Роторно поршневий двигун принцип роботи. Мотори для авіації, «вісімок» та «дев'яток»

Парові машиниі двигуни внутрішнього згоряння мають один загальний недолік - зворотно-поступальний рух поршня повинен бути перетворений на обертальний рух коліс. Звідси і свідомо низький ККД, і висока зношування елементів механізму. Багатьом хотілося побудувати двигун внутрішнього згоряння так, щоб усі рухомі частини в ньому тільки оберталися - як це відбувається в електромоторах.

Однак завдання виявилося не простим, успішно вирішити його вдалося лише механіку-самоукові, який за все своє життя так і не здобув ні вищої освіти, ні навіть робочої спеціальності.

Фелікс Генріх Ванкель (Felix Heinrich Wankel, 1902–1988) народився 13 серпня 1902 року у невеликому німецькому містечку Лар. Під час Першої світової війни загинув батько Фелікса, через що майбутньому винахіднику довелося покинути гімназію та піти працювати учнем продавця у книжковій лавці під час видавництва. Завдяки цій роботі Ванкель звик до читання книг, за якими він самостійно вивчав технічні дисципліни, механіку та автомобілебудування.

Існує легенда, що розв'язання задачі прийшло сімнадцятирічному Феліксу уві сні. Правда це чи ні – невідомо. Зате очевидно, що Фелікс володів вельми неабиякими здібностями до механіки та «незамиленим» поглядом на речі. Він зрозумів, як усі чотири цикли роботи звичайного двигуна внутрішнього згоряння (впорскування, стиск, згоряння, вихлоп) можна здійснити при обертанні.

Досить швидко Ванкель прийшов до першої конструкції двигуна, і в 1924 він організував невелику майстерню, яка також служила і імпровізованою «лабораторією». Тут Фелікс і почав проводити перші серйозні дослідження у галузі роторно-поршневих ДВС.

З 1921 Ванкель був активним членом НСДАП. Він виступав за партійні ідеали, був засновником всенімецького військового юнацького об'єднання та юнгфюрером різних організацій. 1932 року він вийшов із партії, звинувативши одного зі своїх колишніх колег у політичній корупції. Однак, за зустрічним обвинуваченням, йому самому довелося провести у в'язниці шість місяців. Звільнившись із ув'язнення завдяки заступництву Вільгельма Кепплера (Wilhelm Keppler), він продовжив роботи над двигуном. У 1934 році він створив перший досвідчений зразок і отримав на нього патент. Він сконструював нові клапани та камери згоряння для свого двигуна, створив кілька різних його варіантів, розробив класифікацію кінематичних схем різних роторно-поршневих машин.

В 1936 прототип двигуна Ванкеля зацікавив BMW - Фелікс отримав гроші і власну лабораторію в Ліндау для розробки досвідчених авіадвигунів.

Втім, до розгрому фашистської Німеччини жоден двигун Ванкеля в серію не пішов. Можливо, на доведення конструкції до розуму та створення масового виробництвапотрібно дуже багато часу.

Після війни лабораторію було закрито, обладнання вивезено до Франції, а Фелікс залишився без роботи (відбилося колишнє членство в націонал-соціалістичній партії). Однак невдовзі Ванкель все ж таки отримав посаду інженера-конструктора в компанії NSU Motorenwerke AG, яка є одним із найстаріших виробників мотоциклів та автомобілів.

У 1957 році спільними зусиллями Фелікса Ванкеля та провідного інженера NSU Вальтера Фреде (Walter Froede) роторно- поршневий двигунвперше було встановлено на автомобіль NSU Prinz. Початкова конструкція виявилася далекою від досконалості: навіть для заміни свічок потрібно було розбирати майже весь «движок», надійність залишала бажати кращого, а про економічність на даному етапі розробки взагалі говорити було грішно. В результаті випробувань у серію пішов все ж таки автомобіль з традиційним ДВС. Проте перший роторно-поршневий двигун DKM-54 довів свою принципову працездатність, відкрив напрями для подальшого доведення та продемонстрував колосальний потенціал «роторників».

Таким чином, новий тип ДВС отримав, нарешті, свою путівку у життя. Надалі його чекає ще чимало удосконалень та доопрацювань. Але перспективи роторно-поршневого двигуна настільки привабливі, що інженерів вже нічого не могло зупинити у справі доведення конструкції до експлуатаційної досконалості.

Перш ніж розбирати переваги та недоліки роторно-поршневих ДВС, варто все-таки докладніше розглянути їхню конструкцію.
У центрі ротора пророблено круглий отвір, зсередини покритий зубцями як у шестерні. У цей отвір вставлений вал меншого діаметра, що обертається, також з зубцями, що забезпечує відсутність прослизання між ним і ротором. Відносини діаметрів отвору і валу підібрані так, щоб вершини трикутника рухалися однією і тією ж замкненою кривою, яка називається «епітрохоїда», - мистецтво Ванкеля як інженера полягало в тому, щоб спочатку зрозуміти, що це можливо, а потім все точно розрахувати. У результаті поршень, що має форму трикутника Рело, відсікає в камері, що повторює форму знайденої Ванкелем кривої, три камери змінного об'єму і положення.

Конструкція роторно-поршневого ДВЗ дозволяє реалізувати будь-який чотиритактний цикл без застосування спеціального механізму газорозподілу. Завдяки цьому факту «роторник» виявляється значно простішим за звичайний чотиритактний поршневий двигун, у якому в середньому майже на тисячу деталей більше.

Герметизація робочих камер у роторно-поршневому ДВС забезпечується радіальними та торцевими ущільнювальними пластинами, що притискаються до «циліндра» стрічковими пружинами, а також відцентровими силами та тиском газу.

Ще одна його технічна особливість- це висока "продуктивність праці". За один повний оборот ротора (тобто за цикл «впорскування, стиснення, займання, вихлоп»), вихідний вал робить три повні обороти. У звичайному поршневому двигуні таких результатів можна досягти лише використовуючи шестициліндровий ДВС.

Після першої ж успішної демонстрації роторного ДВС в 1957 найбільші автогіганти стали виявляти до розробки підвищений інтерес. Спочатку ліцензію на двигун, який отримав неформальну назву "ванкель", купила корпорація Curtiss-Wright, через рік, Daimler-Benz, MAN, Friedrich Krupp та Mazda. Усього за досить короткий проміжок часу ліцензії на нову технологію придбали близько ста компаній у всьому світі, включаючи таких монстрів як Rolls-Royce, Porsche, BMW та Ford.
Такий інтерес до «ванкелю» таких великих гравців автомобільного ринку пояснюється його великим потенціалом і значними перевагами - у роторно-поршневому двигуні на 40% менше деталей, він простіше у ремонті та виробництві.

До того ж «ванкель» майже вдвічі компактніший і легший за традиційний поршневий ДВС, що у свою чергу покращує керованість автомобіля, полегшує оптимальне розташування трансмісії і дозволяє зробити більш просторий і зручний салон.

Роторно-поршневий двигун розвиває високу потужність за досить скромної витрати палива. Наприклад, сучасний «ванкель» обсягом всього 1300 смі розвиває потужність у 220 к.с., а з турбокомпресором – усі 350. Ще один приклад – мініатюрний двигун OSMG 1400 вагою 335 г (робочий об'єм 5 см) розвиває потужність в 1,27 к.с. Фактично, ця крихітка на 27% сильніша за коня.

Ще одна важлива перевага – низький рівень шумів та вібрацій. Роторно-поршневий двигун відмінно врівноважений механічно, крім того маса частин, що рухаються (і їх кількість) в ньому значно менше, завдяки чому «ванкель» працює набагато тихіше і не вібрує.

І, нарешті, роторно-поршневий двигун відрізняється чудовими динамічними характеристиками. На низькій передачі можна без особливого навантаження на двигун розігнати автомобіль до 100 км/год. високих оборотахдвигуна. Крім того, сама конструкція «ванкеля» за рахунок відсутності механізму перетворення зворотно-поступального руху на обертальний, здатна витримати більші оберти, ніж традиційний ДВС.

Після NSU Spyder, що вийшов у 1964 році, пішли легендарна модель NSU Ro 80 (у світі досі існує безліч клубів власників цих машин), Citroen M35 (1970), Mercedes C-111 (1969), Corvette XP (1973). Але єдиним масовим виробником стала японська Mazda, що випускала з 1967 року часом по 2-3 нові моделі з РПД. Роторні двигуни ставили на катери, снігоходи та легкі літаки. Кінець ейфорії прийшов у 1973 році, у розпал нафтової кризи. Ось тут і виявився основний недолік роторних двигунів — неекономічність. За винятком Mazda, всі автовиробники згорнули роторні програми, а у японської компанії продажі по Америці скоротилися з 104 960 проданих машин в 1973 році до 61 192 - в 1974-му.
Поряд з незаперечними перевагами, «ванкель» також мав і цілу низку дуже серйозних недоліків. По-перше, довговічність. Один із перших прототипів роторно-поршневих двигунів на випробуваннях виробив свій ресурс лише за дві години. Наступний, успішніший DKM-54 вже витримав сто годин, але цього для нормальної експлуатації автомобіля все одно було недостатньо. Основна проблема крилася у нерівномірному зносі внутрішньої поверхні робочої камери. На ній в процесі експлуатації з'являлися поперечні борозни, які отримали ім'я «мітки диявола», що говорить.

У компанії Mazda після придбання ліцензії на «ванкель» було сформовано цілий відділ, який займався удосконаленням роторно-поршневого двигуна. Незабаром з'ясувалося, що при обертанні трикутного ротора, заглушки на його вершинах починають вібрувати, в результаті чого і утворюються «мітки диявола».

В даний час проблему надійності та довговічності остаточно вирішили, застосувавши високоякісні зносостійкі покриття, у тому числі керамічні.

Інша серйозна проблема- Підвищена токсичність вихлопу «ванкелю». Порівняно із звичайним поршневим ДВЗ «роторник» виділяє в атмосферу менше оксидів азоту, але набагато більше вуглеводнів, за рахунок неповного згоряння палива. Досить швидко інженери Mazda, які увірували в блискуче майбутнє «ванкелю», знайшли просте та ефективне вирішення цієї проблеми. Вони створили так званий термальний реактор, у якому залишки вуглеводнів у вихлопних газах просто «досягали». Першим автомобілем, який реалізував таку схему, став Mazda R100, також званий Familia Presto Rotary, випущений у 1968 році. Ця машина, одна з небагатьох, одразу пройшла дуже жорсткі екологічні вимоги, висунуті США в 1970 році для імпортованих автомобілів.

Наступна проблема роторно-поршневих двигунів частково випливає із попередньої. Це – економічність. Витрата палива стандартного «ванкелю» через неповне згоряння суміші суттєво вища, ніж у стандартного ДВЗ. І знову інженери Mazda взялися до роботи. За допомогою цілого комплексу заходів, що включають переробку термореактора і карбюратора, додавання теплообмінника в вихлопну систему, розробку каталітичного конвертера та впровадження нової системи запалення, компанія досягла зниження споживання палива на 40%. Внаслідок цього безперечного успіху в 1978 році був випущений спортивний автомобіль Mazda RX-7.

