Двигатель Ванкеля. Роторно-поршневой двигатель Феликса Ванкеля

Основные типы двигателей внутреннего сгорания и паровые машины имеют один общий недостаток. Он состоит в том, что возвратно-поступательное перемещение требует преобразования во вращательное движение. Это, в свою очередь, обуславливает низкую производительность, а также достаточно высокую изнашиваемость деталей механизма, включенных в различные типы двигателей.

Довольно много людей задумывались о том, чтобы создать такой мотор, в котором подвижные элементы только вращались. Однако решить эту задачу удалось только одному человеку. Феликс Ванкель – механик-самоучка - стал изобретателем роторно-поршневого двигателя. За свою жизнь этот человек не получил ни какой-либо специальности, ни высшего образования. Рассмотрим далее подробнее роторно-поршневой двигатель Ванкеля.

Краткая биография изобретателя

Феликс Г. Ванкель родился в 1902 году, 13 августа, в небольшом городке Лар (Германия). В Первую Мировую отец будущего изобретателя погиб. Из-за этого Ванкелю пришлось бросить учебу в гимназии и устроиться помощником продавца в лавке по продаже книг при издательстве. Благодаря этому он пристрастился к чтению. Феликс изучал технические характеристики двигателей, автомобилестроение, механику самостоятельно. Знания он черпал из книг, которые продавались в лавке. Считается, что реализованная позднее схема двигателя Ванкеля (точнее, идея ее создания) посетила во сне. Неизвестно, правда это или нет, но точно можно сказать, что изобретатель обладал незаурядными способностями, тягой к механике и своеобразным взглядом на многие вещи.

Первые типы двигателей

Изобретатель, поняв, как можно осуществить все 4 цикла обычного мотора при вращении, приступил к конструированию. В 1924 году Ванкель создал небольшую мастерскую. Она также выполняла роль лаборатории. Именно здесь Феликс Ванкель стал изучать роторно-поршневые системы. В 1936 году модель, собранная изобретателем, заинтересовала компанию "БМВ". Ванкель получил деньги, ему была предоставлена собственная лаборатория в Линдау.

Там он должен был разрабатывать опытные образцы авиамоторов. Однако до самого конца Второй мировой ни один роторный двигатель Ванкеля не был отправлен в серийное производство. Вероятно, это было вызвано тем, что доведение конструкции до пригодного к эксплуатации состояния и наладка массового производства требовали достаточно много времени

Послевоенные годы

После разгрома фашизма лаборатория была закрыта, а все оборудование, которое там находилось, было переправлено во Францию. В итоге Ванкель остался без работы. Этому поспособствовало его бывшее членство в национальной социалистической партии. Но спустя небольшой период времени Феликса пригласили в компанию NSU в качестве инженера-конструктора. Это предприятие на тот момент считалось старейшим производителем автомобилей и мотоциклов.

Опытный образец

В 1957 году, благодаря поддержке Вальтера Фреде (ведущего инженера в компании NSU), роторно-поршневой двигатель был впервые поставлен на автомобиль. Мотор был установлен на NSU Prinz. Однако первоначальная конструкция была очень далека от совершенства. Она была настолько сложной, что даже для замены свечей нужно было разобрать почти весь мотор. Кроме этого, конструкция была очень ненадежна, неэкономична и имела очень низкий КПД. Двигатель Ванкеля в связи с этим не пошел в серию. Автомобили отправились на конвейер с традиционным ДВС. Тем не менее роторно-поршневой двигатель доказал не только право на свое существование, но и продемонстрировал впечатляющий для того времени потенциал. Перспективы его использования были настолько привлекательны, что инженеров-конструкторов ничего не смогло остановить. Сам изобретатель понимал, что его детище требует усовершенствования, он стремился к тому, чтобы и функционирование, и ремонт двигателя вызывали как можно меньше затруднений. С этого момента началась активная деятельность по доведению мотора до эксплуатационного совершенства.

Двигатель Ванкеля: конструкция

Что собой представляет мотор? В центре ротора имеется круглое отверстие. Оно изнутри покрыто зубцами, как на шестеренке. В отверстие вставляется вал с меньшим диаметром. На нем также есть зубцы. Они препятствуют проскальзыванию вала. Отношения диаметров подбираются таким образом, чтобы перемещение вершин треугольников осуществлялось по одной замкнутой кривой. Она именуется "эпитрохоида". Задача Ванкеля состояла в том, чтобы для начала понять, что работа такого механизма возможна. Затем ему нужно было все точно и верно рассчитать. В результате поршень, выполненный в форме треугольника Рело, отсекает три камеры переменного положения и объема.

