РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ (РПД) ВАНКЕЛЯ: ПРИНЦИП РАБОТЫ, НАДЕЖНОСТЬ И РЕСУРС

AutoBlogCar.Ru – Полезные статьи для автолюбителей | https://autoblogcar.ru/

Добрый день, сегодня мы узнаем, что называется роторно-поршневым двигателем автомобиля, известным в народе, как силовая установка Ванкеля, каков его принцип работы и в чем заключается отличие мотора от классических типов. Кроме того, расскажем про то, какими преимуществами с недостатками обладает роторно-поршневой двигатель, насколько ремонтопригоден мотор, а также выгодна ли в эксплуатации и обслуживания данная силовая установка. В заключении поговорим о том, на какие современные автомобили устанавливают мотор с роторно-поршневым типом действия, а также, из каких основных и вспомогательных компонентов состоит двигатель.

Роторно-поршневой силовой установкой или сокращенно РПД Ванкеля называется двигатель внутреннего сгорания, в котором энергия сгорающих газов преобразуется в механическую при помощи специального ротора, совершающего вращательное или вращательно-возвратное движение относительно главного корпуса. Конструкция двигателя была разработана в 1957 году инженерами Вальтером Фройде и Феликсом Ванкелем . Силовая установка официально была запущена в массовое производство в 1959 году.

Роторно-поршневой двигатель обладает рядом конструктивных и функциональных особенностей. В такой силовой установке вместо стандартного поршня применяется трехгранный ротор, который с виду напоминает треугольник с закругленными концами. Данный своеобразный поршень имеет официальное название треугольник Рело, который вращается внутри цилиндра специального размера и формы выполненной по типу кривой плоскости, которая жестко связана с окружностью, катящейся по внешней стороне другой окружности. Справочно заметим, что двигатель Ванкеля, когда то считался мотором будущего, благодаря введению множества новаций при его разработке и производстве.

1. Конструкция, плюсы и минусы роторно-поршневого двигателя

Благодаря уникальной особенности главного поршня, который похож на трехгранный ротор у двигателя отсутствуют преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное. Эти моменты способствуют тому, что силовая установка способна выдерживать намного более высокие обороты в сравнении с классическим типом двигателя. Самой главной особенностью мотора Ванкеля является то, что обладая небольшим объемом камеры сгорания, двигатель выдает высокие показатели мощности. Что касается габаритов конструкции, то она опять же в сравнении с традиционным мотором, она в несколько раз меньше и содержит малое количество компонентов. Благодаря небольшому размеру двигателя оптимизируется расположение трансмиссии и следовательно улучшается развесовка узлов, что позволяет получить чуткую управляемость, а также помогает сделать автомобиль более просторным, как для водителя, так для пассажиров.

Как и любой другой двигатель, роторно-поршневой обладает своими плюсами и минусами, которые ему характерны.

К плюсам силовой установки относят :

– Небольшие габариты и малый вес ;

– Небольшое количество компонентов и деталей, даже в сравнении с 2-ух тактным поршневым мотором ;

– Мощность в 2 раза больше при тех же размерах, чем у классического двигателя;

– Плавное функционирование, благодаря отсутствию возвратно-поступательных движений;

– Использование топлива с низким октановым числом.

К минусам силовой установки относят :

– Процедура по сгоранию топлива в камере цилиндра происходит не эффективно, что ведет к повышенному расходу топлива и высокой токсичности при выработке выхлопных газов;

– Высокий расход моторного масла, в связи со специфической конструкцией компонентов рассчитанной на прогар смазки;

– Нет возможности производить силовые установки на площадях, которые предназначены для выпуска классических двигателей;

– Для налаживания массового выпуска моторов такого типа требуется переоснащение огромного числа оборудования и оснастки, что просто невыгодно, а следовательно нецелесообразно.