В цей час у всьому світі машини з роторно-поршневими двигунами випускала тільки Mazda і ... АвтоВАЗ.
Саме в провальному 1974 радянський уряд створює на Волзькому автозаводі спеціальне конструкторське бюро РПД (СКБ РПД) - соціалістична економіка непередбачувана. У Тольятті розпочалися роботи з будівництва цехів для серійного виробництва «ванкелів». Оскільки ВАЗ спочатку планувався як простий копіювальник західних технологій (зокрема, фіатівських), заводськими фахівцями було прийнято рішення відтворювати двигун Mazda, геть-чисто відкинувши всі десятирічні напрацювання вітчизняних двигунобудівних інститутів.

Радянські чиновники досить довго вели переговори з Феліксом Ванкелем щодо купівлі ліцензій, причому деякі з них проходили прямо в Москві. Грошей, щоправда, не знайшли і тому скористатися деякими фірмовими технологіями не вдалося. У 1976 році запрацював перший волзький односекційний двигун ВАЗ-311 потужністю 65 к.с., ще п'ять років пішло на доведення конструкції, після чого була випущена досвідчена партія в 50 штук роторних «одиничок» ВАЗ-21018, що миттєво розійшлися серед працівників ВАЗу. Відразу ж з'ясувалося, що двигун тільки зовні нагадував японський — сипатися він став навіть по-радянському. Керівництво заводу було змушене за півроку замінити всі двигуни на серійні поршневі, скоротити на половину штат СКБ РПД та призупинити будівництво цехів. Порятунок вітчизняного роторного двигунобудування прийшов від спецслужб: їх не дуже цікавила витрата палива та ресурс двигуна, натомість — динамічні характеристики. Відразу з двох двигунів ВАЗ-311 було зроблено двосекційний РПД потужністю 120 к.с., який став встановлюватися на «спецединичку» — ВАЗ-21019. Саме цій моделі, що отримала неофіційну назву «Аркан», ми завдячуємо незліченною кількістю байок про міліцейські «Запорожці», які наздоганяють наворочені «Мерседеси», а багато правоохоронців — орденами та медалями. До 90-х років зовні невибагливий «Аркан» справді легко наздоганяв усі машини. Крім ВАЗ-21019 на АвтоВАЗі також випускаються малі партії автомобілів ВАЗ-2105, -2107, -2108, -2109, -21099. максимальна швидкістьроторної "вісімки" становить близько 210 км/год, а до сотні вона розганяється всього за 8 секунд.

СКБ РПД, який ожив на спецзамовленнях, став робити двигуни для водного та автоспорту, де машини з роторними двигунами стали настільки часто завойовувати призові місця, що спортивні чиновники були змушені заборонити застосування РПД.

У 1987 році помер керівник СКБ РПД Борис Поспєлов і на загальних зборах був обраний Володимир Шнякін - людина, яка прийшла в автомобілебудування з авіації і недолюблює наземний транспорт. Головним напрямом СКБ РПД стає створення двигунів для авіації. Це була перша стратегічна помилка: літаків у нас випускається незрівнянно менше автомобілів, а завод живе із проданих двигунів.

Другою помилкою стала орієнтація в виробництві автомобільних РПД на малопотужні двигуни ВАЗ-1185 в 42 к.с. для «Оки», хоча більш ненажерливі, але динамічніші роторні двигуни так і просяться на найшвидшехідні вітчизняні машини- Наприклад, на "вісімки". Ті ж японці встановлюють "ванкелі" лише на спортивні моделі. У результаті на російських дорогахвиявилося лише кілька роторних мікролітражок «Ока». У 1998 році був нарешті підготовлений громадянський варіантдвоциліндрового роторного 1,3-літрового двигуна ВАЗ-415, який стали встановлювати на ВАЗ-2105, 2107, 2108 та 2109.

У травні 1998 р. був омологований кільцевий ВАЗ-110 «РПД-спорт» (190 л. с., 8500 об/хв, 960 кг, 240 км/год). На жаль, далі одного-єдиного зразка, що частіше демонструється на виставках, ніж стартує в перегонах, справа не пішла. 110-та була найпотужнішою в пелотоні, але відверто сира конструкція щоразу не давала їй продемонструвати весь свій потенціал. Однак найприкріше те, що на «ВАЗі» швидко охололи до роторного напрямку, а унікальну «Ладу» переробили в ралі-кар зі звичайним ДВС.

То чому всі провідні виробники автомобілів ще не пересіли на «ванкелі»? Справа в тому, що для виробництва роторно-поршневих двигунів потрібна, по-перше, відточена технологія з безліччю найрізноманітніших нюансів і далеко не кожна компанія готова пройти шлях тієї ж Mazda, принагідно наступаючи на численні граблі. А по-друге, потрібні спеціальні високоточні верстати, здатні виточувати поверхні, описані такою хитрою кривою, як епітрохоїда.

Mazda RX-7 - це один із перших автомобілів, на якому ставився роторно-поршневий двигун Ванкеля. За всю історію Mazda RX-7 було чотири покоління. Перше покоління з 1978 до 1985 року. Друге покоління – з 1985 по 1991. Третє покоління – з 1992 по 1999. Останнє, четверте покоління – з 1999 по 2002 рік. Перше покоління RX-7 з'явилося 1978 року. Воно мало середньомоторне компонування та оснащувалося роторним двигуном потужністю всього 130 л. с.

В даний час тільки Mazda займається серйозними дослідженнями в області роторно-поршневих двигунів, поступово вдосконалюючи їх конструкцію, і більшість підводних каменів у цій галузі вже пройдено. «Ванкелі» цілком відповідають світовим стандартам щодо рівня токсичності вихлопу, споживання палива та надійності. Для сучасних верстатів поверхні описані епітрохоїдою не є проблемою (як не є проблемою і набагато складніші криві), нові конструкційні матеріали дозволяють збільшити термін служби роторно-поршневого двигуна, а його вартість вже зараз виявляється нижчою, ніж у стандартного ДВС за рахунок меншої кількості використовуваних деталей.

Як і NSU, Mazda у 60-ті роки. була невеликою компанією з обмеженими технічними та фінансовими ресурсами. Основу її модельного ряду становили розвізні вантажівки та сімейні малолітражки. Тому немає нічого дивного, що спорт-купе Mazda 110S Cosmo (982 см куб., 110 к. с., 185 км/год) створювалося більше 6 років і виявилося дуже примхливим і дорогим. Та й зіпсована NSU Ro80 репутація не сприяла ажіотажу (у 1967–1972 рр. знайшли своїх власників лише 1175 «космосів»), але світовий інтерес до 110S сприяв збільшенню продажів решти продукції фірми!

Щоб довести, що РПД настільки ж надійний (його перевага в потужності вже стала для всіх очевидною), Mazda чи не вперше в житті взяла участь у змаганнях, причому обрала найважчі і найтриваліші перегони – 84-годинний Marathon De La Route, що проходив на Нюрбургрінг. Як екіпажу з Бельгії вдалося зайняти 4-е місце (друга машина зійшла з дистанції за три години до фінішу через гальма, що заклинили), поступившись тільки «вирослим» на «Нордшляйфі» Porsche 911, схоже, так і залишиться загадкою.

Майстерня Ванкеля в Ліндау

Хоча з того часу японські «роторники» стали завсідниками гоночних трас, великого успіху в Європі їм довелося чекати 16 років. 1984-го британці на RX-7 виграли престижну добову гонку у Спа-Франкошамп. А ось у США, на головному ринку «сімки», її гоночна кар'єра складалася набагато успішніше: з моменту дебюту в чемпіонаті IMSA GT в 1978 році і по 1992-й вона виграла у своєму класі більше сотні етапів, причому з 1982 по 1992 рр. була першою в головній гонці серії - 24 hours of Daytona.

У ралі у "Мазд" все йшло не так гладко. Як це часто бувало з японськими командами (Toyota, Datsun, Mitsubishi), вони виступали лише на окремих етапах ралійного чемпіонату світу (Нова Зеландія, Великобританія, Греція, Швеція), які в першу чергу цікавлять маркетингові відділи концернів. Національних титулів вистачало: так, у 1975–1980 роках. Рід Міллен виграв цілих п'ять у Новій Зеландії та США. А ось у WRC успіхи були виключно локальними: найкраще, що показали RX-7, – 3-те та 6-е місця в грецькому «Акрополісі» 1985 року.

Ну а найгучнішим успіхом Mazda взагалі і РПД, зокрема, стала перемога її спортпрототипу 787B (2612 см куб., 700 к. с., 607 Нм, 377 км/год) у Ле Мані в 1991 році. Причому здолати заводські Porsche, Peugeot і Jaguar допомогли не тільки швидкі пілоти та конкурентоспроможна техніка: свою роль відіграла і наполегливість японських менеджерів, які регулярно «вибивали» для роторників всілякі послаблення в регламенті. Так, напередодні перемоги 787-го організатори перегонів погодилися компенсувати ненажерливість "роторників" 170-кілограмовим (830 проти 1000) зниженням маси. Парадокс полягав у тому, що, на відміну від бензинових моторів, «апетит» РПД при подальшому форсуванні ріс набагато скромнішими темпами, ніж у звичайних поршневих моторів, і 787-й виявився економічнішим за своїх основних конкурентів!

То був шок. Mercedes, який журнал Stern за консерватизм називав не інакше як «виробник авто для 50-річних панів у капелюхах», у 1969 році презентував супер-кар, що вражав навіть кольором. Яскраво-оранжеве забарвлення, що викликає, підкреслено клиноподібна форма, середньомоторне компонування, двері «крило чайки» і надпотужний трисекційний РПД (3600 см куб., 280 к. с., 260 км/год) – для консервативного Mercedes це було щось!

А оскільки в компанії не будували концептів, усі вважали, що С111 має лише один шлях: дрібносерійне (омологаційне) складання та велике гоночне майбутнє, адже з 1966 року ФІА допустила РПД до офіційних змагань. І до штаб-квартири Mercedes посипалися чеки із проханням вписати потрібну сумуза право мати С111. Штутгартці ж ще більше підігріли інтерес до «ески», в 1970 р. представивши другу генерацію купе з ще більш фантастичним дизайном, 4-секційним ротором і дивовижними характеристиками (4800 см куб., 350 л. с., 300 км/год). Для доведення Mercedes побудував п'ять макетів, які днювали і ночували на Хокенхаймрінг і Нюрбургрінг, готуючись встановити серію рекордів швидкості. Преса смакувала майбутню «битву титанів» між роторним Mercedes, атмосферним Ferrari та наддувним Porsche у чемпіонаті світу з гонок на витривалість. На жаль, повернення у великий спорт не відбулося. По-перше, С111 був дуже дорогим навіть для Mercedes, по-друге, німці не могли пустити у продаж таку сиру конструкцію. А після карибської нафтової кризи вони взагалі прикрили проект, зосередившись на дизельних двигунах. Ними й обладнали останні версії C111, які встановили кілька світових рекордів.

