Двигун Ванкеля: пристрій, принцип роботи

Двигун внутрішнього згоряння – геніальний винахід людства. Завдяки ДВС став істотно розвиватися технічний прогрес. Існує кілька видів даних установок. Але найбільш відомі – шатунно-поршневі і роторно-поршневі. Останній був винайдений німецьким інженером Ванкелем у співпраці з Вальтером Фройде. Даний силовий агрегат має інший пристрій і принцип роботи, якщо порівнювати з класичним шатунно-поршневий ДВЗ. Який принцип роботи двигуна Ванкеля і чому цей ДВС не став таким популярним? Все це ми розглянемо в нашій сьогоднішній статті.

Характеристика

Отже, що це за мотор? Це двигун внутрішнього згоряння, який був розроблений Феліксом Ванкелем в 1957 році. Функцію поршня в даному агрегаті виконував трехвершинный ротор. Він здійснював обертальні рухи всередині порожнини особливої форми.

Після низки експериментальних моделей мотоциклів і автомобілів, які припали на 70-ті роки минулого століття, попит на двигун Ванкеля істотно знизився. Хоча на сьогоднішній день ряд компаній все одно працює над вдосконаленням даного ДВС. Так, можна зустріти двигун Ванкеля на «Мазді» серії РХ. Також даний агрегат знайшов своє застосування в моделізму.

Пристрій двигуна Ванкеля

Даний силовий агрегат складається з кількох компонентів:

  • Корпусу (статора).
  • Камери згоряння.
  • Впускного і випускного вікна.
  • Нерухомої шестерні.
  • Зубчастого колеса.
  • Ротора.
  • Валу.
  • Свічки запалювання.

Який має двигун Ванкеля принцип роботи? Це ми розглянемо нижче.

Принцип роботи

Даний ДВС діє наступним чином. Ротор, насаджений на ексцентриковий вал через підшипники, приводиться в дію від сили тиску газів, що утворилася в результаті згоряння топливновоздушной суміші. Ротор двигуна відносно статора за допомогою пари шестерень. Одна з них (великого розміру) знаходиться на внутрішній поверхні ротора. Друга (опорна) має менші розміри і намертво прикріплена до бічній кришці двигуна. Завдяки взаємодії шестерень, ротор робить ексцентричні кругові рухи. Таким чином, його межі стикаються з внутрішньою поверхнею камери згоряння.

В результаті між корпусом двигуна і ротором утворюється кілька ізольованих камер змінного об’єму. Їх кількість завжди становить 3. В даних камерах відбувається процес стиснення суміші, її горіння, розширення газів (які згодом чинять тиск на робочу поверхню ротора) і їх видалення. В результаті займання палива, ротор приводиться в дію, передаючи зусилля крутного моменту на ексцентриковий вал. Останній встановлюється на підшипниках і далі передає потужність на вузли трансмісії. А вже потім момент сил двигуна Ванкеля йде на колеса за класичною схемою – за допомогою карданної передачі і півосей до маточин. Таким чином, в роторному моторі працюють одночасно кілька механічних пар. Перша відповідає за рух ротора і складається з декількох шестерень. Друга де перетворює рух ротора у обертів ексцентрикового вала.

Передаточне відношення статора (корпусу) і шестерень завжди стабільна і становить 3:2. Таким чином, ротор встигає провернутися за повний оберт вала на 120 градусів. У свою чергу, за повний оберт ротора здійснюється чотиритактний цикл роботи двигуна внутрішнього згоряння в кожній з трьох камер, утворених гранями.

Переваги

Які має плюси даний ДВЗ? Роторно-поршневий двигун Ванкеля має більш просту конструкцію, ніж шатунно-поршневої. Так, число деталей в ньому на 40 відсотків менше, ніж у поршневому чотиритактному ДВС. Але все ж створити двигун Ванкеля своїми руками не представляється можливим без складного обладнання. Адже ротор має дуже складну форму. Ті, хто намагався зробити саморобний двигун Ванкеля своїми руками, терпіли численні невдачі.

Але продовжимо про переваги. У конструкції роторного агрегату відсутня колінчастий вал, газорозподільний механізм. Також тут немає шатунів і поршнів. Горюча суміш потрапляє в камеру через впускне вікно, що відкривається гранню ротора. А відпрацьовані гази в кінці робочого такту звільняються корпус через випускне вікно. Знову ж таки, тут виконує роль клапана грань самого ротора. Також у конструкції відсутній розподільний вал (яких зараз використовується кілька на шатунних агрегатах). Роторно-поршневий двигун Ванкеля за принципом роботи газорозподільного механізму схожий з двотактним.