Особенности

Конструктивная характеристика двигателя значительно выигрывает в сравнении с обычными моторами. В частности, герметизация камер обеспечивается за счет торцевых и радиальных уплотнительных пластин. Они прижимаются к "цилиндру" с помощью ленточных пружин, давления газа и центробежных сил. Особого внимания заслуживает и характеристика двигателя с точки зрения производительности. За весь цикл вал совершает 3 полных оборота. В обычном поршневом моторе такого результата можно добиться при использовании шести цилиндров.

Внедрение в промышленность

После проведения первой успешной демонстрации в 1957 году двигатель Ванкеля заинтересовал крупнейших автогигантов того времени. Так, первой компанией, выкупившей лицензию, стала Curtiss-Wright. Спустя год изобретение стали использовать такие известные предприятия, как Mazda, Friedrich Krupp, MAN и Daimler-Benz. За достаточно непродолжительный период лицензии приобрело порядка ста компаний, в том числе с мировым именем: Ford, BMW, Porsche, Rolls-Royce.

Преимущества

Какие достоинства имеет двигатель Ванкеля? Принцип работы мотора заключается в том, что реализация любого четырехтактного цикла осуществляется без использования механизма газораспределения. Благодаря этому значительно упрощается конструкция мотора. В обычном 4-тактном поршневом моторе примерно на тысячу элементов больше. Огромный интерес крупнейших автомобильных предприятий был вызван потенциалом конструкции. Несомненными преимуществами является простота производства, несложный ремонт двигателя, компактность и небольшой вес. Все это способствует улучшению управляемости машины, облегчает расположение трансмиссии.

Компактность мотора позволяет создать удобный и довольно просторный салон. Усовершенствованные модели двигателя способны развивать высокую мощность при достаточно экономном расходе топлива. К примеру, современный мотор при объеме 1300 см³ обладает 220 л. с. Если оснастить двигатель Ванкеля турбокомпрессором, то можно получить мощность до 350 л. с. Еще одним достоинством конструкции является очень низкий уровень вибраций и шумов. Двигатель Ванкеля отличается механической уравновешенностью. Снижение уровня шумов и вибрации достигается небольшим количеством деталей (их на 40% меньше, чем в традиционных моторах). Стоит также отметить и динамические характеристики мотора. На низкой передаче без особенной нагрузки можно разогнать машину до 100 км/ч при высоких оборотах. В конструкции мотора отсутствует механизм, преобразовывающий возвратно-поступательное перемещение во вращательное. За счет этого двигатель Ванкеля может выдерживать большие обороты в сравнении с традиционными ДВС.

Завершение эйфории

В 1964-м вышел автомобиль NSU Spyder, а после него была выпущена легендарная модель Ro 80. И в настоящее время в мире достаточно много существует клубов любителей этих машин. Затем с конвейера сошли такие модели, как Corvette XP, Mercedes C-111, Citroen M35. Однако единственной компанией, которая занялась массовым производством, стала Mazda. С 1967 года она выпускала по 2-3 новых автомобиля с РПД. Двигатель Ванкеля ставили на легкие самолеты, снегоходы, катеры. В 1973 году наступил конец эйфории. В то время нефтяной кризис был в разгаре. Именно в этот период проявился основной недостаток РПД – неэкономичность. Кроме компании Mazda, все производители свернули программы по выпуску автомобилей с роторными двигателями. Однако только Mazda продолжала выпуск таких машин. У компании значительно сократились продажи в Америке.

Недостатки РПД: недолговечность и ненадежность

Наряду с достоинствами, роторные двигатели обладали и существенными минусами. В первую очередь, они были очень недолговечными. Так, одна из первых моделей РПД в ходе испытаний выработала весь ресурс за 2 часа. Более успешный прототип смог выдержать 100 часов. Однако это не обеспечивало нормальной эксплуатации машины. Главная проблема состояла в неравномерности износа внутренней поверхности камеры. В ходе работы на ней образовывались поперечные борозды. Они получили весьма красноречивое название: "метки дьявола". После получения лицензии компания Mazda сформировала специальный отдел, который занимался усовершенствованием мотора. Вскоре выяснилось, что в процессе вращения ротора заглушки, расположенные на его вершинах, начинают вибрировать. Из-за этого и появляются эти борозды. Сегодня проблема долговечности и надежности решена. Для этого в производстве используется высококачественное покрытие, в том числе и керамическое.