Фелікс Ванкель, який не має закінченої технічної освіти, під кінець життя досяг світового визнання в галузі двигунобудування та ущільнювальної техніки, завоювавши масу нагород і титулів. Його ім'ям названо вулиці та площі німецьких міст (Felix-Wankel-Strasse, Felix-Wankel-Ring). Окрім двигунів, Ванкель розробив нову концепцію швидкісних суден та самостійно побудував кілька човнів.

Найцікавіше, що роторний двигун, який зробив його мільйонером і приніс йому всесвітню славу, Ванкель не любив, вважаючи його «гидким каченям». Реальні працюючі РПД були зроблені за так званою «концепцією ККМ», яка передбачає планетарне обертання ротора і вимагає введення зовнішніх противаг. Неабияку роль відіграв і той факт, що цю схему запропонував не Ванкель, а інженер NSU Вальтер Фройде. Сам же Ванкель до останніх дніввважав ідеальною схему двигуна «з поршнями, що обертаються, без нерівномірно обертових частин» (Drehkolbenmasine — DKM), концептуально набагато більш красиву, але технічно складну, що вимагає, зокрема, установки свічок запалювання на роторі, що обертається. Тим не менш, роторні двигуни по всьому світу пов'язують саме з ім'ям Ванкеля, оскільки всі, хто близько знав виборця, в один голос стверджують, що без невгамовної енергії німецького інженера світ так і не побачив би цього дивовижного пристрою. Фелік Ванкель пішов із життя у 1988 році.
Цікава історія з Mercedes 350 SL. Ванкель дуже хотів мати роторний Mercedes С-111. Але фірма Mercedesне пішла йому назустріч. Тоді винахідник взяв серійний 350 SL, викинув звідти «рідний» двигун і встановив ротор від С-111, який був легшим за 8-циліндровий на 60 кг, але розвивав істотно велику потужність (320 к.с. при 6500 об/хв). У 1972 році, коли інженерний геній закінчив роботу над своїм черговим дивом, він міг би сидіти за кермом найшвидшого на той момент "Мерседеса" SL-класу. Іронія полягала в тому, що права водія Ванкель до кінця життя так і не отримав.

Відродженням інтересу до РПД ми зобов'язані новому двигуну Mazda Renesis (від RE – Rotary Engine – та Genesis). За десятиліття японським інженерам вдалося вирішити всі основні проблеми РПД — токсичність вихлопу і неекономічність. Порівняно з попередником вдалося скоротити споживання масла на 50%, бензину на 40% і довести викид шкідливих оксидів до норм, що відповідають Euro IV. Двоциліндровий двигун об'ємом всього 1,3 л видає потужність 250 л.с. і займає набагато менше місця у руховому відсіку.

Спеціально під новий двигунбув розроблений автомобіль Mazda RX-8, який, за словами бренд-менеджера Mazda Motor Europe Мартіна Брінка, створювався за новою концепцією - автомобіль "будувався" навколо двигуна. У результаті розважування по осях RX-8 ідеальне - 50 на 50. Використання унікальної форми і маленьких розмірів двигуна дозволило помістити центр ваги дуже низько. "RX-8 не є гоночним монстром, але це найкраща в управлінні машина, яку я коли-небудь водив", - із захопленням розповідав Popular Mechanics Мартін Брінк.

Бочка меду.

Поза всякими сумнівами, з першого погляду роторно-поршневий двигун має масу переваг перед традиційними двигунамивнутрішнього згоряння:
- меншим на 30-40% кількістю деталей;
- меншими в 2-3 рази габаритами та масою, порівняно з відповідним за потужністю стандартним ДВС;
- плавна характеристика крутного моменту у всьому діапазоні оборотів;
- відсутність кривошипно-шатунного механізму, а, отже, набагато менший рівень вібрації та шуму;
- Високий рівеньоборотів (до 15000 об/хв!).

Ложка дьогтю…

Здавалося б, якщо «Ванкель» має такі переваги над поршневим двигуном, то кому потрібні ці громіздкі, важкі, гримлячі та вібруючи поршневі двигуни? Але, як це часто буває, практично все далеко не так шоколадно. Жодне геніальний винахід, вийшовши за поріг лабораторії, вирушало у кошик із позначкою «для сміття». Серійне виробництвознайшло не на один камінь, а на цілий розсип граніту:
- відпрацювання процесу згоряння в камері несприятливої ​​форми;
- забезпечення герметичності ущільнень;
- забезпечення роботи без жолоблення корпусу в умовах нерівномірного нагріву;
- Низький термічний ККД через те, що камера згоряння РПД набагато більша, ніж у традиційного ДВС;
- Висока витратапалива;
- висока токсичність газоподібних продуктів згоряння;
- Вузька зона температур для роботи РПД: при низьких температурахпотужність двигуна різко падає, при високих - швидке зношування ущільнень ротора.

І чого більше? Плюсів чи мінусів? Чи коштує овчинка вичинки? Чи має сенс (якщо не більше – можливість) освоювати серійне виробництво РПД?

Головна відмінність внутрішнього пристрою та принципу роботи роторного двигуна від ДВЗ полягає у повній відсутності рухової активності, при цьому вдається досягти високих оборотів роботи мотора. У роторного двигуна або інакше двигуна Ванкеля є й ряд інших переваг, їх ми і розглянемо докладніше.

Загальний принцип влаштування роторного двигуна

РПД одягнений в овальний корпус для оптимального розміщення ротора, що має трикутну форму. Відмінна особливістьротора без шатунів і валів, що значно спрощує конструкцію. Власне, ключовими деталями РД є ротор і статор. Основна рухова функція в такому типі двигуна здійснюється за рахунок руху ротора, розташованого всередині корпусу, що має схожість з овалом.

Принцип дії ґрунтується на високошвидкісному русі ротора по колу, в результаті створюються порожнини для запуску пристрою.

Чому роторні двигуни не мають попиту?

Парадокс роторного двигуна полягає в тому, що при всій простоті конструкції він не настільки затребуваний, як двигун внутрішнього згоряння, що має дуже складні конструктивні особливості та складності при здійсненні ремонтних робіт.

Зрозуміло, роторний двигун не позбавлений недоліків, інакше він знайшов би широке застосування в сучасному автопромі, а можливо ми б і не дізналися про існування ДВС, адже роторний був сконструйований значно раніше. Так навіщо так ускладнювати конструкцію, спробуємо розібратися.

Явними недоліками роторного мотораможна вважати відсутність надійної герметизації камери згоряння. Це легко пояснити конструктивними особливостями та умовами роботи двигуна. В ході інтенсивного тертя ротора зі стінками циліндра відбувається нерівномірне нагрівання корпусу і, як наслідок, метал корпусу розширюється від нагрівання лише частково, що і призводить до виражених порушень герметизації корпусу.

Для посилення герметичних властивостей, особливо за умови вираженої різниці температурних режимівміж камерою і системою впуску або випуску, сам циліндр виготовляють з різних металів і розміщують в різних частинах циліндра, для поліпшення герметичності.

Для запуску двигуна використовують всього дві свічки, це пов'язано з конструктивними особливостями двигуна, що дозволяють видавати на 20% більше ККД, у порівнянні з двигуном внутрішнього згоряння, за однаковий проміжок часу.

Роторний двигун Желтишева - принцип роботи:

Переваги роторного двигуна

За малих габаритів він здатний розвивати високу швидкість, проте є в цьому нюансі і великий мінус. Незважаючи на малі габарити, саме роторний двигун споживає величезну кількість пального, а ось ресурс роботи двигуна складає всього 65 000 км. Так, двигун всього 1,3 л споживає до 20 л. палива на 100 км. Можливо, це стало основною причиною відсутності популярності цього виду моторів для масового споживання.

Ціна на бензин у всі часи вважається актуальною проблемою людства з огляду на те, що світові запаси нафти розташовані на Близькому сході, в зоні постійних бойових конфліктів, ціни на бензин залишаються досить високими, і в найближчій перспективі немає тенденцій для їхнього зниження. Це призводить до пошуку рішень щодо мінімального споживання ресурсів не на шкоду потужності, в чому і полягає головний аргумент на користь ДВС.

Все це в сукупності визначило становище роторних двигунів як відповідний варіант для спорткарів. Однак відомий у всьому світі виробник авто «Мазда» продовжив справу винахідника Ванкеля. Японські інженери завжди намагаються отримувати з незатребуваних моделей максимум користі шляхом модернізації та застосування інноваційних технологій, що дозволяє зберігати лідируючі позиції на світовому автомобільному ринку.

Принцип роботи роторного двигуна Ахрієвих на відео:

Нова модель «Мазда», оснащена роторним двигуном, не поступається потужністю передовим німецьким моделям, видаючи до 350 кінських сил. При цьому витрата палива була незрівнянно високою. Інженерам-конструкторам «Мазда» довелося зменшити потужність до 200 кінських сил, що дало змогу нормалізувати споживання палива, проте компактні розміри двигуна дозволили наділити авто додатковими перевагами та скласти гідну конкуренцію європейським моделям авто.

У нашій країні роторні двигуни не прижилися. Були спроби встановити їх на транспорт спеціалізованих служб, але цей проект не було профінансовано належним чином. Тому всі успішні розробки в цьому напрямку належать японським інженерам з компанії «Мазда», яка має намір Найближчим часомпоказати нову модель авто із модернізованим двигуном.

Як працює роторний мотор Ванкеля на відео

Принцип роботи роторного двигуна

РПД працює за рахунок обертання ротора, так йде передача потужності на коробку через зчеплення. Перетворюючий момент полягає у передачі енергії палива колесам за рахунок обертання ротора, виготовленого з легованої сталі.

Механізм роботи роторно-поршневого двигуна:

• стиск пального;
• упорскування палива;
• збагачення киснем;
• горіння суміші;
• випуск продуктів згоряння палива

Як працює роторний двигун показано на відео:

Ротор закріплений спеціальному пристрої, при обертанні він утворює незалежні друг від друга порожнини. У першій камері відбувається наповнення повітряно-паливною сумішшю. Надалі вона ретельно перемішується.

Потім суміш переходить в іншу камеру, де відбувається стиснення та займання, завдяки наявності двох свічок. Надалі суміш переміщається в наступну камеру, з неї витісняються частини переробленого палива, що виходять із системи.

Так відбувається повний цикл роботи роторно-поршневого двигуна, заснованого на трьох тактах роботи за лише один оборот ротора. Саме японським розробникам вдалося суттєво модернізувати роторний двигун та встановити у ньому відразу три ротори, що дозволяє значно збільшити потужність.

Принцип роботи роторного двигуна Зуєва:

На сьогодні, удосконалений двороторний двигун порівняний із двигуном внутрішнього згоряння з шістьма циліндрами, а трироторний за потужністю не поступається 12-ти. циліндрового двигунавнутрішнього згоряння.

Не варто забувати і про компактний розмір двигуна та простоту пристрою, що дозволяє при необхідності здійснювати ремонт або повну замінуосновних агрегатів двигуна. Таким чином, інженерам компанії «Мазда» вдалося подарувати друге життя цього простого та продуктивного пристрою.

Принцип роботи РПД заснований на тиску розширення газів, що створюється при спалюванні палива. Головна відмінність та позитивний момент РПД – відсутність мас зі зворотно-поступальними рухами. Весь рух деталей відбувається по колу без різких зупинок. У звичайному поршневому ДВЗ відбувається повна зупинка поршня та шатуна у верхній та нижній мертвих точкахщо створює значні сили інерції та вимагає застосування високоміцних матеріалів.

