Роторно-поршневой двигатель Ванкеля отличается от традиционных поршневых двигателей конструкцией и принципом работы. В статье рассмотрим устройство и принцип работы роторного двигателя, его историю и эволюцию, включая значимые модели автомобилей, такие как Mazda, и вклад других производителей. Понимание особенностей роторного двигателя поможет оценить его преимущества и недостатки, а также влияние на современный автопром.
История создания
Первым роторным тепловым двигателем считается эолипил, разработанный греческим инженером Героном Александрийским в первом веке нашей эры.
Конструкция эолипила проста: на оси, проходящей через центр симметрии, установлена вращающаяся бронзовая сфера. Водяной пар, служащий рабочим телом, выходит через два сопла, расположенные в центре шара напротив друг друга и перпендикулярно оси крепления.
К роторным двигателям древности также относятся механизмы водяных и ветряных мельниц, использующие силу природы в качестве источника энергии.
Эксперты отмечают, что роторно-поршневой двигатель Ванкеля, разработанный Феликсом Ванкелем в 1950-х годах, представляет собой уникальную альтернативу традиционным поршневым двигателям. Его принцип работы основан на вращающемся роторе, который движется по эллиптической траектории внутри корпуса. Это обеспечивает более компактные размеры и меньший вес, что делает двигатель более эффективным. Исторически, Ванкель столкнулся с множеством трудностей на этапе внедрения, однако его разработки нашли применение в автомобилях, таких как Mazda RX-7. Современные эксперты подчеркивают, что несмотря на свои преимущества, такие как высокая мощность и низкие вибрации, роторно-поршневые двигатели сталкиваются с проблемами, связанными с надежностью и расходом топлива. Тем не менее, интерес к ним сохраняется, особенно в контексте экологически чистых технологий и альтернативных источников энергии.
Классификация роторных двигателей
Рабочая камера роторного ДВС может быть герметично замкнутой или иметь постоянную связь с атмосферой, когда от окружающей среды ее отделяют лопасти роторной крыльчатки. По такому принципу построены газовые турбины.
Среди роторно-поршневых двигателей с замкнутыми камерами сгорания специалисты выделяют несколько групп. Разделение может происходить по: наличию или отсутствию уплотнительных элементов, по режиму работы камеры сгорания (прерывисто-пульсирующий или непрерывный), по типу вращения рабочего органа.
Стоит отметить, что у большинства описываемых конструкций нет действующих образцов и они существуют на бумаге.
Классифицировал их русский инженер И.Ю. Исаев, который сам занят созданием совершенного роторного двигателя. Он произвел анализ патентов России, Америки и других стран, всего более 600.
| Этап развития | Ключевые события и даты | Описание технических изменений и достижений |
|---|---|---|
| Ранние разработки (до 1950-х) | Зарождение идеи роторно-поршневого двигателя (РПД) Феликсом Ванкелем; первые патенты и эксперименты. | Исследование различных конфигураций ротора и статора; поиск оптимальных материалов и способов уплотнения. |
| 1950-е – 1960-е: Первые прототипы и лицензирование | Создание первых работающих прототипов РПД; лицензирование технологии компанией NSU Motorenwerke AG. | Разработка и совершенствование системы зажигания, смазки и охлаждения; появление первых серийных автомобилей с двигателями Ванкеля (NSU Spider, Mazda Cosmo Sport). |
| 1970-е – 1980-е: Расцвет и кризис | Массовое производство автомобилей с РПД (Mazda RX-series); проблемы с надежностью и расходом топлива. | Попытки улучшить топливную экономичность и долговечность двигателей; исследования новых материалов и технологий уплотнения. |
| 1990-е – 2000-е: Поиск новых применений | Снижение интереса к РПД в автомобилестроении; разработка РПД для других применений (генераторы, компрессоры). | Фокус на повышении эффективности и снижении выбросов; исследование применения РПД в авиации и других областях. |
| 2010-е – настоящее время: Возрождение интереса | Новые разработки в области материалов и технологий; появление новых прототипов РПД с улучшенными характеристиками. | Использование новых материалов (керамика, композиты); совершенствование систем управления и контроля; исследование гибридных и электрических систем с РПД. |
Интересные факты
Вот несколько интересных фактов о роторно-поршневом двигателе Ванкеля:
-
Необычная конструкция: В отличие от традиционных поршневых двигателей, роторно-поршневой двигатель Ванкеля использует треугольный ротор, который вращается внутри овального корпуса. Это позволяет значительно уменьшить количество движущихся частей, что делает двигатель более компактным и легким, а также снижает трение и износ.