Высокая токсичность выхлопов

Это еще один недостаток РПД. В сравнении с традиционными моторами, двигатель Ванкеля выделяет меньшее количество окислов азота, но во много раз больше углеводородов, что обусловлено неполным сгоранием топлива. Инженеры Mazda достаточно быстро нашли эффективное решение проблемы. Специалисты создали "термальный реактор". В нем происходит "дожигание" углеводородов. Mazda R 100 стала первым автомобилем, в котором был применен этот элемент. В 1968 была выпущена еще одна модель с "термальным реактором" - Familia Presto Rotary. Это авто, одно из немногих, сразу прошло достаточно жесткую экологическую проверку, выдвинутую США в 1970-м для импортируемых ТС.

Экономичность

Это еще одна проблема РПД. Частично она вытекает из описанной выше. Расход топлива в стандартном РПД значительно выше, чем у ДВС. Эта проблема снова была решена специалистами Mazda. Внедрив комплекс мер, в числе которых переработка карбюратора и термореактора, добавление в выхлопную систему теплообменника, создание нового зажигания и разработка каталитического конвектора, инженеры добились снижения расхода на 40%. Это позволило выпустить в 1978 году модель RX-7.

Отечественное производство

Кроме компании Mazda, автомобили с РПД выпускал и "АвтоВАЗ". В 1974-м на заводе было сформировано специальное конструкторское бюро. В Тольятти началось строительство цехов для серийного выпуска РПД. В связи с тем, что первоначально предполагалось, что ВАЗ будет просто копировать западную технологию, было решено наладить воспроизводство двигателя Mazda. При этом совершенно не учитывались многолетние наработки отечественных институтов моторостроения.

Достаточно долго велись переговоры между Ванкелем и советскими чиновниками. Некоторые встречи проходили непосредственно в Москве. Денег, однако, было недостаточно, поэтому использовать некоторые технологии так и не удалось. В 1976-м был выпущен первый односекционный мотор ВАЗ-311. Его мощность составила 65 л. с. В течение последующих пяти лет проводилась доводка конструкции. После этого завод выпустил 50 опытных автомобилей с двигателем Ванкеля. Они мгновенно разошлись среди сотрудников предприятия. Однако вскоре выяснилось, что мотор в машинах только внешне был похож на японский. Конструкция его была крайне ненадежна. В течение полугода все двигатели были заменены, а штат конструкторского бюро был сокращен.

Однако отечественное производство мотора было спасено спецслужбами. Их не слишком беспокоил ресурс конструкции и расход топлива. Больше их привлекали динамические характеристики двигателя. В короткое время из двух моторов ВАЗ-311 был собран один двухсекционный. Его мощность увеличилась почти вдвое – до 120 л. с. Двигатель стали ставить на специальную единицу – ВАЗ-21019. Эта модель получила неофициальное наименование "Аркан".

Перепрофилирование

Спецзаказы вдохнули вторую жизнь в конструкторское бюро. На ВАЗе стали выпускать двигатели для авто- и водного спорта. Машины стали часто завоевывать первые места. Спортивные чиновники, в свою очередь, были вынуждены запретить использование РПД. В 1987 на смену Поспелову (руководителю конструкторского бюро) пришел Шнякин. Он недолюбливал наземный транспорт, тяготея больше к авиации. С начала его руководства СКБ перепрофилировало свою деятельность на выпуск двигателей для воздушных машин. Это была неверная стратегия, поскольку самолетов в стране выпускается намного меньше, чем автомобилей. Завод же получал прибыль преимущественно с продажи автомоторов.

Следующей ошибкой стала переориентация на маломощные двигатели. Японцы устанавливают РПД на спортивные машины. А ВАЗ выпускал мололитражные модели "Ока", несмотря на то что динамичные моторы целесообразнее было бы ставить на более быстроходные авто. Так или иначе, на отечественных дорогах оказалось несколько микролитражек "Ока" с РПД. К 1998 году, наконец, завершилась подготовка гражданского варианта двухцилиндрового 1.3-литрового роторного мотора. Его устанавливали на модели ВАЗ 2107-2109 и 2105.

В заключение

Почему же ведущие производители мира все еще не перешли окончательно на выпуск машин с РПД? Дело в том, что для изготовления таких моторов необходима, в первую очередь, очень точная технология, включающая в себя множество разнообразных нюансов. Не каждая, даже крупная компания, может пойти по пути Mazda. Кроме того, дело в оборудовании. Для выпуска двигателя Ванкеля необходимы высокоточные станки для вытачивания поверхностей с эпитрохоидой. Для оборудования, которое используется сегодня на заводах, такая работа вполне выполнима. Сегодня серьезными исследованиями РПД занимается только Mazda. Инженеры компании постоянно совершенствуют конструкцию, решают множество различных проблем. Выпускаемые в Японии роторные двигатели соответствуют принятым в мире стандартам по надежности, расходу топлива и экологичности.