Окремо варто сказати про мастильній системі. По суті, вона відсутня в роторний двигун Ванкеля. Але як же тоді працюють пари тертя? Все просто: масло додається в саму горючу суміш (як у примітивних мотоциклетних моторах). Таким чином, змащення тертьових деталей здійснюється самою паливоповітряної суміші. У конструкції відсутній звичний всім масляний насос, який забирає масло з піддона і розбризкує під особливим тиском.

Ще одна перевага двигуна Ванкеля – це його легкий вага і розміри. Оскільки тут відсутня майже половина деталей, які є обов’язковими в поршневих двигунах, роторний агрегат більш компактний і здатний розміститися в будь-якому підкапотному просторі. компактні розміри дозволяють використовувати простір моторного відсіку більш раціонально, а також забезпечити більш рівномірне навантаження на передню і задню вісь (адже в авто зі звичайними моторами більше 70 відсотків навантаження припадає саме на передню частину). А за рахунок малої ваги досягається висока стабільність роботи. Так, двигун має мінімальний рівень вібрації, що позитивно позначається на комфортабельності машини.

Наступний плюс даного агрегату – висока питома потужність, яка досягається при великих обертах вала. Дана особливість дозволяє досягти хороших технічних характеристик. Ось чому двигун Ванкеля використовується на спортивних автомобілях «Мазда». Мотор легко розкручується до семи тисяч і більше обертів. При цьому забезпечує набагато більший крутний момент і потужність при малому обсязі. Все це позитивно позначається на розгінній динаміці автомобіля. Для прикладу можна взяти автомобіль «Мазда РХ-8». При обсязі в 1,3 літра, мотор видає 210 кінських сил потужності.

Конструктивні недоліки

Розглядаючи пристрій і принцип роботи роторного двигуна Ванкеля, варто відзначити головний конструктивний недолік. Це мала ефективність ущільнення зазору між камерою згорання і ротором. Останній має досить складну форму, із-за чого вимагає надійного ущільнення не тільки по гранях (яких чотири у сумі), але і по бічній поверхні (які стикаються з кришкою двигуна). При цьому вони виконані у вигляді пружних сталевих смужок з особливо точної обробкою як з торців, так і з робочих поверхонь. Всі допуски на розширення при нагріванні, закладені в конструкцію, погіршують дані характеристики. З-за цього неможливо уникнути прориву газів у торцевих місцях ущільнювальних пластин. У поршневих ж двигунах застосовано ефект лабіринту. Так, у конструкції застосовані три ущільнювальних кільця із зазорами в різні сторони.

Але варто відзначити, що в останні роки якість ущільнень зросла. Конструктори зробили удосконалення двигуна Ванкеля, застосовуючи нові матеріали для ущільнень. Але все ж прорив газів вважається самим слабким місцем у роторному ДВС.

Витрата масла

Як ми вже сказали раніше, системи змащення як такої в даному двигуні немає. Зважаючи на те що масло надходить разом з горючою сумішшю, витрата його істотно збільшується. І якщо на шатунних двигунах природний догляд мастила виключений або становить не більше 100 грам на 1 тисячу кілометрів, то на роторних цей параметр становить від 0,4 до 1 літра на тисячу кілометрів. Це пояснюється тим, що складна система ущільнень вимагає більш ефективної змащення поверхонь. Також зважаючи високого витрати масла, ці мотори не можуть відповідати сучасним екологічним стандартам. У вихлопних газах автомобілів з двигуном Ванкеля міститься багато небезпечних для організму і навколишнього середовища речовин.

Крім цього, роторний двигун міг працювати тільки на високоякісних та дорогих оліях. Це пов’язано з декількома факторами:

  • Схильність дотичних деталей камери двигуна і ротора до високого зносу.
  • Схильність пар тертя до перегріву.

Інші проблеми

Регулярна заміна масла загрожувала зменшенням ресурсу ДВС, так як частинки старої змазки діяли як абразив, збільшуючи проміжки і ймовірність прориву вихлопних газів у камері. Даний агрегат також клинить при перегріві. А при русі в холодну погоду, охолодження могло виявитися надмірним.

Сам по собі РПД має більш високу робочу температуру, ніж будь-поршневий мотор. Найбільш навантаженою вважається камера згорання. вона має невеликий обсяг. А з-за видовженої форми, камера схильна до детонації. Крім олії, двигун Ванкеля вимогливий до якості свічок. Їх встановлюють попарно і змінюють строго по технічному регламенту. Серед інших моментів варто відзначити недостатню еластичність роторного мотора. Так, дані ДВС можуть видавати відмінні швидкісні і силові характеристики тільки при високих обертах ротора – від 6 до 10 і більше тисяч в хвилину. Ця особливість змушує конструкторів допрацьовувати конструкцію коробок передач, роблячи їх багатоступінчатими.

Ще один недолік – висока витрата палива. Наприклад, якщо взяти 1,3-літровий роторно-поршневий двигун «Мазди РХ-8», за паспортними даними, вона споживає від 14 до 18 літрів палива. Причому до використання рекомендується тільки високооктановий бензин.

