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.
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.
