Двигатель ванкеля своими руками

Устройство автомобилей

Общие сведения

Поршневой двигатель внутреннего сгорания занял прочные позиции под капотом подавляющего большинства автомобилей и другой самоходной техники. Этому способствовала простота преобразования теплоты в механическую работу, а также достаточно высокий КПД по сравнению с другими тепловыми двигателями.

Тем не менее, конструкция с классическим кривошипно-шатунным механизмом и поршнем, совершающим во время работы возвратно-поступательные движения, не лишена серьезных недостатков.
Одним таких недостатков является высокая инерционная нагрузка на детали, обусловленная именно характером движения поршня (или поршней), имеющих знакопеременные скорости и ускорения, что при даже небольшой массе поршня приводит к появлению значительных сил инерции, и, как следствие, к повышенной вибрации двигателя во время работы и необходимости его уравновешивания.
Кроме этого, поршневой ДВС нуждается в сложной системе газообмена, которая решается применением газораспределительного механизма (ГРМ), существенно усложняющего конструкцию двигателя.

Поэтому конструкторы во всем мире продолжают поиск оригинальных решений для конструкций ДВС, пытаясь избавиться от недостатков поршневого двигателя.
В середине прошлого века инженеры немецкой компании NSU Motorenwerke AG (NSU) Вальтер Фройде и Феликс Ванкель вплотную занялись разработкой уникальной конструкции теплового двигателя, в котором поршень во время работы совершал бы не возвратно-поступательное, а вращательное движение. Если верить историкам, автором идеи являлся Феликс Ванкель, который в еще в далекой молодости задумался о замене поршня на ротор, но приступить к реализации своих замыслов из-за финансовых трудностей он смог лишь в зрелые годы.

Биография Феликса Ванкеля

Феликс Ванкель (нем. Felix Heinrich Wankel) родился в 1902 году в германском городке Лар. Детство и молодость Ванкеля были нелегкими – его отец погиб в Первую Мировую войну, и у Феликса не было средств не только на учебу в ВУЗе, но даже на обучение какой-либо рабочей специальности. Но любовь к технике и природный ум позволили юному изобретателю самостоятельно освоить грамотность и даже углубленно изучить многие технические дисциплины.

Идея конструкции роторно-поршневого двигателя (РПД) пришла к Ванкелю еще в 22 года (а по одной из легенд 17-летний Ванкель увидел РПД во сне), но для ее реализации нужны были исследования, опытные разработки и, конечно же, финансы.
Свой двигатель Ванкель назвал «машиной с вращающимися поршнями» и 1936 году получил на нее патент, а также приглашение от компании BMW перебраться в Баварию, в город Линдау, чтобы заняться разработкой авиационных моторов в условиях хорошо оснащенной лаборатории.
Мечты начинали сбываться, однако через несколько лет работа над двигателем была прервана войной.

Тем не менее, еще до начала войны Ванкель построил несколько рабочих прототипов роторно-поршневого двигателя, однако изобретатель никак не мог определиться с оптимальной формой ротора и внутренней поверхности статора. Экспериментируя с эллипсовидными и овальными формами, он не мог добиться нужной степени уплотнения между ротором и камерой сгорания. По-видимому, сказывались недостатки образования, полученного в молодые годы, особенно скупость познаний в математике и геометрии.

В 1942 году лаборатория Ванкеля в Линдау была распущена, а сам изобретатель был переведен на работу в конструкторское бюро DVL, занимавшееся разработкой моторов для военной авиации и быстроходных катеров.
В последние годы войны Ванкель тесно сотрудничал со специалистами японской компании Hitachi, благодаря чему в Японии было выпущено несколько моделей скоростных истребителей. Судьба довоенных и военных разработок Ванкеля неизвестна. По одной из версий все документы, касающиеся разработок и исследований лаборатории Ванкеля, были вывезены во Францию в качестве репарационного трофея после победы над фашистской Германией.

После войны в 1951 году роторно-поршневым двигателем заинтересовалась компания «Гётце» (Goetze), которая выделила средства на восстановление частной лаборатории Ванкеля в Линдау. В том же году Феликс Ванкель возобновил разработку РПД.
Главным заказчиком Ванкеля стала немецкая компания NSU, производившая мотоциклы и автомобили.