Кроме того, не стоит забывать, что роторно-поршневые моторы очень склонны к перегреву, в связи с тем, что камера сгорания обладает линзовидной формой, то есть при небольшом объеме у нее довольно большая площадь. В процессе горения топливно-воздушной смеси, главные потери энергии происходят через излучение, интенсивность, которого пропорционально 1/4 степени от общего показателя температуры. Если данный нюанс рассматривать с точки зрения снижения удельной поверхности за счет потерь теплоты, то идеальной формой камеры сгорания должна быть сфера, то есть шар. Таким образом, образованная в процессе сгорания мощная энергия не только бесполезно выходит из камеры, то и ведет к тому, что происходит перегрев рабочей области цилиндра.

Однако, если взглянуть на конструкцию и строение роторно-поршневого двигателя, то он просто удивляет своей простотой. В принципе из основных компонентов, в мотор входят корпус, как правило, изготавливается он из стали, далее идет вал, один единственный ротор и на этом все. Справочно заметим, что все же кроме перегрева этого двигателя существует еще одна проблема – это слабые уплотнения ротора. Но, как утверждают производители, уплотнители за несколько десятков лет доработок удалось довести до ума и их срок службы приблизился к ресурсу поршневых колец в моторе, который равен в среднем от 150 до 200 тысяч километров пробега.

Кроме вышеописанных недостатков стоит еще учитывать тот факт, что если мы обладаем роторно-поршневым двигателем Ванкеля, то не каждая станция технического обслуживания готова будет нас принять для ремонта. Данная силовая установка требует особых навыков в ее обслуживании и уж тем более ремонте. Из конструктивных особенностей отметим, что тормозить мотором, как многие привыкли делать в автомобилях с традиционными двигателя, с ним не получится, ехать в гору, как говорится “в натяг” – то тут вообще никак. Дело в том, что “малыш” Ванкеля (имеется в виду мотор) слишком компактен и выдает слабую инерцию, в отличие от больших классических установок. Кроме того, роторно-поршневой мотор крайне не любит частые запуски и выключения, в итоге это приводит к быстрому уничтожению свечей зажигания. Однако звук работающего “малыша-крепыша” является его преимуществом, он очень непривычен и чем то похож на спортивный рык болида.

Вроде, как серьезные недостатки мотора закончились, теперь можно перейти к менее существенным, например всем роторным двигателям присуща слабая эластичность технических характеристик, ну и конечно же просто бессовестный расход топлива с моторным маслом. Высокий расход топлива происходит из-за больших потерь тепла через стенки камеры сгорания цилиндра, показатели процесса которого далеки от оптимального. Что касается расхода масла, то это конструкторская особенность, без нее увы никак. Ну а срок службы “крепыша” будет ниже, чем у классического мотора, в связи с быстрым износом уплотнений ротора, о которых мы говорили ранее. В среднем ресурс роторно-поршневого двигателя равен 180-200 тысяч километров пробега.

Что касается удобства пользования таким двигателем, то из-за того, что внешние параметры мотора довольно жесткие, в связи с этим придется делать частые манипуляции селектором коробки передач. По русски говоря, в процессе передвижения придется чаще дергать рычаг коробки, в связи с тем, что передаточные числа очень короткие, поэтому число передач увеличено. Оптимальным вариантом для этой установки была бы работа в паре с вариатором, но исходя из огромного расхода топлива мотором, почти все производители решили отказаться от автоматических трансмиссий по причине не целесообразности.

По большому счету роторно-поршневые двигатели обладают теми же недостатками, что и двухтактные поршневые моторы. Ремонт и обслуживание таких силовых установок происходит идентично. Кроме того, вышеописанные минусы в виде масложора, повышенного расхода топлива происходят в связи с непосредственным впрыском горючего в камеру сгорания. Кроме того, недостаточная эластичность, которая присуща эти моторам в принципе вполне неплохо регулируется изменяемыми фазами и конфигурацией трубопроводов.

