Двигатель Ванкеля: что это такое и как работает

На большинстве современных автомобилей сейчас используются ДВС, устроенные по поршневой схеме. Но, существуют двигатели внутреннего сгорания, которые имеют совершенно другую конструкцию. Об одном из таких двигателей мы и расскажем в данной статье.

Что такое двигатель Ванкеля?

Как выглядит двигатель Ванкеля в разрезе.

Из курса физики средней школы все прекрасно помнят, что работа четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания состоит из:

• впуска топлива/воздуха;
• сжатия, где их смесь становится единым целым, а затем воспламенения искрой свечи зажигания;
• рабочего хода: поршень движется в обратном направлении, совершая полезную работу;
• выпуска: остатки отработанной смеси выбрасываются из мотора.

И всё помнят наглядное учебное пособие: цилиндр бензинового мотора в разрезе, на котором отлично видно все стадии при вращении ручки. Но, не все существующие/используемые в настоящее время двигатели имеют одинаковое устройство. Кроме всем известного классического ДВС есть и другие варианты конструкции.

Яркий пример — роторно-поршневой двигатель Ванкеля. Данная конструкция ДВС была разработана в 1957 году сотрудником компании NSU Вальтером Фройде в соавторстве с Феликсом Ванкелем.

Отличительная черта этого двигателя — использование трёхгранного ротора, имеющего форму треугольника Рёло, вращающегося внутри цилиндра особого профиля, поверхность которого выполнена по эпитрохоиде.

Принцип работы двигателя Ванкеля

В двигателе Ванкеля цикл работы точно такой же, как в классическом четырёхтактном агрегате внутреннего сгорания: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Вот только за него не поршень совершает два хода вверх-вниз (вперёд-назад), а вал делает всего один оборот трёхгранного ротора внутри эпитрохоидальной камеры цилиндра, являющейся сердцем двигателя.

Принцип работы двигателя Ванкеля: 1 — впуск топливо-воздушной смеси; 2 — сжатие смеси; 3 — зажигание и рабочий ход; 4 — выпуск отработанных газов;

Несмотря на кажущуюся сложность, принцип работы двигателя Ванкеля достаточно прост.

• На первом этапе цикла смесь из бензина и воздуха поступает в камеру мотора.
• Затем ротор проворачивается на 45 градусов, сжимая её: таком виде происходит поджиг смеси искрой от свечи зажигания.
• После чего следует рабочая фаза: сгоревшая топливно-воздушная смесь давит на ротор, обеспечивая тем самым его вращение.
• Наконец, на заключительном этапе ротор проворачивается и отработанные газы через выпускную систему попадают в выхлопную систему.

И так раз за разом. Но в отличие от классического ДВС, где 2-3 тысячи оборотов в минуту – рабочий режим, для двигателя Ванкеля даже 10 тысяч оборотов – не предел.

Эксцентриковое вращение вала обеспечивает его форма – с внутренним отверстием и зубцами, ротор вращается вокруг неподвижного вала с ответными зубьями. Именно они не дают ему проскользнуть и заклинить даже при особенно интенсивном вращении.

Читайте также: Что такое оппозитный двигатель и как он работает.

Преимущества и недостатки двигателя Ванкеля

У вас может возникнуть простой и предсказуемый вопрос, а почему под капотом большинства автомобилей находится не двигатель Ванкеля, а классический четырехтактный ДВС. Чтобы ответить на данный вопрос рассмотрим преимущества и недостатки двигателя Ванкеля. Так, двигатель Ванкеля:

• меньше весит и занимает меньше места в сравнении с аналогичными по характеристикам агрегатами;
• работает заметно тише, на холостых оборотах двигатель вообще почти не слышно;
• лучше сбалансирован, конструкция с одним вращающимся валом, лишённая шатунов с их возвратно-поступательными движениями, даёт отличные результаты;
• обеспечивает лучшую динамику и высокую максимальную скорость;
• может длительное время работать на высоких оборотах;
• может работать на низкооктановом топливе;

Но, недостатков у двигателя Ванкеля также немало, например:

• высокий, часто даже чрезмерный (до 20 литров на 100 км), аппетит;
• повышенный, в сравнении с обычными четырёхтактными моторами, расход масла;
• эксплуатация на низких оборотах: расход топлива возрастает, а ресурс мотора, напротив, падает;
• невозможно движение в натяг, низкий уровень инерции, тормозить мотором не получается;
• низкий ресурс агрегата;
• сложности в ремонте;

Как видно недостатки очень серьезные и их немало. Как результат, сейчас в производственной гамме легковых серийных машин нет моделей, оснащённых двигателем Ванкеля. Последнее серийное авто, под капотом которой устанавливался этот агрегат, Mazda RX-8, перестала сходить с конвейера ещё в 2012 году.

В то же время на уже выпущенные автомобили с двигателем Ванкеля все чаще устанавливают обычные ДВС. Агрегат считается неремонтопригодным, мотористов, которые в состоянии произвести его качественное восстановление, можно пересчитать по пальцам, большинство считают их попросту «одноразовыми». Поэтому под капотами RX-8, а также не менее популярной предшественницы, RX-7, появляются турбированные или атмосферные рядные четвёрки.

Читайте также: Что такое CRDI двигатель и как он устроен.

Устройство и принцип работы роторного двигателя

Не все знатоки автомобилестроения знают, что в разное время в разных странах мира, включая СССР, на авто ставились необычные роторные двигатели внутреннего сгорания. Этот уникальный агрегат имеет свою большую историю и, возможно, хорошие перспективы на применение в будущем.

Что представляет собой роторный двигатель Ванкеля

Это простой по техническому решению силовой агрегат. Вместо нескольких поршней с кольцами и шатунами, он имеет один треугольный ротор, посаженный на вал. При этом вал не коленчатый, а эксцентриковый. Камеры сгорания расположены равномерно поочередно по всему кругу вращения ротора.

Роторный двигатель

В роторном ДВС в 2 с лишним раза меньше деталей в сравнении с поршневым вариантом. Нет головки блока цилиндров с системой клапанов в её привычном виде и самой поршневой группы. Значительно меньше вес и габариты.

В настоящее время известно 5 разных типов роторных ДВС. Между собой они имеют существенные конструктивные отличия. Но главный принцип един для всех типов – ротор на эксцентриковом вале вместо поршней на кривошипно-шатунном механизме.

История создания роторного двигателя

Силовые агрегаты с ротором вместо поршневой группы получили устойчивое название «двигатель Ванкеля», по фамилии изобретателя. На самом деле в мире было разработано несколько типов роторных моторов, отличных от изобретения Ванкеля. Но первым в этой области еще в 1920-ых годах начал работать именно немецкий инженер Фридрих Ванкель.

Для двигателя требовались узлы и детали, производство которых возможно только с применением высоких технологий металлообработки, точнейшей подгонки, с чем в то время были определенные трудности. Поэтому быстро запустить изделие в серию сразу не получилось. К тому же началась Вторая мировая война, когда требовались не экспериментальные, а серийные проверенные изделия.

Работы над двигателем были завершены уже во Франции, куда попало оборудования из побежденной Германии, в 1957 году, в компании NSU под руководством инженера Вальтера Фройде.

Применение двигателя Ванкеля на Западе и в СССР

Первый роторный двигатель мощностью 57 л.с. был установлен в 1957 году на спорткар фирмы NSU «Спайдер». Спорткар развивал невероятные для того времени и такой мощности ДВС скорость – 150км/час.

Автомобиль NSU Spider

С 1963 года роторные двигатели стали использовать на серийных автомобилях для населения. Несколько лет их ставили на «Мерседесы», «Шевроле» и «Ситроены». Но двигатель показал ряд существенных недостатков. В результате производители вернулись к использованию классических, проверенных поршневых ДВС.

Настойчивее остальных оказались японские автопроизводители. Они использовали роторные ДВС на некоторых моделях «Мазда». Устранялись слабые места, увеличивался моторесурс до капремонта, снижалось потребление топлива. Однако по ряду причин и японцы вернулись к классическим ДВС . Последняя Мазда RX Spirit R с роторным двигателем сошла с конвейера в 2012 году.