-
История создания: Двигатель был разработан немецким инженером Феликсом Ванкелем в 1950-х годах. Первый прототип был представлен в 1957 году, и в 1967 году компания Mazda выпустила первый серийный автомобиль с роторно-поршневым двигателем — модель Mazda Cosmo Sport. Этот двигатель стал символом инноваций в автомобильной промышленности.
-
Проблемы с надежностью: Несмотря на свои преимущества, роторно-поршневые двигатели сталкивались с проблемами, такими как высокая степень износа и недостаточная топливная эффективность по сравнению с традиционными двигателями. Эти недостатки привели к снижению популярности технологии, хотя Mazda продолжала развивать и использовать роторные двигатели вплоть до начала 2020-х годов.
Роторный ДВС с возвратно-вращательным движением
В таких двигателях ротор не вращается, а совершает возвратно-дуговые колебания. Лопатки на роторе и статоре неподвижны, и между ними происходят циклы расширения и сжатия.
С пульсирующе-вращательным, однонаправленным движением
В корпусе двигателя расположены два вращающихся ротора, сжатие происходит между их лопастей в моменты сближения, а расширение в момент удаления. Из-за того что вращение лопастей происходит неравномерно, требуется разработка сложного механизма выравнивания.
С уплотнительными заслонками и возвратно-поступательными движениями
Метод, применяемый в пневматических моторах, где вращение обеспечивается сжатым воздухом, не используется в двигателях внутреннего сгорания из-за высокого давления и температуры.
С уплотнителями и возвратно-поступательными движениями корпуса
Схема аналогична предыдущей, только уплотнительные заслонки расположены не на роторе, а на корпусе двигателя. Недостатки те же: невозможность обеспечить достаточную герметичность лопаток корпуса с ротором сохраняя их подвижность.
Двигатели с равномерным движением рабочего и иных элементов
Наиболее перспективные типы роторных двигателей могут достигать высоких оборотов и увеличивать мощность. Однако в настоящее время нет действующих моделей для двигателей внутреннего сгорания.
Читайте также:
С планетарным, вращательным движением рабочего элемента
К последним относится наиболее известная широкой общественности схема роторно-поршневого двигателя инженера Феликса Ванкеля.
Хотя существует огромное количество других конструкций планетарного типа:
- Умплеби (Umpleby)
- Грея и Друммонда (Gray & Dremmond)
- Маршалла (Marshall)
- Спанда (Spand)
- Рено (Renault)
- Томаса (Tomas)
- Веллиндера и Скуга (Wallinder & Skoog)
- Сенсо (Sensand)
- Майлара (Maillard)
- Ферро (Ferro)
История Ванкеля
Жизнь Феликса Генриха Ванкеля была полна трудностей. Оставшись сиротой в раннем возрасте (отец погиб в Первой мировой войне), он столкнулся с финансовыми проблемами, которые не позволили ему получить университетское образование. Сильная близорукость ограничивала возможности освоения рабочих профессий.
Эти обстоятельства подтолкнули Ванкеля к самостоятельному изучению технических наук, и в 1924 году он задумал создать роторный двигатель с вращающейся камерой внутреннего сгорания.