2. Принцип работы роторно-поршневого двигателя

Главная деталь роторно-поршневого двигателя – это трехгранных ротор, напоминающий с виду треугольник со стесанными поверхностями на краях, который преобразует силу давления газов в камере сгорания во вращательное движение вала эксцентрикового типа. Само по себе движение ротора относительно статора происходит благодаря паре шестерен, расположенных на роторе (1-ая шестерня) и на боковой крышке статора (2-я шестерня).

Справочно заметим, что рабочая поверхность ротора и статора – это плоская кривая, которая образует окружности по краям. Благодаря такой поверхности, которая изготавливается из износостойкого покрытия, детали очень плотно прилегают друг другу и имеют почти неограниченный срок службы. На вершинах ротора устанавливаются определенные уплотнения, а на рабочих поверхностях вытачиваются специальные выемки, которые играют роль камер сгорания. Работа деталей обеспечивается вращением вала, который оборудован подшипниками, расположенными на корпусе двигателя. Кроме взаимосвязи с подшипником, вал снабжен эксцентриком цилиндрической формы, на котором происходит вращение ротора.

Первая шестерня, которая закреплена на корпусе двигателя входит в зацепление с шестерней ротора. Взаимодействие 2-ух шестерен обеспечивает движение ротора относительно корпуса, которое называется орбитальным. В результате вращения ротора появляется 3 отдельных камеры сгорания различного объема. Что касается показателя передаточного отношения, то оно всегда равно 2 к 3 . Таким образом, за 1 оборот эксцентрикового вала, ротор делает поворот на 120 градусов. Справочно заметим, что за целый оборот ротора в каждой из камер сгорания топлива происходит полный цикл, состоящий из 4-х тактов. В результате действия газовых сил в камерах через ротор на вал эксцентрикового типа передается крутящий момент силовой установки.

Как правило, между статором и ротором появляются 3 камеры сгорания, которые однотипны пространству над поршнем в двигателе. Процесс впуска происходит тогда, когда верхняя точка ротора пересекает кромку впускного вала, после этого процесса объем камеры начинает увеличиваться и в этот момент туда поступает топливно-воздушная смесь. Затем, когда следующая верхняя точка или вершина ротора перекрывает впускное отверстие, топливно-воздушная смесь начинает плавно сживаться. Затем, когда происходит наибольшее сжатие горючей смеси, свечи подают искру и после этого начинается рабочий ход двигателя. Когда начинается рабочий ход или движение, открывается еще одно отверстие, которое необходимо для выпуска отработанных газов из системы. Делается это для того, чтобы отработанные газы, как можно быстрее покинули пространство камеры сгорания. Ниже на изображении наглядно показаны все этапы работы роторно-поршневого двигателя ( Для увеличения, нажмите на изображение ).

Если краткое описать все этапы, работы ротоно-поршневого двигателя, то можно увидеть, что за 1 оборот ротора в моторе всегда будут происходит 3 разных цикла. Эта особенность делает ненужным применять специальные уравновешивающие детали, которые требуются в 2-ух секционных конструкциях, которые довольно сильно на сегодняшний день распространены на планете. Справочно заметим, что данный двигатель к сожалению не получил массового распространения и на сегодняшний день используется только одной единственной японской компанией “Mazda” в своих новых моторах с технологией “SkyActiv” и “Renesis“.

В заключении отметим, что весь рабочий процесс двигателя Ванкеля имеет 2 существенных просчета – это высокая нагрузка на уплотнители ротора и большая величина динамического перекрытия фаз. Также стоит обратить внимание на конфигурацию камеры сгорания топливно-воздушной смеси, которая не оптимальна по параметрам. Однако среди этих недочетов имеется и положительная сторона, которая заключается в том, что при повышении оборотов силовой установки, скорость распространения пламени растет значительно быстрее скорости перетекания горючей смеси по камере. О чем это говорит? А это и есть тот момент, когда специалисты говорят, что мотор не требователен к марке топлива. Таким образом, требования к октановому числу топлива у роторного получается ниже, чем у классического поршневого мотора.

