительно меньше, благодаря чему «ванкель» работает гораздо тише и не вибрирует.
И, наконец, роторно-поршневой двигатель отличается великолепными динамическими характеристиками. На низкой передаче можно без особой нагрузки на движок разогнать автомобиль до 100 км/ч на высоких оборотах двигателя. Кроме того, сама конструкция «ванкеля» за счёт отсутствия механизма преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, способна выдержать большие обороты, чем традиционный ДВС.
После вышедшего в 1964 году NSU Spyder последовали легендарная модель NSU Ro 80 (в мире до сих пор существует множество клубов владельцев этих машин), Citroen M35 (1970), Mercedes C-111 (1969), Corvette XP (1973). Но единственным массовым производителем стала японская Mazda, выпускавшая с 1967 года порой по 2-3 новые модели с РПД. Роторные двигатели ставили на катера, снегоходы и легкие самолеты. Конец эйфории пришел в 1973 году, в разгар нефтяного кризиса. Тут-то и проявился основной недостаток роторных двигателей — неэкономичность. За исключением Mazda, все автопроизводители свернули роторные программы, а у японской компании продажи по Америке сократились со 104960 проданных машин в 1973 году до 61192 — в 1974-м.
В компании Mazda после приобретения лицензии на «ванкель» был сформирован целый отдел, занимавшийся усовершенствованием роторно-поршневого двигателя. Довольно скоро выяснилось, что при вращении треугольного ротора, заглушки на его вершинах начинают вибрировать, в результате чего и образуются «метки дьявола».
В настоящее время проблему надежности и долговечности окончательно решили, применив высококачественные износостойкие покрытия, в том числе керамические.
Другая серьезная проблема — повышенная токсичность выхлопа «ванкеля». По сравнению с обычным поршневым ДВС «роторник» выделяет в атмосферу меньше окислов азота, но гораздо больше углеводородов, за счёт неполного сгорания топлива. Довольно быстро инженеры Mazda, уверовавшие в блестящее будущее «ванкеля», нашли простое и эффективное решение и этой проблемы. Они создали так называемый термальный реактор, в котором остатки углеводородов в выхлопных газах просто «дожигались». Первым автомобилем, реализовавшим такую схему, стал Mazda R100, также называемый Familia Presto Rotary, выпущенный в 1968 году. Эта машина, одна из немногих, сразу прошла весьма жёсткие экологические требования, выдвинутые США в 1970 году для импортируемых авто.
Следующая проблема роторно-поршневых двигателей частично вытекает из предыдущей. Это экономичность. Расход топлива стандартного «ванкеля» из-за неполного сгорания смеси существенно выше, чем у стандартного ДВС. И снова инженеры Mazda принялись за работу. При помощи целого комплекса мер, включающих переработку термореактора и карбюратора, добавление теплообменника в выхлопную систему, разработку каталитического конвертера и внедрение новой системы зажигания, компания добилась снижения потребления топлива на 40%. В результате этого несомненного успеха в 1978 году был выпущен спортивный автомобиль Mazda RX-7.
Стоит отметить, что в это время во всём мире машины с роторно-поршневыми двигателями выпускала только Mazda и… АвтоВАЗ.
Именно в провальном 1974 году советское правительство создает на Волжском автозаводе специальное конструкторское бюро РПД (СКБ РПД) — социалистическая экономика непредсказуема. В Тольятти начались работы по строительству цехов для серийного производства «ванкелей». Поскольку ВАЗ изначально планировался как простой копировальщик западных технологий (в частности, фиатовских), заводскими специалистами было принято решение воспроизводить двигатель Mazda, напрочь откинув все десятилетние наработки отечественных двигателестроительных институтов.
Советские чиновники довольно долго вели переговоры с Феликсом Ванкелем на предмет покупки лицензий, причем некоторые из них проходили прямо в Москве. Денег, правда, не нашли, и поэтому воспользоваться некоторыми фирменными технологиями не удалось. В 1976 году заработал первый волжский односекционный двигатель ВАЗ-311 мощностью 65 л.с., еще пять лет ушло на доводку конструкции, после чего была выпущена опытная партия в 50 штук роторных «единичек» ВАЗ-21018, мгновенно разошедшихся среди работников ВАЗа. Тут же выяснилось, что двигатель только внешне напоминал японский — сыпаться он стал очень даже по-советски. Руководство завода было вынуждено за полгода заменить все двигатели на серийные поршневые, сократить на половину штат СКБ РПД и приостановить строительство цехов. Спасение отечественного роторного двигателестроения пришло от спецслужб: их не очень интересовал расход топлива и ресурс двигателя, зато сильно — динамические характеристики. Тут же из двух двигателей ВАЗ-311 был сделан двухсекционный РПД мощностью 120 л.с., который стал устанавливаться на «спецединичку» — ВАЗ-21019. Именно этой модели, получившей неофициальное название «Аркан», мы обязаны бесчисленным количеством баек про милицейские «Запорожцы», догоняющие навороченные «Мерседесы», а многие стражи порядка — орденами и медалями. До 90-х годов внешне непритязательный «Аркан» действительно легко догонял все машины. Помимо ВАЗ-21019 на АвтоВАЗе также выпускаются малые партии автомобилей ВАЗ-2105, -2107, -2108, -2109, -21099. Максимальная скорость роторной «восьмерки» составляет около 210 км/ч, а до сотни она разгоняется всего за 8 секунд.
Оживший на спецзаказах СКБ РПД стал делать двигатели для водного и автоспорта, где машины с роторными двигателями стали настолько часто завоевывать призовые места, что спортивные чиновники были вынуждены запретить применение РПД.
В 1987 году умер руководитель СКБ РПД Борис Поспелов и на общем собрании был выбран Владимир Шнякин — человек, пришедший в автомобилестроение из авиации и недолюбливающий наземный транспорт. Главным направлением СКБ РПД становится создание двигателей для авиации. Это была первая стратегическая ошибка: самолетов у нас выпускается несоизмеримо меньше автомобилей, а завод живет с проданных двигателей.
Второй ошибкой стала ориентация в сохранившемся производстве автомобильных РПД на маломощные двигатели ВАЗ-1185 в 42 л.с. для «Оки», хотя более прожорливые, но более динамичные роторные двигатели так и просятся на самые быстроходные отечественные машины — например, на «восьмерки». Те же японцы устанавливают «ванкели» только на спортивные модели. В итоге на российских дорогах оказалось всего несколько роторных микролитражек «Ока». В 1998 году был наконец-то подготовлен гражданский вариант двухцилиндрового роторного 1,3-литрового двигателя ВАЗ-415, который стали устанавливать на ВАЗ-2105, 2107, 2108 и 2109.
В мае 1998 г был омологирован кольцевой ВАЗ-110 «РПД-спорт» (190 л. с., 8500 об/мин, 960 кг, 240 км/ч). Увы, дальше одного-единственного образца, чаще демонстрируемого на выставках, чем стартующего в гонках, дело не пошло. 110-я была самой мощной в пелотоне, но откровенно сырая конструкция всякий раз не давала ей продемонстрировать весь свой потенциал. Однако обидней всего то, что на «ВАЗе» быстро охладели к роторному направлению, а уникальную «Ладу» переделали в ралли-кар с обычным ДВС.
Так почему же все ведущие производители автомобилей ещё не пересели на «ванкели»? Дело в том, что для производства роторно-поршневых двигателей требуется, во-первых, отточенная технология со множеством самых разнообразных нюансов и далеко не каждая компания готова пройти путь той же Mazda, попутно наступая на многочисленные «грабли». А во-вторых, нужны специальные высокоточные станки, способные вытачивать поверхности, описанные такой хитрой кривой как эпитрохоида.
Mazda RX-7 — это один из первых автомобилей, на котором ставился роторно-поршневой двигатель Ванкеля. За всю историю Mazda RX-7 было четыре поколения. Первое поколение с 1978 по 1985 год. Второе поколение — с 1985 по 1991. Третье поколение — с 1992 по 1999. Последнее, четвёртое поколение — с 1999 по 2002 год. Первое поколение RX-7 появилось в 1978 году. Оно имело среднемоторную компоновку и оснащалось роторным двигателем мощностью всего 130 л. с.
В настоящее время только Mazda занимается серьёзными исследованиями в области роторно-поршневых двигателей, постепенно совершенствуя их конструкцию, и большая часть подводных камней в этой области уже пройдена. «Ванкели» вполне соответствуют мировым стандартам по уровню токсичности выхлопа, потреблению топлива и надёжности. Для современных станков поверхности описанные эпитрохоидой не являются проблемой (как не являются проблемой и куда более сложные кривые), новые конструкционные материалы позволяют увеличить срок службы роторно-поршневого двигателя, а его стоимость уже сейчас оказывается ниже, чем у стандартного ДВС за счёт меньшего количества используемых деталей.
Как и NSU, Mazda в 60-е гг. была небольшой компанией с ограниченными техническими и финансовыми ресурсами. Основу ее модельного ряда составляли развозные грузовички да семейные малолитражки. Поэтому нет ничего удивительного, что спорт-купеMazda 110S Cosmo (982 см куб., 110 л. с., 185 км/ч) создавалось более 6 лет и оказалось весьма капризным и дорогим. Да и подпорченная NSU Ro80 репутация не способствовала ажиотажу (в 1967–1972 гг. нашли своих владельцев только 1175 «космосов»), но мировой интерес к 110S способствовал увеличению продаж всей остальной продукции фирмы!
Чтобы доказать, что РПД столь же надежен (его превосходство в мощности уже стало для всех очевидным), Mazda чуть ли не впервые в жизни приняла участие в соревнованиях, причем выбрала самую трудную и продолжительную гонку – 84-часовой Marathon De La Route, проходивший на Нюрбургринге. Как экипажу из Бельгии удалось занять 4-е место (вторая машина сошла с дистанции за три часа до финиша из-за заклинивших тормозов), уступив только «выросшим» на «Нордшляйфе» Porsche 911, похоже, так и останется загадкой.
Мастерская Ванкеля в Линдау
Хотя с тех пор японские «роторники» стали завсегдатаями гоночных трасс, крупного успеха в Европе им пришлось ждать 16 лет. В 1984-м британцы на RX-7 выиграли престижную суточную гонку в Спа-Франкошамп. А вот в США, на главном рынке «семерки», ее гоночная карьера складывалась куда успешнее: с момента дебюта в чемпионате IMSA GT в 1978 году и по 1992-й она выиграла в своем классе более сотни этапов, причем с 1982 по 1992 гг. первенствовала в главной гонке серии – 24 hours of Daytona.
В ралли у «Мазд» все шло не так гладко. Как это часто бывало с японскими командами (Toyota, Datsun, Mitsubishi), они выступали только на отдельных этапах раллийного чемпионата мира (Новая Зеландия, Великобритания, Греция, Швеция), интересующих в первую очередь маркетинговые отделы концернов. Национальных титулов хватало: так, в 1975–1980 гг. Род Миллен выиграл целых пять в Новой Зеландии и США. А вот в WRC успехи были исключительно локальными: лучшее, что показали RX-7, – 3-е и 6-е места в греческом «Акрополисе» 1985 года.
Ну а самым громким успехом Mazda вообще и РПД в частности стала победа ее спортпрототипа 787B (2612 см куб., 700 л. с., 607 Нм, 377 км/ч) в Ле Мане в 1991 году. Причем одолеть заводскиеPorsche, Peugeot и Jaguar помогли не только быстрые пилоты и конкурентоспособная техника: свою роль сыграла и настойчивость японских менеджеров, регулярно «выбивавших» для роторников всевозможные послабления в регламенте. Так, накануне победы 787-го организаторы гонки согласились компенсировать прожорливость «роторников» 170-килограммовым (830 против 1000) снижением массы. Парадокс заключался в том, что, в отличие от бензиновых моторов, «аппетит» РПД при дальнейшей форсировке рос куда более скромными темпами, чем у обычных поршневых моторов, и 787-й оказался экономичней своих основных конкурентов!
Это был шок. Mercedes, который журнал Stern за консерватизм называл не иначе как «производитель авто для 50-летних господ в шляпах», в 1969 году презентовал супер-кар, поражавший воображение даже цветом. Вызывающая ярко-оранжевая окраска, подчеркнуто клиновидная форма, среднемоторная компоновка, двери «крыло чайки» и сверхмощный трехсекционный РПД (3600 см куб., 280 л. с., 260 км/час) – для консервативного Mercedes это было нечто!
А поскольку в компании не строили концептов, все считали, что у С111 только один путь: мелкосерийная (омологационная) сборка и большое гоночное будущее, ведь с 1966 года ФИА допустила РПД к официальным соревнованиям. И в штаб-квартиру Mercedes посыпались чеки с просьбой вписать нужную сумму за право обладать С111. Штутгартцы же еще больше подогрели интерес к «эске», в 1970 г. представив вторую генерацию купе с еще более фантастическим дизайном, 4-секционным ротором и умопомрачительными характеристиками (4800 см куб., 350 л. с., 300 км/час). Для доводки Mercedes построил пять макетов, которые дневали и ночевали на Хокенхаймринге и Нюрбургринге, готовясь установить серию рекордов скорости. Пресса смаковала предстоящую «битву титанов» между роторным Mercedes, атмосферным Ferrari и наддувным Porsche в чемпионате мира по гонкам на выносливость. Увы, возвращение в большой спорт не состоялось. Во-первых, С111 был очень дорогим даже для Mercedes, во- вторых, немцы не могли пустить в продажу столь сырую конструкцию. А после карибского нефтяного кризиса они вообще прикрыли проект, сосредоточившись на дизельных двигателях. Ими и оборудовали последние версии C111, установившие несколько мировых рекордов.