Безуспешные поиски оптимальной формы ротора и статора продолжались бы долго, если бы не помощь вдохновленного идеями РПД инженера компании NSU Вальтера Фройде. Именно он в 1957 году нашел оптимальное сочетание формы ротора и камеры сгорания.
Тем не менее, изобретателем роторно-поршневого двигателя справедливо считается Феликс Ванкель – ведь именно ему принадлежит сама идея РПД, над которой он упорно работал долгие годы. И двигатель, конструкции которого Ванкель посвятил практически всю свою сознательную жизнь, по праву носит его имя.
В 1958 году компания NSU выпустила первый в мире автомобиль с РПД, но конструкция была «сырой» и нуждалась в дальнейшей доработке.

После того, как в 1969 году компания NSU перешла под контроль концерна Volkswagen, Феликс Ванкель продолжил работу в своем центре в Линдау над совершенствованием РПД по заказам японской компании Toyo Kogyo, позднее сменившей имя на Mazda, и советской компании «ВАЗ».
Феликс Ванкель работал над конструкцией роторно-поршневого двигателя до самой смерти. Он умер 9 октября 1988 года в Хайдельберге в возрасте 86 лет.

Любопытно, но Феликс Ванкель никогда в жизни не садился за руль автомобиля. С раннего детства него было очень слабое зрение.
Известно также, что он старался избегать математических расчетов, полагаясь на интуицию. Здесь, очевидно, сказывается и недостаток образования, полученного в юности. Тем не менее, этот факт лишь подчеркивает уникальный природный талант изобретателя.

Конструкция двигателя Ванкеля

Конструкция роторно-поршневого двигателя не отличается высокой сложностью. На эксцентриковом валу установлен ротор треугольной формы (треугольник Рёло), каждая из граней которого имеет форму выпуклой дуги.

Треугольник Рёло ограничивает площадь, образуемую при пересечении трёх кругов одинакового диаметра с центрами в вершинах правильного треугольника и радиусами, равными стороне этого треугольника (см. рисунок).
Стороны такого треугольника, по сути, являются дугами окружностей одинакового диаметра.
Как геометрическая фигура, треугольник Рёло обладает рядом уникальных свойств, которые и используются в технике — на его основе были созданы кулачковые и грейферные механизмы, роторно-поршневой двигатель Ванкеля, и даже станки, позволяющие сверлить (фрезеровать) квадратные отверстия.
Название фигуры происходит от фамилии немецкого механика Франца Рёло, исследовавшего ее свойства и использовавшего этот криволинейный треугольник в своих механизмах.

Ротор вращается по принципу планетарного механизма вокруг центральной оси внутри неподвижного статора. Вершины треугольника при этом описывают сложную кривую, именуемую эпитрохоидой.
Каждая из трех вершин ротора скользит по внутренней поверхности статора, имеющей форму эпитрохоиды, при этом серповидные полости (камеры) между ротором и статором постоянно изменяются, последовательно увеличиваясь и уменьшаясь в объеме.

Эпитрохоидой называют плоскую кривую, образуемую точкой окружности, которая без скольжения перекатывается по наружной стороне другой окружности.

Для изоляции камер друг от друга используются специальные уплотнители — радиальные и торцевые подпружиненные пластины, называемые «апексами».

Газораспределение в двигателе Ванкеля осуществляется через специальные окна – впускное и выпускное, т. е. конструкция не нуждается в сложном клапанном механизме ГРМ, как у четырехтактного поршневого двигателя.

Рабочий цикл двигателя Ванкеля можно разложить на следующие такты:

• всасывание топливовоздушной смеси через впускное окно благодаря образованию разрежения в пространстве между ротором и статором. Может применяться впуск чистого воздуха с последующим впрыском топлива форсункой;
• сжатие смеси благодаря уменьшению объема между вращающимся ротором и статором, после чего смесь воспламеняется электрической искрой свечи зажигания;
• рабочий ход совершается благодаря высокому давлению продуктов горения на одну из криволинейных стенок ротора в камере сгорания, при этом ротор вращается и передает усилие на цилиндрический эксцентрик выходного вала;
• выпуск — пространство между статором и вращающимся ротором уменьшается в объеме, и отработанные газы вытесняются через выпускное окно.