Основною частиною конструкції є ротор, що перетворює тиск на круговий рух. Ротор у найпростішому випадку має форму трикутника з опуклими гранями (т.зв. трикутник Рело) і знаходиться/обертається в овальному корпусі спеціального профілю, поверхня якого виконана по епітрохоїді (можливі варіанти з іншою формою ротора та корпусу). У порожнинах між ротором та корпусом, повністю ізольованих другвід друга і міняють свій обсяг по ходу обертання ротора, відбувається ряд процесів (тактів) - подача повітря, упорскування палива, стиснення суміші, створення іскри, виведення відпрацьованих газів:

• у першу порожнину через впускне вікно надходить і перемішується повітряно-паливна суміш (відкриття та закриття вікна виконується гранню ротора, аналогічно двотактному поршневому двигуну);
• ротор переміщає отриману субстанцію у другу порожнину, де проходить стиск та займання;
• у третій порожнині відбувається розширення суміші та видалення відпрацьованих газів через випускне вікно (також відкривається та закривається гранню ротора).

Ключовий момент у тому, що це процеси відбуваються не послідовно, а водночас і паралельно, тобто. за один оборот ротора відбуваються всі три такти.

Обертання ротора відбувається на ексцентриці - парі шестерень, велика з яких знаходиться на внутрішній поверхні ротора, а менша, опорна, жорстко прикріплена до внутрішньої поверхні бічної кришки двигуна. Обертальний рух ротора передається на ексцентриковий вал, встановлений на підшипниках і передає крутний момент на механізми трансмісії. Таким чином у РПД одночасно працюють дві механічні пари: перша - регулююча рух ротора і що складається з пари шестерень; і друга - перетворює круговий рух ротора на обертання ексцентрикового валу. Передатне співвідношення шестерень ротора та статора 2:3, тому за один повний оборот ексцентрикового валу ротор встигає повернутися на 120 градусів. У свою чергу, за один повний оборот ротора в кожній із трьох утворених його гранями камер проводиться повний чотиритактний цикл двигуна внутрішнього згоряння.

Для забезпечення балансування (особливо на неодружених оборотах) потрібно мінімум два ротори, хоча застосовуються і однороторна конструкція. Двигуни Mazda мають до трьох роторів (секцій).

Загальний ККД роторного двигуна Ванкеля (термічний та механічний ККД) становить близько 40-45%. Для порівняння, звичайні поршневі ДВЗ мають 25% ККД (за іншими даними – 34%), а сучасні турбодизелі до 40% (за іншими даними – 50%).

[згорнути]

Класифікація роторних ДВЗ

Розкрити...

Класифікація роторних двигунів відбувається за типом роботи камери згоряння - замикається вона на якийсь час герметично, або має постійний зв'язок з атмосферою. До останнього типу відносяться газові турбіни, камери згоряння яких відокремлені від вихлопного сопла (від атмосфери) лише густим «частоколом» лопатей роторної крильчатки.

Роторні ДВС з камерами згоряння, що герметично замикаються, діляться на 7 різних конструкційних компоновок:

1. Роторні двигуни з нерівномірним різноспрямованим (поворотно-обертальним) рухом головного робочого елемента. Ротор тут не обертається, а ніби хитається навколо своєї осі. Процес стиснення відбувається між лопатками двигуна.
2. Роторні двигуни з нерівномірним односпрямованим (пульсуюче-обертальним) рухом головного робочого елемента. Усередині корпусу два ротори. Стиснення проходить між лопатями цих двох елементів, коли вони зближуються та видаляються.
3. Роторні двигуни з простим і рівномірним обертальним рухом головного робочого елемента та з ущільнювальними заслінками-лопатями, що рухаються в роторі. Дана конструкція досі широко використовується в пневматичних моторах. Для роторних двигунів внутрішнього згоряння суттєво переробляється камера, в якій відбувається запалення.
4. Окремий випадок - із заслінками-лопатями, що відхиляються на шарнірах на роторі.
5. Роторні двигуни з простим і рівномірним обертальним рухом головного робочого елемента та з ущільнювальними заслінками, що рухаються в корпусі.
6. Роторні двигуни з простим і рівномірним обертальним рухом головного робочого елемента та з використанням такого ж простого обертального руху ущільнювальних елементів.
7. Роторні двигуни з простим обертовим рухом головного робочого елемента, без застосування окремих елементів ущільнювачів і спіральною організацією форми робочих камер. Вважаються найбільш технічно досконалими за рахунок відсутності деталей, що здійснюють зворотно- поступальні рухи. Саме вони є РПД («двигун Ванкеля») у класичному сучасному розумінні. РПД такого типу легко досягають 10000 об/хв.
8. Роторні двигуни з планетарним обертальним рухом головного робочого елемента та без застосування окремих ущільнювальних елементів. Найперша модифікація, винайдена Фройде та Ванкелем.

Переваги РПД

Розкрити...

• Конструкція РПД порівняно мала (в 1,5-2 рази менше класичного ДВС такої ж потужності) і має малу вагу, що покращує керованість машини, полегшує оптимальне розташування трансмісії (розважування) та вивільняє більше внутрішнього компонувального простору.
• За рахунок відсутності перетворення зворотно-поступального руху на обертальний і пов'язаних з цим сил інерції, РПД витримує набагато більші обороти в порівнянні з традиційними двигунами. Як наслідок - відмінні динамічні якості (висока питома потужність - двигун робочим об'ємом 1,3 літра видає 220лс, а з турбонаддувом - 350лс!), високі граничні обороти (до 10000 об/хв), відмінна ємність і рівна крива.
• Видача потужності з кожної секції протягом 3/4 обороту вихідного валу (однопоршневий ДВЗ видає потужність лише на 1/4 обороту).
• Мінімум вібрацій, чудове балансування (особливо у двороторних двигунах).
• На 35-40% менше деталей у конструкції взагалі і рухомих мас зокрема (відсутні поршні, шатуни, колінчастий вал, в «класичному варіанті» - газорозподільний механізм), набагато менша маса частин, що рухаються.
• У найпростішому варіанті РПД відсутня окрема система мастила - масло додається до палива, як при експлуатації двотактних мотоциклетних моторів. Змащування пар тертя (насамперед ротора і робочої поверхні камери згоряння) у такому варіанті виробляється самою паливо-повітряною сумішшю.

[згорнути]

Недоліки РПД

Розкрити...

• Невисока ефективність ущільнень зазору між ротором та камерою згоряння. Ротор РПД, що має складну форму, вимагає надійних ущільнень не тільки по гранях (а їх чотири біля кожної поверхні — дві по вершинних, дві по бокових гранях), але і по бічній поверхні, що стикається з кришками двигуна. При цьому ущільнення виконані у вигляді пружних смужок з високолегованої сталі з особливо точною обробкою як робочих поверхонь, так і торців. Закладені в конструкцію ущільнень допуски на розширення металу від нагрівання погіршують їх характеристики - уникнути прориву газів у торцевих ділянок ущільнювальних пластин практично неможливо (у поршневих двигунах використовують лабіринтовий ефект, встановлюючи кільця ущільнювачів зазорами в різні боки).
• Складна система ущільнень ротора вимагає складного і ефективного мастила поверхонь, що труться. РПД споживає більше олії, Чим чотиритактний поршневий двигун (від 400-1200 мл на 1000 км, заміна кожні 5000 км). Власники автомобілів з РПД рекомендують перевіряти рівень олії щоранку. При цьому масло згоряє разом із паливом, що різко погіршує екологію РПД.
• Особливі вимоги до якості масла - через схильність до підвищеного зносу (через велику площу деталей, що стикаються, - ротора і внутрішньої камери двигуна) і перегріву (через підвищене тертя і невеликі розміри самого двигуна). Для РПД смертельно небезпечні нерегулярна зміна масла (абразивні частинки в старій олії різко збільшують знос) та переохолодження мотора. Запуск холодного двигуна та недостатній його прогрів призводять до того, що в зоні контакту ущільнень ротора з поверхнею камери згоряння та бічними кришками виявляється мало мастила. Якщо поршневий двигун найчастіше заклинює при перегріві, то РПД - під час запуску холодного двигуна або роботи в холодну погоду, коли охолодження надмірно.
• Висока витрата палива на низьких оборотах(і взагалі). Теоретично може усуватися відключенням частини секцій на низьких оборотах, що при цьому знижує температурне навантаження.
• Високі вимоги до геометричної точності виготовлення деталей та як наслідок висока складність виробництва. Потрібно застосування високотехнологічного та високоточного обладнання: верстатів, здатних переміщати інструмент складною траєкторією епітрохоїдальної поверхні камери об'ємного витіснення.
• З'єднання ротора з вихідним валом через ексцентриковий механізм ( характерна особливість РПД Ванкеля) викликає тиск між поверхнями, що труться, що в поєднанні з високою температурою призводить до додаткового зносу і нагрівання двигуна.
• Високі перепади тиску між роторними камерами при дуже невеликій площі плями контакту. Як наслідок — швидке зношування ущільнювачів і дуже високі вимоги до них, загалом — малий ресурс двигуна (ключова проблема РПД — високі витоки між камерами, падіння ККД та зростання токсичності вихлопу). Так, для Mazda RX-8 ресурс двигуна становить близько 100-150 тисяч км пробігу при правильному та своєчасному ТО, після чого йде капітальний ремонт із заміною ущільнювачів. Частково проблема швидкого зношування ущільнювачів на високій швидкості обертання валу була вирішена застосуванням високолегованої сталі.
• Найменша еластичність щодо класичних поршневих ДВЗ — РПД видає оптимальну потужністьлише на високих оборотах, що потребує ускладнення трансмісії.
• Погана геометрія камери згоряння, що у РПД має лінзовидну форму, тобто. відносно велику площу при невеликому обсязі. При горінні робочої суміші основні втрати енергії йдуть через випромінювання, тому ідеальна форма згоряння камери - сферична. Теплові втрати не тільки знижують ефективність перетворення хімічної енергії в механічну, але і ведуть до сильного перегріву двигуна (тобто вищого теплового режиму), а також поганого згоряння паливно-повітряної сумішіта схильності до детонації. Частково ця проблема вирішується встановленням двох свічок у різних зонах на одну камеру згоряння.
• Мінімальний ресурс свічок запалювання, їх перегрів, необхідність заміни кожні 10000 км.

[згорнути]

[згорнути]

Пристрій РПД

Розкрити...

Встановлений на валу ротор жорстко з'єднаний із зубчастим колесом, яке входить у зачеплення із нерухомою шестернею – статором. Діаметр ротора набагато перевищує діаметр статора, незважаючи на це ротор із зубчастим колесом обкатується навколо шестерні. Кожна з вершин тригранного ротора здійснює рух епітрохоїдальної поверхні циліндра і відсікають змінні об'єми камер в циліндрі за допомогою трьох клапанів.