Не имеющий законченного технического образования, под конец жизни Феликс Ванкель достиг мирового признания в области двигателестроения и уплотнительной техники, завоевав массу наград и титулов. Его именем названы улицы и площади немецких городов (Felix-Wankel-Strasse, Felix-Wankel-Ring). Помимо двигателей, Ванкель разработал новую концепцию скоростных судов и самостоятельно построил несколько лодок.
Самое интересное, что роторный двигатель, который сделал его миллионером и принес ему всемирную славу, Ванкель не любил, считая его «гадким утенком». Реальные работающие РПД были сделаны по так называемой «концепции ККМ», предусматривающей планетарное вращение ротора и требующей введения внешних противовесов. Немалую роль сыграл и тот факт, что эту схему предложил не Ванкель, а инженер NSU Вальтер Фройде. Сам же Ванкель до последних дней считал идеальной схему двигателя «с вращающимися поршнями без неравномерно вращающихся частей» (Drehkolbenmasine — DKM), концептуально гораздо более красивую, но технически сложную, требующую, в частности, установки свечей зажигания на вращающемся роторе. Тем не менее, роторные двигатели во всем мире связывают именно с именем Ванкеля, поскольку все, кто близко знал изобрателя, в один голос утверждают, что что без неуемной энергии немецкого инженера мир так и не увидел бы этого удивительного устройства. Фелик Ванкель ушел из жизни в 1988 году.
Любопытна история с Mercedes 350 SL. Ванкель очень хотел иметь роторный Mercedes С-111. Но фирма Mercedes не пошла ему навстречу. Тогда изобретатель взял серийный 350 SL, выкинул оттуда «родной» двигатель и установил ротор от С-111, который был легче прежнего 8-цилиндрового на 60 кг, но развивал существенно большую мощность (320 л.с. при 6500 об/мин). В 1972 году, когда инженерный гений закончил работу над своим очередным чудом, он мог бы сидеть за рулем самого быстрого на тот момент «Мерседеса» SL-класса. Ирония заключалась в том, что водительские права Ванкель до конца жизни так и не получил.
Возрождением интереса к РПД мы обязаны новому двигателю Mazda Renesis (от RE — Rotary Engine — и Genesis). За прошедшее десятилетие японским инженерам удалось решить все основные проблемы РПД — токсичность выхлопа и неэкономичность. По сравнению с предшественником, удалось сократить потребление масла на 50%, бензина на 40% и довести выброс вредных окисей до норм, соответствующих Euro IV. Двухцилиндровый двигатель объемом всего 1,3 л выдает мощность в 250 л.с. и занимает гораздо меньше места в двигательном отсеке.
Специально под новый двигатель был разработан автомобиль Mazda RX-8, который, по словам брэнд-менеджера Mazda Motor Europe Мартина Бринка, создавался по новой концепции — автомобиль «строился» вокруг двигателя. В итоге развесовка по осям RX-8 идеальна — 50 на 50. Использование уникальной формы и маленьких размеров двигателя позволило поместить центр тяжести очень низко. «RX-8 не явяляется гоночным монстром, но это лучшая в управлении машина, которую я когда-либо водил», — с восторгом рассказывал Popular Mechanics Мартин Бринк.
Бочка меда…
Вне всяких сомнений, с первого взгляда роторно-поршневой двигатель имеет массу преимуществ перед традиционными двигателями внутреннего сгорания:
— Меньшим на 30-40% количеством деталей;
— Меньшими в 2-3 раза габаритами и массой, по сравнению с соответствующим по мощности стандартным ДВС;
— Плавная характеристика крутящего момента во всем диапазоне оборотов;
— Отсутствие кривошипно-шатунного механизма, а, следовательно, гораздо меньший уровень вибрации и шума;
— Высокий уровень оборотов (до 15000 об/мин!).
Ложка дегтя…
Казалось бы, если «Ванкель» имеет такие превосходства над поршневым двигателем, то кому нужны эти громоздкие, тяжелые, гремящие и вибрирующие поршневые двигатели? Но, как это часто бывает, на практике все далеко не так шоколадно. Ни одно гениальное изобретение, выйдя за порог лаборатории, отправлялось в корзину с пометкой «для мусора». Серийное производство нашло не на один камень, а на целую россыпь гранита:
— Отработка процесса сгорания в камере неблагоприятной формы;
— Обеспечение герметичности уплотнений;
— Обеспечение работы без коробления корпуса в условиях неравномерного нагрева;
— Низкий термический КПД ввиду того, что камера сгорания РПД намного больше, чем у традиционного ДВС;
— Высокий расход топлива;
— Высокая токсичность газообразных продуктов сгорания;
— Узкая зона температур для работы РПД: при низких температурах мощность двигателя резко падает, при высоких — быстрый износ уплотнений ротора.
И чего же больше? Плюсов, или минусов? Стоит ли овчинка выделки? Имеет ли смысл (если не больше — возможность) осваивать серийное производство РПД?
[источники]
источники
http://www.cars-area.ru/cgi/anons?menu_item=anons&anons_id=89
http://c400.ru/index.php?newsid=9671
http://moole.ru/blog/midnight/news/39066-motor-vankelja.html
Роторно-поршневой двигатель Ванкеля (15 фото+3 видео)
Паровые машины и двигатели внутреннего сгорания обладают одним общим недостатком — возвратно-поступательное движение поршня должно быть преобразовано во вращательное движение колёс. Отсюда и заведомо низкий КПД, и высокая изнашиваемость элементов механизма. Многим хотелось построить двигатель внутреннего сгорания так, чтобы все подвижные части в нём только вращались — как это происходит в электромоторах.
Однако задача оказалась не простой, успешно решить её удалось только механику-самоучке, который за всю свою жизнь так и не получил ни высшего образования, ни даже рабочей специальности.
Феликс Генрих Ванкель (Felix Heinrich Wankel, 1902–1988) родился 13 августа 1902 года в небольшом немецком городке Лар. Во время Первой мировой войны погиб отец Феликса, из-за чего будущему изобретателю пришлось бросить гимназию и пойти работать учеником продавца в книжной лавке при издательстве. Благодаря этой работе Ванкель пристрастился к чтению книг, по которым он самостоятельно изучал технические дисциплины, механику и автомобилестроение.
Существует легенда, что решение задачи пришло семнадцатилетнему Феликсу во сне. Правда это или нет — неизвестно. Зато очевидно, что Феликс обладал весьма незаурядными способностями к механике и «незамыленным» взглядом на вещи. Он понял, как все четыре цикла работы обычного двигателя внутреннего сгорания (впрыск, сжатие, сгорание, выхлоп) можно осуществить при вращении.
Довольно быстро Ванкель пришёл к первой конструкции двигателя, и в 1924 году он организовал небольшую мастерскую, которая также служила и импровизированной «лабораторией». Здесь Феликс и начал проводить первые серьёзные исследования в области роторно-поршневых ДВС.
С 1921 года Ванкель был активным членом НСДАП. Он выступал за партийные идеалы, был основателем всегерманского военного юношеского объединения и юнгфюрером различных организаций. В 1932 году он вышел из партии, обвинив одного из своих бывших коллег в политической коррупции. Однако по встречному обвинению ему самому пришлось провести в тюрьме шесть месяцев. Освободившись из заключения благодаря заступничеству Вильгельма Кепплера (Wilhelm Keppler), он продолжил работы над двигателем. В 1934 он создал первый опытный образец и получил на него патент. Он сконструировал новые клапаны и камеры сгорания для своего мотора, создал несколько различных его вариантов, разработал классификацию кинематических схем различных роторно-поршневых машин.
В 1936 году прототип двигателя Ванкеля заинтересовал BMW — Феликс получил деньги и собственную лабораторию в Линдау для разработки опытных авиадвигателей.
Впрочем, до самого разгрома фашистской Германии ни один двигатель Ванкеля в серию не пошёл. Возможно, на доведение конструкции до ума и создания массового производства требовалось слишком много времени.
После войны лаборатория была закрыта, оборудование вывезено во Францию, а Феликс остался без работы (сказалось былое членство в национал-социалистической партии). Однако вскоре Ванкель всё же получил должность инженера-конструктора в компании NSU Motorenwerke AG, являющейся одним из старейших производителей мотоциклов и автомобилей.
В 1957 году совместными усилиями Феликса Ванкеля и ведущего инженера NSU Вальтера Фрёде (Walter Froede) роторно-поршневой двигатель впервые был установлен на автомобиль NSU Prinz. Первоначальная конструкция оказалась далека от совершенства: даже для замены свечей требовалось разбирать почти весь «движок», надёжность оставляла желать лучшего, а про экономичность на данном этапе разработки и вовсе говорить было грешно. В результате испытаний в серию пошёл всё же автомобиль с традиционным ДВС. Тем не менее первый роторно-поршневой двигатель DKM-54 доказал свою принципиальную работоспособность, открыл направления для дальнейшей доводки и продемонстрировал колоссальный потенциал «роторников».
Таким образом, новый тип ДВС получил, наконец, свою путёвку в жизнь. В дальнейшем его ждёт ещё немало усовершенствований и доработок. Но перспективы роторно-поршневого двигателя настолько привлекательны, что инженеров уже ничто не могло остановить в деле доведения конструкции до эксплуатационного совершенства.
Прежде чем разбирать достоинства и недостатки роторно-поршневых ДВС, стоит всё-таки подробней рассмотреть их конструкцию.
В центре ротора проделано круглое отверстие, изнутри покрытое зубцами как у шестерёнки. В это отверстие вставлен вращающийся вал меньшего диаметра, также с зубцами, что обеспечивает отсутствие проскальзывания между ним и ротором. Отношения диаметров отверстия и вала подобраны так, чтобы вершины треугольника двигались по одной и той же замкнутой кривой, которая называется «эпитрохоида», — искусство Ванкеля как инженера заключалось в том, чтобы сначала понять, что это возможно, а потом всё точно рассчитать. В итоге, поршень, имеющий форму треугольника Рело, отсекает в камере, повторяющей форму найденной Ванкелем кривой, три камеры переменного объёма и положения.
Конструкция роторно-поршневого ДВС позволяет реализовать любой четырехтактный цикл без применения специального механизма газораспределения. Благодаря этому факту «роторник» оказывается значительно проще обычного четырёхтактного поршневого двигателя, в котором в среднем почти на тысячу деталей больше.
Герметизация рабочих камер в роторно-поршневом ДВС обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к «цилиндру» ленточными пружинами, а также центробежными силами и давлением газа.
Ещё одна его техническая особенность — это высокая «производительность труда». За один полный оборот ротора (то есть за цикл «впрыск, сжатие, воспламенение, выхлоп»), выходной вал совершает три полных оборота. В обычном поршневом двигателе таких результатов можно добиться только используя шестицилиндровый ДВС.
После первой же успешной демонстрации роторного ДВС в 1957 году крупнейшие автогиганты стали проявлять к разработке повышенный интерес. Сначала лицензию на двигатель, получивший неформальное название «ванкель», купила корпорация Curtiss-Wright, через год, Daimler-Benz, MAN, Friedrich Krupp и Mazda. Всего за весьма короткий промежуток времени лицензии на новую технологию приобрели около ста компаний во всём мире, включая таких монстров как Rolls-Royce, Porsche, BMW и Ford.Такой интерес к «ванкелю» столь крупных игроков автомобильного рынка объясняется его большим потенциалом и значительными достоинствами — в роторно-поршневом двигателе на 40% меньше деталей, он проще в ремонте и производстве.
К тому же «ванкель» почти в два раза компактней и легче традиционного поршневого ДВС, что в свою очередь улучшает управляемость автомобиля, облегчает оптимальное расположение трансмиссии и позволяет сделать более просторный и удобный салон.
Картинка кликабельна:
Роторно-поршневой двигатель развивает высокую мощность при довольно скромном расходе топлива. Например, современный «ванкель» объёмом всего 1300 смі развивает мощность в 220 л.с., а с турбокомпрессором — все 350. Ещё один пример — миниатюрный двигатель OSMG 1400 весом 335 г (рабочий объем 5 смі) развивает мощность в 1,27 л.с. Фактически, эта кроха на 27% сильнее лошади.
Ещё одно важное преимущество — низкий уровень шумов и вибраций. Роторно-поршневой двигатель отлично уравновешен механически, кроме того масса движущихся частей (и их количество) в нём значительно меньше, благодаря чему «ванкель» работает гораздо тише и не вибрирует.
И, наконец, роторно-поршневой двигатель отличается великолепными динамическими характеристиками. На низкой передаче можно без особой нагрузки на движок разогнать автомобиль до 100 км/ч на высоких оборотах двигателя. Кроме того, сама конструкция «ванкеля» за счёт отсутствия механизма преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, способна выдержать большие обороты, чем традиционный ДВС.
