Роторно-поршневой двигатель Ванкеля (15 фото+3 видео)

Паровые машины и двигатели внутреннего сгорания обладают одним общим недостатком — возвратно-поступательное движение поршня должно быть преобразовано во вращательное движение колёс. Отсюда и заведомо низкий КПД, и высокая изнашиваемость элементов механизма. Многим хотелось построить двигатель внутреннего сгорания так, чтобы все подвижные части в нём только вращались — как это происходит в электромоторах.

Однако задача оказалась не простой, успешно решить её удалось только механику-самоучке, который за всю свою жизнь так и не получил ни высшего образования, ни даже рабочей специальности.

Феликс Генрих Ванкель (Felix Heinrich Wankel, 1902–1988) родился 13 августа 1902 года в небольшом немецком городке Лар. Во время Первой мировой войны погиб отец Феликса, из-за чего будущему изобретателю пришлось бросить гимназию и пойти работать учеником продавца в книжной лавке при издательстве. Благодаря этой работе Ванкель пристрастился к чтению книг, по которым он самостоятельно изучал технические дисциплины, механику и автомобилестроение.

Существует легенда, что решение задачи пришло семнадцатилетнему Феликсу во сне. Правда это или нет — неизвестно. Зато очевидно, что Феликс обладал весьма незаурядными способностями к механике и «незамыленным» взглядом на вещи. Он понял, как все четыре цикла работы обычного двигателя внутреннего сгорания (впрыск, сжатие, сгорание, выхлоп) можно осуществить при вращении.
Довольно быстро Ванкель пришёл к первой конструкции двигателя, и в 1924 году он организовал небольшую мастерскую, которая также служила и импровизированной «лабораторией». Здесь Феликс и начал проводить первые серьёзные исследования в области роторно-поршневых ДВС.

С 1921 года Ванкель был активным членом НСДАП. Он выступал за партийные идеалы, был основателем всегерманского военного юношеского объединения и юнгфюрером различных организаций. В 1932 году он вышел из партии, обвинив одного из своих бывших коллег в политической коррупции. Однако по встречному обвинению ему самому пришлось провести в тюрьме шесть месяцев. Освободившись из заключения благодаря заступничеству Вильгельма Кепплера (Wilhelm Keppler), он продолжил работы над двигателем. В 1934 он создал первый опытный образец и получил на него патент. Он сконструировал новые клапаны и камеры сгорания для своего мотора, создал несколько различных его вариантов, разработал классификацию кинематических схем различных роторно-поршневых машин.

В 1936 году прототип двигателя Ванкеля заинтересовал BMW — Феликс получил деньги и собственную лабораторию в Линдау для разработки опытных авиадвигателей.
Впрочем, до самого разгрома фашистской Германии ни один двигатель Ванкеля в серию не пошёл. Возможно, на доведение конструкции до ума и создания массового производства требовалось слишком много времени.
После войны лаборатория была закрыта, оборудование вывезено во Францию, а Феликс остался без работы (сказалось былое членство в национал-социалистической партии). Однако вскоре Ванкель всё же получил должность инженера-конструктора в компании NSU Motorenwerke AG, являющейся одним из старейших производителей мотоциклов и автомобилей.

В 1957 году совместными усилиями Феликса Ванкеля и ведущего инженера NSU Вальтера Фрёде (Walter Froede) роторно-поршневой двигатель впервые был установлен на автомобиль NSU Prinz. Первоначальная конструкция оказалась далека от совершенства: даже для замены свечей требовалось разбирать почти весь «движок», надёжность оставляла желать лучшего, а про экономичность на данном этапе разработки и вовсе говорить было грешно. В результате испытаний в серию пошёл всё же автомобиль с традиционным ДВС. Тем не менее первый роторно-поршневой двигатель DKM-54 доказал свою принципиальную работоспособность, открыл направления для дальнейшей доводки и продемонстрировал колоссальный потенциал «роторников».
Таким образом, новый тип ДВС получил, наконец, свою путёвку в жизнь. В дальнейшем его ждёт ещё немало усовершенствований и доработок. Но перспективы роторно-поршневого двигателя настолько привлекательны, что инженеров уже ничто не могло остановить в деле доведения конструкции до эксплуатационного совершенства.

Прежде чем разбирать достоинства и недостатки роторно-поршневых ДВС, стоит всё-таки подробней рассмотреть их конструкцию.
В центре ротора проделано круглое отверстие, изнутри покрытое зубцами как у шестерёнки. В это отверстие вставлен вращающийся вал меньшего диаметра, также с зубцами, что обеспечивает отсутствие проскальзывания между ним и ротором. Отношения диаметров отверстия и вала подобраны так, чтобы вершины треугольника двигались по одной и той же замкнутой кривой, которая называется «эпитрохоида», — искусство Ванкеля как инженера заключалось в том, чтобы сначала понять, что это возможно, а потом всё точно рассчитать. В итоге, поршень, имеющий форму треугольника Рело, отсекает в камере, повторяющей форму найденной Ванкелем кривой, три камеры переменного объёма и положения.

Конструкция роторно-поршневого ДВС позволяет реализовать любой четырехтактный цикл без применения специального механизма газораспределения. Благодаря этому факту «роторник» оказывается значительно проще обычного четырёхтактного поршневого двигателя, в котором в среднем почти на тысячу деталей больше.

Герметизация рабочих камер в роторно-поршневом ДВС обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к «цилиндру» ленточными пружинами, а также центробежными силами и давлением газа.
Ещё одна его техническая особенность — это высокая «производительность труда». За один полный оборот ротора (то есть за цикл «впрыск, сжатие, воспламенение, выхлоп»), выходной вал совершает три полных оборота. В обычном поршневом двигателе таких результатов можно добиться только используя шестицилиндровый ДВС.

После первой же успешной демонстрации роторного ДВС в 1957 году крупнейшие автогиганты стали проявлять к разработке повышенный интерес. Сначала лицензию на двигатель, получивший неформальное название «ванкель», купила корпорация Curtiss-Wright, через год, Daimler-Benz, MAN, Friedrich Krupp и Mazda. Всего за весьма короткий промежуток времени лицензии на новую технологию приобрели около ста компаний во всём мире, включая таких монстров как Rolls-Royce, Porsche, BMW и Ford.Такой интерес к «ванкелю» столь крупных игроков автомобильного рынка объясняется его большим потенциалом и значительными достоинствами — в роторно-поршневом двигателе на 40% меньше деталей, он проще в ремонте и производстве.

К тому же «ванкель» почти в два раза компактней и легче традиционного поршневого ДВС, что в свою очередь улучшает управляемость автомобиля, облегчает оптимальное расположение трансмиссии и позволяет сделать более просторный и удобный салон.

Картинка кликабельна:

Роторно-поршневой двигатель развивает высокую мощность при довольно скромном расходе топлива. Например, современный «ванкель» объёмом всего 1300 смі развивает мощность в 220 л.с., а с турбокомпрессором — все 350. Ещё один пример — миниатюрный двигатель OSMG 1400 весом 335 г (рабочий объем 5 смі) развивает мощность в 1,27 л.с. Фактически, эта кроха на 27% сильнее лошади.
Ещё одно важное преимущество — низкий уровень шумов и вибраций. Роторно-поршневой двигатель отлично уравновешен механически, кроме того масса движущихся частей (и их количество) в нём значительно меньше, благодаря чему «ванкель» работает гораздо тише и не вибрирует.

И, наконец, роторно-поршневой двигатель отличается великолепными динамическими характеристиками. На низкой передаче можно без особой нагрузки на движок разогнать автомобиль до 100 км/ч на высоких оборотах двигателя. Кроме того, сама конструкция «ванкеля» за счёт отсутствия механизма преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, способна выдержать большие обороты, чем традиционный ДВС.

После вышедшего в 1964 году NSU Spyder последовали легендарная модель NSU Ro 80 (в мире до сих пор существует множество клубов владельцев этих машин), Citroen M35 (1970), Mercedes C-111 (1969), Corvette XP (1973). Но единственным массовым производителем стала японская Mazda, выпускавшая с 1967 года порой по 2-3 новые модели с РПД. Роторные двигатели ставили на катера, снегоходы и легкие самолеты. Конец эйфории пришел в 1973 году, в разгар нефтяного кризиса. Тут-то и проявился основной недостаток роторных двигателей — неэкономичность. За исключением Mazda, все автопроизводители свернули роторные программы, а у японской компании продажи по Америке сократились со 104960 проданных машин в 1973 году до 61192 — в 1974-м. Наряду с неоспоримыми достоинствами, «ванкель» также обладал и целым рядом очень серьёзных недостатков. Во-первых, долговечность. Один из первых прототипов роторно-поршневых двигателей на испытаниях выработал свой ресурс всего за два часа. Следующий, более успешный DKM-54 уже выдержал сто часов, но этого для нормальной эксплуатации автомобиля всё равно было недостаточно. Основная проблема крылась в неравномерном износе внутренней поверхности рабочей камеры. На ней в процессе эксплуатации появлялись поперечные борозды, которые получили говорящее имя «метки дьявола».

В компании Mazda после приобретения лицензии на «ванкель» был сформирован целый отдел, занимавшийся усовершенствованием роторно-поршневого двигателя. Довольно скоро выяснилось, что при вращении треугольного ротора, заглушки на его вершинах начинают вибрировать, в результате чего и образуются «метки дьявола».