Така конструкція дозволяє здійснити будь-який 4-тактний цикл Дизеля, Стірлінга або Отто без застосування спеціального механізму газорозподілу. Герметизація камер забезпечується радіальними та торцевими ущільнювальними пластинами, що притискаються до циліндра відцентровими силами, тиском газу та стрічковими пружинами. Відсутність механізму газорозподілу робить двигун значно простішим за чотиритактний поршневий, а відсутність сполучення (картерний простір, колінвал і шатуни) між окремими робочими камерами забезпечують надзвичайну компактність і високу питому потужність. За один оберт ексцентрикового валу двигун виконує один робочий цикл, що еквівалентно роботі двоциліндрового поршневого двигуна. За один оберт ротора ексцентриковий вал виконує 3 обороти і 9 робочих ходів, що призводить до помилкових порівнянь роторного двигуна з шестициліндровим поршневим двигуном.

Сумішоутворення, запалювання, мастило, охолодження, запуск принципово такі ж, як і у звичайного поршневого двигуна внутрішнього згоряння.

Практичне застосування отримали двигуни з тригранними роторами, із ставленням радіусів шестірні та зубчастого колеса: R:r = 2:3, які встановлюють на автомобілях, човнах тощо.

[згорнути]

Застосування

Розкрити...

Першим серійним автомобілемз роторним двигуном став NSU Spider, випущений в 1964 році. NSU - німецька компанія, заснована в 1873 році, яка випускала автомобілі та мотоцикли. До 1969 року проіснувала як окрема компанія, Далі була куплена концерном Volkswagen Group.

Першою масовою (37204 екземпляри) стала модель NSU Ro-80, справжній прорив завдяки правильному маркетингу. Однак ставка на «революційну технологію» РПД, яка ще не налагоджена в реальних умовах, стала серйозною помилкою. Ресурс двигуна становив не більше 50 тис. кілометрів, а найчастіше і значно менше. РПД часто замінювали на поршневий L4 Essex фірми Ford.

Також РПД встановлювалися на автомобілі:

• Citroen GS Birotor (проект Citroen M35)
• Mercedes-Benz С111
• Chevrolet Corvette
• ВАЗ 21018 (1976 рік), 21079 та 2110 (модифікації для спецслужб)
• Mazda (з 1978 року, Cosmo Sport та серія Rotor-eXperiment, широко відома як RX)

Серію RX завершено в 2008 році на моделі RX-8. Загалом у серії випущено понад мільйон машин з РПД. Загалом на піку популярності патент на двигун Ванкеля купили 11 провідних автовиробників світу.

Цікаво, що автомобілі Mazda з літерами RE у найменуванні (перші літери від назви «Renesis») можуть використовувати як паливо як бензин, так і водень (оскільки менш чутливий до детонації, ніж звичайний двигун, що використовує зворотно-поступальний рух поршня).

Також РПД застосовуються на мотоциклах (дрібними серіями) та в авіаційному моделізмі.

Цікаво, що отримавши патент на РПД у 1936 році, Фелікс Ванкель став винахідником не тільки двигуна внутрішнього згоряння, але ще й роторно-поршневого насоса та компресора. І ці пристрої можна зустріти набагато частіше, ніж РПД — на виробництві, ремонтних майстернях, побуті. Наприклад, портативні електричні компресори для автомобілістів часто влаштовані за принципом роторно-поршневого насоса.

Парові машини і двигуни внутрішнього згоряння мають один загальний недолік - зворотно-поступальний рух поршня повинен бути перетворений на обертальний рух коліс. Звідси і свідомо низький ККД, і висока зношування елементів механізму. Багатьом хотілося побудувати двигун внутрішнього згоряння так, щоб усі рухомі частини в ньому тільки оберталися - як це відбувається в електромоторах.

Однак завдання виявилося не простим, успішно вирішити його вдалося лише механіку-самоукові, який за все своє життя так і не здобув ні вищої освіти, ні навіть робочої спеціальності.

Фелікс Генріх Ванкель (Felix Heinrich Wankel, 1902–1988) народився 13 серпня 1902 року у невеликому німецькому містечку Лар. Під час Першої світової війни загинув батько Фелікса, через що майбутньому винахіднику довелося покинути гімназію та піти працювати учнем продавця у книжковій лавці під час видавництва. Завдяки цій роботі Ванкель звик до читання книг, за якими він самостійно вивчав технічні дисципліни, механіку та автомобілебудування.
Існує легенда, що розв'язання задачі прийшло сімнадцятирічному Феліксу уві сні. Правда це чи ні – невідомо. Зате очевидно, що Фелікс володів вельми неабиякими здібностями до механіки та «незамиленим» поглядом на речі. Він зрозумів, як усі чотири цикли роботи звичайного двигуна внутрішнього згоряння (впорскування, стиск, згоряння, вихлоп) можна здійснити при обертанні.
Досить швидко Ванкель прийшов до першої конструкції двигуна, і в 1924 він організував невелику майстерню, яка також служила і імпровізованою «лабораторією». Тут Фелікс і почав проводити перші серйозні дослідження у галузі роторно-поршневих ДВС.
З 1921 Ванкель був активним членом НСДАП. Він виступав за партійні ідеали, був засновником всенімецького військового юнацького об'єднання та юнгфюрером різних організацій. 1932 року він вийшов із партії, звинувативши одного зі своїх колишніх колег у політичній корупції. Однак, за зустрічним обвинуваченням, йому самому довелося провести у в'язниці шість місяців. Звільнившись із ув'язнення завдяки заступництву Вільгельма Кепплера (Wilhelm Keppler), він продовжив роботи над двигуном. У 1934 році він створив перший досвідчений зразок і отримав на нього патент. Він сконструював нові клапани та камери згоряння для свого двигуна, створив кілька різних його варіантів, розробив класифікацію кінематичних схем різних роторно-поршневих машин.

В 1936 прототип двигуна Ванкеля зацікавив BMW - Фелікс отримав гроші і власну лабораторію в Ліндау для розробки досвідчених авіадвигунів.
Втім, до розгрому фашистської Німеччини жоден двигун Ванкеля в серію не пішов. Можливо, на доведення конструкції до розуму та створення масового виробництва потрібно було надто багато часу.
Після війни лабораторію було закрито, обладнання вивезено до Франції, а Фелікс залишився без роботи (відбилося колишнє членство в націонал-соціалістичній партії). Однак невдовзі Ванкель все ж таки отримав посаду інженера-конструктора в компанії NSU Motorenwerke AG, яка є одним із найстаріших виробників мотоциклів та автомобілів.
У 1957 році спільними зусиллями Фелікса Ванкеля та провідного інженера NSU Вальтера Фреде (Walter Froede) роторно-поршневий двигун вперше було встановлено на автомобіль NSU Prinz. Початкова конструкція виявилася далекою від досконалості: навіть для заміни свічок потрібно було розбирати майже весь «движок», надійність залишала бажати кращого, а про економічність на даному етапі розробки взагалі говорити було грішно. В результаті випробувань у серію пішов все ж таки автомобіль з традиційним ДВС. Проте перший роторно-поршневий двигун DKM-54 довів свою принципову працездатність, відкрив напрями для подальшого доведення та продемонстрував колосальний потенціал «роторників».
Таким чином, новий тип ДВС отримав, нарешті, свою путівку у життя. Надалі його чекає ще чимало удосконалень та доопрацювань. Але перспективи роторно-поршневого двигуна настільки привабливі, що інженерів вже нічого не могло зупинити у справі доведення конструкції до експлуатаційної досконалості.

Перш ніж розбирати переваги та недоліки роторно-поршневих ДВС, варто все-таки докладніше розглянути їхню конструкцію.
У центрі ротора пророблено круглий отвір, зсередини покритий зубцями як у шестерні. У цей отвір вставлений вал меншого діаметра, що обертається, також з зубцями, що забезпечує відсутність прослизання між ним і ротором. Відносини діаметрів отвору і валу підібрані так, щоб вершини трикутника рухалися однією і тією ж замкненою кривою, яка називається «епітрохоїда», - мистецтво Ванкеля як інженера полягало в тому, щоб спочатку зрозуміти, що це можливо, а потім все точно розрахувати. У результаті поршень, що має форму трикутника Рело, відсікає в камері, що повторює форму знайденої Ванкелем кривої, три камери змінного об'єму і положення.
Конструкція роторно-поршневого ДВЗ дозволяє реалізувати будь-який чотиритактний цикл без застосування спеціального механізму газорозподілу. Завдяки цьому факту «роторник» виявляється значно простішим за звичайний чотиритактний поршневий двигун, у якому в середньому майже на тисячу деталей більше.
Герметизація робочих камер у роторно-поршневому ДВС забезпечується радіальними та торцевими ущільнювальними пластинами, що притискаються до «циліндра» стрічковими пружинами, а також відцентровими силами та тиском газу.
Ще одна його технічна особливість – це висока «продуктивність праці». За один повний оборот ротора (тобто за цикл «впорскування, стиснення, займання, вихлоп»), вихідний вал робить три повні обороти. У звичайному поршневому двигуні таких результатів можна досягти лише використовуючи шестициліндровий ДВС.

Після першої ж успішної демонстрації роторного ДВС в 1957 найбільші автогіганти стали виявляти до розробки підвищений інтерес. Спочатку ліцензію на двигун, який отримав неформальну назву "ванкель", купила корпорація Curtiss-Wright, через рік, Daimler-Benz, MAN, Friedrich Krupp та Mazda. Всього за досить короткий проміжок часу ліцензії на нову технологію придбали близько ста компаній у всьому світі, включаючи таких монстрів як Rolls-Royce, Porsche, BMW і Ford. - у роторно-поршневому двигуні на 40% менше деталей, він простіше у ремонті та виробництві.

До того ж «ванкель» майже вдвічі компактніший і легший за традиційний поршневий ДВС, що у свою чергу покращує керованість автомобіля, полегшує оптимальне розташування трансмісії і дозволяє зробити більш просторий і зручний салон.

Картинка клікабельна:

Роторно-поршневий двигун розвиває високу потужність за досить скромної витрати палива. Наприклад, сучасний «ванкель» об'ємом всього 1300 см розвиває потужність в 220 к.с., а з турбокомпресором - все 350. Ще один приклад - мініатюрний двигун OSMG 1400 вагою 335 г (робочий об'єм 5 см) розвиває потужність в 1, .с. Фактично, ця крихітка на 27% сильніша за коня.
Ще одна важлива перевага – низький рівень шумів та вібрацій. Роторно-поршневий двигун відмінно врівноважений механічно, крім того маса частин, що рухаються (і їх кількість) в ньому значно менше, завдяки чому «ванкель» працює набагато тихіше і не вібрує.
І, нарешті, роторно-поршневий двигун відрізняється чудовими динамічними характеристиками. На низькій передачі можна без особливого навантаження на двигун розігнати автомобіль до 100 км/год на високих обертах двигуна. Крім того, сама конструкція «ванкеля» за рахунок відсутності механізму перетворення зворотно-поступального руху на обертальний, здатна витримати більші оберти, ніж традиційний ДВС.