В 1929 году он получил патент на свое изобретение, что стало первым шагом к разработке знаменитого роторно-поршневого двигателя Ванкеля. В 1933 году, оказавшись среди противников Гитлера, он провел полгода в заключении. После освобождения его разработки привлекли внимание компании BMW, которая начала финансировать дальнейшие исследования и предоставила Ванкелю мастерскую в Ландау.
После войны мастерская была передана французам в качестве репарации, а сам изобретатель оказался в тюрьме как пособник нацистского режима. Лишь в 1951 году Ванкель устроился на работу в компанию «NSU» и продолжил свои исследования.
В том же году он начал сотрудничество с главным конструктором «NSU» Вальтером Фройде, который также разрабатывал роторно-поршневой двигатель для гоночных мотоциклов. В 1958 году первый образец двигателя был установлен на испытательном стенде.
Как работает роторный двигатель
Сконструированный Фройде и Ванкелем силовой агрегат, представляет собой ротор, выполненный в форме треугольника Рело. Ротор планетарно вращается вокруг шестерни, закрепленной в центре статора — неподвижной камеры сгорания. Сама камера выполнена в форме эпитрохоиды, которая отдаленно напоминает восьмерку с вытянутым наружу центром, она выполняет роль цилиндра.
-
Читайте также:
Совершая движение внутри камеры сгорания, ротор образует полости переменного объема, в которых происходят такты двигателя: впуск, сжатие, воспламенение и выпуск. Камеры герметично отделены друг от друга уплотнителями – апексами, износ которых является слабым место роторно-поршневых двигателей.
Воспламенение топливо-воздушной смеси осуществляется сразу двумя свечами зажигания, поскольку камера сгорания имеет вытянутую форму и большой объем, что замедляет скорость горения рабочей смеси.
На роторном двигателе используется угол запоздания а не опережения, как на поршневом. Это необходимо чтобы воспламенение происходило чуть позже, и сила взрыва толкала ротор в нужном направлении.
Конструкция Ванкеля позволила значительно упростить двигатель, отказаться от множества деталей. Отпала необходимость в отдельном газораспределительном механизме, существенно уменьшились вес и размеры мотора.
Преимущества
Роторный двигатель Ванкеля имеет меньше деталей, чем поршневые моторы, что делает его компактнее, легче и обеспечивает высокую удельную мощность (лошадиные силы на килограмм).
Отсутствие кривошипно-шатунного механизма снижает вес и вибрации. В этом двигателе нет возвратно-поступательных движений поршней, а легкие подвижные элементы позволяют развивать и поддерживать высокие обороты, мгновенно реагируя на нажатие акселератора.
Роторный двигатель внутреннего сгорания генерирует мощность на три четверти каждого оборота выходного вала, тогда как поршневой — лишь на одной четверти.
Недостатки
Именно по причине того, что двигатель Ванкеля, при всех своих плюсах, имеет большое количество минусов, сегодня только Mazda продолжает развивать и совершенствовать его. Хотя патент на него купили сотни компаний, среди которых Toyota, Alfa Romeo, General Motors, Daimler-Benz, Nissan и другие.
-
Читайте также:
Малый ресурс
Основной недостаток заключается в ограниченном моторесурсе двигателя — около 100 тысяч километров в России, в то время как в Европе, США и Японии он достигает 200 тысяч километров благодаря качественному топливу и техническому обслуживанию.
Наибольшую нагрузку испытывают металлические пластины, апексы — радиальные торцевые уплотнители между камерами. Они должны выдерживать высокие температуры, давление и радиальные нагрузки. В модели RX-7 высота апекса составляет 8.1 миллиметра, замена рекомендуется при износе до 6.5 миллиметров. В RX-8 высота уменьшена до 5.3 миллиметров, а допустимый износ — не более 4.5 миллиметров.
Важно следить за компрессией, состоянием масла и работой масляных форсунок, обеспечивающих смазку в камере двигателя. Признаки износа и необходимости капитального ремонта включают низкую компрессию, повышенный расход масла и трудности с запуском «на горячую».