После вышедшего в 1964 году NSU Spyder последовали легендарная модель NSU Ro 80 (в мире до сих пор существует множество клубов владельцев этих машин), Citroen M35 (1970), Mercedes C-111 (1969), Corvette XP (1973). Но единственным массовым производителем стала японская Mazda, выпускавшая с 1967 года порой по 2-3 новые модели с РПД. Роторные двигатели ставили на катера, снегоходы и легкие самолеты. Конец эйфории пришел в 1973 году, в разгар нефтяного кризиса. Тут-то и проявился основной недостаток роторных двигателей — неэкономичность. За исключением Mazda, все автопроизводители свернули роторные программы, а у японской компании продажи по Америке сократились со 104960 проданных машин в 1973 году до 61192 — в 1974-м. Наряду с неоспоримыми достоинствами, «ванкель» также обладал и целым рядом очень серьёзных недостатков. Во-первых, долговечность. Один из первых прототипов роторно-поршневых двигателей на испытаниях выработал свой ресурс всего за два часа. Следующий, более успешный DKM-54 уже выдержал сто часов, но этого для нормальной эксплуатации автомобиля всё равно было недостаточно. Основная проблема крылась в неравномерном износе внутренней поверхности рабочей камеры. На ней в процессе эксплуатации появлялись поперечные борозды, которые получили говорящее имя «метки дьявола».
В компании Mazda после приобретения лицензии на «ванкель» был сформирован целый отдел, занимавшийся усовершенствованием роторно-поршневого двигателя. Довольно скоро выяснилось, что при вращении треугольного ротора, заглушки на его вершинах начинают вибрировать, в результате чего и образуются «метки дьявола».
В настоящее время проблему надежности и долговечности окончательно решили, применив высококачественные износостойкие покрытия, в том числе керамические.
Другая серьезная проблема — повышенная токсичность выхлопа «ванкеля». По сравнению с обычным поршневым ДВС «роторник» выделяет в атмосферу меньше окислов азота, но гораздо больше углеводородов, за счёт неполного сгорания топлива. Довольно быстро инженеры Mazda, уверовавшие в блестящее будущее «ванкеля», нашли простое и эффективное решение и этой проблемы. Они создали так называемый термальный реактор, в котором остатки углеводородов в выхлопных газах просто «дожигались». Первым автомобилем, реализовавшим такую схему, стал Mazda R100, также называемый Familia Presto Rotary, выпущенный в 1968 году. Эта машина, одна из немногих, сразу прошла весьма жёсткие экологические требования, выдвинутые США в 1970 году для импортируемых авто.
Следующая проблема роторно-поршневых двигателей частично вытекает из предыдущей. Это экономичность. Расход топлива стандартного «ванкеля» из-за неполного сгорания смеси существенно выше, чем у стандартного ДВС. И снова инженеры Mazda принялись за работу. При помощи целого комплекса мер, включающих переработку термореактора и карбюратора, добавление теплообменника в выхлопную систему, разработку каталитического конвертера и внедрение новой системы зажигания, компания добилась снижения потребления топлива на 40%. В результате этого несомненного успеха в 1978 году был выпущен спортивный автомобиль Mazda RX-7.
Стоит отметить, что в это время во всём мире машины с роторно-поршневыми двигателями выпускала только Mazda и… АвтоВАЗ.
Именно в провальном 1974 году советское правительство создает на Волжском автозаводе специальное конструкторское бюро РПД (СКБ РПД) — социалистическая экономика непредсказуема. В Тольятти начались работы по строительству цехов для серийного производства «ванкелей». Поскольку ВАЗ изначально планировался как простой копировальщик западных технологий (в частности, фиатовских), заводскими специалистами было принято решение воспроизводить двигатель Mazda, напрочь откинув все десятилетние наработки отечественных двигателестроительных институтов.
Советские чиновники довольно долго вели переговоры с Феликсом Ванкелем на предмет покупки лицензий, причем некоторые из них проходили прямо в Москве. Денег, правда, не нашли, и поэтому воспользоваться некоторыми фирменными технологиями не удалось. В 1976 году заработал первый волжский односекционный двигатель ВАЗ-311 мощностью 65 л.с., еще пять лет ушло на доводку конструкции, после чего была выпущена опытная партия в 50 штук роторных «единичек» ВАЗ-21018, мгновенно разошедшихся среди работников ВАЗа. Тут же выяснилось, что двигатель только внешне напоминал японский — сыпаться он стал очень даже по-советски. Руководство завода было вынуждено за полгода заменить все двигатели на серийные поршневые, сократить на половину штат СКБ РПД и приостановить строительство цехов. Спасение отечественного роторного двигателестроения пришло от спецслужб: их не очень интересовал расход топлива и ресурс двигателя, зато сильно — динамические характеристики. Тут же из двух двигателей ВАЗ-311 был сделан двухсекционный РПД мощностью 120 л.с., который стал устанавливаться на «спецединичку» — ВАЗ-21019. Именно этой модели, получившей неофициальное название «Аркан», мы обязаны бесчисленным количеством баек про милицейские «Запорожцы», догоняющие навороченные «Мерседесы», а многие стражи порядка — орденами и медалями. До 90-х годов внешне непритязательный «Аркан» действительно легко догонял все машины. Помимо ВАЗ-21019 на АвтоВАЗе также выпускаются малые партии автомобилей ВАЗ-2105, -2107, -2108, -2109, -21099. Максимальная скорость роторной «восьмерки» составляет около 210 км/ч, а до сотни она разгоняется всего за 8 секунд.
Оживший на спецзаказах СКБ РПД стал делать двигатели для водного и автоспорта, где машины с роторными двигателями стали настолько часто завоевывать призовые места, что спортивные чиновники были вынуждены запретить применение РПД.
В 1987 году умер руководитель СКБ РПД Борис Поспелов и на общем собрании был выбран Владимир Шнякин — человек, пришедший в автомобилестроение из авиации и недолюбливающий наземный транспорт. Главным направлением СКБ РПД становится создание двигателей для авиации. Это была первая стратегическая ошибка: самолетов у нас выпускается несоизмеримо меньше автомобилей, а завод живет с проданных двигателей.
Второй ошибкой стала ориентация в сохранившемся производстве автомобильных РПД на маломощные двигатели ВАЗ-1185 в 42 л.с. для «Оки», хотя более прожорливые, но более динамичные роторные двигатели так и просятся на самые быстроходные отечественные машины — например, на «восьмерки». Те же японцы устанавливают «ванкели» только на спортивные модели. В итоге на российских дорогах оказалось всего несколько роторных микролитражек «Ока». В 1998 году был наконец-то подготовлен гражданский вариант двухцилиндрового роторного 1,3-литрового двигателя ВАЗ-415, который стали устанавливать на ВАЗ-2105, 2107, 2108 и 2109.
В мае 1998 г был омологирован кольцевой ВАЗ-110 «РПД-спорт» (190 л. с., 8500 об/мин, 960 кг, 240 км/ч). Увы, дальше одного-единственного образца, чаще демонстрируемого на выставках, чем стартующего в гонках, дело не пошло. 110-я была самой мощной в пелотоне, но откровенно сырая конструкция всякий раз не давала ей продемонстрировать весь свой потенциал. Однако обидней всего то, что на «ВАЗе» быстро охладели к роторному направлению, а уникальную «Ладу» переделали в ралли-кар с обычным ДВС.
Так почему же все ведущие производители автомобилей ещё не пересели на «ванкели»? Дело в том, что для производства роторно-поршневых двигателей требуется, во-первых, отточенная технология со множеством самых разнообразных нюансов и далеко не каждая компания готова пройти путь той же Mazda, попутно наступая на многочисленные «грабли». А во-вторых, нужны специальные высокоточные станки, способные вытачивать поверхности, описанные такой хитрой кривой как эпитрохоида.
Mazda RX-7 — это один из первых автомобилей, на котором ставился роторно-поршневой двигатель Ванкеля. За всю историю Mazda RX-7 было четыре поколения. Первое поколение с 1978 по 1985 год. Второе поколение — с 1985 по 1991. Третье поколение — с 1992 по 1999. Последнее, четвёртое поколение — с 1999 по 2002 год. Первое поколение RX-7 появилось в 1978 году. Оно имело среднемоторную компоновку и оснащалось роторным двигателем мощностью всего 130 л. с.
В настоящее время только Mazda занимается серьёзными исследованиями в области роторно-поршневых двигателей, постепенно совершенствуя их конструкцию, и большая часть подводных камней в этой области уже пройдена. «Ванкели» вполне соответствуют мировым стандартам по уровню токсичности выхлопа, потреблению топлива и надёжности. Для современных станков поверхности описанные эпитрохоидой не являются проблемой (как не являются проблемой и куда более сложные кривые), новые конструкционные материалы позволяют увеличить срок службы роторно-поршневого двигателя, а его стоимость уже сейчас оказывается ниже, чем у стандартного ДВС за счёт меньшего количества используемых деталей.
Как и NSU, Mazda в 60-е гг. была небольшой компанией с ограниченными техническими и финансовыми ресурсами. Основу ее модельного ряда составляли развозные грузовички да семейные малолитражки. Поэтому нет ничего удивительного, что спорт-купеMazda 110S Cosmo (982 см куб., 110 л. с., 185 км/ч) создавалось более 6 лет и оказалось весьма капризным и дорогим. Да и подпорченная NSU Ro80 репутация не способствовала ажиотажу (в 1967–1972 гг. нашли своих владельцев только 1175 «космосов»), но мировой интерес к 110S способствовал увеличению продаж всей остальной продукции фирмы!
Чтобы доказать, что РПД столь же надежен (его превосходство в мощности уже стало для всех очевидным), Mazda чуть ли не впервые в жизни приняла участие в соревнованиях, причем выбрала самую трудную и продолжительную гонку – 84-часовой Marathon De La Route, проходивший на Нюрбургринге. Как экипажу из Бельгии удалось занять 4-е место (вторая машина сошла с дистанции за три часа до финиша из-за заклинивших тормозов), уступив только «выросшим» на «Нордшляйфе» Porsche 911, похоже, так и останется загадкой.
Мастерская Ванкеля в Линдау
Хотя с тех пор японские «роторники» стали завсегдатаями гоночных трасс, крупного успеха в Европе им пришлось ждать 16 лет. В 1984-м британцы на RX-7 выиграли престижную суточную гонку в Спа-Франкошамп. А вот в США, на главном рынке «семерки», ее гоночная карьера складывалась куда успешнее: с момента дебюта в чемпионате IMSA GT в 1978 году и по 1992-й она выиграла в своем классе более сотни этапов, причем с 1982 по 1992 гг. первенствовала в главной гонке серии – 24 hours of Daytona.
В ралли у «Мазд» все шло не так гладко. Как это часто бывало с японскими командами (Toyota, Datsun, Mitsubishi), они выступали только на отдельных этапах раллийного чемпионата мира (Новая Зеландия, Великобритания, Греция, Швеция), интересующих в первую очередь маркетинговые отделы концернов. Национальных титулов хватало: так, в 1975–1980 гг. Род Миллен выиграл целых пять в Новой Зеландии и США. А вот в WRC успехи были исключительно локальными: лучшее, что показали RX-7, – 3-е и 6-е места в греческом «Акрополисе» 1985 года.
Ну а самым громким успехом Mazda вообще и РПД в частности стала победа ее спортпрототипа 787B (2612 см куб., 700 л. с., 607 Нм, 377 км/ч) в Ле Мане в 1991 году. Причем одолеть заводскиеPorsche, Peugeot и Jaguar помогли не только быстрые пилоты и конкурентоспособная техника: свою роль сыграла и настойчивость японских менеджеров, регулярно «выбивавших» для роторников всевозможные послабления в регламенте. Так, накануне победы 787-го организаторы гонки согласились компенсировать прожорливость «роторников» 170-килограммовым (830 против 1000) снижением массы. Парадокс заключался в том, что, в отличие от бензиновых моторов, «аппетит» РПД при дальнейшей форсировке рос куда более скромными темпами, чем у обычных поршневых моторов, и 787-й оказался экономичней своих основных конкурентов!
Это был шок. Mercedes, который журнал Stern за консерватизм называл не иначе как «производитель авто для 50-летних господ в шляпах», в 1969 году презентовал супер-кар, поражавший воображение даже цветом. Вызывающая ярко-оранжевая окраска, подчеркнуто клиновидная форма, среднемоторная компоновка, двери «крыло чайки» и сверхмощный трехсекционный РПД (3600 см куб., 280 л. с., 260 км/час) – для консервативного Mercedes это было нечто!
А поскольку в компании не строили концептов, все считали, что у С111 только один путь: мелкосерийная (омологационная) сборка и большое гоночное будущее, ведь с 1966 года ФИА допустила РПД к официальным соревнованиям. И в штаб-квартиру Mercedes посыпались чеки с просьбой вписать нужную сумму за право обладать С111. Штутгартцы же еще больше подогрели интерес к «эске», в 1970 г. представив вторую генерацию купе с еще более фантастическим дизайном, 4-секционным ротором и умопомрачительными характеристиками (4800 см куб., 350 л. с., 300 км/час). Для доводки Mercedes построил пять макетов, которые дневали и ночевали на Хокенхаймринге и Нюрбургринге, готовясь установить серию рекордов скорости. Пресса смаковала предстоящую «битву титанов» между роторным Mercedes, атмосферным Ferrari и наддувным Porsche в чемпионате мира по гонкам на выносливость. Увы, возвращение в большой спорт не состоялось. Во-первых, С111 был очень дорогим даже для Mercedes, во- вторых, немцы не могли пустить в продажу столь сырую конструкцию. А после карибского нефтяного кризиса они вообще прикрыли проект, сосредоточившись на дизельных двигателях. Ими и оборудовали последние версии C111, установившие несколько мировых рекордов.