Преимущества и недостатки двигателя Ванкеля

Перед поршневыми двигателями роторно-поршневой двигатель Ванкеля имеет ряд существенных преимуществ:

• хорошая механическая уравновешенность, низкий уровень вибрации;
• относительно нешумная работа;
• высокие динамические характеристики и уравновешенность позволяют очень быстро раскрутить вал двигателя до высоких оборотов;
• высокая удельная мощность благодаря малой массе, поскольку конструкция не содержит промежуточных паразитических элементов, в т. ч. для уравновешивания (шатуны, коленчатый вал, массивный маховик);
• меньшие габаритные размеры;
• меньшее число деталей и относительно простая конструкция.

К основным недостаткам двигателя Ванкеля можно отнести следующее:

• высокое давление между трущимися поверхностями приводит к интенсивному износу и нагреву двигателя, поэтому возникает потребность в частой замене уплотнителей и контроле над качеством и количеством моторного масла;
• относительно небольшой ресурс из-за интенсивного износа основных деталей;
• следствием износа уплотнителей являются высокие утечки между камерами и, как следствие, снижение динамики, падение КПД и увеличение токсичности выхлопа;
• меньшая экономичность по сравнению с поршневыми двигателями классической конструкции. Автомобили с РПД потребляют от 7 до 20 литров топлива на 100 км, в зависимости от режима движения, моторного масла — от 0,4 л до 1 л на 1000 км.
• высокие требования к геометрической точности изготовления деталей двигателя делают его сложным в производстве.

Первые роторные двигатели, устанавливавшиеся на автомобили, не произвели фурора среди потребителей. Особенно сильно по «репутации» РПД ударил топливный кризис 1973-74 года, когда цены на бензин резко взлетели, и покупатели машин стали прицениваться к моделям с экономным расходованием топлива. Роторно-поршневой двигатель расходовал до 20 литров бензина на сотню километров пробега, поэтому неудивительно, что продажи автомобилей с РПД во время кризиса упали до предела.
Единственной автомобильной компанией, не отказавшейся от «затеи» с роторно-поршневым двигателем, оказалась японская Mazda, где РПД использовался в различных моделях вплоть до 2012 года.
Достаточно долгое время автомобили с роторно-поршневыми двигателями выпускались и на советском ВАЗе (в СССР понятия «топливный кризис» не существовало).

Особенности эксплуатации роторно-поршневого двигателя

Роторно-поршневой двигатель требует особого ухода по сравнению с классическим поршневым ДВС.
РПД боится перегревов, боится масляного «голодания», и чувствителен к качеству топлива.

Расход масла РПД существенно выше, чем у исправного поршневого ДВС, поэтому необходимо внимательно следить за его уровнем в смазочной системе. Даже небольшой масляный «голод», способен вывести двигатель в капитальный ремонт или даже в утиль.
Для удаления нагара, образуемого на стенках статора, следует регулярно (но непродолжительно) форсировать двигатель (давать высокие обороты). Так же, нужно контролировать состояние масляных форсунок.

Признаки скорого отказа двигателя Ванкеля связаны чаще всего с износом рабочих поверхностей и уплотнителей, что обычно диагностируется заметным снижением компрессии. К таким признакам можно отнести неустойчивую работу на холостом ходу, и затрудненный пуск горячего двигателя.

Применение РПД в технике

Двигатель разрабатывался изначально именно для применения на автотранспорте. Первый серийный автомобиль с роторным двигателем — немецкий спорткар NSU Spider, первый автомобиль серийного производства — немецкий седан бизнес-класса NSU Ro 80.

К сожалению, ресурс двигателя Ванкеля на этих автомобилях оказался крайне малым (ремонт требовался уже после пробега порядка 50 тыс. км), поэтому первые автомобили, оснащенные РПД, заслужили плохую репутацию и даже скандальную известность.

Тем не менее, определенные и явные достоинства двигателей Ванкеля привлекали внимание конструкторов и инженеров, пытавшихся усовершенствовать конструкцию технически и технологически.

