Двигун Ванкеля – пристрій та принцип роботи РПД автомобіля

За всю історію автомобілебудування було безліч передових рішень, змінювалися конструкції вузлів і агрегатів. Більше 30 років тому почалися активні спроби змістити поршневий двигун в сторону, давши перевагу роторно-поршневому двигуну Ванкеля. Однак, в силу багатьох обставин, роторні мотори не отримали свою право на життя. Про все це читайте далі.

Принцип роботи

Ротор має трикутну форму, з кожного боку має опуклу форму, яка виконує функцію поршня. В кожній стороні ротора є спеціальні поглиблення, що забезпечують більший простір для паливно-повітряної суміші, тим самим підвищують робочі обороти двигуна. Вершина граней обладнана маленької герметизуючої перегородкою, яка сприяє виконанню кожного такту. З двох сторін ротор оснащений ущільнювальними кільцями, які формують стінку камер. Середина ротора оснащена зубами, за допомогою яких здійснюється обертання механізму.

Принцип роботи двигуна Ванкеля повністю відрізняється від класичного, проте їх об'єднує єдиний процес, що складається з 4-х тактів (впуск-стиснення-робочий хід-випуск). Паливо потрапляє в першу утворену камеру, в другій стискається, далі ротор обертається і стиснута суміш запалюється свічкою запалення, після робоча суміш обертає ротор і вихід в випускний колектор. Головний відмітний принцип полягає в тому, що в роторно-поршневому моторі робоча камера не статичною, а формується рухом ротора.

Пристрій

Перед розумінням пристрою слід знати головні складові частини роторно-поршневого двигуна. Двигун Ванкеля складається з:

• корпусу статора;
• ротор;
• набору шестерень;
• ексцентрик валу;
• свічок запалювання (запалює і допалюють).

Роторний мотор являє собою агрегат внутрішнього згорання. В даному моторі все 4 такту роботи відбуваються в повному обсязі, проте для кожної фази є своя камера, яку обертовим рухом утворює ротор. 

При включенні запалювання стартер обертає маховик і двигун запускається. Обертаючись, ротор, через корону передач передає крутний момент на ексцентриковий вал (у поршневого двигуна це распредвал). 

Підсумком роботи двигуна Ванкеля має бути освіта тиску робочої суміші, яка змушує знову і знову повторювати обертальні рухи ротора, передаючи крутний момент на трансмісію. 

В даному моторі, циліндри, поршні, колінчастий вал з шатунами замінює всього корпус статора з ротором. Завдяки цьому обсяг двигуна значно зменшився, а потужність при цьому у багато разів вище, ніж у класичного мотора з кривошипно-шатунним механізмом, при рівному обсязі. Дана конструкція має високий КПП також через низькі втрат на тертя.

До речі, робочі обороти двигуна можуть перевищувати 7000 об / хв, а у моторів Mazda Wankel (для спортивних змагань) обороти перевищують 10000 об / хв. 

Дизайн

Одна з головних переваг даного агрегату – його компактність та менша вага щодо класичних двигунів рівного об'єму. Компонування дозволяє суттєво знизити центр ваги, а це сприятливо впливає на стійкість та гостроту управління. Даною перевагою користувалися та користуються невеликі літаки, спортивні автомобілі та мототехніка. 

Історія

Історія виникнення і поширення двигуна Ванкеля дозволить вам краще зрозуміти, чому це був кращим двигуном свого часу, і чому сьогодні від нього відмовилися.

ранні розробки

У 1951 році німецькою компанією NSU Motorenwerke розроблено два двигуни: перший - Феліксом Ванкелем, під найменуванням DKM, і другий - KKM Ханса Пашке (заснований на розробці Ванкеля). 

Основа роботи агрегату Ванкеля полягала на окремому обертанні корпуса і ротора, за рахунок чого робочі обороти сягали 17000 в хвилину. Незручність полягала в тому, що для заміни свічок запалювання довелося розбирати мотор. А ось двигун ККМ мав нерухомий корпус і його конструкція була куди простіше головного прототипу.

виданих ліцензій

У 1960 році, NSU Motorenwerke підписали договір з американською компанією-виробником Curtiss-Wright Corporation. Договір укладався в тому, щоб німецькі інженери зосередилися на розробці невеликих роторно-поршневих двигунах для легкового транспорту, в той час як американський "Кертіс-Райт" займався розробкою авіаційних моторів. Також був найнятий в якості дизайнера німецький інженер-механік Макс Бентеле. 

Абсолютна більшість світових автовиробників, серед яких Citroen, Porsche, Ford, Nissan, GM, Mazda і багато інших. У 1959 році американська компанія представила вдосконалену версію двигуна Ванкеля, а через рік Британський Rolls Royce показав свій двоступеневий дизельний роторно-поршневий мотор.

Тим часом деякі європейські автовиробники стали пробувати оснащувати автомобілі новими моторами, проте не всі знайшли своє застосування: GM відмовився, Citroen був зациклений на розробці двигуна із зустрічними поршнями для літаків, а Mercedes-Benz встановив роторно-поршневий мотор в експериментальну модель C 111. 

У 1961 році в Радянському Союзі НАМИ спільно з іншими науково-дослідними інститутами почав розробку двигуна Ванкеля. Було збудоване безліч варіантів, один з них знайшов своє застосування в автомобілі ВАЗ-2105 для КДБ. Точна кількість зібраних моторів невідомо, але воно не перевищує декількох десятків. 

До речі, через роки, тільки автомобільна компанія Mazda, знайшла собі застосування роторно-поршневого двигуна. Яскравий приклад – модель RX-8.