Не имеющий законченного технического образования, под конец жизни Феликс Ванкель достиг мирового признания в области двигателестроения и уплотнительной техники, завоевав массу наград и титулов. Его именем названы улицы и площади немецких городов (Felix-Wankel-Strasse, Felix-Wankel-Ring). Помимо двигателей, Ванкель разработал новую концепцию скоростных судов и самостоятельно построил несколько лодок.
Самое интересное, что роторный двигатель, который сделал его миллионером и принес ему всемирную славу, Ванкель не любил, считая его «гадким утенком». Реальные работающие РПД были сделаны по так называемой «концепции ККМ», предусматривающей планетарное вращение ротора и требующей введения внешних противовесов. Немалую роль сыграл и тот факт, что эту схему предложил не Ванкель, а инженер NSU Вальтер Фройде. Сам же Ванкель до последних дней считал идеальной схему двигателя «с вращающимися поршнями без неравномерно вращающихся частей» (Drehkolbenmasine — DKM), концептуально гораздо более красивую, но технически сложную, требующую, в частности, установки свечей зажигания на вращающемся роторе. Тем не менее, роторные двигатели во всем мире связывают именно с именем Ванкеля, поскольку все, кто близко знал изобрателя, в один голос утверждают, что что без неуемной энергии немецкого инженера мир так и не увидел бы этого удивительного устройства. Фелик Ванкель ушел из жизни в 1988 году.
Любопытна история с Mercedes 350 SL. Ванкель очень хотел иметь роторный Mercedes С-111. Но фирма Mercedes не пошла ему навстречу. Тогда изобретатель взял серийный 350 SL, выкинул оттуда «родной» двигатель и установил ротор от С-111, который был легче прежнего 8-цилиндрового на 60 кг, но развивал существенно большую мощность (320 л.с. при 6500 об/мин). В 1972 году, когда инженерный гений закончил работу над своим очередным чудом, он мог бы сидеть за рулем самого быстрого на тот момент «Мерседеса» SL-класса. Ирония заключалась в том, что водительские права Ванкель до конца жизни так и не получил.
Возрождением интереса к РПД мы обязаны новому двигателю Mazda Renesis (от RE — Rotary Engine — и Genesis). За прошедшее десятилетие японским инженерам удалось решить все основные проблемы РПД — токсичность выхлопа и неэкономичность. По сравнению с предшественником, удалось сократить потребление масла на 50%, бензина на 40% и довести выброс вредных окисей до норм, соответствующих Euro IV. Двухцилиндровый двигатель объемом всего 1,3 л выдает мощность в 250 л.с. и занимает гораздо меньше места в двигательном отсеке.
Специально под новый двигатель был разработан автомобиль Mazda RX-8, который, по словам брэнд-менеджера Mazda Motor Europe Мартина Бринка, создавался по новой концепции — автомобиль «строился» вокруг двигателя. В итоге развесовка по осям RX-8 идеальна — 50 на 50. Использование уникальной формы и маленьких размеров двигателя позволило поместить центр тяжести очень низко. «RX-8 не явяляется гоночным монстром, но это лучшая в управлении машина, которую я когда-либо водил», — с восторгом рассказывал Popular Mechanics Мартин Бринк.
Бочка меда…
Вне всяких сомнений, с первого взгляда роторно-поршневой двигатель имеет массу преимуществ перед традиционными двигателями внутреннего сгорания:
— Меньшим на 30-40% количеством деталей;
— Меньшими в 2-3 раза габаритами и массой, по сравнению с соответствующим по мощности стандартным ДВС;
— Плавная характеристика крутящего момента во всем диапазоне оборотов;
— Отсутствие кривошипно-шатунного механизма, а, следовательно, гораздо меньший уровень вибрации и шума;
— Высокий уровень оборотов (до 15000 об/мин!).
Ложка дегтя…
Казалось бы, если «Ванкель» имеет такие превосходства над поршневым двигателем, то кому нужны эти громоздкие, тяжелые, гремящие и вибрирующие поршневые двигатели? Но, как это часто бывает, на практике все далеко не так шоколадно. Ни одно гениальное изобретение, выйдя за порог лаборатории, отправлялось в корзину с пометкой «для мусора». Серийное производство нашло не на один камень, а на целую россыпь гранита:
— Отработка процесса сгорания в камере неблагоприятной формы;
— Обеспечение герметичности уплотнений;
— Обеспечение работы без коробления корпуса в условиях неравномерного нагрева;
— Низкий термический КПД ввиду того, что камера сгорания РПД намного больше, чем у традиционного ДВС;
— Высокий расход топлива;
— Высокая токсичность газообразных продуктов сгорания;
— Узкая зона температур для работы РПД: при низких температурах мощность двигателя резко падает, при высоких — быстрый износ уплотнений ротора.
Источник: infoglaz.ru
Двигатель Ванкеля | Роторные двигатели
Единственной на сегодняшний день выпускаемой в промышленных масштабах моделью роторного мотора является двигатель Ванкеля, который относится к типу роторных двигателей с планетарным круговым движением главного рабочего элемента. Такая конструктивная компоновка роторного двигателя является, несомненно, самойпростой по своему техническому устройству, но не самой оптимальной по способу организации рабочих процессов и поэтому имеет свои неотъемлемые и серьезные недостатки.
Роторных двигателей с планетарным движением главного рабочего элемента существует достаточно много разновидностей, но по существу они отличаются друг от друга лишь количеством граней ротора и соотвествующей формой внутренней поверхности корпуса . Приведенные схемы разных компоновок подобных моторов взяты из книги «Судовые роторные двигатели», издания 1967 года, авторов Е.Акатов, В.Бологов и др. и подготовлены к публикаци в электронном виде автором этого сайта.
Роторный двигатель
Кратко рассмотрим саму конструкцию двигателя этого типа вместе с историей его появления и сферой применения. История создания роторных двигателей с планетарным вращательным движением главного рабочего элемента начинается в 1943 году, когда изобретатель Майлар предложил первую подобную схему. Потом в течение короткого времени было подано еще несколько патентов на двигатели подобной схемы. В том числе и разработчик германской фирмы NSU – В. Фреде. Но главным слабым местом этой схемы роторного двигателя были системы уплотнений между ребрами на стыке соседних граней вращающегося треугольного ротора и стенками неподвижного корпуса. Вот к решению к этой сложной инженерной задачи и был подключен Р.Ванкель как специалист по уплотнениям. Вскоре, благодаря своей энергичности и инженерному мышлению он стал лидером группы разработчиков. В 1957 году в лаборатории фирмы NSU построили прототип роторного двигателя типа «DKM», с треугольным ротором и рабочей камерой в форме капсулы, в которой ротор был неподвижным, а корпус вращался вокруг него. Гораздо более практичным был вариант компоновки типа «KKM» с нормальной схемой — рабочая камера в корпусе была неподвижной, а в ней вращался ротор. Этот мотор появился годом позже, в 1958-м. В ноябре 1959 года NSU официально объявила о создании работающего роторного двигателя. За короткое время около 100 компаний во всём мире приобрели лицензии на эту технологию, при этом 34 из них были японскими.Мотор оказался очень небольшим, мощным и имел мало деталей. В Европе начались продажи машин с роторными двигателями, но как оказалось у них мал моторесурс, они потребляли много топлива и имели очень токсичный выхлоп. Нефтяной кризис 1973 года из-за очередной арабо-израильской войны, когда цены на бензин увеличились в несколько раз, резко поставил вопрос об экономичности автомобильных моторов. Из-за этого в Европе и Америке попытки довести роторный двигатель Ванкеля до нужной степени совершенства были прекращены. И только японская компания Mazda упорно продолжала работы в этом направлении. А еще советский завод ВАЗ – так как бензин в то время в СССР стоил копейки, а мощный, хотя и с малым ресурсом, мотор был нужен силовым ведомствам. Но в 2004 году малосерийное производство на ВАЗе было закрыто и на сегодняшний момент Mazda является единственным автопроизводителем, который серийно выпускает автомобили с роторным двигателем. В настоящее время в мире серийно выпускается лишь один автомобиль с роторным двигателем системы Ванкеля – это спортивное купе Mazda RX-8. На этой машине устанавливается мотор «RENESIS» с двумя роторными секциями общим объемом 1,3 литра. Двигатель исполняется в нескольких вариантах с мощностью от 200 до 250 л.с.
.
После краткого обзора истории роторного двигателя с планетарным движением ротора остановимся на рассмотрении его преимуществ и недостатков. ПРЕИМУЩЕСТВА роторного двигателя Ванкеля по сравнению с традиционными поршневыми моторами: 1) Повышенная удельная мощность (л.с./кг), она практически в два раза превышает этот показатель поршневых 4-х тактных двигателей. Масса неравномерно движущихся частей в двигателе Ванкеля гораздо меньше, чем в аналогичных по мощности поршневых двигателях, и амплитуда таких неуравновешенных движений заметно меньше. Это происходит из-за того, что в «поршневике» осуществляются возвратно- поступательные движения, а в двигателе Ванкеля- вращательные, планетарной схемы. К тому же в двигателе Ванкеля отсутствуют коленчатый вал и шатуны.
На повышенную мощность Ванкеля играет и то, что такой двигатель однороторной конструкции выдаёт мощность в течение трёх четвертей каждого оборота выходного вала. В отличие от одноцилиндрового 4-х тактного поршневого двигателя, который выдаёт мощность только в течение одной четверти каждого оборота выходного вала. Именно по этим причинам с единицы объема камеры сгорания в серийном роторном моторе Ванкеля снимается гораздо большая мощность. При объёме рабочей камеры 1300 см Mazda RX-8 имеет мощность 200 л.с – 250 л.с., а прежняя модель Mazda RX-7, с мотором такого же объема, но с турбокомпрессором выдавала 350 л.с.
Именно поэтому особым признаком Mazda RX являются отличные динамические характеристики:
- на низкой передаче возможно без излишней нагрузки на двигатель разогнать машину выше 100 км/ч на более высоких оборотах двигателя (8000 об/мин и более).
- двигатель Ванкеля гораздо легче механически уравновесить и избавиться от вибрации, что позволяет повысить комфортность лёгких транспортных средств типа микроавтомобилей;
- габаритные размеры роторно-поршневого двигателя меньше в 1,5—2 раза в соотношении со сравнимым по мощности поршневым мотором.
В двигателе Ванкеля на 35 — 40 % меньшее количество деталей.
Недостатки:
1) Малая длина рабочего хода грани треугольного ротора, Хотя эти показатели напрямую с поршневым мотором сравнивать сложно – слишком различны типы движений поршня и ротора, но у двигателя Ванкеля примерно на пятую часть меньше длина рабочего хода. Тут есть одно коренное отличие Ванкеля от поршневого мотора- у «поршневика» идет увеличение объема в направлении одного линейного направления, которое совпадает с направлением рабочего хода. А у Ванкеля – это движение сложное и только часть траектории перемещения треугольного ротора с планетарным движением становится собственно линией рабочего хода. (РИС.) Именно поэтому у двигателя Ванкеля топливная эффективность хуже, чем у поршневых моторов. Поэтому из-за малой длины рабочего хода очень высока температура выхлопных газов – рабочие газы не успевают передать основное свое давление на ротор, как уже открывается выхлопное окно и горячие газы высокого давления с еще не прекратившими горение объемными фрагментами рабочей смеси выходят в выхлопную трубу. Поэтому температура выхлопных газов у двигателя Ванкеля очень высока.
2) Сложная форма камеры сгорания «серповидной» формы. У такой камеры сгорания большая поверхность контакта газов со стенками корпуса и ротором. Поэтому значительная честь тепла уходит на нагрев деталей мотора, а это снижает тепловой КПД и усиливает нагрев мотора. Кроме того, такая форма камеры сгорания приводит к ухудшению смесеобразования и замедлению скорости горения рабочей смеси. Поэтому на моторе Mazda RX-8 стоят 2 свечи зажигания на одной роторной секции. Эти особенности так же отрицательно влияют на уровень термодинамического КПД.
3) Потенциально невысокий для роторного мотора крутящий момент. Для того чтобы снять вращение с движущегося ротора, центр вращения которого сам непрерывно осуществляет планетарное вращение по круговой траектории вокруг геометрического центра рабочей камеры, в этом двигателе применяется эксцентрично расположенные на главном валу диски. По сути дела – это элементы кривошипного устройства. То есть двигатель Ванкеля так и не смог полностью избавиться от главного недостатка классических поршневых ДВС – кривошипно – шатунного механизма. Хоть он и представлен в моторе Ванкеля в своем облегченном варианте – в виде эксцентрикового вала, но самые главные пороки этого механизма: рваный, пульсирующий режим крутящего момента и малое плечо главного элемента, воспринимающего крутящий момент – так и остались «не излеченными». (РИС.) Именно поэтому односекционный Ванкель малоработоспособен и нужно делать 2 или 3 роторные секции для получений нормальных рабочих характеристик, еще желательно ставить на вал дополнительно и маховик. Кроме наличия в двигателе Ванкеля кривошипного механизма, на малый для роторного двигателя крутящий момент еще влияет и то, что кинематическая схема такого мотора устроена очень нерационально с точки зрения восприятия поверхностью ротора давления рабочих газов расширения. Поэтому лишь некоторая часть давления – около трети – переводится в рабочее вращение ротора и создает крутящий момент. Подробнее крутящем моменте поговорим в специальном разделе сайта.
