У парового двигателя и появившегося следом ДВС имелся общий недостаток – низкий КПД и высокий износ основных элементов в процессе преобразования действия поршней во вращательные движения колес. Улучшить этот показатель пытались многие именитые инженеры, но получилось лишь у механика-самоучки Феликса Ванкеля, создавшего в 1957 году особый тип мотора.

Сегодня поговорим о роторно-поршневом двигателе и разберемся, почему он так и не прижился в массовом производстве.

Происхождение

Как уже было сказано, в 1957 году никому не известный механик-изобретатель спроектировал двигатель нетипичной конструкции: трехгранный ротор в форме треугольника Рёло вращался внутри цилиндра специального профиля. Сам ротор установлен на приводном валу и жестко соединен с зубчатым колесом, которое входит в «зацеп» с неподвижной шестерней, называемой статором. Диаметр ротора намного превышает диаметр статора, при этом тот обкатывается вокруг шестерни.

Такая конструкция позволяет осуществить любой 4-тактный цикл Дизеля, Стирлинга или Отто без применения специального механизма газораспределения. Вместо прокладок и вкладышей герметизация камеры обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами. Отсутствие механизма газораспределения делает РПД значительно проще четырехтактного поршневого мотора, а отсутствие сопряжения (картерное пространство, коленвал и шатуны) между отдельными рабочими камерами обеспечивает необычайную компактность и высокую удельную мощность.

Когда Ванкель принес свои разработки ведущему инженеру NSU Вальтеру Фреде, тот пришел в восторг и предложил тут же испытать инновационный двигатель, установив его на автомобиль NSU Prinz. Ясное дело, что опытный образец был далек от совершенства, поэтому, чтобы заменить те же свечи, приходилось почти полностью разбирать агрегат. Увы, ни надежностью, ни тем более экономичностью двигатель Ванкеля тогда не отличался.

После множества испытаний бренд NSU все же занялся выпуском машин с традиционным ДВС. Однако первый роторно-поршневой серийный двигатель DKM-54 получил применение на спорткаре NSU Spider и продемонстрировал большой потенциал.

Массовое применение

Двигателем Ванкеля оборудовался седан бизнес-класса NSU Ro 80, в 1967-1977 годах было выпущено 37.204 экземпляра. Помимо этого, данный автомобиль имел множество других инноваций, например, кузов с рекордно низким аэродинамическим сопротивлением, полуавтоматическую коробку передач с гидротрансформатором, блок-фары.

Отметим, что Ro 80 отличался не только уникальными техническими решениями, но и передовым дизайном, который, впрочем, оказался для современников слишком вычурным. Впоследствии такой экстерьер лег в основу стиля моделей Audi 100 и 200 поколения C2.

К сожалению, рабочий ресурс роторно-поршневого двигателя оказался до крайности ограниченным. Агрегат нуждался в ремонте спустя 50 тысяч км пробега, из-за чего седан Ro 80 пользовался плохой репутацией и служил объектом насмешек для автомобильной прессы. На многих сохранившихся моделях оригинальный двигатель был впоследствии заменен на поршневой L4 Essex от Ford.

К 1980-м годам роторные двигатели Ванкеля исследовались лишь японской компанией Mazda. Правда, технология точечно применялась еще на спецтранспорте Волжского автозавода. В СССР бензин стоил достаточно дешево, а данный агрегат имел большую мощность, однако к 2004 году производство машин с таким двигателем было прекращено. Япония осталась единственной страной, в которой продолжается разработка роторного двигателя, но это тема для отдельной статьи.

В начале1980-х роторный мотор использовали для оснащения мотоциклов Norton. Инженеры Norton успешно внедрили РПД в спорт, и к концу 1980-х байкам фирмы не было равных.

Сегодня компания производит 588-кубовую модель с двумя роторами NRV588. Также инженерами Norton ведется разработка версии на 700 куб.см, которая называется NRV700. Она представляет собой мощный спортбайк, оснащенный инжекторным 170-сильным двигателем Ванкеля.

Особенности РПД

Двигатель Ванкеля с момента своего появления получил ряд значительных преимуществ перед поршневыми моторами. А учитывая, что агрегат постоянно дорабатывался, со временем удалось повысить его экономичность и производительность. Из явных достоинств двигателя Ванкеля в первую очередь выделяют:

• небольшие габариты и вес. РПД практически вдвое меньше поршневого ДВС, что положительно сказывается на управляемости машины, способствует оптимальному монтажу коробки передач, позволяет сделать салон намного просторнее;

• в сравнении с двухтактным мотором двигатель Ванкеля имеет гораздо меньше деталей, что более выгодно в плане ремонта;

• мощность вдвое больше, чем у стандартных ДВС;

• большая плавность работы, так как отсутствие поступательно-возвратных движений делает езду более комфортной;

• возможность заправки низкооктановым бензином;

• все элементы мотора вращаются в одну сторону, что улучшает внутренний баланс агрегата и снижает вибрации.

Двигатель Ванкеля развивает мощность плавно и равномерно. За время, пока ротор оборачивается 1 раз, выходной вал совершает 3 рабочих цикла.

Увы, недостатки у роторно-поршневого мотора тоже имеются, причем перевешивают достоинства.

Во-первых, конструкция герра Ванкеля крайне непривычна для автомехаников.

Во-вторых, такой агрегат требует от автовладельцев изменить многие привычки вождения. Так, тормозить двигателем попросту не получится, а движение в гору в «натяг» становится невыполнимым. Кроме того, компактный мотор обладает малой инерцией, чего не скажешь о массивных поршневых ДВС. При частом цикле включения-выключения, запусках-выключениях на свечах появляется нагар. Кроме того, специфический звук мотора некоторые автолюбители причисляют к недостаткам.

Отдельно отметим органические изъяны роторно-поршневого агрегата. Данный мотор обладает увеличенным расходом горючего из-за неоптимальной формой камеры, которая теряет тепло через стенки. К тому же мотор потребляет много масла. Как было сказано выше, срок эксплуатации двигателя Ванкеля ниже, чем у стандартного ДВС, поскольку роторные уплотнения регулярно изнашиваются.

Недостатки РПД схожи с недостатками двухтактных поршневых агрегатов. Отметим, что исправить это можно схожими способами: увеличенное потребление топлива сбивается непосредственным впрыском, нехватка эластичности – установкой изменяемых фаз. Это повышает экономичность и управляемость. Также для повышения эластичности меняется конфигурация трубопроводов.

***

Практика показывает, что эпоха роторных моторов еще не наступила. В массовом производстве поршневые системы были и остаются лидирующими. Одной из причин, по которым роторно-поршневой двигатель не производится массово, является необходимость предельно точной сборки агрегата – малейший брак станет причиной скорого выхода мотора из строя. Однако само наличие РПД является неплохой альтернативой традиционным силовым агрегатам. Не исключено, что в будущем данная технология найдет более глубокое применение.

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