История отечественного РПД

Итак, что же такое РПД? Поиск в интернете выдаст 3 основных варианта, это ручной пулемет Дегтярева, российский профсоюз докеров и… Роторно-поршневой двигатель Ванкеля.
Конструкция разработана в 1957 году Вальтером Фройде( инженер компании NSU) в соавторстве с Феликсом Ванкелем, который разрабатывал роторно-поршневой двигатель немного иной конструкции. Но сложилось именно так, что разработка в основе которой лежали идеи Фройде общеизвестна как роторно-поршневой двигатель Ванкеля т… к. главные принципы рпд и первые прототипы двигателя такой конструкции были наработаны Феликсом Ванкелем еще в 30-е годы 20 века.
Итак, в основе двигателя лежит трехгранный ротор вращающийся в эпитрохоиде и совершающий во время вращения полный четырехтактный цикл. Грузить особенностями конструкции я вас не буду. Более подробная информация по рпд здесь:
ru.wikipedia.org/wiki/Роторно-поршневой_двигатель

Отмечу 3 основных преимущества такого типа двигателя:
— с одного литра рабочего объема снимается примерно в 2 раза больше лошадиных сил чем у обычного поршневика
— двигатель очень хорошо крутится до весьма высоких оборотов
— теоретически может работать на бензине/солярке/газе/мазуте/на чем-нибудь еще что горит )

Недостатки:
— из-за особенностей конструкции кушает от 0.4 до 1 литра масла на 1000 км
— при относительно простой конструкции намного сложнее в изготовлении из-за необычного профиля деталей, а также обычно очень маленький ресурс (в особенности касается двигателей ВАЗ РПД).

Полный цикл роторно-поршневого двигателя

Серийный выпуск
Первым серийным автомобилем с РПД стал NSU Wankelspider. Затем был выпущен инновационный седан бизнес-класса NSU Ro 80 намного опережающий свое время. Автомобиль практически неизвестен т.к. заслужил плохую репутацию из-за свеого ненадежного двигателя. Его РПД хватало примерно на 50 тысяч км.
Таже с РПД эксперементировала компания Citro?n выпустив на свет модель M35.
В итоге обе компании свернули эксперименты с РПД и на сегодня в мире есть только две компании занимающиеся серийным и мелкосерийным выпуском автомобильных РПД (в авиации роторно-поршневые двигатели очень распространены). Это японская Mazda и… отечественный АвтоВАЗ =)

Про мазду конечно тоже можно написать, но раз уж тема сегодняшнего поста отечественные РПД, то будем писать про роторные тазы.

В 1961 году Минавтопром и Минсельхозмаш СССр поставили задачу разработки РПД трем научно-исследовательским институтам — НАМИ, НАТИ и ВНИИмотопрому. В период с 1961 по 1978 год были созданы опытные образцы двигателей, а также был приобретен опыт постройки роторно-поршневым двигателей, но дальше разработки не пошли

СКБ РПД
В 1974 году на Волжском автомобильном заводе было организовано конструкторское бюро роторно-поршневых двигателей во главе с Борисом Сидоровичем Поспеловым. Разработка вазовского рпд шла параллельно с изучением зарубежных образцов. Предыдущие наработок научно-исследовательских институтов страны не были задействованы В скором времени был разработан односекционный двигатель ВАЗ-311 мощностью 70 л.с. во многом копировавший двигатель mazda 13b. Затем этот двигатель установили на ВАЗ 21018 и первая опытно-промышленная партия машин (50 единиц) пошла в серию. В итоге на завод посыпалось большое количество рекламаций. Двигатели очень быстро выходили из строя. В итоге заводу пришлось заменить двигатели на 49 машинах из этой партии обычными поршневыми. В итоге организационных мероприятий численность сотрудников в СКБ урезали вдвое, а строительство новых цехов было приостановлено. В это трудное время для конструкторского бюро нужна была какая-то спасительная возможность продолжить разработки. В итоге было найдено решение. Спецслужбы были заинтересованы в нетребовательных к качеству топлива двигателях мощностью от 120 л.с. пригодных для установки в серийные авто. Такие автомобили нужны были в качестве «догонялок» т.к. в советском союзе практически отсутствовали быстрые зарубежные автомобили, а серийные советские автомобили такими мощными двигателями не обладали.(был также вариант волг с двигателями от чайки unique-autos.ru/blog/prototypes/17.html)
В итоге появился ВАЗ 21019 с двухсекционным роторно-поршневым двигателем ВАЗ-411 (ширина ротора 70мм) мощностью в 120 л.с., а позже и ВА3 413 мощностью в 140 лошадей (ширина ротора 80 мм.). Работа пошла. НА СКБ постоянно модернизировали и улучшали технологический процесс. В это же время появились ГАЗ-21, -24 и -3102 для спецслужб с двигателями ВАЗ 413.