Подробно о принципе возникновения крутящего момента в роторном двигателе Ванкеля Смотри на страничке сайта КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ
4) Присутствие в корпусе вибраций. Дело в том, что система роторного мотора с планетарным движением рабочего элемента предполагает неравновесное движение этого органа. Т.е. при вращении центр масс ротора совершает непрерывное вращательное движение вокруг центра масс корпуса и радиус этого вращения равен плечу эксцентрика главного вала мотора. Именно поэтому на корпус мотора действует изнутри постоянно вращающийся вектор силы, равный центробежной силе, возникающей на роторе. То есть ротор при вращении на вращающемся в свою очередь эксцентриковом валу имеет в характере своего движения неизбежные и выраженные элементы колебательного движения. Что и приводит к неизбежности вибраций. (РИС.)
5) Быстрый износ торцевых радиальных уплотнений на углах треугольника ротора, так как на них идет сильная радиальная нагрузка, неизбежная в двигателе Ванкеля по самому его принципу работы. (РИС.)
6) Постоянная угроза прорыва газов высокого давления из полости одного рабочего такта в полость другого такта. Это происходит потому, что контакт радиального уплотнения ребра ротора и стенки камеры сгорания происходит по одной тонкой линии. При этом еще существует проблема прорыва газов через гнезда установки свечей, когда над ними проходит ребро ротора.
7) Сложная система смазки вращающегося ротора. В моторе Mazda RX-8 специальные форсунки впрыскивают масло в камеры сгорания для смазки трущихся при вращении о стенки камеры сгорания ребер ротора. Это усиливает токсичность выхлопа и одновременно делает мотор очень требовательным к качеству масла. Кроме того, при высоких оборотах возникает повышенные требования к смазке цилиндрической поверхности эксцентриковой части главного вала, вокруг которой вращается ротор, и которая снимает главное усилие с ротора и переводит во вращение вала. Именно эти две технические трудности, решить которые весьма непросто, приводили к недостаточной смазке на высоких оборотах наиболее нагруженных трением деталей такого мотора, а это, соответственно, резко уменьшало моторесурс двигателя. Именно недостаточное решение таких технических задач приводило к очень малому ресурсу моторов Ванкеля, которые выпускал отечественный АвтоВАЗ. (РИС.- указать цилиндрическую поверхность контакта внутреннего гнеда ротора и эксцентр диска вала)
8) Высокие требования к точности исполнения деталей сложной формы делают такой мотор сложным в производстве. Такое производство требует высокоточного и дорогого оборудования — станков, способных создавать сложные объемы рабочей камеры с криволинейной эпитрохоидальной поверхностью. Сам ротор так же имеет форму сложного треугольника с выпуклыми поверхностями.
***
Как видно из содержания этого раздела сайта, роторный двигатель Ванкеля имеет выраженные преимущества, так и большое количество практически непреодолимых недостатков, которые так и не позволили этому типу двигателей вытеснить поршневые моторы из арсенала современной техники. Хотя такие перспективы всерьез обсуждались в конце 60-х и начале 70-х годов прошлого века, и в аналитических обзорах высказывались мнения, что к концу 80-х годов 20-го века более половины автомобилей планеты будут уже иметь роторные двигатели разных типов…. И, несмотря на наличие отрицательных черт и технических трудностей, роторный двигатель Ванкеля смог появиться технически и состоятся как коммерчески дееспособный вид продукции, потому что недостатки его главных конкурентов – поршневых моторов с кривошипно – шатунными механизмами оказываются еще серьезнее и многочисленнее.И это, не смотря на более века попыток их совершенствования.
***
ПРОДОЛЖЕНИЕ РАЗГОВОРА О РОТОРНОМ ДВИГАТЕЛЕ ВАНКЕЛЯ
сентябрь 2016г. Одна из самых трудных проблем всех типов роторных двигателей- это создание эффективной системы уплотнений, которая должна создавать замкнутый объём в рабочих камерах роторного двигателя. Пока в схеме типа Тверской это является одной из главных трудностей. Там предстоит сделать эффективную и непростую в изготовлении систему уплотнений.И чтобы потренировать руку и получить положительный опыт в таком деле, я решил создать небольшой рабочий экземпляр двигателя Ванкеля прямо с «ноля». Работа уже идет к концу- прилагаю фото такого моторчика.
Уплотнения
Ориентировочная мощность одной такой роторной секции предполагается около 35-40 л.с.. Мотор из 2-х роторных секций ожидается мощностью в 70-80 л.с..
***
ДВИГАТЕЛЬ ВАНКЕЛЯ — ДЕКАБРЬ
25 декабря 2016г Изготовлене малого Ванкеля идет в оптимальном ритме. Двигатель готов на 95%, остаются небольшие мелочи.
Так как на некоторых площадких в интернете эти мои фото уже обсуждаются и вокруг них накручиваются немало фантазий- сообщаю.
Двигатель создан с «НОЛЯ», ни одной детали из посторонних моделей в нем нет. В нем нет ни деталей от Sachs Wankel, которые уже не выпускаются лет 30, ни от современных малых современных aixro и пр. и др.
Кормпус двигателя выполнен из конструкционной легированной термостойкой стали, подвергнутой термохимическому упрочнению.Твердость поверхностного слоя имеет показатель в 70 HRC. Глубина термоупроченного слоя состовляет в среднем 1,5 мм.Точно так же обработаны и до таких же показателей твердости и износоустойчивости доведены радиальные и торцевые уплотнения.Двигатель имеет воздушное охлаждение, масло для смазки будет подаваться в камеру сжатия через 2-е специальные форсунки. Т.е. не нужно будет мешать масло с бензином как в 2-х тактных моторах.
Двиигатель Ванкеля
Двигатель Ванкеля на холодной обкатке.
Двигатель поставлен на токарный станок и в течение нескольких часов подвергался холодной обкатке. Это позволило оценить работу уплотнений и герметичность получаемых секций в двигателе как вполне благополучную. В ближайшее время будет замеряно давление, которое получается в секторе сжатия мотора.
Запуск двигателя планируется на конец января.
ВОЗОБНОВЛЕНИЕ РАБОТЫ ПОСЛЕ ПАУЗЫ
После некоторого перерыва активные работы возобновлены. Сейчас (март-май 18г) идут активные пробные прокрутки малой опытной модели двигателя. По ее итогам идет доработка уплотнений — самого трудного и деликатного элемента в роторных двигателях. Результаты весьма обнадеживающие.
Двигатель Ванкеля. Роторно-поршневой двигатель Феликса Ванкеля :: SYL.ru
Основные типы двигателей внутреннего сгорания и паровые машины имеют один общий недостаток. Он состоит в том, что возвратно-поступательное перемещение требует преобразования во вращательное движение. Это, в свою очередь, обуславливает низкую производительность, а также достаточно высокую изнашиваемость деталей механизма, включенных в различные типы двигателей.
Довольно много людей задумывались о том, чтобы создать такой мотор, в котором подвижные элементы только вращались. Однако решить эту задачу удалось только одному человеку. Феликс Ванкель – механик-самоучка — стал изобретателем роторно-поршневого двигателя. За свою жизнь этот человек не получил ни какой-либо специальности, ни высшего образования. Рассмотрим далее подробнее роторно-поршневой двигатель Ванкеля.Краткая биография изобретателя
Феликс Г. Ванкель родился в 1902 году, 13 августа, в небольшом городке Лар (Германия). В Первую Мировую отец будущего изобретателя погиб. Из-за этого Ванкелю пришлось бросить учебу в гимназии и устроиться помощником продавца в лавке по продаже книг при издательстве. Благодаря этому он пристрастился к чтению. Феликс изучал технические характеристики двигателей, автомобилестроение, механику самостоятельно. Знания он черпал из книг, которые продавались в лавке. Считается, что реализованная позднее схема двигателя Ванкеля (точнее, идея ее создания) посетила во сне. Неизвестно, правда это или нет, но точно можно сказать, что изобретатель обладал незаурядными способностями, тягой к механике и своеобразным взглядом на многие вещи.
Первые типы двигателей
Изобретатель, поняв, как можно осуществить все 4 цикла обычного мотора при вращении, приступил к конструированию. В 1924 году Ванкель создал небольшую мастерскую. Она также выполняла роль лаборатории. Именно здесь Феликс Ванкель стал изучать роторно-поршневые системы. В 1936 году модель, собранная изобретателем, заинтересовала компанию «БМВ». Ванкель получил деньги, ему была предоставлена собственная лаборатория в Линдау.
Там он должен был разрабатывать опытные образцы авиамоторов. Однако до самого конца Второй мировой ни один роторный двигатель Ванкеля не был отправлен в серийное производство. Вероятно, это было вызвано тем, что доведение конструкции до пригодного к эксплуатации состояния и наладка массового производства требовали достаточно много времениПослевоенные годы
После разгрома фашизма лаборатория была закрыта, а все оборудование, которое там находилось, было переправлено во Францию. В итоге Ванкель остался без работы. Этому поспособствовало его бывшее членство в национальной социалистической партии. Но спустя небольшой период времени Феликса пригласили в компанию NSU в качестве инженера-конструктора. Это предприятие на тот момент считалось старейшим производителем автомобилей и мотоциклов.
Опытный образец
В 1957 году, благодаря поддержке Вальтера Фреде (ведущего инженера в компании NSU), роторно-поршневой двигатель был впервые поставлен на автомобиль. Мотор был установлен на NSU Prinz. Однако первоначальная конструкция была очень далека от совершенства. Она была настолько сложной, что даже для замены свечей нужно было разобрать почти весь мотор. Кроме этого, конструкция была очень ненадежна, неэкономична и имела очень низкий КПД. Двигатель Ванкеля в связи с этим не пошел в серию. Автомобили отправились на конвейер с традиционным ДВС. Тем не менее роторно-поршневой двигатель доказал не только право на свое существование, но и продемонстрировал впечатляющий для того времени потенциал. Перспективы его использования были настолько привлекательны, что инженеров-конструкторов ничего не смогло остановить. Сам изобретатель понимал, что его детище требует усовершенствования, он стремился к тому, чтобы и функционирование, и ремонт двигателя вызывали как можно меньше затруднений. С этого момента началась активная деятельность по доведению мотора до эксплуатационного совершенства.
Двигатель Ванкеля: конструкция
Что собой представляет мотор? В центре ротора имеется круглое отверстие. Оно изнутри покрыто зубцами, как на шестеренке. В отверстие вставляется вал с меньшим диаметром. На нем также есть зубцы. Они препятствуют проскальзыванию вала. Отношения диаметров подбираются таким образом, чтобы перемещение вершин треугольников осуществлялось по одной замкнутой кривой. Она именуется «эпитрохоида». Задача Ванкеля состояла в том, чтобы для начала понять, что работа такого механизма возможна. Затем ему нужно было все точно и верно рассчитать. В результате поршень, выполненный в форме треугольника Рело, отсекает три камеры переменного положения и объема.
Особенности
Конструктивная характеристика двигателя значительно выигрывает в сравнении с обычными моторами. В частности, герметизация камер обеспечивается за счет торцевых и радиальных уплотнительных пластин. Они прижимаются к «цилиндру» с помощью ленточных пружин, давления газа и центробежных сил. Особого внимания заслуживает и характеристика двигателя с точки зрения производительности. За весь цикл вал совершает 3 полных оборота. В обычном поршневом моторе такого результата можно добиться при использовании шести цилиндров.
Внедрение в промышленность
После проведения первой успешной демонстрации в 1957 году двигатель Ванкеля заинтересовал крупнейших автогигантов того времени. Так, первой компанией, выкупившей лицензию, стала Curtiss-Wright. Спустя год изобретение стали использовать такие известные предприятия, как Mazda, Friedrich Krupp, MAN и Daimler-Benz. За достаточно непродолжительный период лицензии приобрело порядка ста компаний, в том числе с мировым именем: Ford, BMW, Porsche, Rolls-Royce.
Преимущества
Какие достоинства имеет двигатель Ванкеля? Принцип работы мотора заключается в том, что реализация любого четырехтактного цикла осуществляется без использования механизма газораспределения. Благодаря этому значительно упрощается конструкция мотора. В обычном 4-тактном поршневом моторе примерно на тысячу элементов больше. Огромный интерес крупнейших автомобильных предприятий был вызван потенциалом конструкции. Несомненными преимуществами является простота производства, несложный ремонт двигателя, компактность и небольшой вес. Все это способствует улучшению управляемости машины, облегчает расположение трансмиссии.
Компактность мотора позволяет создать удобный и довольно просторный салон. Усовершенствованные модели двигателя способны развивать высокую мощность при достаточно экономном расходе топлива. К примеру, современный мотор при объеме 1300 см3 обладает 220 л. с. Если оснастить двигатель Ванкеля турбокомпрессором, то можно получить мощность до 350 л. с. Еще одним достоинством конструкции является очень низкий уровень вибраций и шумов. Двигатель Ванкеля отличается механической уравновешенностью. Снижение уровня шумов и вибрации достигается небольшим количеством деталей (их на 40% меньше, чем в традиционных моторах). Стоит также отметить и динамические характеристики мотора. На низкой передаче без особенной нагрузки можно разогнать машину до 100 км/ч при высоких оборотах. В конструкции мотора отсутствует механизм, преобразовывающий возвратно-поступательное перемещение во вращательное. За счет этого двигатель Ванкеля может выдерживать большие обороты в сравнении с традиционными ДВС.Завершение эйфории
В 1964-м вышел автомобиль NSU Spyder, а после него была выпущена легендарная модель Ro 80. И в настоящее время в мире достаточно много существует клубов любителей этих машин. Затем с конвейера сошли такие модели, как Corvette XP, Mercedes C-111, Citroen M35. Однако единственной компанией, которая занялась массовым производством, стала Mazda. С 1967 года она выпускала по 2-3 новых автомобиля с РПД. Двигатель Ванкеля ставили на легкие самолеты, снегоходы, катеры. В 1973 году наступил конец эйфории. В то время нефтяной кризис был в разгаре. Именно в этот период проявился основной недостаток РПД – неэкономичность. Кроме компании Mazda, все производители свернули программы по выпуску автомобилей с роторными двигателями. Однако только Mazda продолжала выпуск таких машин. У компании значительно сократились продажи в Америке.