Про застосування РПД в автомобільній промисловості

Найбільшу популярність цей двигун отримав в кінці 60-х і початку 70-х років минулого століття. Патент на РПД Ванкеля був придбаний 11 провідними автовиробниками. Так, на 67-му році компанія NSU розробила перший автомобіль бізнес-класу з роторним мотором, який називався NSU RO 80. Дана модель вироблялася серійно 10 років. Всього було випущено понад 37 тисяч примірників. Автомобіль користувався популярністю, проте недоліки роторного мотора зрештою підмочили репутацію цієї машини. На тлі інших моделей NSU, седан NSU RO 80 був самим ненадійним. Пробіг до капітального ремонту становив лише 50 тисяч при заявлених 100.

Також з роторними моторами експериментували концерни «Пежо-Сітроен», компанія «Мазда» і завод ВАЗ (про це ми поговоримо окремо нижче). Найбільшого успіху досягли японці, випустивши легковий автомобіль з роторним мотором в 63-му році. На даний момент японці досі оснащують РПД на свої спорткари серії RX. До сьогоднішнього дня вони позбавлені багатьох «дитячих хвороб», що були притаманні РПД того часу.

РПД Ванкеля і мотопромышленность

В 70-е і 80-е роки минулого століття з роторними двигунами експериментували деякі мотопроизводители. Це «Геркулес» та «Сузукі». Зараз же серійне виробництво роторних мотоциклів налагоджено тільки в компанії «Нортон». Дана марка випускає спортбайки NRV588, оснащені двухроторными двигунами з загальним обсягом 588 кубічних сантиметрів. Потужність байка «Нортон» становить 170 кінських сил. при спорядженій масі в 130 кілограм, цей мотоцикл має чудові динамічні характеристики. Додатково дані РПД оснащені системою електронного уприскування палива і впускним трактом змінної величини.

Цікаві факти

Дані силові агрегати отримали широке поширення серед авіамоделістів. Так як в модельному ДВС немає вимог до економічності і надійності, випуск таких моторів виявився недорогим. У подібних ДВС ущільнень ротора немає зовсім, або вони мають саму примітивну конструкцію. Основний плюс такого авіамодельного агрегату в тому, що його легко встановити в літаючу масштабну модель. ДВС легкий і компактний.

Ще один факт: Фелікс Ванкель, отримавши патент на РПД в 1936 році, став винахідником не тільки роторних двигунів, але і компресорів, а також насосів, які діяли за такою ж схемою. Такі агрегати можна зустріти в ремонтних майстернях і на виробництві. До речі, портативні електричні насоси для підкачки шин авто влаштовані саме за таким принципом.

РПД і автомобілі ВАЗ

За часів СРСР також займалися створенням роторно-поршневого двигуна і його установкою на вітчизняні автомобілі ВАЗ. Так, першим РПД в СРСР став мотор ВАЗ-311 потужністю 70 кінських сил. Він створювався на базі японського агрегату 13В. Але оскільки створення мотора велося за нереальними планами, агрегат виявився ненадійним, після запуску в серійне виробництво. Першим автомобілем з даним двигуном став ВАЗ-21018.

Але на цьому історія установки двигуна Ванкеля на ВАЗ не закінчується. Другим за рахунком став силовий агрегат ВАЗ-415, який дрібними партіями використовувався на «вісімці» в 80-х роках. Даний силовий агрегат мав більш кращі технічні характеристики. Потужність при обсязі в 1308 кубічних сантиметрів збільшилася до 150 кінських сил. Завдяки цьому радянський ВАЗ-2108 з роторним двигуном прискорювався до сотні за 9 секунд. А максимальна швидкість обмежувалася 190 кілометрами на годину. Але цей двигун не був позбавлений недоліків. Зокрема, це малий ресурс. Він ледве доходив до 80 тисяч кілометрів. Також серед мінусів варто відзначити високу собівартість створення такого автомобіля. Витрата масла становив 700 грам на кожну тисячу кілометрів. Витрата палива – близько 20 літрів на сотню. Тому застосовувався роторний агрегат тільки на автомобілях спецслужб, дрібними партіями.

Висновок

Отже, ми з’ясували, що собою являє двигун Ванкеля. Даний роторний агрегат сьогодні застосовується серійно лише на автомобілі «Мазда», причому тільки на одній моделі. Незважаючи на численні доопрацювання і спроби японських інженерів удосконалити конструкцію РПД, він все одно має досить малий ресурс і відрізняється високою витратою масла. Також нові 1,3-літрові «Мазди» не відрізняються паливної економічністю. Всі ці недоліки роторного мотора роблять його непрактичними і малоиспользуемым в автомобільній промисловості.