В настоящее время проблему надежности и долговечности окончательно решили, применив высококачественные износостойкие покрытия, в том числе керамические.
Другая серьезная проблема — повышенная токсичность выхлопа «ванкеля». По сравнению с обычным поршневым ДВС «роторник» выделяет в атмосферу меньше окислов азота, но гораздо больше углеводородов, за счёт неполного сгорания топлива. Довольно быстро инженеры Mazda, уверовавшие в блестящее будущее «ванкеля», нашли простое и эффективное решение и этой проблемы. Они создали так называемый термальный реактор, в котором остатки углеводородов в выхлопных газах просто «дожигались». Первым автомобилем, реализовавшим такую схему, стал Mazda R100, также называемый Familia Presto Rotary, выпущенный в 1968 году. Эта машина, одна из немногих, сразу прошла весьма жёсткие экологические требования, выдвинутые США в 1970 году для импортируемых авто.
Следующая проблема роторно-поршневых двигателей частично вытекает из предыдущей. Это экономичность. Расход топлива стандартного «ванкеля» из-за неполного сгорания смеси существенно выше, чем у стандартного ДВС. И снова инженеры Mazda принялись за работу. При помощи целого комплекса мер, включающих переработку термореактора и карбюратора, добавление теплообменника в выхлопную систему, разработку каталитического конвертера и внедрение новой системы зажигания, компания добилась снижения потребления топлива на 40%. В результате этого несомненного успеха в 1978 году был выпущен спортивный автомобиль Mazda RX-7.

Стоит отметить, что в это время во всём мире машины с роторно-поршневыми двигателями выпускала только Mazda и… АвтоВАЗ.
Именно в провальном 1974 году советское правительство создает на Волжском автозаводе специальное конструкторское бюро РПД (СКБ РПД) — социалистическая экономика непредсказуема. В Тольятти начались работы по строительству цехов для серийного производства «ванкелей». Поскольку ВАЗ изначально планировался как простой копировальщик западных технологий (в частности, фиатовских), заводскими специалистами было принято решение воспроизводить двигатель Mazda, напрочь откинув все десятилетние наработки отечественных двигателестроительных институтов.
Советские чиновники довольно долго вели переговоры с Феликсом Ванкелем на предмет покупки лицензий, причем некоторые из них проходили прямо в Москве. Денег, правда, не нашли, и поэтому воспользоваться некоторыми фирменными технологиями не удалось. В 1976 году заработал первый волжский односекционный двигатель ВАЗ-311 мощностью 65 л.с., еще пять лет ушло на доводку конструкции, после чего была выпущена опытная партия в 50 штук роторных «единичек» ВАЗ-21018, мгновенно разошедшихся среди работников ВАЗа. Тут же выяснилось, что двигатель только внешне напоминал японский — сыпаться он стал очень даже по-советски. Руководство завода было вынуждено за полгода заменить все двигатели на серийные поршневые, сократить на половину штат СКБ РПД и приостановить строительство цехов. Спасение отечественного роторного двигателестроения пришло от спецслужб: их не очень интересовал расход топлива и ресурс двигателя, зато сильно — динамические характеристики. Тут же из двух двигателей ВАЗ-311 был сделан двухсекционный РПД мощностью 120 л.с., который стал устанавливаться на «спецединичку» — ВАЗ-21019. Именно этой модели, получившей неофициальное название «Аркан», мы обязаны бесчисленным количеством баек про милицейские «Запорожцы», догоняющие навороченные «Мерседесы», а многие стражи порядка — орденами и медалями. До 90-х годов внешне непритязательный «Аркан» действительно легко догонял все машины. Помимо ВАЗ-21019 на АвтоВАЗе также выпускаются малые партии автомобилей ВАЗ-2105, -2107, -2108, -2109, -21099. Максимальная скорость роторной «восьмерки» составляет около 210 км/ч, а до сотни она разгоняется всего за 8 секунд.
Оживший на спецзаказах СКБ РПД стал делать двигатели для водного и автоспорта, где машины с роторными двигателями стали настолько часто завоевывать призовые места, что спортивные чиновники были вынуждены запретить применение РПД.
В 1987 году умер руководитель СКБ РПД Борис Поспелов и на общем собрании был выбран Владимир Шнякин — человек, пришедший в автомобилестроение из авиации и недолюбливающий наземный транспорт. Главным направлением СКБ РПД становится создание двигателей для авиации. Это была первая стратегическая ошибка: самолетов у нас выпускается несоизмеримо меньше автомобилей, а завод живет с проданных двигателей.
Второй ошибкой стала ориентация в сохранившемся производстве автомобильных РПД на маломощные двигатели ВАЗ-1185 в 42 л.с. для «Оки», хотя более прожорливые, но более динамичные роторные двигатели так и просятся на самые быстроходные отечественные машины — например, на «восьмерки». Те же японцы устанавливают «ванкели» только на спортивные модели. В итоге на российских дорогах оказалось всего несколько роторных микролитражек «Ока». В 1998 году был наконец-то подготовлен гражданский вариант двухцилиндрового роторного 1,3-литрового двигателя ВАЗ-415, который стали устанавливать на ВАЗ-2105, 2107, 2108 и 2109.

В мае 1998 г был омологирован кольцевой ВАЗ-110 «РПД-спорт» (190 л. с., 8500 об/мин, 960 кг, 240 км/ч). Увы, дальше одного-единственного образца, чаще демонстрируемого на выставках, чем стартующего в гонках, дело не пошло. 110-я была самой мощной в пелотоне, но откровенно сырая конструкция всякий раз не давала ей продемонстрировать весь свой потенциал. Однако обидней всего то, что на «ВАЗе» быстро охладели к роторному направлению, а уникальную «Ладу» переделали в ралли-кар с обычным ДВС.

Так почему же все ведущие производители автомобилей ещё не пересели на «ванкели»? Дело в том, что для производства роторно-поршневых двигателей требуется, во-первых, отточенная технология со множеством самых разнообразных нюансов и далеко не каждая компания готова пройти путь той же Mazda, попутно наступая на многочисленные «грабли». А во-вторых, нужны специальные высокоточные станки, способные вытачивать поверхности, описанные такой хитрой кривой как эпитрохоида.

Mazda RX-7 — это один из первых автомобилей, на котором ставился роторно-поршневой двигатель Ванкеля. За всю историю Mazda RX-7 было четыре поколения. Первое поколение с 1978 по 1985 год. Второе поколение — с 1985 по 1991. Третье поколение — с 1992 по 1999. Последнее, четвёртое поколение — с 1999 по 2002 год. Первое поколение RX-7 появилось в 1978 году. Оно имело среднемоторную компоновку и оснащалось роторным двигателем мощностью всего 130 л. с.

В настоящее время только Mazda занимается серьёзными исследованиями в области роторно-поршневых двигателей, постепенно совершенствуя их конструкцию, и большая часть подводных камней в этой области уже пройдена. «Ванкели» вполне соответствуют мировым стандартам по уровню токсичности выхлопа, потреблению топлива и надёжности. Для современных станков поверхности описанные эпитрохоидой не являются проблемой (как не являются проблемой и куда более сложные кривые), новые конструкционные материалы позволяют увеличить срок службы роторно-поршневого двигателя, а его стоимость уже сейчас оказывается ниже, чем у стандартного ДВС за счёт меньшего количества используемых деталей.
Как и NSU, Mazda в 60-е гг. была небольшой компанией с ограниченными техническими и финансовыми ресурсами. Основу ее модельного ряда составляли развозные грузовички да семейные малолитражки. Поэтому нет ничего удивительного, что спорт-купеMazda 110S Cosmo (982 см куб., 110 л. с., 185 км/ч) создавалось более 6 лет и оказалось весьма капризным и дорогим. Да и подпорченная NSU Ro80 репутация не способствовала ажиотажу (в 1967–1972 гг. нашли своих владельцев только 1175 «космосов»), но мировой интерес к 110S способствовал увеличению продаж всей остальной продукции фирмы!
Чтобы доказать, что РПД столь же надежен (его превосходство в мощности уже стало для всех очевидным), Mazda чуть ли не впервые в жизни приняла участие в соревнованиях, причем выбрала самую трудную и продолжительную гонку – 84-часовой Marathon De La Route, проходивший на Нюрбургринге. Как экипажу из Бельгии удалось занять 4-е место (вторая машина сошла с дистанции за три часа до финиша из-за заклинивших тормозов), уступив только «выросшим» на «Нордшляйфе» Porsche 911, похоже, так и останется загадкой.