Наиболее настойчивыми и удачливыми оказались инженеры компании Mazda, создавшие роторно-поршневые двигатели серии «Renesis», которые оказались достаточно экономичными и экологичными по сравнению с немецкими предшественниками. Японским конструкторам удалось значительно сократить потребление масла и бензина, а также довести выброс вредных веществ до норм, соответствующих Euro IV.

Автомобили марки Mazda с индексом «RE» в наименовании (первые буквы от названия «Renesis») могут использовать в качестве топлива как бензин, так и водород (РПД менее чувствителен к детонации, чем поршневой двигатель). Это явилось очередным витком роста внимания к РПД со стороны разработчиков.

В 2019 году российские учёные из Центрального института авиационного моторостроения им. П. И. Баранова и Фонда перспективных исследований решили эту проблему, создав РПД на основе материалов нового поколения с использованием металло-керамических композитов.
Согласно результатам испытаний, износ этих элементов значительно ниже, чем у аналогичных металлических. Это подтвердило возможность и перспективность применения композиционных материалов для изготовления наиболее нагруженных и проблемных элементов конструкции РПД. В новом отечественном двигателе применена также специально разработанная для РПД система турбонаддува с охлаждением воздуха и новая система управления.
Каковы дальнейшие перспективы использования двигателя Ванкеля в автомобилестроении – покажет время.

Характеристика

Итак, что это за мотор? Это двигатель внутреннего сгорания, который был разработан Феликсом Ванкелем в 1957 году. Функцию поршня в данном агрегате выполнял трехвершинный ротор. Он совершал вращательные движения внутри полости особой формы.

После ряда экспериментальных моделей мотоциклов и автомобилей, которые пришлись на 70-е годы прошлого века, спрос на двигатель Ванкеля существенно снизился. Хотя на сегодняшний день ряд компаний все равно работает над совершенствованием данного ДВС. Так, можно встретить двигатель Ванкеля на «Мазде» серии РХ. Также данный агрегат нашел свое применение в моделизме.

Самостоятельное изготовление двигателя

Одним из самых проблематичных моментов при выполнении любого роторного движка — это воссоздание эффективной уплотняющей системы, необходимой для создания замкнутого объёма в рабочих камерах рассматриваемого типа решений. Пока что в схемах это считается одним из главных препятствий. Тут предстоит выполнить сложную в изготовлении уплотнительную систему.

Дабы набить руку и набраться положительного опыта в данном занятии, можно попробовать выполнить компактный рабочий вариант решения рассматриваемого типа непосредственно с «нуля».

Ориентировочный показатель мощности одной из роторных секцией будет находиться в районе сорока лошадиных. А значит, движок рассматриваемого типа, скажем, с двумя секциями, достигнет показателя в восемьдесят лошадиных сил. И так далее по схожему принципу.

В целом, изготовление такого типа решений всегда идет с оптимальным ритмом, при том что можно и вовсе отказаться от сторонних элементов. Как правило, корпусная часть таких решений выполняется из конструкционной стали легированного типа, подвергнутой упрочнению термохимического типа и стойкой к высоким температурам.

Как вариант, оптимальной твердостью поверхностного слоя можно подобрать показатель в районе семидесяти HRC. По части глубины, термически упроченный слой находится в районе полтора миллиметров. Аналогичным образом обрабатываются и до того же показателя твердости и устойчивости к износам уплотнения радиального и торцевого типа.

Такое решение обладает воздушным охлаждением, а смазочное масло будет поступать к камере сжатия посредством двух специальных форсунок. То есть, в данном случае не потребуется смешивать масло и бензин, как это бывает в двухтактных вариациях.

Движок рассматриваемого типа ставят на токарный станок, где он в течение нескольких часов подвергается обкатке без воздействиями температуры. Таким образом, можно оценить эффективность уплотнений и герметичность выполняемых секций как достаточно приемлемую.

Впоследствии можно измерить уровень давления, который наблюдается в зоне сжатия.

Как работает двигатель Ванкеля

Принцип работы роторного двигателя видео которого размещено на страничке, напоминает лопастной ротор. Только конструкция имеет гораздо более перспективные решения. Если в лопастном моторе вращение ротора было переменным и требовало преобразователя в постоянное вращение, то роторно-поршневой мотор спокойно передавал огромный крутящий момент прямо на механизм отбора мощности. Двигатель состоит из нескольких непростых в изготовлении, но надежных элементов:

• ротор в виде треугольника с выпуклыми сторонами;
• цилиндр сложного профиля (эпитрохоида, так называется эта кривая);
• вал-эксцентрик, который принимает крутящий момент;
• уплотнительные элементы на вершинах ротора-поршня.