В СССР первый роторный двигатель отечественного производства ставился в 1974 году на легендарную «копейку» – ВАЗ 2101.

Для его создания было организовано специальное конструкторское бюро. Прообразом служил двигатель Ванкеля. Было изготовлено около 50 опытных образцов с маркировкой ВАЗ 311. ВАЗы с ними не продавались населению, а поступили в распоряжение сотрудников ГАИ и КГБ в качестве служебных машин.

Поначалу «копейки» с этим силовым агрегатом вызывали восхищение своей мощью, динамикой разгона, низким шумом и плавностью хода. Но уже через год на ходу осталась только одна машина. Двигатели остальных вышли из строя. Основной причиной поломок стала ненадежность уплотнений, обеспечивающих герметизацию камер сгорания во время вспышки топлива.

Работы над отечественным роторным ДВС продолжались, и были созданы мощные двухсекционные ВАЗ 411 и 413 мощностью 120 и 140 л.с. “Жигули” с этими двигателями снова попали на службу в силовые структуры.

Данное достижение советского автопрома не афишировалось. В народе лишь ходили слухи о том, что сотрудники КГБ ездят на скоростных авто с невероятными секретными двигателями.

Затем были разработаны роторные двигатели ВАЗ 414 и 415. Это были более совершенные универсальные агрегаты. Их можно было ставить как на вазовские «восьмерки» и «девятки», так и на не менее популярные в то время «Москвичи» и «Волги».

Последняя разработка ВАЗ 415 так и не была использована. Ее предшественник, ВАЗ 414 с 1992 года ставился на популярной модели авто ВАЗ 2109 («Спутник», «Самара»).

«Девятки» с этими двигателями обладали необычными характеристиками. Разгон до 100 км/ч за 8 секунд, возможность длительной работы на предельно высоких оборотах. ВАЗ 414 потреблял меньше топлива (14-15 л на 100 км), чем предыдущие роторные ДВС (18-20 л на 100 км). Но все равно больше, чем поршневой мотор.

Однако и на ВАЗе роторные ДВС не смогли конкурировать с традиционными, и вскоре их использование было прекращено.

Работы над усовершенствованием роторных ДВС ведутся в мотоциклетной отрасли. В начале 1980-ых был создан мотоцикл Norton с двигателем Ванкеля, который показал невероятные результаты. Сегодня компания выпускает байки с таким двигателем объемом 588 куб.см. Ведутся работы над новым мотором с объемом 700 куб.см.

Автомобилей в такими двигателями сегодня не выпускают. Не исключено, что автопроизводители могут вести конструкторские работы в этом направлении без афиширования, втайне от конкурентов.

Устройство и принцип работы роторного двигателя

Принцип работы и устройство роторного ДВС одновременно схож с работой обычного поршневого двигателя и электродвигателя. Так же, как поршневой ДВС роторный вариант имеет камеры сгорания, системы впрыска топлива, выхлопа и зажигания. Сходство конструкции с электродвигателем в том, что ротор получает энергию при вращении внутри корпуса. (Кроме роторного ДВС с возвратно-поступательным движением вала).

Электродвигатель получает кинетическую энергию за счет перемещения электромагнитного поля. Роторный ДВС – за счет воспламенения топливно-воздушной смеси и резкого роста давления в камерах сгорания, так же, как и поршневые ДВС.

На сегодня известны 5 типов роторных моторов:

1. С возвратно-поступательным движением вала. В таких типах ДВС ротор и вал не делают полных оборотов вокруг оси.
2. Классический двигатель Ванкеля с планетарным вращением вала.
3. Двигатели, в которых камеры сгорания расположены по спирали.
4. Двигатели с равномерным вращением вала с камерами сгорания, расположенными по спирали без уплотнительных элементов.
5. Двигатели с пульсирующим вращением.

Как и поршневые ДВС, роторные варианты имеют 4 рабочих такта:

1. Впрыск топливно-воздушной смеси.
2. Сжатие смеси.
3. Воспламенение.
4. Выпуск.