Мастерская Ванкеля в Линдау

Хотя с тех пор японские «роторники» стали завсегдатаями гоночных трасс, крупного успеха в Европе им пришлось ждать 16 лет. В 1984-м британцы на RX-7 выиграли престижную суточную гонку в Спа-Франкошамп. А вот в США, на главном рынке «семерки», ее гоночная карьера складывалась куда успешнее: с момента дебюта в чемпионате IMSA GT в 1978 году и по 1992-й она выиграла в своем классе более сотни этапов, причем с 1982 по 1992 гг. первенствовала в главной гонке серии – 24 hours of Daytona.
В ралли у «Мазд» все шло не так гладко. Как это часто бывало с японскими командами (Toyota, Datsun, Mitsubishi), они выступали только на отдельных этапах раллийного чемпионата мира (Новая Зеландия, Великобритания, Греция, Швеция), интересующих в первую очередь маркетинговые отделы концернов. Национальных титулов хватало: так, в 1975–1980 гг. Род Миллен выиграл целых пять в Новой Зеландии и США. А вот в WRC успехи были исключительно локальными: лучшее, что показали RX-7, – 3-е и 6-е места в греческом «Акрополисе» 1985 года.
Ну а самым громким успехом Mazda вообще и РПД в частности стала победа ее спортпрототипа 787B (2612 см куб., 700 л. с., 607 Нм, 377 км/ч) в Ле Мане в 1991 году. Причем одолеть заводскиеPorsche, Peugeot и Jaguar помогли не только быстрые пилоты и конкурентоспособная техника: свою роль сыграла и настойчивость японских менеджеров, регулярно «выбивавших» для роторников всевозможные послабления в регламенте. Так, накануне победы 787-го организаторы гонки согласились компенсировать прожорливость «роторников» 170-килограммовым (830 против 1000) снижением массы. Парадокс заключался в том, что, в отличие от бензиновых моторов, «аппетит» РПД при дальнейшей форсировке рос куда более скромными темпами, чем у обычных поршневых моторов, и 787-й оказался экономичней своих основных конкурентов!

Это был шок. Mercedes, который журнал Stern за консерватизм называл не иначе как «производитель авто для 50-летних господ в шляпах», в 1969 году презентовал супер-кар, поражавший воображение даже цветом. Вызывающая ярко-оранжевая окраска, подчеркнуто клиновидная форма, среднемоторная компоновка, двери «крыло чайки» и сверхмощный трехсекционный РПД (3600 см куб., 280 л. с., 260 км/час) – для консервативного Mercedes это было нечто!

А поскольку в компании не строили концептов, все считали, что у С111 только один путь: мелкосерийная (омологационная) сборка и большое гоночное будущее, ведь с 1966 года ФИА допустила РПД к официальным соревнованиям. И в штаб-квартиру Mercedes посыпались чеки с просьбой вписать нужную сумму за право обладать С111. Штутгартцы же еще больше подогрели интерес к «эске», в 1970 г. представив вторую генерацию купе с еще более фантастическим дизайном, 4-секционным ротором и умопомрачительными характеристиками (4800 см куб., 350 л. с., 300 км/час). Для доводки Mercedes построил пять макетов, которые дневали и ночевали на Хокенхаймринге и Нюрбургринге, готовясь установить серию рекордов скорости. Пресса смаковала предстоящую «битву титанов» между роторным Mercedes, атмосферным Ferrari и наддувным Porsche в чемпионате мира по гонкам на выносливость. Увы, возвращение в большой спорт не состоялось. Во-первых, С111 был очень дорогим даже для Mercedes, во- вторых, немцы не могли пустить в продажу столь сырую конструкцию. А после карибского нефтяного кризиса они вообще прикрыли проект, сосредоточившись на дизельных двигателях. Ими и оборудовали последние версии C111, установившие несколько мировых рекордов.

Не имеющий законченного технического образования, под конец жизни Феликс Ванкель достиг мирового признания в области двигателестроения и уплотнительной техники, завоевав массу наград и титулов. Его именем названы улицы и площади немецких городов (Felix-Wankel-Strasse, Felix-Wankel-Ring). Помимо двигателей, Ванкель разработал новую концепцию скоростных судов и самостоятельно построил несколько лодок.

Самое интересное, что роторный двигатель, который сделал его миллионером и принес ему всемирную славу, Ванкель не любил, считая его «гадким утенком». Реальные работающие РПД были сделаны по так называемой «концепции ККМ», предусматривающей планетарное вращение ротора и требующей введения внешних противовесов. Немалую роль сыграл и тот факт, что эту схему предложил не Ванкель, а инженер NSU Вальтер Фройде. Сам же Ванкель до последних дней считал идеальной схему двигателя «с вращающимися поршнями без неравномерно вращающихся частей» (Drehkolbenmasine — DKM), концептуально гораздо более красивую, но технически сложную, требующую, в частности, установки свечей зажигания на вращающемся роторе. Тем не менее, роторные двигатели во всем мире связывают именно с именем Ванкеля, поскольку все, кто близко знал изобрателя, в один голос утверждают, что что без неуемной энергии немецкого инженера мир так и не увидел бы этого удивительного устройства. Фелик Ванкель ушел из жизни в 1988 году.
Любопытна история с Mercedes 350 SL. Ванкель очень хотел иметь роторный Mercedes С-111. Но фирма Mercedes не пошла ему навстречу. Тогда изобретатель взял серийный 350 SL, выкинул оттуда «родной» двигатель и установил ротор от С-111, который был легче прежнего 8-цилиндрового на 60 кг, но развивал существенно большую мощность (320 л.с. при 6500 об/мин). В 1972 году, когда инженерный гений закончил работу над своим очередным чудом, он мог бы сидеть за рулем самого быстрого на тот момент «Мерседеса» SL-класса. Ирония заключалась в том, что водительские права Ванкель до конца жизни так и не получил.

Возрождением интереса к РПД мы обязаны новому двигателю Mazda Renesis (от RE — Rotary Engine — и Genesis). За прошедшее десятилетие японским инженерам удалось решить все основные проблемы РПД — токсичность выхлопа и неэкономичность. По сравнению с предшественником, удалось сократить потребление масла на 50%, бензина на 40% и довести выброс вредных окисей до норм, соответствующих Euro IV. Двухцилиндровый двигатель объемом всего 1,3 л выдает мощность в 250 л.с. и занимает гораздо меньше места в двигательном отсеке.
Специально под новый двигатель был разработан автомобиль Mazda RX-8, который, по словам брэнд-менеджера Mazda Motor Europe Мартина Бринка, создавался по новой концепции — автомобиль «строился» вокруг двигателя. В итоге развесовка по осям RX-8 идеальна — 50 на 50. Использование уникальной формы и маленьких размеров двигателя позволило поместить центр тяжести очень низко. «RX-8 не явяляется гоночным монстром, но это лучшая в управлении машина, которую я когда-либо водил», — с восторгом рассказывал Popular Mechanics Мартин Бринк.
Бочка меда…
Вне всяких сомнений, с первого взгляда роторно-поршневой двигатель имеет массу преимуществ перед традиционными двигателями внутреннего сгорания:
— Меньшим на 30-40% количеством деталей;
— Меньшими в 2-3 раза габаритами и массой, по сравнению с соответствующим по мощности стандартным ДВС;
— Плавная характеристика крутящего момента во всем диапазоне оборотов;
— Отсутствие кривошипно-шатунного механизма, а, следовательно, гораздо меньший уровень вибрации и шума;
— Высокий уровень оборотов (до 15000 об/мин!).
Ложка дегтя…
Казалось бы, если «Ванкель» имеет такие превосходства над поршневым двигателем, то кому нужны эти громоздкие, тяжелые, гремящие и вибрирующие поршневые двигатели? Но, как это часто бывает, на практике все далеко не так шоколадно. Ни одно гениальное изобретение, выйдя за порог лаборатории, отправлялось в корзину с пометкой «для мусора». Серийное производство нашло не на один камень, а на целую россыпь гранита:
— Отработка процесса сгорания в камере неблагоприятной формы;
— Обеспечение герметичности уплотнений;
— Обеспечение работы без коробления корпуса в условиях неравномерного нагрева;
— Низкий термический КПД ввиду того, что камера сгорания РПД намного больше, чем у традиционного ДВС;
— Высокий расход топлива;
— Высокая токсичность газообразных продуктов сгорания;
— Узкая зона температур для работы РПД: при низких температурах мощность двигателя резко падает, при высоких — быстрый износ уплотнений ротора.

Источник: infoglaz.ru

Роторный двигатель: принцип работы с видео, устройство

Роторный двигатель является одной из разновидностей тепловых ДВС. Первый роторный двигатель, принцип работы которого кардинально отличается от традиционного двигателя внутреннего сгорания, появился в 19 веке.

Его особенностью было использование не возвратно поступательных движений, как в классическом ДВС, а вращение в специальном овальном корпусе трехгранного ротора. Такая схема применялась в первых поршневых паровых машинах и дала толчок к активному проектированию и созданию роторных паровых двигателей. С роторного парового двигателя и начиналась история двигателя внутреннего сгорания роторного типа. Впервые схему классического роторно-поршневого (двигателя Ванкеля) разработали в конце 1950-х годов в немецкой фирме NSU, авторами стали Феликс Ванкель и Вальтер Фройде.

Конструкция

Давайте рассмотрим основные части РПД:

• корпус двигателя;
• ротор;
• выходной вал.

Как и любой другой двигатель внутреннего сгорания, двигатель Ванкеля имеет корпус, который включает основную рабочую камеру, в нашем случае – овальной формы.

Форма камеры сгорания (овал) обусловлена применением трехгранного ротора, грани которого при соприкосновении со стенками камеры сгорания овальной формы образуют изолированные закрытые контуры. В этих изолированных контурах и происходят все такты работы РПД:

• впуск;
• сжатие;
• воспламенение;
• выпуск.