Гениальная в своей простоте конструкция обходится вообще без кривошипов, механизма газораспределения, которые отбирают львиную долю КПД у обычного поршневого двигателя. Проблемными элементами, которые тормозили развитие роторного двигателя, стали уплотнители, но уже к началу 60-х годов проблема была решена и мотор пошел в серийный выпуск.

В отличие от поршневого агрегата, в котором цилиндр нагревается процессом горения, а затем охлаждается входящим зарядом, корпуса ротора Wankel постоянно накаляются с одной стороны и остывают с другой, что приводит к высоким локальным температурам и неравному тепловому расширению. Хотя это предъявляет большие требования к используемым материалам, простота Ванкеля облегчает употребление в изготовлении таких веществ, как экзотические сплавы и керамика.

Среди сплавов, предназначенных для использования в Ванкеле, используются A-132, Inconel 625 и 356 с твердостью Т6. Для покрытия рабочей поверхности корпуса используется несколько высокопрочных материалов. Для вала предпочтительны стальные сплавы с малой деформацией при нагрузке, для этого предложено использование массивной стали.

Принцип работы роторного двигателя

Принцип работы роторно-поршневого двигателя заставил в своё время многих талантливых инженеров удивлённо вскинуть бровями. И сегодня талантливые инженеры компании Мазда заслуживают всяческих похвал и одобрения. Шутка ли, поверить в производительность, казалось бы, похороненного двигателя и дать ему вторую жизнь, да ещё какую!

Ротор имеет три выпуклых стороны, каждая из которых действует как поршень. Каждая сторона ротора имеет углубление в ней, что повышает скорость вращения ротора в целом, предоставляя больше пространства для топливо-воздушной смеси. На вершине каждой грани находится по металлической пластине, которые и формируют камеры, в которых происходят такты двигателя. Два металлических кольца на каждой стороне ротора формируют стенки этих камер. В середине ротора находится круг, в котором имеется множество зубьев. Они соединены с приводом, который крепится к выходному валу. Это соединение определяет путь и направление, по которому ротор движется внутри камеры.

Камера двигателя приблизительно овальной формы (но если быть точным — это Эпитрохоида, которая в свою очередь представляет собой удлиненную или укороченную эпициклоиду, которая является плоской кривой, образуемой фиксированной точкой окружности, катящейся по другой окружности). Форма камеры разработана так, чтобы три вершины ротора всегда находились в контакте со стенкой камеры, образуя три закрытых объемах газа. В каждой части камеры происходит один из четырех тактов:

• Впуск
• Сжатие
• Сгорание
• Выпуск

Отверстия для впуска и выпуска находятся в стенках камеры, и на них отсутствуют клапаны. Выхлопное отверстие соединено непосредственно с выхлопной трубой, а впускное напрямую подключено к газу.

Выходной вал роторного двигателя

Выходной вал имеет полукруглые выступы-кулачки, размещенные несимметрично относительно центра, что означает, что они смещены от осевой линии вала. Каждый ротор надевается на один из этих выступов. Выходной вал является аналогом коленчатого вала в поршневых двигателях. Каждый ротор движется внутри камеры и толкает свой кулачок.

Строение роторного двигателя

Роторный двигатель состоит из слоев. Двухроторный двигателя состоят из пяти основных слоев, которые удерживаются вместе благодаря длинным болтам, расположенным по кругу. Охлаждающая жидкость протекает через все части конструкции.

Центр состоит из двух камер подачи топлива, по одной для каждого ротора. Он также разделяет эти два ротора, поэтому его внешняя поверхность очень гладкая.

В центре каждого ротора крепится две большие шестерни, которые вращаются вокруг более маленьких шестерней и крепятся к корпусу двигателя. Это и является орбитой для вращения ротора.