Недостатки РПД: недолговечность и ненадежность
Наряду с достоинствами, роторные двигатели обладали и существенными минусами. В первую очередь, они были очень недолговечными. Так, одна из первых моделей РПД в ходе испытаний выработала весь ресурс за 2 часа. Более успешный прототип смог выдержать 100 часов. Однако это не обеспечивало нормальной эксплуатации машины. Главная проблема состояла в неравномерности износа внутренней поверхности камеры. В ходе работы на ней образовывались поперечные борозды. Они получили весьма красноречивое название: «метки дьявола». После получения лицензии компания Mazda сформировала специальный отдел, который занимался усовершенствованием мотора. Вскоре выяснилось, что в процессе вращения ротора заглушки, расположенные на его вершинах, начинают вибрировать. Из-за этого и появляются эти борозды. Сегодня проблема долговечности и надежности решена. Для этого в производстве используется высококачественное покрытие, в том числе и керамическое.
Высокая токсичность выхлопов
Это еще один недостаток РПД. В сравнении с традиционными моторами, двигатель Ванкеля выделяет меньшее количество окислов азота, но во много раз больше углеводородов, что обусловлено неполным сгоранием топлива. Инженеры Mazda достаточно быстро нашли эффективное решение проблемы. Специалисты создали «термальный реактор». В нем происходит «дожигание» углеводородов. Mazda R 100 стала первым автомобилем, в котором был применен этот элемент. В 1968 была выпущена еще одна модель с «термальным реактором» — Familia Presto Rotary. Это авто, одно из немногих, сразу прошло достаточно жесткую экологическую проверку, выдвинутую США в 1970-м для импортируемых ТС.
Экономичность
Это еще одна проблема РПД. Частично она вытекает из описанной выше. Расход топлива в стандартном РПД значительно выше, чем у ДВС. Эта проблема снова была решена специалистами Mazda. Внедрив комплекс мер, в числе которых переработка карбюратора и термореактора, добавление в выхлопную систему теплообменника, создание нового зажигания и разработка каталитического конвектора, инженеры добились снижения расхода на 40%. Это позволило выпустить в 1978 году модель RX-7.
Отечественное производство
Кроме компании Mazda, автомобили с РПД выпускал и «АвтоВАЗ». В 1974-м на заводе было сформировано специальное конструкторское бюро. В Тольятти началось строительство цехов для серийного выпуска РПД. В связи с тем, что первоначально предполагалось, что ВАЗ будет просто копировать западную технологию, было решено наладить воспроизводство двигателя Mazda. При этом совершенно не учитывались многолетние наработки отечественных институтов моторостроения.
Достаточно долго велись переговоры между Ванкелем и советскими чиновниками. Некоторые встречи проходили непосредственно в Москве. Денег, однако, было недостаточно, поэтому использовать некоторые технологии так и не удалось. В 1976-м был выпущен первый односекционный мотор ВАЗ-311. Его мощность составила 65 л. с. В течение последующих пяти лет проводилась доводка конструкции. После этого завод выпустил 50 опытных автомобилей с двигателем Ванкеля. Они мгновенно разошлись среди сотрудников предприятия. Однако вскоре выяснилось, что мотор в машинах только внешне был похож на японский. Конструкция его была крайне ненадежна. В течение полугода все двигатели были заменены, а штат конструкторского бюро был сокращен.
Однако отечественное производство мотора было спасено спецслужбами. Их не слишком беспокоил ресурс конструкции и расход топлива. Больше их привлекали динамические характеристики двигателя. В короткое время из двух моторов ВАЗ-311 был собран один двухсекционный. Его мощность увеличилась почти вдвое – до 120 л. с. Двигатель стали ставить на специальную единицу – ВАЗ-21019. Эта модель получила неофициальное наименование «Аркан».
Перепрофилирование
Спецзаказы вдохнули вторую жизнь в конструкторское бюро. На ВАЗе стали выпускать двигатели для авто- и водного спорта. Машины стали часто завоевывать первые места. Спортивные чиновники, в свою очередь, были вынуждены запретить использование РПД. В 1987 на смену Поспелову (руководителю конструкторского бюро) пришел Шнякин. Он недолюбливал наземный транспорт, тяготея больше к авиации. С начала его руководства СКБ перепрофилировало свою деятельность на выпуск двигателей для воздушных машин. Это была неверная стратегия, поскольку самолетов в стране выпускается намного меньше, чем автомобилей. Завод же получал прибыль преимущественно с продажи автомоторов.
Следующей ошибкой стала переориентация на маломощные двигатели. Японцы устанавливают РПД на спортивные машины. А ВАЗ выпускал мололитражные модели «Ока», несмотря на то что динамичные моторы целесообразнее было бы ставить на более быстроходные авто. Так или иначе, на отечественных дорогах оказалось несколько микролитражек «Ока» с РПД. К 1998 году, наконец, завершилась подготовка гражданского варианта двухцилиндрового 1.3-литрового роторного мотора. Его устанавливали на модели ВАЗ 2107-2109 и 2105.В заключение
Почему же ведущие производители мира все еще не перешли окончательно на выпуск машин с РПД? Дело в том, что для изготовления таких моторов необходима, в первую очередь, очень точная технология, включающая в себя множество разнообразных нюансов. Не каждая, даже крупная компания, может пойти по пути Mazda. Кроме того, дело в оборудовании. Для выпуска двигателя Ванкеля необходимы высокоточные станки для вытачивания поверхностей с эпитрохоидой. Для оборудования, которое используется сегодня на заводах, такая работа вполне выполнима. Сегодня серьезными исследованиями РПД занимается только Mazda. Инженеры компании постоянно совершенствуют конструкцию, решают множество различных проблем. Выпускаемые в Японии роторные двигатели соответствуют принятым в мире стандартам по надежности, расходу топлива и экологичности.
Двигатель Ванкеля: устройство, принцип работы
Двигатель внутреннего сгорания – гениальное изобретение человечества. Благодаря ДВС стал существенно развиваться технический прогресс. Существует несколько видов данных установок. Но наиболее известные – шатунно-поршневые и роторно-поршневые. Последний был изобретен немецким инженером Ванкелем в сотрудничестве с Вальтером Фройде. Данный силовой агрегат имеет другое устройство и принцип работы, если сравнивать с классическим шатунно-поршневым ДВС. Каков принцип работы двигателя Ванкеля и почему данный ДВС не стал таким популярным? Все это мы рассмотрим в нашей сегодняшней статье.
Характеристика
Итак, что это за мотор? Это двигатель внутреннего сгорания, который был разработан Феликсом Ванкелем в 1957 году. Функцию поршня в данном агрегате выполнял трехвершинный ротор. Он совершал вращательные движения внутри полости особой формы.
После ряда экспериментальных моделей мотоциклов и автомобилей, которые пришлись на 70-е годы прошлого века, спрос на двигатель Ванкеля существенно снизился. Хотя на сегодняшний день ряд компаний все равно работает над совершенствованием данного ДВС. Так, можно встретить двигатель Ванкеля на «Мазде» серии РХ. Также данный агрегат нашел свое применение в моделизме.
Устройство двигателя Ванкеля
Данный силовой агрегат состоит из нескольких компонентов:
- Корпуса (статора).
- Камеры сгорания.
- Впускного и выпускного окна.
- Неподвижной шестерни.
- Зубчатого колеса.
- Ротора.
- Вала.
- Свечи зажигания.
Какой имеет двигатель Ванкеля принцип работы? Это мы рассмотрим ниже.
Принцип работы
Данный ДВС действует следующим образом. Ротор, насаженный на эксцентриковый вал через подшипники, приводится в действие от силы давления газов, что образовалась в результате сгорания топливновоздушной смеси. Ротор двигателя относительно статора посредством пары шестерен. Одна из них (большого размера) находится на внутренней поверхности ротора. Вторая (опорная) имеет меньшие размеры и намертво прикреплена к боковой крышке двигателя. Благодаря взаимодействию шестерен, ротор производит эксцентричные круговые движения. Таким образом, его грани соприкасаются с внутренней поверхностью камеры сгорания.
В результате между корпусом двигателя и ротором образуется несколько изолированных камер переменного объема. Их количество всегда составляет 3. В данных камерах происходит процесс сжатия смеси, ее горение, расширение газов (которые впоследствии оказывают давление на рабочую поверхность ротора) и их удаление. В результате воспламенения топлива, ротор приводится в действие, передавая усилия крутящего момента на эксцентриковый вал. Последний устанавливается на подшипниках и далее передает мощность на узлы трансмиссии. А уже затем момент сил двигателя Ванкеля идет на колеса по классической схеме – посредством карданной передачи и полуосей к ступицам. Таким образом, в роторном моторе работают одновременно несколько механических пар. Первая отвечает за движение ротора и состоит из нескольких шестерен. Вторая де преобразует движение ротора в обороты эксцентрикового вала.
Передаточное отношение статора (корпуса) и шестерен всегда стабильное и составляет 3:2. Таким образом, ротор успевает провернуться за полный оборот вала на 120 градусов. В свою очередь, за полный оборот ротора производится четырехтактный цикл работы двигателя внутреннего сгорания в каждой из трех камер, образуемых гранями.
Преимущества
Какие имеет плюсы данный ДВС? Роторно-поршневой двигатель Ванкеля имеет более простую конструкцию, нежели шатунно-поршневой. Так, число деталей в нем на 40 процентов меньше, чем в поршневом четырехтактном ДВС. Но все же создать двигатель Ванкеля своими руками не представляется возможным без сложного оборудования. Ведь ротор имеет очень сложную форму. Те, кто пытался сделать самодельный двигатель Ванкеля своими руками, терпели многочисленные неудачи.
Но продолжим о преимуществах. В конструкции роторного агрегата отсутствует коленчатый вал, газораспределительный механизм. Также здесь нет шатунов и поршней. Горючая смесь попадает в камеру через впускное окно, открывающееся гранью ротора. А отработанные газы в конце рабочего такта освобождаются корпус через выпускное окно. Опять же, роль клапана здесь выполняет грань самого ротора. Также в конструкции отсутствует распределительный вал (коих сейчас используется несколько на шатунных агрегатах). Роторно-поршневой двигатель Ванкеля по принципу работы газораспределительного механизма схож с двухтактным.
Отдельно стоит сказать о смазочной системе. По сути, она отсутствует в роторном двигателе Ванкеля. Но как же тогда работают пары трения? Все просто: масло добавляется в саму горючую смесь (как в примитивных мотоциклетных моторах). Таким образом, смазка трущихся деталей производится самой топливовоздушной смесью. В конструкции отсутствует привычный всем масляный насос, который забирает смазку из поддона и разбрызгивает под особым давлением.
Еще одно преимущество двигателя Ванкеля – это его легкий вес и размеры. Поскольку здесь отсутствует почти половина деталей, которые являются обязательными в поршневых моторах, роторный агрегат более компактный и способен разместиться в любом подкапотном пространстве. компактные размеры позволяют использовать пространство моторного отсека более рационально, а также обеспечить более равномерную нагрузку на переднюю и заднюю ось (ведь в авто с обычными моторами более 70 процентов нагрузки приходится именно на переднюю часть). А за счет малого веса достигается высокая стабильность работы. Так, двигатель имеет минимальный уровень вибрации, что положительно сказывается на комфортабельности машины.
Следующий плюс данного агрегата – высокая удельная мощность, которая достигается при больших оборотах вала. Данная особенность позволяет достичь хороших технических характеристик. Вот почему двигатель Ванкеля используется на спортивных автомобилях «Мазда». Мотор легко раскручивается до семи и более тысяч оборотов. При этом обеспечивает намного больший крутящий момент и мощность при малом объеме. Все это положительно сказывается на разгонной динамике автомобиля. Для примера можно взять автомобиль «Мазда РХ-8». При объеме в 1,3 литра, мотор выдает 210 лошадиных сил мощности.
Конструктивные недостатки
Рассматривая устройство и принцип работы роторного двигателя Ванкеля, стоит отметить главный конструктивный недостаток. Это малая эффективность уплотнений зазора между камерой сгорания и ротором. Последний имеет довольно сложную форму, из-за чего требует надежного уплотнения не только по граням (коих четыре в сумме), но и по боковой поверхности (которые соприкасаются с крышкой двигателя). При этом они выполнены в виде стальных подпружиненных полосок с особо точной обработкой как с торцов, так и с рабочих поверхностей. Все допуски на расширение при нагреве, заложенные в конструкцию, ухудшают данные характеристики. Из-за этого невозможно избежать прорыва газов в торцевых местах уплотнительных пластин. В поршневых же двигателях применен эффект лабиринта. Так, в конструкции применены три уплотнительных кольца с зазорами в разные стороны.
Но стоит отметить, что в последние годы качество уплотнений возросло. Конструкторы произвели усовершенствование двигателя Ванкеля, применяя новые материалы для уплотнений. Но все же прорыв газов считается самым слабым местом в роторном ДВС.