Такая компоновка позволяет обойтись без впускных и выпускных клапанов. Впускные и выпускные отверстия находятся по бокам камеры сгорания, а соединены напрямую к системе питания и системе выпуска отработанных газов.

Следующей составной частью роторного мотора является непосредственно ротор. В РПД ротор выполняет функцию поршней в обычном двигателе. Своей формой ротор похож на треугольник с закругленными наружу краями и вдающимися внутрь гранями. Закругление краев ротора необходимо для лучшего уплотнения камеры сгорания. Выборка внутри грани нужна для увеличения объема камеры сгорания, правильного горения топливно-воздушной смеси и увеличения скорости вращения ротора. Вверху каждой грани и по ее бокам находятся металлические пластины, задача которых состоит в уплотнении камеры сгорания, аналогично поршневым кольцам классического ДВС. Внутри ротора расположены зубцы, вращающие привод, который, в свою очередь, вращает выходной вал.

Классический мотор имеет коленчатый вал, в РПД его функцию выполняет выходной вал. Относительно центра выходного вала расположены выступы-кулачки в форме полукругов. Выступы-кулачки несимметричны по отношению к центру и явно смещены относительно центра оси. На каждый выступ-кулачок выходного вала приходится по своему ротору. Вращательное движение каждого ротора, передаваемое на выступ-кулачок, заставляет выходной вал вращаться вокруг своей оси, что, в свою очередь, создает крутящий момент на выходном валу.

Рабочие такты РПД

Давайте теперь более подробно рассмотрим принцип работы роторного двигателя и рабочие процессы, происходящие внутри него. Как и классический мотор, двигатель Ванкеля имеет те же такты впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска.

Начало такта впуска происходит в момент прохода одной из вершин ротора впускного канала корпуса мотора. В этот момент в постепенно расширяющуюся камеру сгорания всасывается топливно-воздушная смесь либо просто воздух, в зависимости от компоновки системы подачи топлива. При дальнейшем вращении ротора к точке, когда вторая вершина проходит впускной канал, начинается такт сжатия топливно-воздушной смеси. Давление смеси вместе с движением ротора постепенно нарастает и достигает своего пика в момент прохождения зоны свечей зажигания. В момент воспламенения начинается такт рабочего хода ротора.

В связи с особой формой камеры сгорания, вытянутой вдоль стенки корпуса, целесообразно использовать две свечи зажигания. Использование двух свечей позволяет быстро и равномерно произвести поджиг топливно-воздушной смеси, что гарантирует быстрое, плавное и равномерное распространение фронта пламени.

Две свечи может иметь и обычный поршневой мотор, например некоторые спортивные двигатели, но в РПД использование двух свечей зажигания просто необходимо.

Образовавшееся давление газов поворачивает ротор на эксцентрике вала, что в свою очередь приводит к возникновению крутящего момента на выходном валу. При приближении к выпускному каналу вершины ротора давление в камере сгорания плавно снижается. Вращаясь по инерции, вершина ротора достигает выпускного канала,  начинается такт выпуска. Выхлопные газы устремляются в выпускной канал, и как только вершина ротора достигает впускного канала, снова начинается такт впуска.

Система питания и смазка

Роторный мотор не имеет принципиальных отличий от классического ДВС в системах зажигания, топливоподачи и охлаждения. Однако система смазки имеет свои особенности. Для смазывания движущихся частей масло подается прямо в камеру сгорания через специальное отверстие, поэтому сгорает вместе с топливно-воздушной смесью как в двухтактном двигателе.
Как и любая техническая конструкция, роторный мотор обладает своими преимуществами и недостатками.

 Достоинствами роторно-поршневого двигателя

Обладая малым весом и габаритами, роторный мотор имеет больше возможностей для достижения правильной развески и улучшения управляемости, а так же делает автомобиль более просторным в салоне;

более высокая удельная мощность по сравнению с классическими моторами;

более ровная и широкая полка крутящего момента;

отсутствие кривошипно-шатунного механизма, клапанов, пружин, газораспределительного механизма, а вместе с ним и распредвалов, ремня грм или цепи;

хорошая сбалансированность и плавность работы РПД, которую можно сравнить с работой рядной «шестерки»;

меньшая склонность к детонации;

отсутствие кривошипно-шатунного механизма, а вследствие этого отсутствие необходимости преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращение коленчатого вала, делает РПД более оборотистым нежели обычный мотор;

Недостатки

Необходимость применения эксцентрикового механизма для соединения ротора и вала увеличивает давление между трущимися деталями, что вместе с высокой температурой повышает износ двигателя. Именно поэтому выдвигаются повышенные требованию к качеству масла и периодичности его смены;

быстрый износ уплотнителей ротора вследствие малой площади пятна контакта и высокому перепаду давлений. Таким образом, роторный мотор быстро теряет свой КПД, экологические показатели ухудшаются;

линзовидная форма камеры сгорания гораздо хуже отдает тепло, нежели сферическая камера сгорания, что обуславливает склонность к перегреву;

низкие показатели экономичности на малых и средних оборотах, по сравнению с обычным двигателем внутреннего сгорания;

роторный мотор имеет очень высокие требования к обработке деталей и квалификации персонала при производстве данного типа двигателя;

необходимость добавления масла во время рабочих тактов РПД обуславливает плохие экологические характеристики;

Современные реалии

В настоящее время наибольших успехов в производстве роторных двигателей добились инженеры корпорации Mazda. Последняя генерация их двигателя Ванкеля, под названием «Renesis», совершила настоящий прорыв. Им удалось не только решить главные проблемы данного типа ДВС, такие как повышенный расход топлива и токсичность, но и снизить потребление масла на 50%, тем самым доведя экологические показатели до норм Euro 4. Новое поколение РПД Mazda могут использовать в качестве топлива как бензин, так и водород, что делает этот мотор интересными и перспективными для использования в будущем.

Поделиться «Роторный двигатель: принцип работы с видео, устройство»

Роторный двигатель | Мото-мануалы и инструкции

Феликс Ванкель

Биография Феликс Ванкель

Феликс Генрих Ванкель (13 августа 1902 года, Лар, Германия — 9 октября 1988 года, Хайдельберг, Германия). Один из авторов идеи роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания, создатель конструкции РПД, производящегося серийно в настоящее время. В наши дни модернизированными «двигателями Ванкеля» оснащаются легковые автомобили Mazda RX-8.

Ранние годы
Феликс Ванкель появился на свет 13 августа 1902 года в немецком городе Лар, земля Баден-Вюртемберг, Германия. Его родителями были Рудольф Ванкель, служащий, и Герти Ванкель, в девичестве Хайдлауфф, домохозяйка.
Феликс рос болезненным, слабым ребенком. Он был почти слеп, страдая сильной близорукостью. Поэтому получил преимущественно домашнее образование. Гимназию он посещал нерегулярно, даже эпизодически. Мальчику трудно было читать и писать.
В 1914 году Рудольф Ванкель был призван в германскую армию и погиб в первый же год войны. Мать Феликса осталась одна с больным ребенком и почти без средств к существованию. В 1915 году она переехала ближе к родственникам в соседний Хайдельберг.
В 1921 году Феликс сдал выпускные экзамены в хайдельбергской гимназии, но поступить в университет не смог. После долгих поисков работы юноше, не имевшему никакой профессии (из-за крайне слабого зрения его не приняли ни в одно училище, дающее рабочую специальность), удалось устроиться в книжное издательство мелким служащим. На протяжение последующих трех лет Феликс Ванкель занимался самообразованием, изучая технические учебники, и копил средства на открытие собственного дела. В 1924 году он уволился из издательства и открыл маленькую автомастерскую, которая стала не столько ремонтным предприятием, сколько частным конструкторским бюро.

Политические взгляды
Этому скромному, тихому, совершенно не воинственному человеку, Феликсу Ванкелю, дважды в жизни довелось побывать в тюрьме. В 1921 году (по другим сведениям, в 1924 году) Ванкель вступил в ряды НСДАП, поверив в идею крайнего национализма. В условиях послевоенного кризиса, когда немцы, проигравшие войну, чувствовали себя униженными и нищими, подобные настроения молодого инженера-самоучки легко понять. Однако, Ванкель был трезвым человеком. И в 1933 году, когда фашисты пришли к власти, он демонстративно покинул ряды партии. И это не прошло для него даром — в том же 1933 году Ванкель, как враг правящего режима, полгода провел в немецкой тюрьме. Но, поскольку он не совершал никаких преступлений, был отпущен на волю. Второй раз Ванкель попал в тюрьму после войны — как человек активно сотрудничавший с нацистским режимом.
С 1936 года Феликс Ванкель работал по заказу компании BMW над разработкой опытных авиадвигателей для Люфтваффе. В 1945 году лаборатория в Линдау, в которой он трудился, была уничтожена американской авиацией. После войны Ванкель был осужден и посажен в тюрьму на два года.
В послевоенные годы Феликс Ванкель избегал какой-либо политической деятельности.