Після NSU Spyder, що вийшов у 1964 році, пішли легендарна модель NSU Ro 80 (у світі досі існує безліч клубів власників цих машин), Citroen M35 (1970), Mercedes C-111 (1969), Corvette XP (1973). Але єдиним масовим виробником стала японська Mazda, що випускала з 1967 року часом по 2-3 нові моделі з РПД. Роторні двигуни ставили на катери, снігоходи та легкі літаки. Кінець ейфорії прийшов у 1973 році, у розпал нафтової кризи. Ось тут і виявився основний недолік роторних двигунів - неекономічність. За винятком Mazda, всі автовиробники згорнули роторні програми, а у японської компанії продажі по Америці скоротилися з 104 960 проданих машин в 1973 році до 61 192 - в 1974-му. Поряд із незаперечними достоїнствами, «ванкель» також мав і цілу низку дуже серйозних недоліків. По-перше, довговічність. Один із перших прототипів роторно-поршневих двигунів на випробуваннях виробив свій ресурс лише за дві години. Наступний, успішніший DKM-54 вже витримав сто годин, але цього для нормальної експлуатації автомобіля все одно було недостатньо. Основна проблема крилася у нерівномірному зносі внутрішньої поверхні робочої камери. На ній в процесі експлуатації з'являлися поперечні борозни, які отримали ім'я «мітки диявола», що говорить.

У компанії Mazda після придбання ліцензії на «ванкель» було сформовано цілий відділ, який займався удосконаленням роторно-поршневого двигуна. Незабаром з'ясувалося, що при обертанні трикутного ротора, заглушки на його вершинах починають вібрувати, в результаті чого і утворюються «мітки диявола».
В даний час проблему надійності та довговічності остаточно вирішили, застосувавши високоякісні зносостійкі покриття, у тому числі керамічні.
Інша серйозна проблема – підвищена токсичність вихлопу «ванкелю». Порівняно із звичайним поршневим ДВЗ «роторник» виділяє в атмосферу менше оксидів азоту, але набагато більше вуглеводнів, за рахунок неповного згоряння палива. Досить швидко інженери Mazda, які увірували в блискуче майбутнє «ванкелю», знайшли просте та ефективне вирішення цієї проблеми. Вони створили так званий термальний реактор, у якому залишки вуглеводнів у вихлопних газах просто «досягали». Першим автомобілем, який реалізував таку схему, став Mazda R100, також званий Familia Presto Rotary, випущений у 1968 році. Ця машина, одна з небагатьох, відразу пройшла дуже жорсткі екологічні вимоги, висунуті США в 1970 для імпортованих авто.
Наступна проблема роторно-поршневих двигунів частково випливає із попередньої. Це – економічність. Витрата палива стандартного «ванкелю» через неповне згоряння суміші суттєво вища, ніж у стандартного ДВЗ. І знову інженери Mazda взялися до роботи. За допомогою цілого комплексу заходів, що включають переробку термореактора та карбюратора, додавання теплообмінника у вихлопну систему, розробку каталітичного конвертера та впровадження нової системи запалювання, компанія досягла зниження споживання палива на 40%. Внаслідок цього безперечного успіху в 1978 році був випущений спортивний автомобіль Mazda RX-7.

В цей час у всьому світі машини з роторно-поршневими двигунами випускала тільки Mazda і ... АвтоВАЗ.
Саме в провальному 1974 радянський уряд створює на Волзькому автозаводі спеціальне конструкторське бюро РПД (СКБ РПД) - соціалістична економіка непередбачувана. У Тольятті розпочалися роботи з будівництва цехів для серійного виробництва «ванкелів». Оскільки ВАЗ спочатку планувався як простий копіювальник західних технологій (зокрема, фіатівських), заводськими фахівцями було прийнято рішення відтворювати двигун Mazda, геть-чисто відкинувши всі десятирічні напрацювання вітчизняних двигунобудівних інститутів.
Радянські чиновники досить довго вели переговори з Феліксом Ванкелем щодо купівлі ліцензій, причому деякі з них проходили прямо в Москві. Грошей, щоправда, не знайшли і тому скористатися деякими фірмовими технологіями не вдалося. У 1976 році запрацював перший волзький односекційний двигун ВАЗ-311 потужністю 65 к.с., ще п'ять років пішло на доведення конструкції, після чого була випущена досвідчена партія в 50 штук роторних «одиничок» ВАЗ-21018, що миттєво розійшлися серед працівників ВАЗу. Відразу ж з'ясувалося, що двигун тільки зовні нагадував японський - сипатися він став дуже навіть по-радянському. Керівництво заводу було змушене за півроку замінити всі двигуни на серійні поршневі, скоротити на половину штат СКБ РПД та призупинити будівництво цехів. Порятунок вітчизняного роторного двигунобудування прийшов від спецслужб: їх не дуже цікавила витрата палива та ресурс двигуна, зате дуже динамічні характеристики. Відразу з двох двигунів ВАЗ-311 було зроблено двосекційний РПД потужністю 120 к.с., який став встановлюватися на «спецединичку» - ВАЗ-21019. Саме цій моделі, що отримала неофіційну назву «Аркан», ми завдячуємо незліченною кількістю байок про міліцейські «Запорожці», що наздоганяють наворочені «Мерседеси», а багато правоохоронців – орденами та медалями. До 90-х років зовні невибагливий «Аркан» справді легко наздоганяв усі машини. Крім ВАЗ-21019 на АвтоВАЗі також випускаються малі партії автомобілів ВАЗ-2105, -2107, -2108, -2109, -21099. Максимальна швидкість роторної "вісімки" становить близько 210 км/год, а до сотні вона розганяється лише за 8 секунд.
СКБ РПД, який ожив на спецзамовленнях, став робити двигуни для водного та автоспорту, де машини з роторними двигунами стали настільки часто завойовувати призові місця, що спортивні чиновники були змушені заборонити застосування РПД.
У 1987 році помер керівник СКБ РПД Борис Поспелов і на загальних зборах був обраний Володимир Шнякін - людина, яка прийшла в автомобілебудування з авіації та недолюблива наземний транспорт. Головним напрямом СКБ РПД стає створення двигунів для авіації. Це була перша стратегічна помилка: літаків у нас випускається набагато менше автомобілів, а завод живе з проданих двигунів.
Другою помилкою стала орієнтація в виробництві автомобільних РПД на малопотужні двигуни ВАЗ-1185 в 42 к.с. для «Оки», хоча більш ненажерливі, але динамічніші роторні двигуни так і просяться на найшвидшехідні вітчизняні машини - наприклад, на «вісімки». Ті ж японці встановлюють "ванкелі" лише на спортивні моделі. У результаті на російських дорогах виявилося лише кілька роторних мікролітражок «Ока». У 1998 році був підготовлений цивільний варіант двоциліндрового роторного 1,3-літрового двигуна ВАЗ-415, який стали встановлювати на ВАЗ-2105, 2107, 2108 і 2109.

У травні 1998 р. був омологований кільцевий ВАЗ-110 «РПД-спорт» (190 л. с., 8500 об/хв, 960 кг, 240 км/год). На жаль, далі одного-єдиного зразка, що частіше демонструється на виставках, ніж стартує в перегонах, справа не пішла. 110-та була найпотужнішою в пелотоні, але відверто сира конструкція щоразу не давала їй продемонструвати весь свій потенціал. Однак найприкріше те, що на «ВАЗі» швидко охололи до роторного напрямку, а унікальну «Ладу» переробили в ралі-кар зі звичайним ДВС.

То чому всі провідні виробники автомобілів ще не пересіли на «ванкелі»? Справа в тому, що для виробництва роторно-поршневих двигунів потрібна, по-перше, відточена технологія з безліччю найрізноманітніших нюансів і далеко не кожна компанія готова пройти шлях тієї ж Mazda, принагідно наступаючи на численні граблі. А по-друге, потрібні спеціальні високоточні верстати, здатні виточувати поверхні, описані такою хитрою кривою, як епітрохоїда.

Mazda RX-7 - це один із перших автомобілів, на якому ставився роторно-поршневий двигун Ванкеля. За всю історію Mazda RX-7 було чотири покоління. Перше покоління з 1978 до 1985 року. Друге покоління – з 1985 по 1991. Третє покоління – з 1992 по 1999. Останнє, четверте покоління – з 1999 по 2002 рік. Перше покоління RX-7 з'явилося 1978 року. Воно мало середньомоторне компонування та оснащувалося роторним двигуном потужністю всього 130 л. с.

В даний час тільки Mazda займається серйозними дослідженнями в області роторно-поршневих двигунів, поступово вдосконалюючи їх конструкцію, і більшість підводних каменів у цій галузі вже пройдено. «Ванкелі» цілком відповідають світовим стандартам щодо рівня токсичності вихлопу, споживання палива та надійності. Для сучасних верстатів поверхні описані епітрохоїдою не є проблемою (як не є проблемою і набагато складніші криві), нові конструкційні матеріали дозволяють збільшити термін служби роторно-поршневого двигуна, а його вартість вже зараз виявляється нижчою, ніж у стандартного ДВС за рахунок меншої кількості використовуваних деталей.
Як і NSU, Mazda у 60-ті роки. була невеликою компанією з обмеженими технічними та фінансовими ресурсами. Основу її модельного ряду становили розвізні вантажівки та сімейні малолітражки. Тому немає нічого дивного, що спорт-купе Mazda 110S Cosmo (982 см куб., 110 к. с., 185 км/год) створювалося більше 6 років і виявилося дуже примхливим і дорогим. Та й зіпсована NSU Ro80 репутація не сприяла ажіотажу (у 1967–1972 рр. знайшли своїх власників лише 1175 «космосів»), але світовий інтерес до 110S сприяв збільшенню продажів решти продукції фірми!
Щоб довести, що РПД настільки ж надійний (його перевага в потужності вже стала для всіх очевидною), Mazda чи не вперше в житті взяла участь у змаганнях, причому обрала найважчі і найтриваліші перегони – 84-годинний Marathon De La Route, що проходив на Нюрбургрінг. Як екіпажу з Бельгії вдалося зайняти 4-е місце (друга машина зійшла з дистанції за три години до фінішу через гальма, що заклинили), поступившись тільки «вирослим» на «Нордшляйфі» Porsche 911, схоже, так і залишиться загадкою.