Рабочие циклы роторного двигателя

В обычных поршневых двигателях впрыск топлива и герметичность камеры сгорания обеспечиваются работой системы клапанов и поршневыми кольцами. В разных типах роторных ДВС последовательность тактов обеспечивается по-разному. В одних уменьшается объем камеры сгорания и обеспечивается сжатие смеси за счет перекрытия камеры вершиной ротора. В других – за счет уплотнений с механическим приводом. Но принцип работы един для всех типов.

1. Воспламенение топливной смеси многократно повышает давление в камере сгорания.
2. Давление дает кинетический импульс плоскости ротора и поворачивает его.
3. Ротор передает крутящий момент через вал и зубчатую шестерню далее к механизмам авто. Плоскость ротора доходит до окна выхлопа, окно открывается и в него сбрасываются отработанные газы.
4. Цикл повторяется.

Преимущества и недостатки

Роторный двигатель имеет набор больших преимуществ перед традиционным поршневым.

Главное преимущество – простота конструкции. Из-за отсутствия поршневой и кривошипно-шатунной группы узлов роторный двигатель почти в два раза легче и компактнее обычного. Легкий вес позволяет равномерно распределить нагрузку по всей базе автомобиля. Это улучшает управляемость, повышает динамические показатели автомобиля.

• Компактность позволяет увеличить размер салона.
• Ротор вращается плавно, без вибраций от взрыва топливной смеси в каждом цилиндре, равномерно выдает мощность.
• При том же объеме камер сгорания роторный двигатель значительно мощнее.
• Простота конструкции и минимум деталей облегчают ремонт.

Поэтому кажется, что весь мировой автопром давно и полностью должен был отказаться от поршневых двигателей в пользу роторных. Но этого не произошло. Следовательно, роторный вариант имеет ряд существенных недостатков, которые на сегодняшний день перевешивает все его плюсы. Недостатки в следующем:

• Роторный двигатель потребляет намного больше топлива. Это крупный минус в наше время, когда каждый автопроизводитель стремится сделать свое авто как можно более экономичным.
• Повышен расход масла – 0,5 литра на 1 тыс. км пробега. Долив масла требуется каждые 4-5 тыс. км. Отсутствие масла приводит к мгновенному выходу ДВС из строя.
• Производство ротора и криволинейных камер сгорания требуют высочайшей технологической точности на дорогом сверхточном оборудовании. Это повышает стоимость двигателя.
• Особенность линзовидных камер сгорания в том, что они поглощают больше тепла при работе. В итоге двигатель склонен к перегреву, закипанию охлаждающей жидкости в системе охлаждения, что мешает в эксплуатации авто и приводит к ускоренному выходу из строя деталей двигателя.
• Роторный двигатель имеет своё слабое место. Уплотнители, обеспечивающие герметичность камеры сгорания в момент воспламенения топливной смеси, не могут долго выдерживать нагрузки и выходят из строя. В итоге моторесурс самого совершенного роторного двигателя без ремонта не превышает 100 – 150 тыс. км пробега авто.

Кроме экономических и технических недостатков, роторный ДВС просто непривычен для водителей и механиков. Автомобиль с ним едет по-другому. Ввиду малой массы двигателя, у него нет запаса инерционной энергии. При малейшем сбросе педали газа машина быстро теряет скорость, что хорошо при торможении, но неудобно при движении. Приходится чаще переключать передачи. Таким двигателем нельзя тормозить, заглушенный двигатель даже на первой передаче легко проворачивается. Некоторым просто не нравится звук работающего роторного двигателя.

Возможно, у этого двигателя есть большое будущее. Поршневой мотор прошел долгий путь эволюции. Коленчатые валы и поршневые системы начали создаваться ещё на паровых двигателях.

У роторного варианта не было такой длительной эволюции и массовости производства, поэтому он имеет недоработки и слабые места. Важно то, что роторный двигатель может эффективно работать на газовом топливе, в том числе на водороде. Это может открыть ему большие перспективы в будущем.