Становление
В том же злосчастном для Ванкеля 1933 году в его жизни произошли важные перемены. Начав в 1924 году разработку роторно-поршневого двигателя, Феликс, выйдя на свободу из тюрьмы, подал заявку на патент. Свой двигатель он назвал «машиной с вращающимися поршнями». Рассмотрение патентной заявки заняло три года. Вместе с патентом в 1936 году Ванкель получил приглашение от компании BMW перебраться в Баварию, в город Линдау, чтобы заняться разработкой золотников и уплотнений для авиационных моторов уже в условиях хорошо оснащенной лаборатории.
Это предложение совпало с женитьбой Ванкеля на Эмме Кирн. В 1936 году супруги переехали в Баварию, забрав с собой все оборудование мастерской. За Ванкелем последовали и немногочисленные сотрудники его компании. Любопытно, что работая по заказу крупного концерна, предприятие Ванкеля, тем не менее, сохраняло независимость.
В 30-е годы Ванкель отошел от разработки РПД, сосредоточившись на авиационных моторах. Но уже к началу 40-х годов он вернулся к старым идеям и построил несколько рабочих прототипов роторно-поршневого двигателя. Главная проблема РПД состояла в том, что Ванкель никак не мог отыскать оптимальную форму ротора и внутренней полости мотора. Экспериментируя с эллипсовидными и овальными формами, он не мог добиться нужной степени уплотнения между ротором и камерой сгорания. Успех пришел только в 50-е годы. Но до этого времени Ванкелю пришлось пережить серьезные испытания.
В 1942 году лаборатория Ванкеля в Линдау была распущена, а сам изобретатель был переведен на работу в конструкторское бюро DVL, занимавшееся разработкой моторов для военной авиации и быстроходных катеров. В последние годы войны Ванкель тесно сотрудничал со специалистами японской компании Hitachi, благодаря чему в Японии было выпущено несколько моделей скоростных истребителей. Судьба довоенных и военных разработок Ванкеля неизвестна. По версии самого изобретателя, вся документация и опытные образцы погибли во время налета на Линдау американской авиации. По другой версии, все оборудование лаборатории Ванкеля было вывезено во Францию по репарациям.

После войны
Выйдя на свободу в 1947 году Феликс Ванкель несколько лет в буквальном смысле бедствовал. Жить приходилось мелкими частными заказами и ремонтом автомобилей. Большую поддержку Ванкелю оказала супруга Эмма. Этот брак, несмотря на бездетность, оказался счастливым.
В 1951 году усилия Ванкеля были вознаграждены. Помощь оказала компания «Гётце», которая выделила средства на воссоздание частной лаборатории в Линдау. В том же году Феликс Ванкель возобновил разработку РПД.
Главным заказчиком Ванкеля стала немецкая компания NSU , выпускавшая мотоциклы и автомобили. Заинтересовавшись идеей РПД, NSU заказала Ванкелю мотор для легкого мотоцикла.

С Вальтером Фройде
Подлинным разработчиком «двигателя Ванкеля» стал вовсе не Феликс Ванкель, а вдохновленный его идеями конструктор компании NSU Вальтер Фройде. Именно он в 1957 году нашел оптимальное сочетание формы ротора и камеры сгорания. Однако, в истории осталось имя Ванкеля — как наиболее последовательного разработчика РПД. Хотя в пятидесятые годы Ванкель работал над другим двигателем, который так и не был запущен в серийное производство.
Толчком к изменению конструкции РПД стали испытания очередного варианта двигателя. Опытный образец мотора для легкого мотоцикла имел рабочий объем всего 50 см3 и выдавал мощность в 14 л.с. Установленный на раму спортивного мотоцикла этот двигатель принес команде NSU мировой рекорд скорости — 193 км/ч.
Однако двигатель оказался ненадежен и капризен. Ванкелю стоило немалых усилий уговорить руководство NSU продолжить финансирование разработок. Тогда-то в команде Ванкеля и появился Вальтер Фройде.
1 февраля 1957 года новый роторно-поршневой двигатель Ванкеля-Фройде был установлен на стенде. В бак была залита смесь метанола и касторового масла. Одна попытка завести мотор. Вторая… Двигатель завелся с третьей попытки. И проработал более 100 часов. Год спустя в свет вышел спортивный автомобиль NSU Spider, оснащенный доработанным двигателем Ванкеля-Фройде. Так началась эпоха РПД.

Успех
В 1960 году финансовое положение Ванкеля настолько упрочилось, что он перестроил лабораторию в Линдау, превратив ее в исследовательский центр. Набрав штат инженеров, он сосредоточился на доработке двигателя Ванкеля-Фройда. При абсолютно разумном подходе к выбору формы ротора и камеры сгорания, соавторам не удалось решить главную проблему РПД — надежного уплотнения ротора, которое препятствовало бы прорыву газов.
Простой в производстве мотор для NSU Spider на практике был недолговечен и неэкономичен — и это при том, что одним из достоинств роторно-поршневого двигателя по идее авторов должна быть именно экономичность. Экспериментируя с легированными сталями, Ванкелю удалось сконструировать достаточно надежный ленточный уплотнитель, работающий не хуже традиционного поршневого кольца. В 1964 году руководству NSU был представлен автомобильный РПД улучшенной конструкции. Он и пошел в серийное производство. Эти двигатели устанавливались на самой удачной модели компании — автомобиле NSU Ro 80.
К 1970 году патент на двигатель Ванкеля приобрели все ведущие автомобильные компании мира. Многие из них взялись за разработку, но до практической реализации дошли лишь считанные единицы.

Первый массовый автомобиль с РПД
Легковой автомобиль бизнес-класса NSU Ro 80 выпускался компанией NSU , а затем компанией Volkswagen , которая в 1969 году купила NSU, с 1967 по 1977 годы. Всего за 10 лет производства было выпущено 37204 экземпляра этой модели. Ro 80 стал первой успешной массовой моделью, в которой применялся РПД.
В NSU Ro 80 были применены и другие революционные для своего времени решения. В этом автомобиле впервые появились блок-фары, полуавтоматическая КП с гидротрансформатором, кузов машины имел небывало низкое аэродинамическое сопротивление. И все же необыкновенный автомобиль был достаточно быстро забыт, и виной тому стала ненадежность мотора. Из-за быстрого износа уплотнений ротора двигатель требовал капитального ремонта каждые 50 тысяч км. Зачастую в ремонтных центрах изношенный РПД на этих автомобилях заменяли поршневым фордовским двигателем V4 «Essex». До нашего времени дожили именно такие, «переделанные» экземпляры.

Последние годы жизни
После того, как в 1969 году компания NSU перешла под контроль концерна Volkswagen, Феликс Ванкель продолжил работу в своем центре в Линдау над совершенствованием РПД по заказам японской компании Toyo Kogyo, позднее сменившей имя на Mazda, и советской компании «ВАЗ». В результате Mazda выпускает двигатели Ванкеля серийно, устанавливая их на суперкары серии RX. А «ВАЗ» ограничился мелкосерийным производством легковых автомобилей для силовых структур СССР, а потом и России. С 1998 года разработкой и производством РПД занимается только Mazda.
Феликс Ванкель работал над конструкцией роторно-поршневого двигателя до самой смерти. Он умер 9 октября 1988 года в Хайдельберге в возрасте 86 лет. Всю жизнь он был женат на одной женщине — Эмме Кирн. Детей у них не было.
Как это ни странно, но Феликс Ванкель никогда в жизни не садился за руль автомобиля. У него было очень слабое зрение. По этой же причине он старался не проводить математических расчетов, полагаясь на интуицию.

Устройство Роторно-поршневого двигателя

Роторно-поршневой двигатель

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

Принцип работы

Принцип работы

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

1 — впускное окно; 2 выпускное окно; 3 — корпус; 4 — камера сгорания; 5 – неподвижная шестерня; 6 — ротор; 7 – зубчатое колесо; 8 — вал; 9 – свеча зажигания

Достоинства РПД

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

Недостатки РПД

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

Практическое применение в автопромышленности

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

Практическое применение в мотопромышленности

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

Мотоциклы с Роторным двигателем. Перейти

Любопытные факты

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

[kkstarratings]

Статью прочитали: 414

Устройство автомобиля. Роторно-поршневой двигатель. Конец истории?

Автомобили с роторно-поршневыми двигателями впору заносить в Красную книгу: в 2011 году закончился выпуск последней в этом ряду модели Mazda RX-8. А ведь полвека назад за подобными моторами видели будущее – большая литровая мощность, высокие обороты, компактные размеры… Что же пошло не так?

Заглянув под капот роторного автомобиля впервые, недоумеваешь: а мотор-то где? Сквозь дебри навесных агрегатов виднеется лишь непонятный цилиндр. По своей конструкции роторно-поршневой двигатель (РПД) и вправду кардинально отличается от привычных нам поршневых моторов, хотя в обоих случаях осуществляется один и тот же четырехтактный цикл – впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Разница лишь в том, что у роторного двигателя нет ни поршней с шатунами, ни системы газораспределения. Вместо них – треугольный ротор, совершающий сложное планетарное движение.