Низкая экологичность
Поскольку система смазки роторно-поршневого двигателя подразумевает прямой впрыск масла в камеру сгорания, а еще из-за неполного сгорания топлива, выхлопные газы имеют повышенную токсичность. Это затрудняло прохождение экологической проверки, нормам которой необходимо было соответствовать, чтобы продавать автомобили на американском рынке.
Для решения проблемы инженеры Mazda создали термальный реактор, который дожигал углеводороды перед выбросом в атмосферу. Впервые его установили на автомобиль Mazda R100.
Вместо того чтобы свернуть производство как другие, Mazda в 1972 году начала продажу автомобилей с системой снижения вредных выбросов для роторных двигателей REAPS (Rotary Engine Anti-Pollution System).
Высокий расход
Все автомобили с роторными моторами имеют высокий расход топлива.
Кроме Mazda, к таким моделям относятся Mercedes C-111, Corvette XP-882 Four Rotor (четырехроторный, объем 4 литра) и Citroen M35. Большинство из них — экспериментальные образцы, производство которых приостановлено из-за нефтяного кризиса 80-х годов.
Короткий рабочий ход ротора и серповидная форма камеры сгорания не позволяют рабочей смеси полностью сгореть. Выпускное отверстие открывается до завершения сгорания, что не дает газам передать всю силу давления на ротор. Поэтому температура выхлопных газов у таких двигателей высокая.
История отечественного РПД
В начале 80-х технологией заинтересовались и в СССР. Правда патент не был куплен, и до всего решили доходить своим умом, проще говоря – скопировать принцип работы и устройство роторного двигателя Mazda.
Для этих целей было создано конструкторское бюро, а в Тольятти цех для серийного производства. В 1976 году первый опытный образец односекционного двигателя ВАЗ-311, мощностью 70 л. с. установлен на 50 автомобилей. За очень короткий срок они выработали ресурс. Дала о себе знать плохая сбалансированность РЭМ (роторно-эксцентрикового механизма) и быстрый износ апексов.
Однако разработкой заинтересовались спецслужбы, для которых динамические характеристики мотора были куда важней ресурса. В 1982 году свет увидел двухсекционный роторный двигатель ВАЗ-411, с шириной ротора 70 см и мощностью 120 л. с., и ВАЗ-413 с ротором 80 см и 140 л. с. Позже моторами ВАЗ-414 оснащают машины КГБ, ГАИ и МВД.
Начиная с 1997 года на авто общего пользования ставят силовой агрегат ВАЗ-415, появляется Волга с трехсекционным РПД ВАЗ-425. Сегодня в России машины подобными моторами не комплектуются.
Список автомобилей с роторно-поршневым двигателем
| Производитель | Модель |
|---|---|
| NSU | Spider |
| NSU | Ro80 |
| Mazda | Cosmo Sport (110S) |
| Mazda | Familia Rotary Coupe |
| Mazda | Parkway Rotary 26 |
| Mazda | Capella (RX-2) |
| Mazda | Savanna (RX-3) |
| Mazda | RX-4 |
| Mazda | RX-7 |
| Mazda | RX-8 |
| Mazda | Eunos Cosmo |
| Mazda | Rotary Pickup |
| Mazda | Luce R-130 |
| Mercedes | C-111 |
| Corvette | XP-882 Four Rotor |
| Citroen | M35 |
| Citroen | GS Birotor (GZ) |
| ВАЗ | 21019 (Аркан) |
| ВАЗ | 2105-09 |
| ГАЗ | 21 |
| ГАЗ | 24 |
| ГАЗ | 3102 |
Список роторных двигателей Mazda
| Тип | Описание |
|---|---|
| 40A | Первый стендовый экземпляр, радиус ротора 90 мм |
| L8A | Система смазки с сухим картером, радиус ротора 98 мм, объем 792 куб. см |
| 10A (0810) | Двухсекционный, 982 куб. см, мощность 110 л. с., смешение масла с топливом для смазки, вес 102 кг |
| 10A (0813) | 100 л. с., увеличение веса до 122 кг |
| 10A (0866) | 105 л. с., технология снижения выбросов REAPS |