Конечно же, если бы у роторного мотора не было недостатков, то он обязательно бы применялся на современных автомобилях. Возможно даже, что, если бы роторный двигатель был безгрешен, мы и не узнали бы про двигатель поршневой, ведь роторный создали раньше. Затем человеческий гений, пытаясь усовершенствовать агрегат, и создал современный поршневой вариант мотора.

Но к сожалению, минусы у роторного двигателя имеются. К таким вот явным ляпам этого агрегата можно отнести герметизацию камеры сгорания. А в частности, это объясняется недостаточно хорошим контактом самого ротора со стенками цилиндра. При трении со стенками цилиндра металл ротора нагревается и в результате этого расширяется. И сам овальный цилиндр тоже нагревается, и того хуже — нагревание происходит неравномерно.

Если в камере сгорания температура бывает выше, чем в системе впуска/выпуска, цилиндр должен быть выполнен из высокотехнологичного материала, устанавливаемого в разных местах корпуса.

Для того чтобы такой двигатель запустился, используются всего две свечи зажигания. Больше не рекомендуется ввиду особенностей камеры сгорания. РПД наделён бывает совершенно иной камерой сгорания и выдаёт мощность три четверти рабочего времени ДВС, а коэффициент полезного действия составляет целых сорок процентов. По сравнению: у поршневого мотора этот же показатель составляет 20%.

Российские РПД

Первое упоминание о роторном двигателе в Советском Союзе относится к 60-м годам. Исследовательские работы по роторно-поршневым двигателям начались в 1961 году, соответствующим постановлением Минавтопрома и Минсельхозмаша СССР. Промышленное же изучение с дальнейшем выводом на производство данной конструкции началось в 1974 году на ВАЗе. специально для этого было создано Специальное конструкторское бюро роторно-поршневых двигателей (СКБ РПД). Поскольку лицензию купить не было возможности, был разобран и скопирован серийный «ванкель» от NSU Ro80. На этой основе разработали и собрали двигатель Ваз-311, а произошло это знаменательное событие в 1976 году. На ВАЗе разрабатывали целую линейку РПД от 40 до 200 сильных двигателей. Доработка конструкции тянулась почти шесть лет. Удалось решить целый ряд технических проблем связанные с работоспособностью газовых и маслосъемных уплотнений, подшипников, отладить эффективный рабочий процесс в камере неблагоприятной формы. Свой первый серийный автомобиль ВАЗ с роторным двигателем под капотом представил публике в 1982 году, это был Ваз-21018. Машина внешне и конструктивно была как и все модели данной линейки, за одним исключением, а именно, под капотом стоял односекционный роторный двигатель мощностью 70 л.с. Длительность разработки не помешала случиться конфузу: на всех 50 опытных машинах при эксплуатации возникли поломки мотора, заставившие завод установить на его место обычный поршневой.

Ваз 21018 с Роторно-поршневым двигателем

Установив, что причиной неполадок являлись вибрации механизмов и ненадёжность уплотнений, конструкторы предприняли спасти проект. Уже в 83-ем появились двухсекционные Ваз-411 и Ваз-413 (мощностью, соответственно, 120 и 140 л.с.). Несмотря на низкую экономичность и малый ресурс, сфера применения роторного двигателя всё-таки нашлась – ГАИ, КГБ и МВД требовались мощные и незаметные машины. Оснащённые роторными двигателями «Жигули» и «Волги» легко догоняли иномарки.

С 80-ых годов 20 века СКБ был увлечён новой темой – применение роторных двигателей в смежной отрасли — авиационной. Отход от основной отрасли применения РПД привело к тому, что для переднеприводных машин роторный двигатель Ваз-414 создаётся лишь к 1992 году, да ещё три года доводится. В 1995 году Ваз-415 был представлен к сертификации. В отличие от предшественников он универсален, и может устанавливаться под капотом как заднеприводных («классика» и ГАЗ), так и переднеприводных машин (ВАЗ, Москвич). Двухсекционный «Ванкель» имеет рабочий объём 1308 см3 и развивает мощность 135 л.с. при 6000об/мин. «Девяносто девятую» он ускоряет до сотни за 9 секунд.

Роторно-поршневой двигатель ВАЗ-414

На данный момент проект по разработке и внедрения отечественного РПД заморожен.

Ниже представлено видео устройства и работы двигателя Ванкеля.