Майстерня Ванкеля в Ліндау

Хоча з того часу японські «роторники» стали завсідниками гоночних трас, великого успіху в Європі їм довелося чекати 16 років. 1984-го британці на RX-7 виграли престижну добову гонку у Спа-Франкошамп. А ось у США, на головному ринку «сімки», її гоночна кар'єра складалася набагато успішніше: з моменту дебюту в чемпіонаті IMSA GT в 1978 році і по 1992-й вона виграла у своєму класі більше сотні етапів, причому з 1982 по 1992 рр. була першою в головній гонці серії - 24 hours of Daytona.
У ралі у "Мазд" все йшло не так гладко. Як це часто бувало з японськими командами (Toyota, Datsun, Mitsubishi), вони виступали лише на окремих етапах ралійного чемпіонату світу (Нова Зеландія, Великобританія, Греція, Швеція), які в першу чергу цікавлять маркетингові відділи концернів. Національних титулів вистачало: так, у 1975–1980 роках. Рід Міллен виграв цілих п'ять у Новій Зеландії та США. А ось у WRC успіхи були виключно локальними: найкраще, що показали RX-7, – 3-те та 6-е місця в грецькому «Акрополісі» 1985 року.
Ну а найгучнішим успіхом Mazda взагалі і РПД, зокрема, стала перемога її спортпрототипу 787B (2612 см куб., 700 к. с., 607 Нм, 377 км/год) у Ле Мані в 1991 році. Причому здолати заводські Porsche, Peugeot і Jaguar допомогли не тільки швидкі пілоти та конкурентоспроможна техніка: свою роль відіграла і наполегливість японських менеджерів, які регулярно «вибивали» для роторників всілякі послаблення в регламенті. Так, напередодні перемоги 787-го організатори перегонів погодилися компенсувати ненажерливість "роторників" 170-кілограмовим (830 проти 1000) зниженням маси. Парадокс полягав у тому, що, на відміну від бензинових моторів, «апетит» РПД при подальшому форсуванні ріс набагато скромнішими темпами, ніж у звичайних поршневих моторів, і 787-й виявився економічнішим за своїх основних конкурентів!

То був шок. Mercedes, який журнал Stern за консерватизм називав не інакше як «виробник авто для 50-річних панів у капелюхах», у 1969 році презентував супер-кар, що вражав навіть кольором. Яскраво-оранжеве забарвлення, що викликає, підкреслено клиноподібна форма, середньомоторне компонування, двері «крило чайки» і надпотужний трисекційний РПД (3600 см куб., 280 к. с., 260 км/год) – для консервативного Mercedes це було щось!

А оскільки в компанії не будували концептів, усі вважали, що С111 має лише один шлях: дрібносерійне (омологаційне) складання та велике гоночне майбутнє, адже з 1966 року ФІА допустила РПД до офіційних змагань. І в штаб-квартиру Mercedes посипалися чеки з проханням вписати потрібну суму за право мати С111. Штутгартці ж ще більше підігріли інтерес до «ески», в 1970 р. представивши другу генерацію купе з ще більш фантастичним дизайном, 4-секційним ротором і дивовижними характеристиками (4800 см куб., 350 л. с., 300 км/год). Для доведення Mercedes побудував п'ять макетів, які днювали і ночували на Хокенхаймрінг і Нюрбургрінг, готуючись встановити серію рекордів швидкості. Преса смакувала майбутню «битву титанів» між роторним Mercedes, атмосферним Ferrari та наддувним Porsche у чемпіонаті світу з гонок на витривалість. На жаль, повернення у великий спорт не відбулося. По-перше, С111 був дуже дорогим навіть для Mercedes, по-друге, німці не могли пустити у продаж таку сиру конструкцію. А після карибської нафтової кризи вони взагалі прикрили проект, зосередившись на дизельних двигунах. Ними й обладнали останні версії C111, які встановили кілька світових рекордів.

Фелікс Ванкель, який не має закінченої технічної освіти, під кінець життя досяг світового визнання в галузі двигунобудування та ущільнювальної техніки, завоювавши масу нагород і титулів. Його ім'ям названо вулиці та площі німецьких міст (Felix-Wankel-Strasse, Felix-Wankel-Ring). Окрім двигунів, Ванкель розробив нову концепцію швидкісних суден та самостійно побудував кілька човнів.

Найцікавіше, що роторний двигун, який зробив його мільйонером і приніс йому всесвітню славу, Ванкель не любив, вважаючи його «гидким каченям». Реальні працюючі РПД були зроблені за так званою «концепцією ККМ», яка передбачає планетарне обертання ротора і вимагає введення зовнішніх противаг. Неабияку роль відіграв і той факт, що цю схему запропонував не Ванкель, а інженер NSU Вальтер Фройде. Сам же Ванкель до останніх днів вважав ідеальною схему двигуна «з поршнями, що обертаються, без нерівномірно обертових частин» (Drehkolbenmasine - DKM), концептуально набагато більш красиву, але технічно складну, яка вимагає, зокрема, установки свічок запалювання на обертовому роторі. Тим не менш, роторні двигуни по всьому світу пов'язують саме з ім'ям Ванкеля, оскільки всі, хто близько знав виборця, в один голос стверджують, що без невгамовної енергії німецького інженера світ так і не побачив би цього дивовижного пристрою. Фелік Ванкель пішов із життя у 1988 році.
Цікава історія з Mercedes 350 SL. Ванкель дуже хотів мати роторний Mercedes С-111. Але фірма Mercedes не пішла йому назустріч. Тоді винахідник взяв серійний 350 SL, викинув звідти «рідний» двигун і встановив ротор від С-111, який був легшим за 8-циліндровий на 60 кг, але розвивав істотно велику потужність (320 к.с. при 6500 об/хв). У 1972 році, коли інженерний геній закінчив роботу над своїм черговим дивом, він міг би сидіти за кермом найшвидшого на той момент "Мерседеса" SL-класу. Іронія полягала в тому, що права водія Ванкель до кінця життя так і не отримав.

Відродженням інтересу до РПД ми зобов'язані новому двигуну Mazda Renesis (від RE – Rotary Engine – та Genesis). За десятиліття японським інженерам вдалося вирішити всі основні проблеми РПД - токсичність вихлопу і неекономічність. Порівняно з попередником вдалося скоротити споживання масла на 50%, бензину на 40% і довести викид шкідливих оксидів до норм, що відповідають Euro IV. Двоциліндровий двигун об'ємом всього 1,3 л видає потужність 250 л.с. і займає набагато менше місця у руховому відсіку.
Спеціально під новий двигун був розроблений автомобіль Mazda RX-8, який, за словами бренд-менеджера Mazda Motor Europe Мартіна Брінка, створювався за новою концепцією – автомобіль «будувався» навколо двигуна. У результаті розважування по осях RX-8 ідеальне - 50 на 50. Використання унікальної форми і маленьких розмірів двигуна дозволило помістити центр ваги дуже низько. «RX-8 не є гоночним монстром, але це найкраща в управлінні машина, яку я колись водив», - із захопленням розповідав Popular Mechanics Мартін Брінк.
Бочка меду.
Поза сумнівом, з першого погляду роторно-поршневий двигун має масу переваг перед традиційними двигунами внутрішнього згоряння:
- меншим на 30-40% кількістю деталей;
- меншими в 2-3 рази габаритами та масою, порівняно з відповідним за потужністю стандартним ДВС;
- плавна характеристика крутного моменту у всьому діапазоні оборотів;
- відсутність кривошипно-шатунного механізму, а, отже, набагато менший рівень вібрації та шуму;
- Високий рівень оборотів (до 15000 об/хв!).
Ложка дьогтю…
Здавалося б, якщо «Ванкель» має такі переваги над поршневим двигуном, то кому потрібні ці громіздкі, важкі, гримлячі та вібруючи поршневі двигуни? Але, як це часто буває, практично все далеко не так шоколадно. Жоден геніальний винахід, вийшовши за поріг лабораторії, вирушав у кошик із позначкою «для сміття». Серійне виробництво знайшло не на один камінь, а на цілий розсип граніту:
- відпрацювання процесу згоряння в камері несприятливої ​​форми;
- забезпечення герметичності ущільнень;
- забезпечення роботи без жолоблення корпусу в умовах нерівномірного нагріву;
- Низький термічний ККД через те, що камера згоряння РПД набагато більша, ніж у традиційного ДВС;
- висока витрата палива;
- висока токсичність газоподібних продуктів згоряння;
- Вузька зона температур для роботи РПД: при низьких температурах потужність двигуна різко падає, при високих - швидке зношування ущільнень ротора.

Єдиною на сьогоднішній день моделлю роторного мотора, що випускається в промислових масштабах, є двигун Ванкеля, який відноситься до типу роторних двигунів з планетарним круговим рухом головного робочого елемента. Таке конструктивне компонування роторного двигуна є, безсумнівно, найпростішим за своїм технічного пристрою, але не найоптимальнішою за способом організації робочих процесів і тому має свої невід'ємні та серйозні недоліки.

Роторних двигунів з планетарним рухом головного робочого елемента існує досить багато різновидів, але вони відрізняються один від одного лише кількістю граней ротора і відповідною формою внутрішньої поверхні корпусу. Наведені схеми різних компоновокподібних моторів взято з книги «Судові роторні двигуни», видання 1967 року, авторів Є.Акатов, В.Бологов та ін. та підготовлені до публікації в електронному вигляді автором цього сайту.

Коротко розглянемо саму конструкцію двигуна цього типу разом з історією його появи та сферою застосування. Історія створення роторних двигунів із планетарним обертальним рухом головного робочого елемента починається у 1943 році, коли винахідник Майлар запропонував першу подібну схему. Потім протягом короткого часу подали ще кілька патентів на двигуни подібної схеми. У тому числі розробник німецької фірми NSU - В. Фреде. Але головним слабким місцемцієї схеми роторного двигуна були системи ущільнень між ребрами на стику сусідніх граней трикутного ротора, що обертається, і стінками нерухомого корпусу. Ось до вирішення цієї складної інженерної задачі і був підключений Р. Ванкель як фахівець із ущільнень. Незабаром завдяки своїй енергійності та інженерному мисленню він став лідером групи розробників. У 1957 році в лабораторії фірми NSU збудували прототип роторного двигуна типу «DKM», з трикутним ротором і робочою камерою у формі капсули, в якій ротор був нерухомим, а корпус обертався навколо нього. Набагато практичнішим був варіант компонування типу KKM з нормальною схемою — робоча камера в корпусі була нерухомою, а в ній обертався ротор. Цей двигун з'явився роком пізніше, 1958-го. У листопаді 1959 року NSU офіційно оголосила про створення працюючого роторного двигуна. За короткий час близько 100 компаній у всьому світі придбали ліцензії на цю технологію, причому 34 з них були японськими.

Двигун виявився дуже невеликим, потужним і мав мало деталей. У Європі почалися продажі машин з роторними двигунами, але, як виявилося, у них малий моторесурс, вони споживали багато палива і мали дуже токсичний вихлоп. Нафтова криза 1973 року через чергову арабо-ізраїльську війну, коли ціни на бензин збільшилися в кілька разів, різко порушив питання про економічність. автомобільних моторів. Через це в Європі та Америці спроби довести роторний двигун Ванкеля до потрібного ступеня досконалості було припинено. І тільки японська компанія Mazda наполегливо продовжувала роботи в цьому напрямку. А ще радянський заводВАЗ – оскільки бензин на той час у СРСР коштував копійки, а потужний, хоч і з малим ресурсом, мотор був потрібен силовим відомствам. Але в 2004 році малосерійне виробництво на ВАЗі було закрито і на сьогоднішній момент Mazda є єдиним автовиробником, який серійно випускає автомобілі з двигуном роторним. В даний час у світі серійно випускається лише один автомобіль із роторним двигуном системи Ванкеля – це спортивне купе Mazda RX-8. На цій машині встановлюється двигун «RENESIS» з двома роторними секціями загальним об'ємом 1,3 літра. Двигун виконується у кількох варіантах з потужністю від 200 до 250 к.с.

.