| 13A | Для переднеприводной R-130, объем 1310 куб. см, 126 л. с., радиус ротора 120 мм |
| 12A | Объем 1146 куб. см, упрочнен материал ротора, увеличен ресурс статора, уплотнения из чугуна |
| 12A Turbo | Полупрямой впрыск, 160 л. с. |
| 12B | Единый распределитель зажигания |
| 13B | Самый массовый двигатель, объем 1308 куб. см, низкий уровень выбросов |
| 13B-RESI | 135 л. с., RESI (Rotary Engine Super Injection) и впрыск Bosch L-Jetronic |
| 13B-DEI | 146 л. с., переменный впуск, системы 6PI и DEI, впрыск с 4 инжекторами |
| 13B-RE | 235 л. с., большая HT-15 и малая HT-10 турбины |
| 13B-REW | 280 л. с., 2 последовательные турбины Hitachi HT-12 |
| 13B-MSP Renesis | Экологичный и экономичный, может работать на водороде |
| 13G/20B | Трехроторные двигатели для автогонок, объем 1962 куб. см, мощность 300 л. с. |
| 13J/R26B | Четырехроторные, для автогонок, объем 2622 куб. см, мощность 700 л. с. |
| 16X (Renesis 2) | 300 л. с., концепт-кар Taiki |
Правила эксплуатации роторного двигателя
Специалисты рекомендуют следующие меры по обслуживанию:
- Меняйте масло каждые 3-5 тысяч километров. Нормальный расход масла — до 1.5 литра на 1000 км.
- Следите за состоянием масляных форсунок, их срок службы — около 50 тысяч километров.
- Заменяйте воздушный фильтр каждые 20 тысяч километров.
- Используйте только специализированные свечи зажигания с ресурсом 30-40 тысяч километров.
- Заправляйте автомобиль бензином не ниже АИ-95, предпочтительно АИ-98.
- При замене масла измеряйте компрессию с помощью специального прибора; она должна быть в диапазоне 6.5-8 атмосфер.
Если компрессия ниже указанных значений, стандартного ремкомплекта может не хватить, и потребуется замена секции или всего двигателя.
День сегодняшний
На сегодняшний день производится серийный выпуск модели Mazda RX-8, оснащенной двигателем Renesis (сокращение Rotary Engine + Genesis).
Конструкторам удалось вдвое сократить потребление масла и на 40% расход топлива, а экологический класс довести до уровня Euro-4. Двигатель с рабочим объемом 1.3 литра выдает мощность в 250 л. с.
Несмотря на все достижения японцы не останавливаются на достигнутом. Вопреки утверждениям большинства специалистов о том, что РПД не имеет будущего, они не прекращают совершенствовать технологию, и не так давно представили концепт спортивного купе RX-Vision, с роторным двигателем SkyActive-R.
Будущее роторно-поршневых двигателей
Ванкеля выглядит многообещающим, несмотря на то, что они не получили широкого распространения в автомобильной промышленности. Существуют несколько факторов, которые могут способствовать возрождению интереса к этой технологии в ближайшие годы.
Во-первых, роторно-поршневые двигатели обладают рядом преимуществ, которые делают их привлекательными для использования в современных автомобилях. Они компактны и легки, что позволяет снизить общий вес автомобиля и улучшить его маневренность. Кроме того, роторно-поршневые двигатели имеют меньшее количество движущихся частей по сравнению с традиционными поршневыми двигателями, что снижает вероятность механических поломок и уменьшает затраты на обслуживание.
Во-вторых, с учетом глобальных тенденций к снижению выбросов углекислого газа и переходу на более экологичные источники энергии, роторно-поршневые двигатели могут быть адаптированы для работы на альтернативных видах топлива, таких как водород. Исследования показывают, что роторно-поршневые двигатели могут быть более эффективными при сжигании водорода, чем традиционные двигатели внутреннего сгорания, что открывает новые горизонты для их применения в будущем.