ваз 413

Заметка про роторную «копейку» в журнале «Техника и наука» за 1983 год. (нажмите для увеличения)

Ближе к концу 80-х начались разработки двигателя для переднеприводного семейства ВАЗ, но 16 января 1987 года умер Борис Сидорович Поспелов и во главе СКБ стал Владимир Андреевич Шнякин. Примерно в то же время специалисты конструкторского бюро получают выгодный заказ на разработку роторно-поршневого двигателя для авиации. С его приходом на должность начальника СКБ приоритетным направлением стала разработка двигателей для малой авиации. В это время продолжали выпускать ВАЗ 21079 со стареньким ВАЗ 4132 несмотря на то что в 1984 году вышла перспективная переднеприводная модель ваз 2108.
В 1990 году была предпринята попытка разработать двигатель для вертолета МИ-34ВАЗ — роторного ВАЗ-430. Но в итоге ничего толкового не получилось. В дальнейшем был изготовлен легкий двигатель для дельтапланов на базе мотора от Оки — ВАЗ 1187 мощностью в 40 л.с., впоследствие модернизированный в ВАЗ 1188 (60 л.с.) для дельтапланов.

ваз 430

ваз 1187

В 1992 году в СКБ снова вернулись к автомобильной тематике и выпустили обновленный вариант двигателя — ВАЗ 414. В 1994 году был разработан универсальный двигатель ВАЗ 415 унаследовавший от 413-ого свою надежность, а от 414 модели универсальность. ВАЗ 415 стали устанавливать на передне- и заднеприводные автомобили ВАЗ. Также двигатель возможно было установить на Москвич. Трехсекционный вариант движка (ВАЗ 425) был разработан специально для Волги.
Разработку делали поспешно, двигатель получился с множеством дефектов. Некоторые из них были исправлены, а многие так и остались. По сути это был тот же карбюраторный РПД родом из 80-х. Через 3 года ВАЗ 415 получил сертификат на право его установки на автомобили общего назначения.

Надежность
Теоретически РПД в силу меньшего количества деталей должен служить дольше обычного поршневого, но вот здесь данные разнятся.
По отзывам владельцев эти двигатели редко доживают до 60 тысяч км. А до заявленного первого капремонта в 125 тысяч дожили лишь единицы. В основном эти моторы ловят клин. Скорее всего любители погонять их просто перекручивают так как по словам разработчиков:
Цитата из этого интересного текста — www.rx8club.ru/dvig/vaz.htm
Уже выстроился целый модельный ряд наших роторников: ВАЗ-413, ВАЗ-414, ВАЗ-415. Последний сумел унаследовать от 413-го двухсекционника его надежность (именно на нем была отработана специальная система смазки «угловых» уплотнений ротора, позволяющая обеспечить его надежную и длительную работу — «Волги» с таким мотором ходили по 300 тысяч километров), а от 414-го — компоновочные решения, позволяющие сделать его универсальным по применяемости для любых вазовских моделей, от «классики» и «Нивы» до «восьмерки» и «десятки».