Расход масла
Как мы уже сказали ранее, системы смазки как таковой в данном двигателе нет. Ввиду того что масло поступает вместе с горючей смесью, расход его существенно увеличивается. И если на шатунных двигателях естественный уход смазки исключен либо составляет не более 100 грамм на 1 тысячу километров, то на роторных данный параметр составляет от 0,4 до 1 литра на тысячу километров. Это объясняется тем, что сложная система уплотнений требует более эффективной смазки поверхностей. Также ввиду высокого расхода масла, эти моторы не могут соответствовать современным экологическим стандартам. В выхлопных газах автомобилей с двигателем Ванкеля содержится много опасных для организма и окружающей среды веществ.
Кроме этого, роторный мотор мог работать только на высококачественных и дорогих маслах. Это связано с несколькими факторами:
- Склонность соприкасающихся деталей камеры двигателя и ротора к высокому износу.
- Склонность пар трения к перегреву.
Другие проблемы
Нерегулярная замена масла грозила уменьшением ресурса ДВС, так как частицы старой смазки действовали как абразив, увеличивая зазоры и вероятность прорыва выхлопных газов в камере. Данный агрегат также клинит при перегреве. А при движении в холодную погоду, охлаждение могло оказаться избыточным.
Сам по себе РПД имеет более высокую рабочую температуру, нежели любой поршневой мотор. Наиболее нагруженной считается камера сгорания. она имеет небольшой объем. А из-за протяженной формы, камера склонна к детонации. Кроме масла, двигатель Ванкеля требователен к качеству свечей. Их устанавливают попарно и меняют строго по техническому регламенту. Среди прочих моментов стоит отметить недостаточную эластичность роторного мотора. Так, данные ДВС могут выдавать отличные скоростные и мощностные характеристики только при высоких оборотах ротора – от 6 до 10 и более тысяч в минуту. Эта особенность вынуждает конструкторов дорабатывать конструкцию коробок передач, делая их многоступенчатыми.
Еще один недостаток – высокий расход топлива. К примеру, если взять 1,3-литровый роторно-поршневой двигатель «Мазды РХ-8», по паспортным данным, она потребляет от 14 до 18 литров топлива. Причем к использованию рекомендуется только высокооктановый бензин.
О применении РПД в автомобильной промышленности
Наибольшую популярность данный двигатель получил в конце 60-х и начале 70-х годов прошлого века. Патент на РПД Ванкеля был приобретен 11 ведущими автопроизводителями. Так, в 67-м году компания NSU разработала первый автомобиль бизнес-класса с роторным мотором, который назывался NSU RO 80. Данная модель производилась серийно 10 лет. Всего было выпущено более 37 тысяч экземпляров. Автомобиль пользовался популярностью, однако недостатки роторного мотора в конце концов подмочили репутацию этой машины. На фоне других моделей NSU, седан NSU RO 80 был самым ненадежным. Пробег до капитального ремонта составлял всего 50 тысяч при заявленных 100.
Также с роторными моторами экспериментировали концерны «Пежо-Ситроен», компания «Мазда» и завод ВАЗ (об этом случае мы поговорим отдельно ниже). Наибольшего успеха добились японцы, выпустив легковой автомобиль с роторным мотором в 63-м году. На данный момент японцы до сих пор оснащают РПД на свои спорткары серии RX. К сегодняшнему дню они избавлены от многих «детских болезней», что были присущи РПД того времени.
РПД Ванкеля и мотопромышленность
В 70-е и 80-е годы прошлого века с роторными двигателями экспериментировали некоторые мотопроизводители. Это «Геркулес» и «Сузуки». Сейчас же серийное производство роторных мотоциклов налажено только в компании «Нортон». Данная марка выпускает спортбайки NRV588, оснащенные двухроторными двигателями с общим объемом в 588 кубических сантиметров. Мощность байка «Нортон» составляет 170 лошадиных сил. при снаряженной массе в 130 килограмм, этот мотоцикл имеет превосходные динамические характеристики. Дополнительно данные РПД оснащены системой электронного впрыска топлива и впускным трактом переменной величины.
Интересные факты
Данные силовые агрегаты получили широкое распространение среди авиамоделистов. Так как в модельном ДВС нет требований к экономичности и надежности, выпуск таких моторов оказался недорогим. В подобных ДВС уплотнений ротора нет вовсе, либо они имеют самую примитивную конструкцию. Основной плюс такого авиамодельного агрегата в том, что его легко установить в летающую масштабную модель. ДВС легкий и компактный.
Еще один факт: Феликс Ванкель, получив патент на РПД в 1936 году, стал изобретателем не только роторных двигателей, но и компрессоров, а также насосов, действовавших по такой же схеме. Такие агрегаты можно встретить в ремонтных мастерских и на производстве. Кстати, портативные электрические насосы для подкачки шин авто устроены именно по такому принципу.
РПД и автомобили ВАЗ
Во времена СССР также занимались созданием роторно-поршневого двигателя и его установкой на отечественные автомобили ВАЗ. Так, первым РПД в СССР стал мотор ВАЗ-311 мощностью в 70 лошадиных сил. Он создавался на базе японского агрегата 13В. Но поскольку создание мотора велось по нереальным планам, агрегат оказался ненадежным после запуска в серийное производство. Первым автомобилем с данным двигателем стал ВАЗ-21018.
Но на этом история установки двигателя Ванкеля на ВАЗ не заканчивается. Вторым по счету стал силовой агрегат ВАЗ-415, который мелкими партиями использовался на «восьмерке» в 80-х годах. Данный силовой агрегат имел более лучшие технические характеристики. Мощность при объеме в 1308 кубических сантиметров увеличилась до 150 лошадиных сил. Благодаря этому советский ВАЗ-2108 с роторным двигателем ускорялся до сотни за 9 секунд. А максимальная скорость ограничивалась 190 километрами в час. Но данный двигатель не был лишен недостатков. В частности, это малый ресурс. Он едва доходил до 80 тысяч километров. Также среди минусов стоит отметить высокую себестоимость создания такого автомобиля. Расход масла составлял 700 грамм на каждую тысячу километров. Расход топлива – около 20 литров на сотню. Поэтому применялся роторный агрегат только на автомобилях спецслужб, мелкими партиями.
Заключение
Итак, мы выяснили, что собой представляет двигатель Ванкеля. Данный роторный агрегат сегодня применяется серийно лишь на автомобилях «Мазда», причем только на одной модели. Несмотря на многочисленные доработки и попытки японских инженеров усовершенствовать конструкцию РПД, он все равно имеет довольно малый ресурс и отличается высоким расходом масла. Также новые 1,3-литровые «Мазды» не отличаются топливной экономичностью. Все эти недостатки роторного мотора делают его непрактичными и малоиспользуемым в автомобильной промышленности.
9 преимуществ и 4 недостатка
Содержание статьи
Преимущества перед другими конструкциями
В отличие от более распространённых поршневых конструкций, двигатель Ванкеля (Wankel) обеспечивает преимущества — простоту, плавность, компактность, высокие обороты в минуту и большое отношение мощности к весу. Это связано прежде всего с тем, что производятся три импульса мощности на один оборот ротора Ванкеля по сравнению с одним оборотом в двухтактном поршневом двигателе и по одному на два оборота в четырёхтактном двигателе.
РПД обычно называют вращающимся двигателем. Хотя это название также относится и к другим конструкциям, прежде всего к авиационным двигателям с их цилиндрами, расположенными вокруг коленчатого вала.
Четырёхступенчатый цикл впуска, сжатия, зажигания и выхлопа происходит в каждый оборот на каждом из трёх наконечников ротора, перемещающихся внутри овально — подобранного корпуса с перфорацией, что позволяет использовать в три раза больше импульсов на один оборот ротора. Ротор похож по форме на треугольник Реуле, а стороны его более плоские.
Конструктивные особенности двигателя Ванкеля
Теоретическая форма ротора РПД Ванкеля между фиксированными углами является итогом уменьшения объёма геометрической камеры сгорания и увеличения степени сжатия. Симметричная кривая, соединяющая две произвольные вершины ротора, максимальна в направлении внутренней формы корпуса.
Центральный приводной вал, называемый «эксцентриковый» или «E-вал», проходит через центр ротора и поддерживается неподвижными подшипниками. Ролики движутся на эксцентриках (аналогично шатунам), встроенным в эксцентриковый вал (аналогично коленчатому). Роторы вращаются вокруг эксцентриков и совершают орбитальные обороты вокруг эксцентрикового вала.
Вращательное движение каждого ротора на собственной оси вызвано и регулируется парой синхронизирующих передач. Фиксированная шестерня, установленная на одной стороне корпуса ротора, входит в кольцевую шестерню, прикреплённую к ротору, и обеспечивает то, что ротор движется ровно на 1/3 оборота для каждого оборота эксцентрикового вала. Выходная мощность двигателя не передаётся через синхронизаторы. Сила давления газа на роторе (в первом приближении) идёт прямо в центр эксцентриковой части выходного вала.
РПД Ванкеля фактически представляет собой систему прогрессивных полостей переменного объёма. Таким образом, на корпусе имеется три полости, все повторяющие один и тот же цикл. Когда ротор вращается орбитально, каждая его сторона приближается, а затем удаляется от стенки корпуса, сжимая и расширяя камеру сгорания, подобно ходу поршня в двигателе. Вектор мощности ступени сгорания проходит через центр смещённой лопасти.
Двигатели Wankel, как правило, способны достичь гораздо более высоких оборотов, чем те, что с аналогичной выходной мощностью. Это связано с гладкостью, присущей круговому движению, и отсутствием сильно напряжённых частей, таких, как коленчатые и распределительные валы, или шатуны. Эксцентриковые валы не имеют ориентированных по напряжению контуров коленчатых.
Проблемы устройства и их устранение
Феликсу Ванкелю удалось преодолеть большинство проблем, из-за которых предыдущие роторные устройства терпели неудачу:
- У вращающихся РПД есть проблема, не встречающаяся в четырёхтактных устройствах с поршнями, в которых корпус блока имеет впуск, сжатие, сгорание и выхлопные газы, проходящие в фиксированных местах вокруг корпуса. Использование тепловых труб в воздушном охлаждении роторного двигателя Ванкеля было предложено Университетом Флориды для преодоления неравномерного нагрева блока корпуса. Предварительный нагрев некоторых корпусных секций выхлопными газами улучшил производительность и экономию топлива, а также уменьшил износ и выбросы.
- Проблемы также возникли во время исследований в 50-х и 60-х годах. Некоторое время инженеры сталкивались с тем, что они называли «царапиной дьявола» на внутренней поверхности эпитрохоиды. Они обнаружили, что причиной были точечные уплотнения, достигающие резонансной вибрации. Эта проблема была решена за счёт уменьшения толщины и веса торцевых уплотнений. Царапины исчезли после введения более совместимых материалов для уплотнений и покрытий.
- Ещё одна ранняя проблема заключалась в наращивании трещин на поверхности статора вблизи отверстия пробки, которое было устранено путём установки свечей зажигания в отдельной металлической вставке, медной втулке в корпусе вместо вилки, ввинчиваемой непосредственно в корпус блока.
- Четырёхтактные поршневые устройства не очень подходят для использования с водородным топливом. Другая проблема связана с гидратацией на смазочной плёнке в поршневых конструкциях. В ДВС Ванкеля эту проблему можно обойти, используя керамическое торцевое уплотнение на такой же поверхности, так что нет никакой масляной плёнки, чтобы страдать от гидратации. Поршневую раковину необходимо смазать и охладить маслом. Это существенно увеличивает расход смазочного масла в четырёхтактном водородном ДВС.
Материалы для изготовления ДВС
В отличие от поршневого агрегата, в котором цилиндр нагревается процессом горения, а затем охлаждается входящим зарядом, корпуса ротора Wankel постоянно накаляются с одной стороны и остывают с другой, что приводит к высоким локальным температурам и неравному тепловому расширению. Хотя это предъявляет большие требования к используемым материалам, простота Ванкеля облегчает употребление в изготовлении таких веществ, как экзотические сплавы и керамика.
Среди сплавов, предназначенных для использования в Ванкеле, используются A-132, Inconel 625 и 356 с твердостью Т6. Для покрытия рабочей поверхности корпуса используется несколько высокопрочных материалов. Для вала предпочтительны стальные сплавы с малой деформацией при нагрузке, для этого предложено использование массивной стали.
Преимущества двигателя
Основными преимуществами РПД Ванкеля являются:
- Более высокое отношение мощности к весу, чем у поршневого двигателя.
- Легче размещать в небольших машинных пространствах, чем эквивалентный двигательный механизм.
- Нет поршневых деталей.
- Способность достигать более высоких оборотов в минуту, чем обычный двигатель.
- Работа практически без вибрации.
- Не подвержен двигательному удару.
- Дешевле в производстве, потому что двигатель содержит меньше деталей
- Широкий диапазон скоростей, обеспечивающий большую адаптивность.
- Он может использовать топливо с более высоким октановым числом.
ДВС Ванкеля значительно легче и проще, с гораздо меньшим количеством движущихся частей, чем поршневые двигатели эквивалентной выходной мощности. Поскольку ротор перемещается непосредственно на большой подшипник на выходном валу, нет шатунов и коленчатого вала. Устранение возвратно-поступательной силы и наиболее сильно нагруженных и разрушаемых деталей обеспечивает высокую надёжность Wankel.