Плюсы и минусы

Вращаясь одновременно вокруг собственной оси и вокруг центральной шестерни, ротор своими вершинами описывает хитрую поверхность корпуса, образуя три отдельные камеры сгорания. Объем каждой из них, ограниченный корпусом и гранью ротора, за один оборот меняется от максимального к минимальному четыре раза, позволяя реализовать четырехтактный цикл. Функции же газораспределения осуществляются путем перекрывания впускных и выпускных окон самим ротором – подобно двухтактным поршневым моторам. И никаких распредвалов, клапанов и цепей! Отсюда и поразительная компактность роторных агрегатов: при сопоставимой мощности они оказываются примерно вдвое короче и настолько же легче поршневых, упрощая задачу компоновки автомобиля.

Не доставляют проблем и вибрации – единственная центробежная сила уравновешивается двумя противовесами на валу. Вспышки, правда, происходят не часто: поскольку выходной вал вращается в три раза быстрее ротора, то одному обороту вала соответствует одна вспышка или один рабочий ход, что эквивалентно двухцилиндровому поршневому двигателю. Но двухсекционные РПД, то есть фактически сдвоенные моторы, работающие на общий вал, имеют уже две вспышки на оборот, как четырехцилиндровый двигатель. При этом пульсации крутящего момента оказываются даже меньше, поскольку рабочий ход у РПД длится в течение 270° поворота вала против 180° у поршневого. В результате по плавности работы двухсекционный мотор близок к рядной «шестерке».

А вот с мощностью все уже не так однозначно. Конструкция РПД позволяет добиться отличного наполнения камер сгорания: на торцевой или боковой поверхности можно разместить сразу несколько впускных окон, снижая общее сопротивление впускного тракта – в моторе Mazda RX-8 таких окон аж пять штук на секцию! Причем открываются они очень быстро, что способствует проявлению эффекта динамического напора, дополнительно улучшающего наполнение на определенных оборотах.

Две стороны медали

Роторные двигатели часто нахваливают за хорошую за оборотистость – та же Mazda RX-8 способна загонять стрелку тахометра к 9000 об/мин. Однако мало кто вспоминает, что с такой скоростью вращается лишь выходной вал, а сам ротор крутится в три раза медленнее – всего 3000 об/мин. В поршневом же двигателе на каждый оборот коленвала приходится движение поршней вверх-вниз, а потому даже привычные 6000–7000 об/мин оказываются гораздо большим достижением, нежели 9000 об/мин роторного мотора.

Однако сам процесс сгорания протекает крайне плохо. Сильно вытянутая серповидная камера обладает значительными потерями тепла и не обеспечивает полного сгорания топлива по краям. Частично улучшить воспламенение помогает установка двух свечей зажигания, но за это приходится расплачиваться повышенным прорывом газов в соседнюю камеру в момент пересечения торцом ротора свечных отверстий. Иными словами, роторный мотор способен втянуть большое количество топливно-воздушной смеси, но эффективно извлечь из нее полезную энергию не может.

Одни головоломки

Получается, что за счет отличного наполнения РПД оказывается все-таки сопоставим по литровой мощности с поршневым мотором, одновременно сильно уступая ему в экономичности. Тем не менее в равенство литровой мощности поначалу трудно поверить. Какой поршневой агрегат сравнится c ротором Mazda RX-8, выдающим 230 л.с. с двух секций общим объемом 1,3 л.? Это же 176 «лошадей» с литра!

Так-то оно так, но нужно помнить, что за один оборот вала роторный двигатель отрабатывает весь рабочий объем, а поршневой – только половину, причем и тот и другой способны выдать за этот оборот полную мощность. Таким образом, при сравнении удельной мощности объем поршневого двигателя справедливо делить на два. Возьмем, например, Nissan 350Z – одного из конкурентов RX-8. Его 300-сильный V6 имеет объем 3,5 л, то есть 1,75 л на одном обороте и 171 «лошадку» с литра. Практически как у RX-8! При этом, несмотря на 30-процентное преимущество в мощности и чуть более тяжелый кузов, он расходует столько же топлива в смешанном цикле, сколько и RX-8.

Пытаясь как-то снизить расход топлива в роторе, инженеры пробовали применить непосредственный впрыск, но неудачная форма камеры сгорания мешала организовать вихревое смесеобразование, лишая возможности работы на обедненной смеси. Задумывались и о дизельном топливе, но успеха это направление тоже не принесло: слишком велики нагрузки на ротор, да и уплотнение рабочих камер организовать труднее, ведь степень сжатия должна быть почти в два раза больше.

А уплотнения и без того, отдельная головная боль. Если в поршневом двигателе кольца всегда находятся под одним и тем же углом к поверхности трения, то в роторном рабочий угол радиальных пластин постоянно меняется. Меняется и усилие их прижима к поверхности корпуса – оно определяется центробежной силой, а потому сильно зависит от оборотов. А как организовать их смазку? Только впрыскиванием масла в рабочую камеру подобно двухтактным поршневым моторам. Но это влечет значительный расход масла на угар (около 1 л на 1000 км) и повышает риск закоксовывания уплотнений. Достаточно сказать, что именно из-за того, что оказалось невозможно хорошо герметизировать рабочие камеры, было отброшено множество других более замысловатых роторных конструкций, обладавших рядом преимуществ. В привычном же нам РПД задачу удалось до некоторой степени решить, хотя уплотнения все же остаются слабым местом мотора.

Автора!

Создателем известного нам РПД принято считать Феликса Ванкеля, однако сам он предлагал несколько иную конструкцию: в его двигателе ротор и корпус вращались вокруг неподвижного вала. Такая схема упрощала работу уплотнительных соединений камер сгорания и не требовала противовесов для уравновешивания, хотя при этом возникали огромные проблемы с подводом впускных и выпускных каналов, а также с передачей напряжения на вращающие свечи. Поэтому в серию пошел РПД, предложенный Вальтером Фройде, в то время как Ванкель сосредоточился на исследованиях механических уплотнений.

Проблемы доставляет и очень неравномерный нагрев корпуса. Это в поршневом двигателе вспышки чередуются по цилиндрам, а после рабочего хода камера охлаждается на такте впуска. В роторном же вспышки происходят только в одной части двигателя, причем происходят постоянно, в то время как противоположная часть непрерывно охлаждается всасываемым воздухом. Такой перепад температур деформирует картер двигателя, заставляя еще на этапе проектирования учитывать это отклонение формы в процессе прогрева. Разумеется, все это не способствует лучшей работе уплотнительных соединений и долговечности материалов. В итоге преимущества конструктивной простоты РПД нивелируются его малым ресурсом – пробег до капремонта редко превышает 100 тыс. км.

Окончательным же приговором роторным двигателям стала экология. Низкая экономичность означает большие выбросы CO2, а неоптимальный процесс сгорания повышает уровни токсичных соединений, к которым подмешиваются еще и продукты горения масла. И все это на фоне повального стремления к экологической чистоте, на что автопроизводители расходуют огромные средства. В результате даже Mazda, потратившая немало усилий на раскрутку роторной идеологии, была вынуждена от нее отказаться.

Конец истории? Видимо, да. Но окончательно прощаться с роторными моторами все же рано: пускай им уже и не занять основное место под капотом, они вполне могут быть востребованы в качестве резервного генератора для подзарядки батарей электромобиля. Впрочем, все ДВС со временем ожидает та же участь. 

Автор

Олег Карелов, эксперт по подбору автомобилей AutoTechnic.su

Издание

Автопанорама №4 2015

В поисках лучшей схемы-вечный тюнинг идеи | Роторные двигатели

НА ДАННОЙ СТРАНИЧКЕ Я ВЫКЛАДЫВАЮ МАТЕРИАЛЫ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЧАСТИ МОИХ ПОСЛЕДНИХ РАЗРАБОТОК — ВТОРАЯ ПОЛОВИНА 2011г. это Схема «А», Схема «В» и Схема «С»

ТЮНИНГ ИДЕИ КАК ВЫСШАЯ ФОРМА ПОИСКА СОВЕРШЕННОЙ СХЕМЫ

Много лет прошло с тех пор, когда мне, тогда еще подростку, в 1973 году попался номер журнала «Техника-молодежи» с описанием роторного двигателя Ванкеля. Я за эти десятилетия то возвращался к идее роторного двигателя, то надолго оставлял ее. Надо было как-то жить, зарабатывать деньги,обеспечивать семью, особенно в смутное и непростое время 90-х, когда производство и новая техника были вообще никому не нужны… Какое там техническое творчество… Но более 10 лет назад я как-то все плотнее взялся за старые идеи уже не смог надолго отрываться от этих образов… Образов совершенного роторного двигателя. Помните, как у философа Платона 2300 лет назад сформулирован постулат: миры образов — эйдосов, миры первоидей стоят в начале всего на этом свете…
Со временем — когда я создал классификацию роторных двигателей и перерыл многие сотни патентов СССР, США, Англии и пр. по роторным двигателям, начиная с первого патента 1859 года, я укрепился в понимании, что наиболее перспективной является схема «типа Тверской». Но эта схема работала хорошо 140 лет назад в варианте паровой расширительной машины, а идея и технологические циклы ДВС со сжатием- значительно сложнее. И вот я принялся создавать схемы и воплощать их в действующие модели и макеты. Итог этих более чем 5-ти лет постоянного экспериментирования и теоретизирования таков: накоплен немалый и весьма содержательный опыт, который позволяет определить пути дальнейшего поиска оптимальной схемы и выбрать наиболее интересные решения в этом направлении.

