[ДВС] Роторно-поршневой двигатель Ванкеля⁠⁠

Всем здрасьте. По многочисленным просьбам в комментах пишу пост про двигатель, стоящий особняком в мире ДВС, так как получил достаточно большое распространение в серийных автомобилях и иногда в мотоциклах, в отличии от других моторов оригинальных конструкций, обходящихся без кривошипно-шатунного механизма.

Придумали его конечно-же Немцы, сама идея пришла в голову Феликсу Генриху Ванкелю в 30х годах 20го века, однако конструкция мотора была далека от привычной нам конструкции РПД. Тем не менее, созданный в 1936 году прототип очень заинтересовал фирму BMW, которая выделила средства на развитие идеи, которую хотели использовать в авиационных моторах. Однако Фюрер, который кстати продержал Феликса полгода в тюрьме в 1933 году за протест нацистским идеалам, решил повоевать, и работа закончилась вывозом всего оборудования по репарациям в 45 году. После войны Феликс Ванкель подался в компанию NSU, где продолжил свои разработки, однако знакомую нам концепцию Ванкелю подсказал другой сотрудник компании NSU - Вальтер Фройде, и собственно ему принадлежит сама идея РПД с треугольным ротором и эксцентриковым валом.

Первый прототип мотора был показан в 1957 году, после чего патент на РПД был выкуплен 11 мировыми автопроизводителями. Хоть в силу отсутствия подходящих материалов ресурс и показатели РПД оставляли желать лучшего, его конструкция многим показалась очень перспективной, так, в 1960 году, одной из компаний, отвалившей 280 миллионов иен, оказалась Mazda.

Но первым серийным автомобилем был NSU Spider, который вышел в продажу в 1964 году, и под его капотом находился поллитровый мотор Felix, который выдавал 50 лс.

Мотор получился неудачным, ненадежным и прожорливым, и в 1967 году компания NSU выпустила новую модель с доработанным мотором - NSU Ro 80, c литровым двухсекционным РПД, мощностью в 110лс. Но из-за низкого ресурса и частых отзывных компаний NSU обанкротилась и была приобретена ВАГом, который запихнул в Ro 80 обычный фордовский двигатель.

Однако мотору не дали погибнуть японцы, и в 1967 году дебютировала Mazda Cosmo, литровый мотор которой выдавал те-же 110 сил, однако вскоре мощность увеличили до 130 сил.

СССР также вел работы по РПД с 1960 года, и добился больших успехов. В первую очередь было произведено много прототипов мотоциклов с РПД, мне наиболее симпатичен такой "Ижак"))

А АВТОВАЗ серийно выпускал жигули с РПД, в основном для ГАИ.

На этом думаю все, более подробно о технике с РПД можно узнать из общедоступных источников, вернемся к самому РПД.

РПД устроен намного проще любого поршневого двигателя, у него мало деталей, отсутствует механизм ГРМ, нет деталей, совершающих обратно-поступательное движение. Он компактен, сбалансирован, у него высокая литровая мощность.

Основные детали РПД это:

Ротор, имеющий форму треугольника Рёло

Ротор имеет полую конструкцию с ребрами жесткости, имеет три вида уплотнений:

1. Уплотнения апексов (на вершинах треугольника)

2. Торцевые уплотнения (изолируют торцы сторон треугольника)

3 Радиальные уплотнения ( компрессионные и маслосъемные кольца, уплотняющие область установки шестерни и вкладышей эксцентрикового вала.

Так выглядит набор

Наибольшую нагрузку испытывают уплотнения апексов ротора, обычно именно ими ограничивается ресурс мотора до ремонта. Представляют они из себя пластины из прочного сплава, вставляемые в прорези на вершинах ротора, подпружиненные листовыми пружинами. Делать их массивными нельзя, так как на высоких скоростях вращения, центробежная сила слишком сильно прижимает уплотнения к стенкам камеры, ускоряя износ, а слишком тонкие уплотнения не смогут исключить прорыв газов между полостями.

На боковых поверхностях ротора сделаны продолговатые выемки, формирующие камеры сгорания.

Также в ротор устанавливается шестерня, которая является синхронизатором вращения ротора и эксцентрикового вала, она входит в зацепление с неподвижной шестерней на боковой крышке корпуса мотора. Передаточное соотношение всегда равно 2:3, благодаря чему за один оборот ротора, эксцентриковый вал делает три оборота, это позволяет этому мотору отлично работать на высоких оборотах, так как при частоте вращения выходного вала в 9000об.мин, ротор крутится со скоростью 3000об.мин.