Після короткого оглядуісторії роторного двигуна з планетарним рухом ротора зупинимося на розгляді його переваг та недоліків. ПЕРЕВАГИ роторного двигуна Ванкеля в порівнянні з традиційними поршневими моторами: 1) Підвищена питома потужність (к.с./кг), вона практично вдвічі перевищує цей показник поршневих 4-х тактних двигунів. Маса нерівномірно рухомих частин у двигуні Ванкеля набагато менше, ніж в аналогічних за потужністю поршневих двигунах, і амплітуда таких неврівноважених рухів помітно менше. Це відбувається через те, що в «поршневику» здійснюються зворотно-поступальні рухи, а в двигуні Ванкеля – обертальні, планетарної схеми. До того ж у двигуні Ванкеля відсутні колінчастий вал та шатуни.

На підвищену потужність Ванкеля грає і те, що такий двигун однороторної конструкції видає потужність протягом трьох чвертей кожного оберту вихідного валу. На відміну від одноциліндрового 4-тактного поршневого двигуна, який видає потужність тільки протягом однієї чверті кожного обороту вихідного валу. Саме з цих причин з одиниці об'єму камери згоряння в серійному роторному моторі Ванкеля знімається набагато велика потужність. При об'ємі робочої камери 1300 см Mazda RX-8 має потужність 200 л.с - 250 л.с., а колишня модель Mazda RX-7 з мотором такого ж об'єму, але з турбокомпресором видавала 350 к.с.

Саме тому особливою ознакою Mazda RX є відмінні динамічні характеристики:

• на низькій передачі можна без зайвого навантаження на двигун розігнати машину вище 100 км/год на більш високих оборотах двигуна (8000 об/хв і більше).
• двигун Ванкеля набагато легше механічно врівноважити та позбутися вібрації, що дозволяє підвищити комфортність легких транспортних засобів типу мікроавтомобілів;
• габаритні розміри роторно-поршневого двигуна менше в 1,5-2 рази у співвідношенні з порівнянним за потужністю поршневим двигуном.

У двигуні Ванкеля на 35 - 40% менше деталей.

Недоліки:

1) Мала довжина робочого ходу грані трикутного ротора, Хоча ці показники безпосередньо з поршневим мотором порівнювати складно - занадто різні типи рухів поршня і ротора, але у Ванкеля двигуна приблизно на п'яту частину менше довжина робочого ходу. Тут є одна корінна відмінність Ванкеля від поршневого мотора - у «поршневика» йде збільшення обсягу в напрямку одного лінійного напрямку, яке збігається з напрямком робочого ходу. А у Ванкеля – це складний рух і тільки частина траєкторії переміщення трикутного ротора з планетарним рухом стає власне лінією робочого ходу. (РИС.) Саме тому у двигуна Ванкеля паливна ефективність гірша, ніж у поршневих моторів. Тому через малу довжину робочого ходу дуже висока температура вихлопних газів– робочі гази не встигають передати основний свій тиск на ротор, як вже відкривається вихлопне вікно і гарячі гази високого тиску з об'ємними фрагментами робочої суміші, що ще не припинили горіння, виходять у вихлопну трубу. Тому температура вихлопних газів у двигуна Ванкеля дуже висока.

2) Складна форма камери згоряння "серповидної" форми. У такої камери згоряння велика поверхня контакту газів зі стінками корпусу та ротором. Тому значна честь тепла йде на нагрівання деталей двигуна, а це знижує тепловий ККД і посилює нагрівання двигуна. Крім того, така форма камери згоряння призводить до погіршення сумішоутворення та уповільнення швидкості горіння робочої суміші. Тому на моторі Mazda RX-8 стоять дві свічки запалювання на одній роторній секції. Ці особливості також негативно впливають на рівень термодинамічного ККД.

3) Потенційно низький для роторного двигуна крутний момент. Для того щоб зняти обертання з ротора, що рухається, центр обертання якого сам безперервно здійснює планетарне обертання по круговій траєкторії навколо геометричного центру робочої камери, в цьому двигуні застосовується ексцентрично розташовані на головному валу диски. По суті – це елементи кривошипного пристрою. Тобто двигун Ванкеля так і не зміг повністю позбавитися головної нестачі класичних поршневих ДВС – кривошипно – шатунного механізму. Хоч він і представлений у моторі Ванкеля у своєму полегшеному варіанті – у вигляді ексцентрикового валу, але найголовніші вади цього механізму: рваний, пульсуючий режим моменту, що крутить, і мале плече головного елемента, що сприймає крутний момент – так і залишилися «не вилікуваними». (рис.) Саме тому односекційний Ванкель малопрацездатний і потрібно робити 2 або 3 роторні секції для отримання нормальних робочих характеристик, ще бажано ставити на вал додатково і маховик. Крім наявності в двигуні Ванкеля кривошипного механізму, на малий для роторного двигуна момент, що крутить, ще впливає і те, що кінематична схема такого мотора влаштована дуже нераціонально з точки зору сприйняття поверхнею ротора тиску робочих газів розширення. Тому лише деяка частина тиску – близько третини – перетворюється на робоче обертання ротора і створює крутний момент. Докладніше крутний момент поговоримо в спеціальному розділі сайту.

Детально про принцип виникнення моменту, що крутить, в роторному двигуні Ванкеля Дивись на сторінці сайту КРУТНИЙ МОМЕНТ

4) Присутність у корпусі вібрацій. Справа в тому, що система роторного двигуна з планетарним рухом робочого елемента передбачає нерівноважний рух цього органу. Тобто. при обертанні центр мас ротора здійснює безперервний обертальний рух навколо центру мас корпусу і радіус цього обертання дорівнює плечу ексцентрика головного валу двигуна. Саме тому на корпус мотора діє зсередини вектор сили, що постійно обертається, рівний відцентрової сили, що виникає на роторі. Тобто ротор при обертанні на ексцентриковому валу, що обертається у свою чергу, має в характері свого руху неминучі і виражені елементи коливального руху. Що призводить до неминучості вібрацій. (МАЛ.)

5) Швидке зношуванняторцевих радіальних ущільнень на кутах трикутника ротора, так як на них йде сильне радіальне навантаження, неминуче в двигуні Ванкеля за його принципом роботи. (МАЛ.)

6) Постійна загроза прориву газів високого тиску із порожнини одного робочого такту в порожнину іншого такту. Це тому, що контакт радіального ущільнення ребра ротора і стінки камери згоряння відбувається по одній тонкій лінії. При цьому існує проблема прориву газів через гнізда установки свічок, коли над ними проходить ребро ротора.

7) Складна система мастила ротора, що обертається. У моторі Mazda RX-8 спеціальні форсунки впорскують масло в камери згоряння для змащення тертьових при обертанні об стінки камери згоряння ребер ротора. Це посилює токсичність вихлопу і водночас робить двигун дуже вимогливим до якості масла. Крім того, при високих оборотах виникає підвищені вимоги до мастила циліндричної поверхні ексцентрикової частини головного валу, навколо якої обертається ротор і яка знімає головне зусилля з ротора і переводить у обертання валу. Саме ці дві технічні труднощі, вирішити які дуже непросто, приводили до недостатнього змащення на високих оборотах найбільш навантажених тертям деталей такого мотора, а це, відповідно, різко зменшувало моторесурс двигуна. Саме недостатнє вирішення таких технічних завдань призводило до дуже малого ресурсу Ванкеля моторів, які випускав вітчизняний АвтоВАЗ. (РИС.- вказати циліндричну поверхню контакту внутрішнього гніда ротора та ексцентр диска валу)

8) Високі вимоги до точності виконання деталей складної форми роблять такий двигун складним у виробництві. Таке виробництво вимагає високоточного та дорогого обладнання - верстатів, здатних створювати складні обсяги робочої камери з криволінійною епітрохоїдальною поверхнею. Сам ротор має форму складного трикутника з опуклими поверхнями.

Як видно із змісту цього розділу сайту, роторний двигун Ванкеля має виражені переваги, так і велика кількістьпрактично непереборних недоліків, які так і не дозволили цьому типу двигунів витіснити поршневі мотори з арсеналу сучасної техніки. Хоча такі перспективи всерйоз обговорювалися в кінці 60-х і на початку 70-х років минулого століття, і в аналітичних оглядахвисловлювалися думки, що до кінця 80-х років 20-го століття більше половини автомобілів планети вже матимуть роторні двигуни різних типів…. І, незважаючи на наявність негативних рис і технічних труднощів, роторний двигун Ванкеля зміг з'явитися технічно і відбудуться як комерційно дієздатний вид продукції, тому що недоліки його головних конкурентів - поршневих моторів з кривошипно шатунними механізмамивиявляються ще серйознішими і численнішими. І це, не дивлячись на понад століття спроб їх удосконалення.

ПРОДОВЖЕННЯ РОЗМОВУ ПРО РОТОРНИЙ ДВИГУН ВАНКЕЛЯ

вересень 2016р.Одна з найважчих проблем всіх типів роторних двигунів-це створення ефективної системи ущільнень, яка повинна створювати замкнутий об'єм у робочих камерах роторного двигуна. Поки що в схемі типу Тверської це одна з головних труднощів. Там потрібно зробити ефективну і непросту у виготовленні систему ущільнень. І щоб потренувати руку і отримати позитивний досвід у такій справі, я вирішив створити невеликий робочий екземпляр двигуна Ванкеля прямо з «нуля». Робота вже добігає кінця- додаю фото такого моторчика.

Ущільнення

Орієнтовна потужність однієї такої роторної секції передбачається близько 35-40 л.с.

ДВИГУН ВАНКЕЛЯ — ГРУДЕНЬ
25 грудня 2016 Виготовлене малого Ванкеля йде в оптимальному ритмі. Двигун готовий на 95%, залишаються невеликі дрібниці.
Так як на деяких майданчиках в інтернеті ці мої фото вже обговорюються і навколо них накручуються чимало фантазій.
Двигун створений з «НОЛЯ», жодної деталі зі сторонніх моделей у ньому немає. У ньому немає ні деталей від Sachs Wankel, які вже не випускаються років 30, ні від сучасних малих сучасних aixro та ін.
Кормпус двигуна виконаний з конструкційної легованої термостійкої сталі, підданої термохімічному зміцненню. Твердість поверхневого шару має показник 70 HRC. Глибина термозміцненого шару складає в середньому 1,5 мм.Точно так само оброблені і до таких же показників твердості і зносостійкості доведені радіальні та торцеві ущільнення. Тобто. не потрібно буде заважати олію з бензином як у 2-х тактних моторах.

Двигун поставлений на токарний верстат і протягом кількох годин піддавався холодній обкатці. Це дозволило оцінити роботу ущільнень та герметичність одержуваних секцій у двигуні як цілком благополучну. Найближчим часом буде заміряний тиск, який виходить у секторі стиснення двигуна.
Запуск двигуна заплановано на кінець січня.

ВІДНОВЛЕННЯ РОБОТИ ПІСЛЯ ПАУЗИ

Після деякої перерви активні роботи відновлено. Зараз (березень-травень 18г) йдуть активні пробні прокручування малої дослідної моделі двигуна. За її підсумками йде доопрацювання ущільнень - найважчого та делікатного елемента у роторних двигунах. Результати дуже обнадійливі.