В дополнение к удалению внутренних возвратно-поступательных напряжений при полном удалении возвратно-поступательных внутренних деталей, учтановленных в поршневом двигателе, двигатель Ванкеля выполнен с железным ротором в корпусе из алюминия, который имеет больший коэффициент теплового расширения. Это гарантирует, что даже сильно перегретый агрегат Ванкеля не может «захватить», как это может произойти в аналогичном поршневом устройстве. Это существенное преимущество в плане безопасности при использовании в самолётах. Кроме того, отсутствие клапанов повышает безопасность.
Дополнительным преимуществом РПД Ванкеля для использования в самолётах является то, что он обычно имеет меньшую фронтальную область, чем поршневые агрегаты эквивалентной мощности, что позволяет создать более аэродинамический конус вокруг двигателя. Каскадное преимущество заключается в том, что меньший размер и вес ДВС Ванкеля позволяет сэкономить затраты на строительство летательного аппарата по сравнению с поршневыми двигателями сопоставимой мощности.
Роторно-поршневые ДВС Ванкеля, работающие в соответствии с их первоначальными проектными параметрами, почти не подвержены катастрофическим отказам. РПД Ванкеля, который теряет компрессию, или охлаждение, или давление масла, потеряет большое количество, но всё-таки будет продолжать производить некоторую мощность, позволяя более безопасную посадку при использовании в самолётах. Поршневые устройства при тех же обстоятельствах подвержены захвату или разрушению деталей, что почти наверняка приведёт к катастрофическому сбою двигателя и мгновенной потере всей мощности.
По этой причине роторно-поршневые двигатели Ванкеля очень хорошо подходят для снегоходов, которые часто используются в отдалённых местах, где отказ двигателя может привести к обморожению или смерти, а также к самолётам, где резкий сбой может привести к крушению или вынужденной посадке в удалённых местах.
Конструкционные недостатки
Хотя многие из недостатков являются предметом текущих исследований, нынешние недочёты устройства Ванкеля в производстве заключаются в следующем:
- Уплотнение ротора. Это всё ещё незначительная проблема, так как корпус двигателя имеет очень разные температуры в каждой отдельной секции камеры. Различные коэффициенты расширения материалов приводят к несовершенной герметизации. Кроме того, обе стороны уплотнений подвергаются воздействию топлива, и конструкция не позволяет точно контролировать смазку роторов. Роторные агрегаты, как правило, смазываются при всех оборотах и нагрузках двигателя и имеют относительно высокий расход масла и другие проблемы, возникающие в результате избыточного количества смазки в зонах сгорания двигателя, таких, как образование углерода и чрезмерные выбросы от сжигания масла.
- Для преодоления проблемы различий в температурах между различными областями корпуса и боковых и промежуточных пластин, а также связанных с ними неравновесных температурных дилатаций, тепловая труба используется для транспортировки нагретого газа от горячей к холодной части двигателя. «Тепловые трубы» эффективно направляют горячий выхлопной газ на более холодные части двигателя, что приводит к снижению эффективности и производительности.
- Медленное горение. Сжигание топлива происходит медленно, поскольку камера сгорания длинная, тонкая и движущаяся. Движение пламени происходит почти исключительно в направлении движения ротора, и завершается тушением, которое является основным источником несгоревших углеводородов при высоких оборотах. Задняя сторона камеры сгорания, естественно, создаёт «сжатый поток», который препятствует достижению пламени к задней кромке камеры. Впрыск топлива, при котором оно поступает к передней кромке камеры сгорания, может минимизировать количество несгоревшего горючего в выхлопе.
- Плохая экономия топлива. Это связано с утечками уплотнений и формой камеры сгорания. Это приводит к плохому сгоранию и среднему эффективному давлению при частичной нагрузке, малой скорости вращения. В соответствии с требованиями, предъявляемыми по выбросам, иногда требуется соотношение топлива и воздуха, которое не способствует хорошей экономии топлива. Ускорение и замедление в средних условиях движения также влияют на экономию топлива. Однако работа двигателя с постоянной скоростью и нагрузкой исключает избыточный расход топлива.
Таким образом, у этого вида двигателя есть свои недостатки и преимущества.
Пожалуйста, оцените этот материал!
Загрузка…Если Вам понравилась статья, поделитесь ею с друзьями!
Двигатель Ванкеля — это… Что такое Двигатель Ванкеля?
Роторно-поршневой двигатель в разрезе.
Ро́торно-поршнево́й дви́гатель внутреннего сгорания (РПД, двигатель Ва́нкеля), конструкция которого разработана в 1957 инженером компании NSU Вальтером Фройде (англ.), ему же принадлежала идея этой конструкции. Двигатель разрабатывался в соавторстве с Феликсом Ванкелем, работавшим над другой конструкцией роторно-поршневого двигателя. [1]
Особенность двигателя — применение трёхгранного ротора (поршня), имеющего вид треугольника Рело, вращающегося внутри цилиндра специального профиля, поверхность которого выполнена по эпитрохоиде.
Конструкция
Установленный на валу ротор жёстко соединён с зубчатым колесом, которое входит в зацепление с неподвижной шестернёй — статором. Диаметр ротора намного превышает диаметр статора, несмотря на это ротор с зубчатым колесом обкатывается вокруг шестерни. Каждая из вершин трёхгранного ротора совершает движение по эпитрохоидальной поверхности цилиндра и отсекают переменные объёмы камер в цилиндре с помощью трёх клапанов.
Цикл двигателя Ванкеля: впуск (голубой), сжатие (зелёный), рабочий ход (красный), выпуск (жёлтый)
Роторно-поршневой двигатель
Такая конструкция позволяет осуществить любой 4-тактный цикл Дизеля, Стирлинга или Отто без применения специального механизма газораспределения. Герметизация камер обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами. Отсутствие механизма газораспределения делает двигатель значительно проще четырехтактного поршневого (экономия составляет около тысячи деталей), а отсутствие сопряжения (картерное пространство, коленвал и шатуны) между отдельными рабочими камерами обеспечивают необычайную компактность и высокую удельную мощность. За один оборот ванкель выполняет три полных рабочих цикла, что эквивалентно работе шестицилиндрового поршневого двигателя.
Смесеобразование, зажигание, смазка, охлаждение, запуск принципиально такие же, как и у обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания.
Практическое применение получили двигатели с трёхгранными роторами, с отношением радиусов шестерни и зубчатого колеса: R:r = 2:3, которые устанавливают на автомобилях, лодках и т. п.
Преимущества, недостатки и их разрешение
Преимущества перед обычными бензиновыми двигателями
- низкий уровень вибраций. РПД полностью механически уравновешен, что позволяет повысить комфортность лёгких транспортных средств типа микроавтомобилей, мотокаров и юникаров;
- главным преимуществом роторно-поршневого двигателя являются отличные динамические характеристики: на низкой передаче возможно без излишней нагрузки на двигатель разогнать машину выше 100 км/ч на более высоких оборотах двигателя (8000 об/мин и более), чем в случае конструкции обычного двигателя внутреннего сгорания.
- Малая удельная масса при высокой удельной мощности, причины:
- Масса движущихся частей в РПД гораздо меньше, чем в аналогичных по мощности «нормальных» поршневых двигателях, так как в его конструкции отсутствуют коленчатый вал и шатуны.
- К тому же однороторный двигатель выдаёт мощность в течение трёх четвертей каждого оборота выходного вала. В отличии от одноцилиндрового поршневого двигателя, который выдаёт мощность только в течение одной четверти каждого оборота выходного вала. (современный серийный РПД с объёмом рабочей камеры 1300 см³ имеет мощность 220 л.с., а с турбокомпрессором — 350 л.с.)
- меньшие в 1,5—2 раза габаритные размеры.
- меньшее на 35—40 % число деталей
За счёт отсутствия преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное двигатель способен выдерживать бо́льшие обороты с меньшими вибрациями, по сравнению с традиционными двигателями. Роторно-поршневые двигатели обладают более высокой мощностью при небольшом объёме камеры сгорания, сама же конструкция двигателя сравнительно мала и содержит меньше деталей. Небольшие размеры улучшают управляемость, облегчают оптимальное расположение трансмиссии и позволяют сделать автомобиль более просторным для водителя и пассажиров.
Соединение ротора с выходным валом через эксцентриковый механизм, являясь характерной особенностью РПД Ванкеля, вызывает давление между трущимися поверхностями, что в сочетании с высокой температурой, приводит к дополнительному износу и нагреву двигателя.
В связи с этим возникает повышенное требование к периодической замене масла. При правильной эксплуатации периодически производится капитальный ремонт, включающий в себя замену уплотнителей. Ресурс при правильной эксплуатации достаточно велик, но не заменённое вовремя масло неизбежно приводит к необратимым последствиям, и двигатель выходит из строя.
Важной проблемой считается состояние уплотнителей. Площадь пятна контакта очень невелика, а перепад давления очень высокий. Следствием этого, неразрешимого для двигателей Ванкеля, противоречия являются высокие утечки между отдельными камерами и, как следствие, падение коэффициента полезного действия и токсичность выхлопа.
Проблема быстрого износа уплотнителей на высокой скорости вращения была разрешена применением высоколегированной стали.
При всех преимуществах (высокая удельная мощность, простота устройства, несложный ремонт при правильной эксплуатации), важной проблемой является меньшая экономичность на низких оборотах по сравнению с обычными ДВС.
Другой особенностью двигателей Ванкеля является его склонность к перегреву. Камера сгорания имеет линзовидную форму, то есть при маленьком объёме у неё относительно большая площадь. При температуре горения рабочей смеси основные потери энергии идут через излучение. Интенсивность излучения пропорциональна четвёртой степени температуры, таким образом идеальная форма камеры сгорания — сферическая. Лучистая энергия не только бесполезно покидает камеру сгорания, но и приводит к перегреву рабочего цилиндра. Эти потери не только снижают эффективность преобразования химической энергии в механическую, но и вызывают проблемы с воспламенением рабочей смеси, поэтому в конструкции двигателя часто предусматривают 2 свечи.
Высокие требования к точности исполнения деталей делают его сложным в производстве. Оно требует высокотехнологичного и высокоточного оборудования — станков, способных перемещать инструмент по сложной траектории эпитрохоидальной поверхности камеры объёмного вытеснения.
Применение
NSU Ro80.
Двигатель разрабатывался изначально именно для применения на автотранспорте. Первый серийный автомобиль с роторным двигателем — немецкий спорткар NSU Wankelspider.
Первый массовый (37,204 экземпляра) — немецкий седан бизнес-класса NSU Ro80. Автомобиль имел достаточно инноваций и помимо двигателя — в частности, кузов с рекордно-низким аэродинамическим сопротивлением, полуавтоматическую коробку передач с гидротрансформатором, блок-фары, и так далее. Ro80 отличалась не только уникальной конструкцией, но и передовым дизайном, который оказался непонятен публике середины шестидесятых; через десять лет именно он был положен в основу стиля моделей «Ауди» 100 и 200 поколения C2.
К сожалению, ресурс двигателя оказался весьма мал (ремонт требовался уже после пробега порядка 50 тыс. км), поэтому автомобиль заслужил плохую репутацию и относительно малоизвестен. На многих сохранившихся автомобилях оригинальный двигатель заменён на поршневой V4 «Essex» фирмы Ford.
Citroën также экспериментировал с РПД — проект Citroën M35.
После этого серийное и мелкосерийное производство роторно-поршневых двигателей Ванкеля производились только фирмой ВАЗ, в конечном счёте взявшим за основу конструкцию двигателя
Современные двигатели
Инженерам фирмы Euro IV. Двухцилиндровый двигатель «Renesis» объёмом всего 1,3 л выдаёт мощность в 250 л. с. и занимает гораздо меньше места в моторном отсеке. Следующая модель двигателя Renesis 2 16X имеет меньший объём, но бо́льшую мощность, меньше нагревается.
Автомобили марки [2] могут использовать в качестве топлива как бензин, так и водород. Это явилось вторым витком роста внимания к РПД двигателю со стороны разработчиков. Двигатель успешно может использовать водород, так как менее чувствителен к детонации, чем обычный двигатель, использующий возвратно-поступательное движение поршня.
Автомобили с РПД потребляют от 7 до 20 литров топлива на 100 км, в зависимости от режима движения, и масла от 0,4 л до 1 л на 1000 км (для двигателей Mazda 0,4 — 0,6 л.). В настоящее время исследование этого типа двигателя активно ведёт японский автоконцерн
Авиационные двигатели
В начале 50-х годов была создана серия авиадвигателей ВП-760, ВП-1300, ВП-2650 — пятилучевых двухтактных звёзд мощностью от 40 до 130 л. с. и весом от 25 до 100 кг авиационного инженера В.Полякова, созданных для лёгкой авиационной техники и прошедших успешные испытания в небольшой серии в ДОСААФ. [3]
Сноски
- ↑ Иван Пятов. РПД изнутри и снаружи, Журнал Двигатель, № 5-6 (11-12) сентябрь-декабрь 2000
- ↑ первые буквы от названия «Renesis», производным от слов (англ. Rotary Engine:роторный двигатель и Genesis:процесс становления, название говорящее о появлении нового класса двигателей)
- ↑ альманах АэроМастер, №1/98г, Новосибирск.
Литература
- Роторно-поршневой двигатель // Большая советская энциклопедия
Ссылки
РПД СССР/России
Авиационные РПД
См. также
Wikimedia Foundation. 2010.