В ротор впрессовывается подшипник скольжения, который взаимодействует с шейкой эксцентрикового вала

Таким образом, ротор, обкатывая своей шестерней неподвижную шестерню статора, движется внутри корпуса по эпитрохоиде, а так как у ротора три грани, за один оборот эксцентрикового вала одновременно происходит три такта,  и на один оборот эксцентрикового вала приходится один рабочий ход, что свойственно двухтактным поршневым моторам. Благодаря этому РПД выдает весьма высокую литровую мощность, так как сочетает в себе эффективность двухтактного цикла с качественным смесеобразованием четырехтактного цикла.

Одной из особенностей РПД является форма камеры сгорания, которая имеет вытянутую линзовидную форму, что вынуждает использовать две свечи зажигания, работающие неодновременно, сначала осуществляется воспламенение рабочей смеси в передней части камеры сгорания, затем происходит дожиг смеси в задней части, для того чтобы не создавать сопротивление вращению в верхней мертвой точке эксцентрикового вала.

Смазка РПД также имеет свои особенности. Маслонасос подает масло под давлением в эксцентриковый вал, где по каналам оно подается к коренным подшипникам скольжения и к подшипникам ротора, выдавливаемое из зазора в подшипнике ротора масло разбрызгиванием смазывает шестерни ротора и статора, одновременно, через масляные форсунки расположенные в эксцентриковом валу, масло подается в полость ротора, омывая и охлаждая его. Форсунки хорошо видно здесь

Также отдельным дозирующим насосом масло подается во впуск вместе с топливо-воздушной смесью, для смазки поверхностей статора, как в двухтактных моторах. Это объясняет высокий расход масла на угар и крайнюю требовательность РПД к качеству масла.

В общем-то несоответствие экологическим требованиям и поставило крест на РПД, так как та-же Mazda успела побороть многие болячки этих моторов в последнем его варианте под названием Renesis, который можно встретить в RX8.

Одной из особенностей моторов Renesis стал перенос впускных и выпускных окон на боковые поверхности статора, а впускные окна сделали двойными, что позволило менять фазы газораспределения. На этой картинке хорошо видно двойные впускные окна и полую внутреннюю структуру ротора.

Раньше окна располагали на радиальных поверхностях статора, что сильно усложняло жизнь уплотнителям апексов и позволяло выхлопным газам прорываться к впускным окнам через выемку камеры сгорания в роторе.

Видно пятно износа, тянущееся от выпускного окна. Также в Renesis сильно усовершенствовали систему уплотнителей,  что вкупе с боковым расположением впускных и выпускных окон полностью устранило проблему перепуска газов.

Также из особенностей РПД стоит заменить немного сниженные показатели крутящего момента по сравнению с поршневыми моторами, вызванные геометрией передачи усилия на эксцентриковый вал, из-за этого данные моторы выдают высокую мощность только на больших скоростях вращения

Видно, что полка момента сдвинута в сторону более высоких оборотов, что несвойственно моторам с турбонаддувом

Как итог, наверно стоит отметить плюсы и минусы этих моторов.

Плюсы:

1. Уравновешенность мотора. РПД из двух секций полностью уравновешен и практически не производит вибраций.

2. Высокая удельная мощность. Вышеприведенный график снят с мотора объемом 1.3 литра, и это далеко не предел.

3. Малые габаритные размеры и вес, моторы очень компактны и находятся вне конкуренции по соотношению вес - мощность.

4. Мало количество составных частей. Мотор прост и обладает небольшой массой вращающихся деталей. что делает его очень отзывчивым.

Минусы:

1. Сильно нагруженный узел ротор - эксцентриковый вал, что влечет высокие требования к качеству смазки, также высокая токсичность выхлопа в связи с присутствием масла в рабочей смеси. Это-же влечет высокий расход масла на угар.

2. Невысокий ресурс уплотнителей, износ которых влечет перепуск газов между камерами и снижение КПД мотора. На практике ресурс РПД составляет 50-100 000км.

3. Склонность к перегреву из-за специфической формы камеры сгорания, которая имеет очень большую площадь и как следствие большой коэффициент поглощения тепловой энергии при сгорании рабочей смеси.

4. Высокие требования к точности изготовления корпуса и ротора, требующие применения высокотехнологичной оснастки. 

Я думаю, что история применения РПД еще не закрыта, инженеры мазды не опускают руки, и характеристики Renesis и Renesis-2 дают надежду еще увидеть эти интересные моторы под капотом серийных автомобилей. Новые материалы позволяют исправить врожденные недостатки, а современные масла позволят вписаться в экологические нормы.

А вообще тяжко впихивать такую тему в один пост, так как про РПД можно рассказывать долго. С ним ставили много интересных экспериментов, и много куда прикручивали, от мотоциклов до вертолетов.

Ну все, надеюсь, было интересно)

Ну и бонусом, интересное видео, где можно посмотреть на работу модельного РПД с прозрачным корпусом