Розробки для мотоциклів

У Британії мотовиробник Norton Motorcycles розробив для мототехніки роторно-поршневий двигун з повітряним охолодженням Sachs. Більш детально ви можете дізнатися про розробку, прочитавши про мотоцикл Hercules W-2000.

Suzuki не залишилася осторонь, і також випустила свій мотоцикл. Однак інженери ретельно опрацювали конструкцію двигуна, застосували феросплав, що значно підвищило надійність і ресурс агрегату.

Розробки для автомобілів

Підписавши дослідний контракт між "Маздою" і NSU, компанії стали змагатися за першість у випуску першого автомобіля з агрегатом Ванкеля. За підсумком, в 1964 році NSU представила свій перший автомобіль NSU Spider, у відповідь Mazda представила прототип 2-х і 4-х роторних двигунів. Через 3 роки NSU Motorenwerke випускає модель Ro 80, проте отримав масу негативних відгуків через численні відмов на тлі недосконалої конструкції. Дану проблему не вирішили до 1972 року і компанія через 7 років була поглинена Audi, а двигуни Ванкеля вже встигли отримати погану славу.

Японський виробник Mazda заявив про те, що їх інженери вирішили проблеми ущільнення вершини (для герметичності між камерами), стали використовувати мотори не тільки в спорткарах, а й на комерційній техніці. До речі, власники автомобілів Mazda з роторним двигуном відзначали високу прийомистість і еластичність роботи двигуна.

Пізніше Mazda відмовляється від масового впровадження передового двигуна, встановлюючи його тільки моделі RX-7 і RX-8. Для RX-8 сконструювали двигун Renesis, який вдосконалили з багатьох сторін, а саме:

• змістили отвори вихлопу для поліпшення продувки, що значно збільшило потужність;
• додали деякі деталі з кераміки для недопущення теплового спотворення;
• продумана електронна система управління двигуном;
• наявність двох свічок запалювання (основна і для дожига);
• додавання водяної сорочки для виключення відкладення вуглецю на випуску.

За підсумком вийшов компактний двигун, об'ємом 1.3 літра, і розвиває потужність близько 231 к.с.

Переваги

Про головні переваги роторно-поршневого двигуна:

1. Його мала вага і габарити, що безпосередньо впливають на основу конструкції автомобіля. Даний фактор має велике значення при проектуванні спортивного автомобіля з низьким центром ваги.
2. Менша кількість деталей. Це не тільки дозволяє скоротити витрати на утримання мотора, а також знизити показники потужності втрати на рух або обертання супутніх деталей. Даний фактор безпосередньо вплинув на високий ККД.
3. При однаковому обсязі з класичним поршневим двигуном, у роторно-поршневого потужність в 2-3 рази вище.
4. Плавність і еластичність роботи, відсутність відчутних вібрацій за рахунок того, що тут немає зворотно-поступальних рухів головних вузлів.
5. Двигун може "харчуватися" низькооктанових бензином.
6. Широкий діапазон робочих оборотів дозволяє застосовувати трансмісію з більш короткими передачами, що вкрай зручно для міських умов.
7. "Полка" крутного моменту забезпечується на ⅔ циклу, а не на чверть, як в двигуні Отто.
8. Моторне масло, практично, не забруднюється, інтервал заміни у багато разів ширше. Тут масло не схильне горінню, як у поршневих моторів цей процес відбувається через кільця.
9. Відсутня детонація.

До речі, доведено, що навіть якщо цей мотор буде на межі ресурсу, споживати багато масла, працювати при низькій компресії, його потужність скоротитися незначно. Саме це гідність і підкупило до установки роторно-поршневого двигуна на авіатехніку.

Поряд з вражаючими перевагами присутні і недоліки, які і перешкодили передовому роторно-поршневому двигуну вийти в широкий загал.

 Недоліки

1. Процес згоряння недостатньо ефективний, за рахунок чого зростає витрата палива і погіршуються показники норм токсичності. Частково проблема вирішується наявністю другої свічки, яка допалює робочу суміш.
2. Високий витрата масла. Недолік обгрунтований тим, що двигуни Ванкеля мають надмірне змазування, а в певних місцях, іноді, масло може згоряти. У зонах згоряння є надлишок олії, що приводить до появи вуглецю. З даною проблемою пробували боротися шляхом установки "теплових" трубок, що поліпшують теплообмін і вирівнюють температуру масла у всьому моторі.
3. Складність при ремонті. Далеко не всі фахівці готові професійно взятися за ремонт двигуна Ванкеля. Конструктивно агрегат не складніше класичного мотора, проте існує маса нюансів, недотримання яких призведе до швидкого виходу з ладу двигуна. Сюди ж додамо високу вартість ремонту.
4. Низький ресурс. Для власників Mazda RX-8 пробіг 80 000 км позначає те, що пора робити капітальний ремонт. На жаль, за такі компактність і високий ККД необхідно платити дорогим і комплексним ремонтом раз в 80-100 тисяч кілометрів.

Питання та відповіді:

Чим відрізняється роторний двигун від поршневого? У роторному моторі немає поршнів, а значить, для обертання валу ДВЗ не використовуються зворотно-поступальні рухи - в ньому відразу обертається ротор.

Що таке роторний двигун у машині? Це тепловий агрегат (працює за рахунок згоряння повітряно-паливної суміші), тільки в ньому використовується ротор, що обертається, на якому закріплений вал, що йде на коробку передач.

Чим такий поганий роторний двигун? Головний недолік роторного мотора - дуже маленький робочий ресурс за рахунок швидкого зношування ущільнювачів між камерами згоряння агрегату (постійно змінюється робочий кут і постійні перепади температур).