Пакет

Даже у спортсменов с tuning-lada.ru, любителей РПД сменивших не один пакет (пакет

двигатель) нашелся долгожитель прошедший 170 тысяч км. и в живом виде снятый с машины ( www.tuning-lada.ru/articles/15/ ). Просто на нем ездили аккуратно.

И все же эти двигатели не до конца изучены и отработаны. Людей которые занимаются их доводкой и ремонтов единицы. Но все же они есть, и я знаю почему. Согласитесь, ведь интересно иметь с виду обыкновенный девятос, который при этом без напряга ускоряется до сотни за 9 секунд, а максимальная скорость его около 190 км/час. И все это в стандарте. Одним словом — экзотика.
Лично я хотел бы хоть разок прохватить на таком вот тазике с рпд…

Подкапотное пространство

Закрытие СКБ
Последнаяя модель ВАЗ с РПД это 2110-91. В настоящее время автомобили ВАЗ с РПД не производятся.
Пруфлинк: www.kommersant.ru/doc.aspx?DocsID=450828
На всякий случай написал e-mail в скб, вдруг ответят.
UPD: Вот здесь сообщается о том что в конечном итоге СКБ РПД было перерегистрировано на другое юридическое лицо — КБ РПД, но впоследствие проработало недолго и в 2007 году все самое ценное оборудование было вывезено отуда в Москву, а остальное пущено на метеллолом. Грустно это все…

— Список моделей с РПД и их ТТХ: ladaonline.ru/catalog/index.php?SECTION_ID=355
— Сайт о РПД, выглядит страшновато, но информация полезная и интересная: vankel.narod.ru/
— Сайт гонщиков из татарстана, любителей РПД. Здесь можно много полезного почитать о тюнинге РПД — tuning-lada.ru
— Ваз о своих роторно-поршневых двигателях. Интересное повествование от самих констукторов. Если хотите знать все в подробностях, вам сюда — www.rx8club.ru/dvig/vaz.htm
— FAQ по РПД — faqs.org.ru/cars/parts/rpd.htm
— Статья из журнала «За рулем» где сравниваются ваз 21106 и ваз 21099 РПД — www.zr.ru/a/8496/
— Статья Костина К.А. об РПД zhurnal.lib.ru/k/kostin_k_a/porshenxilirotor.shtml
— Сайт DTT Motorsport. Здесь есть высококвалифицированные специалисты по РПД — dtt-motorsport.ru/forum/index.php (здесь мне помогли с некоторыми фотографиями и информацией по двигателям)

— Сайт собравший в себя наиболее полную информацию о применений роторно-поршневых двигателей. Наследие Феликса Ванкеля — www.volnovoidvigatel.spb.ru/index.htm (страничка СКб РПД со списком всех моделей двигателей и краткой информацией — www.volnovoidvigatel.spb.ru/p23.htm)

Ссылка на фотоленту сборки этого мотора: photofile.ru/users/caesar/2394215/

P.S.
Извиняйте что статья не изобилирует большим количеством картинок т.к. внешне автомобили ничем не выделяются, да и инфы по ним практически нет. Кстати буду признателен, если найтеде что-то на эту тему либо если у вас будут исправления и дополнения к статье.
В качестве дополнения:

Lada 2110 RPD

Спортивная версия десяточки инфа по которой (вместе с ттх): www.clafre.com/vaz/110/2110-rpd.php
Выдержка из газетной статьи про эту машину и пара интересных фотографий: dtt-motorsport.ru/forum/viewtopic.php?f=13&t=35
UPD: Статья в ЗР за 1999 год про Lada 2110 RPD рассказывающая о причинах выбора двухсекионного рпд взамен поршневому двигателю и раскрывающая некоторые подробности. Особенно порадовала фотография моторного отсека с установленным РПД: www.zr.ru/archive/zr/1999/04/na-nashiei-oblozhkie#50
Надеюсь что найдется что-то еще…

UPD 8.12.12:
Роторно-поршневые двигатели разработанные в СКБ РПД ОАО «Автоваз» в период с 1975-2001 гг.