В-третьих, современные технологии позволяют значительно улучшить характеристики роторно-поршневых двигателей. Использование новых материалов, таких как углеродные волокна и легкие сплавы, может повысить прочность и долговечность двигателей. Кроме того, внедрение систем управления и электроники может оптимизировать процесс сгорания и повысить общую эффективность работы двигателя.
Несмотря на все эти преимущества, роторно-поршневые двигатели сталкиваются с определенными вызовами. Одним из основных препятствий является необходимость в значительных инвестициях в исследования и разработки, чтобы решить проблемы, связанные с надежностью и эффективностью. Также необходимо преодолеть предвзятое мнение потребителей о том, что роторно-поршневые двигатели менее надежны, чем традиционные поршневые двигатели.
Тем не менее, некоторые автопроизводители уже начали возвращаться к этой технологии. Например, Mazda продолжает развивать свои роторно-поршневые двигатели, и в 2020 году была представлена концепция нового роторного двигателя, который может быть использован в гибридных системах. Это свидетельствует о том, что интерес к роторно-поршневым двигателям не угас, и они могут занять свое место в будущем автомобильной промышленности.
Таким образом, роторно-поршневые двигатели Ванкеля имеют потенциал для дальнейшего развития и применения в различных областях, включая автомобильную промышленность, авиацию и даже энергетические системы. С учетом современных тенденций и технологий, будущее этой уникальной конструкции может быть более светлым, чем когда-либо.
Вопрос-ответ
Какова история роторного двигателя Ванкеля?
Немецкий инженер Феликс Ванкель разработал свой роторный двигатель и запатентовал его. Он представлял собой треугольный кулачок, соединённый с приводным валом, который действовал подобно поршням в четырёхтактном двигателе. Ванкель представил свои разработки немецкой автомобильной компании NSU.
Как работает роторный двигатель Ванкеля?
Двигатель Ванкеля или роторный двигатель имеет три небольшие камеры переменного размера, каждая из которых совершает полный четырёхтактный цикл Отто за один оборот ротора. Такт впуска позволяет свежему заряду топлива и воздуха поступать в камеру через впускное отверстие, которое всегда открыто.
Как организован рабочий процесс роторно-поршневого двигателя?
Принцип работы роторно-поршневого двигателя: ротор имеет 3 вершины, которые при планетарном движении дельтроида всё время касаются внутренней поверхности статора. Планетарное движение ротора обеспечивается за счет установки зубчатой передачи для соединения с корпусом ДВС и установленного эксцентрикового вала.
Когда изобрели поршневой двигатель?
В 1804 году французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз построил первый поршневой двигатель, называемый часто двигателем де Риваза. Двигатель работал на газообразном водороде, имея элементы конструкции, с тех пор вошедшие в последующие прототипы ДВС: поршневую группу и искровое зажигание.
Советы
СОВЕТ №1
Изучите основы работы роторно-поршневого двигателя Ванкеля, чтобы лучше понять его преимущества и недостатки по сравнению с традиционными поршневыми двигателями. Это поможет вам оценить его уникальные характеристики, такие как компактность и высокая мощность на единицу объема.
СОВЕТ №2
Обратите внимание на историю создания и развития двигателя Ванкеля, чтобы понять, как технические инновации и изменения в автомобильной промышленности повлияли на его популярность. Это знание поможет вам оценить его влияние на современный автопром.
СОВЕТ №3
Если вы планируете приобрести автомобиль с роторно-поршневым двигателем, изучите отзывы владельцев и технические особенности моделей. Это поможет вам сделать осознанный выбор и избежать возможных проблем с обслуживанием и эксплуатацией.
СОВЕТ №4
Следите за новыми разработками в области роторно-поршневых двигателей, так как технологии постоянно развиваются. Это может открыть новые возможности для применения данного типа двигателя в будущем, включая экологически чистые решения и улучшение топливной эффективности.