На этой страничке я буду вести рассуждения и выкладывать материалы о развитии идей совершенного роторного двигателя, т.е. о «тюнинге самой концепции» этой идеи, а вот о конкретных возможностях тюнинга двигателя — смотрите на соответствующей страничке этого сайта ТЮНИНГ ДВИГАТЕЛЯ

НА ЭТОЙ СТРАНИЧКЕ САЙТА Я КОРОТКО ИЗЛОЖУ РЕЗУЛЬТАТЫ СВОИХ ОПЫТОВ И ОПРЕДЕЛЮ ПУТИ РАЗВИТИЯ НАИБОЛЕЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ СХЕМ.

 

Итак, первой была схема наиболее близкая к компоновке паровой машины Н.Н. Тверского.
Именно ее я создал и испытал в 3-х вариантах опытных моделей. Одна из них- последняя как-то даже дым пускала и иногда пыталась тарахтеть.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Но по итогам работы над этой схемой и такими моделями я пришел к выводу, что в малых размерах такая схема практически не работоспособна. Для создания гармоничной схемы надо делить кольцевое рабочее пространство на 4 сегмента, из которых будет формироваться 2 технологических сектора с полным набором из 5-ти технологических тактов. Но, учитывая мертвые зоны кольцевого рабочего пространства, на протяжении которых лопасти будут проходить в проемах запорных барабанов, длина дуг рабочего хода сегментов «впуска-сжатия» и «расширения-выпуска» оказывалась незначительной. Т.е. невозможно было достичь заметных степеней сжатия и расширения. В рамках этой схемы можно было идти двумя путями- либо заметно уменьшать объемы камеры сгорания и высоту лопасти, чтобы при малом объеме камер сгорания сделать заметными степени сжатия и расширения. Либо резко увеличивать диаметр поверхности ротора- чтобы при заметном объеме камер сгорания дать значительные степени «сжатия- расширения» и длину рабочего хода. Но тогда бы надо было делать диаметр корпуса более 600 мм., что сразу приводило к сложности изготовления и значительным габаритам двигателя. Что мне никак не подходило.
Т.е. тут прорисовывалась ситуация как с газовыми турбинами- при всех своих плюсах и значительной привлекательности, они после уменьшения размеров до определенного параметра, они начинают резко терять свои возможности и показатель их удельной мощности в малых массо-габаритных размерах резко снижается. При сохранении высокой прожерливости.
И я решил отказаться от этой компоновочной схемы.

 

Сразу оговорюсь, понимая скромность своих сил и трудность выхода на глобальный рынок с новой продукцией, я сразу нацелен со своими разработками на рыночных сегмент 2-х тактных двигателей. Т.е. малоразмерных моторов малого веса, которые сегодня имееют малый ресурс (около 500 моточасов), большой расход топлива и грязный выхлоп. Этот рынок давно жаждет появления новой продукции и с радостью будет восприниать ее, так как существующая продукция имеет высокую цену и очень низкие эксплуатационные характеристики. А пытаться «воевать» на рынке 4-х тактных автомобильных моторов, которые имеют очень солидные моторесурсы и сравнительно приемлемую экономичность- дело крайне трудное. Итак — мой шанс создать маленький и мощный мотор с хорошим моторесурсом, на замену 2-тактных двигателей для мотороллеров, мотоциклов, мотоблоков, квадроциклов, подвесных лодочных моторов, всяких бензопил и пр. Т.е. мотор мой должен изначально проектироваться малым и легким.

А указанная выше схема могла быть хорошо рабочей только в большом диаметре ротора и корпуса. И это меня не устраивало.

После осмысления полученных на испытаниях результатов и их анализа я устроил мозговой штурм и сумел найти выход на новые решения. В итоге на сегодняшния день — октябрь 2011 г. я имею три очень разных схемы. Каждая из этих схем является хорошим, но весьма необычным выходом на новые вариации схемы «типа Тверской». Каждя из них имеет преимущества на для определенных габаритов.
На все эти схемы уже поданы патентные заявки на изобретения.
Я начинаю выкладывать новые схемы с самой большой и «громоздкой», а закончу- с самой маленькой и «компактной».

СХЕМА «А»

 

 

 

 

 

 

 

 

В данных эскизах несколько нарушены пропорции элементов мотора — поэтому прошу не придираться к недостаткам кажущегося нарушения этапов и геометрии схем газораспределения. . Выражаю благодарность одному из постоянных посетителей этого сайта Вячеславу Воронину — ник telekast, за помощь в создании GIF анимации.

В данной схеме очень легко делать различными соотношения рабочих объёмов компрессорной секции и роторной секции. Т.е. легко можно делать степени сжатия и расширения в любых соотношениях меж ними. Например: делать степень расширения больше на 30-50%, чем степень сжатия, и тем самым попытаться заметно поднять КПД. Это достигается изменением «толщины» роторов и корпусов роторной и компрессорной секций.

&nbsp Данная схема — «Схема №1» или «Схема «А», является самой сложной и самой «габаритной» из всех новых схем. Например — в ней 12 шестерен. Для не сильно разобравшихся в схеме персон поясняю — ни одна шестерня не передает основную мощность, все они «крутят» вспомогательные элементы с небольшими усилиями. Но вот самая маленькая компоновка — схема «С», будет иметь всего 3 шестерни.
&nbsp Зато схема схема «А» обещает быть самой мощной, так как при габаритах корпуса: D 620 мм.х 160 мм. она имеет плечо крутящего момента 125 мм. и дает 9 рабочих тактов за оборот вала. Я прикинул теоретический крутящий момент, но не хочу его тут обозначать, ибо получается что-то невероятное.
&nbsp Для сравнения — наиболее распространенный двигатель грузовика КаМАЗа при 8 цилиндрах имеет плечо крутящего момента 60 мм, при 2-х рабочих тактах за один оборот главного вала двигателя. При габаритах 1103х908х965, весе в 850-900 кг. и мощности в 240-260 л.с.

НЕСКОЛЬКО ПОЗЖЕ ВЫЛОЖУ НА ЭТОЙ СТРАНИЧКЕ САЙТА ИНФОРМАЦИЮ ПО ДРУГИМ КОМПОНОВОЧНЫМ СХЕМАМ
РАЗВИТИЯ ЭТОГО НАПРАВЛЕНИЯ РОТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЙ — СХЕМАМ «В» и «С».
ВЫКЛАДЫВАЮ СХЕМУ «В»Работаю на ноутбуке- поэтому качество не самое хорошее. 2 недели сижу в Москве, вдали от большого своего компа со всей основной информацией, посему- извиняйте за не самое лучшее качество.

 

 

Конструкция получилась «вывернутой наизнанку» — с центральным запорным барабаном(2) и вынесенными на его перефирию секторами «впуска- сжатия» и «расширения -выпуска». Между секторами размещены камеры сгорания (5). (3) — это роторы сеторов «впуска- сжатия», а (4) — это роторы силовых секторов, секторов «расширения-выпуска». Газораспределением — впуском и выпуском рабочих газов в и из камер сгорания будут управлять вращающиеся золотниковые клапана. Они на схемах пока не указаны- расположены на пересечении газоводов, рядом с Камерами Сгорания.
Особенность схемы — мощность с двух роторов силовых секторов передается через шестерни на главный вал. Вижу возражения- мощность передается через шестерни, это плохо, шестерни не выдержат нагрузок. Но — двигатель должен вращать роторы силовых секторов достаточно плавно, при этом крутящий момент будут передавать сразу две шестерни, симметрично относительно оси главного вала разнесенные по сторонам. Зато на главный вал сразу будет передаваться в два раза уменьшенные обороты, с увеличенным вдвое усилием крутящего момента. Полагаю, что для двигателей небольшой мощности в 60 — 80 КВт такая схема вполне будет дееспособной.
В этой схеме удается достигнуть значительной схемы компактности конструкции, так как при тех же габаритах корпуса ходы роторов в таким образом устроенных рабочих секторах оказываются заметно длиннее. Далее- в такой компоновке каналы газообмена между Камерой Сгорания и секторами «сжатия» и «расширения» можно сделать предельно короткими. А это важный элемент эффективности и вообще работоспособости двигателя.
Создаваемая сейчас модель имеет максим габарит корпса 420 мм, плечо крутящего момента 56 мм (у ЗИЛ-130 плечо крут момента 47 мм). Содержит 8 шестерен, для привода всех элементов- запорных барабанов и золотниковых клапанов.
В прорисованной компоновке данный двигатель будет давать 4 рабочих хода за один оборот главного вала.
Размышления по поводу системы охлаждения и КПД схемы читайте в моих постах на Форуме сайта ОХЛАЖДЕНИЕ

8 декабря 11 г. — НАЧИНАЮ ВЫКЛАДЫВАТЬ МАТЕРИАЛЫ ПО СХЕМЕ «С»
Это (3-я по счету из последних разработанных мною конструкций) самая малая и компактная из всех разработанных мною схем. Обошелся без длинных газоводов на роторе и обособленных золотниковых клапанов. Для этого пришлось делать камеры сгорания в роторах рабочих секций. Т.е. камеры сгорания вращаются с вращением роторов. В двигателе этой компоновки содержится две рабочих роторных секции (две силовых машины), а между ними — по центру- расположена компрессорная секция. В моторе такой компоновки всего три шестерни.Двигатель дает 8 рабочих тактов за один оборот главного вала.
Максимальный габарит корпуса создаваемой сейчас модели будет 150 мм — т.е. модель делается весьма миниатюрной. При таком малом габарите двигателя плечо крутящего момента составляет — 40 мм, т.е. несколько больше чем у большинства моторов современных легковых машин, мощность которых составляет 100- 120 л.с.. Корпус двигателя сейчас делается из дюрали Д16Т, поэтому двигатель обещает быть очень легким.
В схему работы двигателя встроен паровой цикл, т.е. теоретически на выхлоп будут идти газы с температурой не более 200 градусов (у современных поршневых ДВС — 800-1000 град.). Т.е. таким «охлаждением изнутри» решается сразу две задачи — резкое увеличение КПД и исчезновение необходимости в специальной и громоздкой системе охлаждения.

 

 

В данной конструкции легко делать разными по объему сегменты сжатия и сегменты расширения. На выложенном ниже эскизе — схеме показано, что центральная секция (секция сжатия) меньше по толщине и по диаметру. За счет этого объем сегмента сжатия, меньше чем сегмент расширения. Т.е. степень сжатия меньше, чем степень расширения.

 

 

25 декабря 11г. Надо сказать, что схема «С» имеет несколько разных решений в плане своей компоновки. Т.е. это принципиальное объемное решение по типу размещения и взаимоотношения разных секций двигателя имеет несколько различных вариантов применения различных второстепенных элементов и систем двигателя. Вверху на чертеже представлено одно из таких решений. При этом различные варианты схемы «С» могут давать достаточно разные уровни решения главных задач- соотношения степени сжатия к степени расширения, разные типы встраивания в двигатель «паровой фазы», разные варианты размещения каналов газообмена и пр. На данный момент я экспериментирую с одним из таких вариантов, но уже готовятся рабочие чертежи для изготовления очередного компоновочного решения схемы «С».
13 января 12г.
Двигатель схемы «С» изготовлен. Начинаю собирать мотор — фотографии некоторых деталей ЗДЕСЬ.
05.07.13г.
Давно не обновлял этот раздел, хотя материала накопилось много. Это время активно занимался совершенствованием схемы компоновки «С», считая её самой эффективной и перспективной. Она оказалась возможной к многим вариациям. Подано несколько патентных заявок на изобретения на эти схемы. Выкладываю ГИФ анимацию киниматической схемы одной из таких компоновок. Эта анимация визуализирует только часть конструктивных (но основные -показаны) элементов для осуществления рабочих процессов двигателя. Делать элементы в движении со всеми их деталями- получится весьма громоздко и трудно воспринимаемо…

 

 

 

16.07.13г. Что-то ГИФ анимация туго работает, в смысле — тормозит работу сервера. Вынужден на её место поставить статичную картинки- всего один кадр из анимации. Не так наглядно, но — зато сайт лучше теперь работает.

Роторно-лопастной двигатель Вигриянова — Википедия

Роторно-лопастной двигатель

Статья или раздел содержит противоречия и не может быть понята однозначно. Следует разрешить эти противоречия, используя более точные авторитетные источники или корректнее их цитируя. На странице обсуждения должны быть подробности.

Роторно-лопастной двигатель Иванова (Вигриянова) — роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания. Особенность двигателя — применение вращающегося сложносоставного ротора, размещённого внутри цилиндра и состоящего из четырёх лопастей.

Роторно-лопастная схема двигателя была предложена ещё в 1910 году. Предлагалось только придумать к ней механизм, позволяющий двигаться лопастям по определённой закономерности. В шестидесятых годах прошлого века немецкая фирма Клёкнер-Хумбольд-Дойц (нем. Klöckner-Humboldt-Deutz) провела исследование этого двигателя с механизмом Кауэрца (нем. Eugen Kauertz). Результаты были отрицательными. Одним из отрицательных факторов была работа самого механизма преобразования движения лопастей.

В 1973 году была разработана идея нового механизма преобразования движения лопастей. Идея пришла одновременно О. М. Иванову (Томск) и группе людей из Бердска (Новосибирская область) независимо друг от друга. М. С. Вигриянов к этому не имел ни малейшего отношения.^{[источник не указан 3312 дней][нейтральность?]} Информацию о возможности изготовления роторно-лопастного двигателя он получил лишь в 1978 году, когда Иванов по приезде в Бердск изготовил первый макет этого двигателя.

Бердская группа не стала дальше работать над двигателем по причине внутренних разногласий. Иванов же создал группу из трёх человек: О. М. Иванов — автор идеи, М. С. Вигриянов — инженер-патентовед, В. А. Перемитин — слесарь.

На бердском опытно-механическом заводе (БОМЗ) был изготовлен рабочий образец, который не удалось запустить по простейшим причинам, которые стали понятны позже. За время работы с образцом стали видны некоторые недостатки этого механизма. Иванов предложил новый механизм преобразования движения, который можно было легко изготовить на доступном оборудовании. Двигатель с этим механизмом был изготовлен в Институте теплофизики СО РАН. Из бракованных деталей был собран макет, демонстрируемый Вигрияновым на фотографиях.^{[источник не указан 3312 дней]}

Разработкой интересовались в России и за рубежом: немцы, американцы, бразильцы. Предполагалось просто проверить на работоспособность данную схему, и если бы мотор проработал всего лишь пять минут, авторов схемы это вполне удовлетворило бы. Испытания показали, что в принципе мотор работоспособен, но требует больших доработок. Иванов предложил применить пластинчатые уплотнения вместо канальных в версии Вигриянова и выполнить их из графита. Нерешённой осталась схема уплотнений и смазки торцов валов.

Больше этот двигатель не изготавливался. Директор Института теплофизики СО РАН академик Владимир Накоряков создал акционерное общество для производства данного двигателя.^{[источник не указан 3312 дней]} Интересы Иванова в данном деле не присутствовали. Без автора мотор дальше дорабатывать было некому. Авторство Вигриянова в некоторой степени ставится под сомнение, так как по сути никаких кардинальных изменений в конструкции двигателя с его стороны не было,^{[нейтральность?]} тем более не мог продолжить разработку.

Роторно-лопастной двигатель: цикл работы

На паре соосных валов установлены по две лопасти, разделяющие цилиндр на четыре рабочие камеры. Каждая камера за один оборот совершает четыре рабочих такта (набор рабочей смеси, сжатие, рабочий ход и выброс отработанных газов). Таким образом, в рамках данной конструкции возможно реализовать любой четырёхтактный цикл.

Роторно-лопастной двигатель, который изначально планировалось применять на Ё-мобиле

Преимущества двигателя Иванова (Вигриянова) (роторного двигателя с неравномерным однонаправленным (пульсирующе-вращательным) движением главного рабочего элемента) характерны для любого роторного двигателя:

Недостатки этого типа роторных двигателей связаны с принципом организации рабочих процессов в конструкционной схеме процессов. Схема подразумевает снятие мощности с двух разных валов (каждый соединён со своим «коромыслом» с лопастями), движущихся неравномерно — то затормаживаясь, то ускоряясь, поочередными импульсами (при этом как бы то догоняя, то останавливая друг друга). Снятие мощности с таких «пульсирующих» валов было крайне затруднительно. Требуется также согласование их движения друг относительно друга. Согласование выполняется крайне сложным и громоздким механизмом синхронизации и схемой движения-вращения с двух валов. На фотографии этот механизм виден на задней части корпуса — его диаметр и ширина больше, чем сам диск рабочей камеры, где происходят рабочие циклы. Именно эта неравномерность вращения двух рабочих валов, их неравномерное, пульсирующее движение и определяют все трудности создания работоспособных типов этого подкласса роторных двигателей. В созданных прототипах этих двигателей огромные инерционные нагрузки быстро разрушали применяемые механизмы согласования вращения двух валов и связанных с ними роторных лопастей. По этой причине реально и эффективно работающих моделей этого типа до сих пор не создано.

К недостаткам можно, в частности, отнести высокую тепловую напряженность ротора, особенно его лопастей. Для мощных РЛДВС обязательна эффективная принудительная система охлаждения ротора.

В работе двигатель Иванова (Вигриянова) равнозначен восьмицилиндровому поршневому двигателю, поскольку за один оборот реализует четыре рабочих цикла.

Отношение М. Вигриянова к перспективам развития РЛДВС[править | править код]

Сообщаю заверительно, что тема роторно-лопастной машины объёмного вытеснения мною хорошо изучена, найдены все решения, необходимые и достаточные для реализации РЛДВС, но окончательный вариант конструкции РЛДВС получается слишком усложнённым, и я принимаю решение не продолжать дальше работу над РЛДВС. Правда, есть другая, и, пожалуй, основная причина – нахождение другого варианта двигателя, отличающегося от РЛДВС простотой и вдвое большим КПД.[1].

В 2002 году в СМИ появилась статья^[2] о том, что проблема механизма преобразования попеременного движения лопастей в постоянное движение вала якобы была решена: упоминается, что решение достигнуто с помощью некого «дифференциального механизма». Однако, в приведённой статье какие-либо строгие подтверждения этого факта отсутствуют, но при этом указано, что изготовить двигатель не удалось, по словам автора, из-за отсутствия финансов.