Двигатель Ванкеля

Роторно-поршневой двигатель Ванкеля — это тип двигателя внутреннего сгорания, в котором возвратно-поступательное движение поршня заменено вращательным движением трёхгранного ротора, совершающего планетарное движение внутри камеры специальной формы (эпитрохоиды). В отличие от классического поршневого двигателя, ДВС Ванкеля не имеет кривошипно-шатунного механизма, клапанов и газораспределительного вала, что обеспечивает ему высокую удельную мощность, компактность и плавность работы при малом числе движущихся деталей.

История создания

Идея роторного двигателя возникла задолго до Ванкеля. Первые патенты на подобные конструкции были получены ещё в XIX веке (например, патент Феликса Милле в 1846 году). Однако практическая реализация столкнулась с проблемами герметизации камеры и теплоотвода.

Немецкий инженер Феликс Ванкель (1902–1988) начал разработку роторного двигателя в 1920-х годах. В 1929 году он получил первый патент на конструкцию с вращающимся поршнем. В 1951 году Ванкель начал сотрудничество с компанией NSU Motorenwerke AG (Германия). В 1954 году был создан первый рабочий прототип DKM 54 (Drehkolbenmotor — «роторный двигатель»), а в 1957 году — первый экспериментальный двигатель, пригодный для испытаний.

Первый серийный автомобиль с двигателем Ванкеля — NSU Spider (1964–1967) с 0,5-литровым ротором мощностью 50 л. с. Наибольшую известность роторные двигатели получили благодаря японской компании Mazda, которая в 1961 году приобрела лицензию на технологию. В 1967 году Mazda выпустила модель Cosmo Sport (110S) с двухроторным двигателем 10A. Впоследствии Mazda серийно производила роторные двигатели для моделей RX-7 (1978–2002), RX-8 (2003–2012) и других.

Устройство и принцип работы

Основные элементы

• Корпус (статор) — неподвижная часть с внутренней полостью в форме эпитрохоиды (кривая, напоминающая сплюснутый овал с выемками). В корпусе выполнены впускные и выпускные окна, а также свечные отверстия.
• Ротор — трёхгранная деталь, вращающаяся внутри корпуса. Грани ротора имеют уплотнительные пластины (апексы), обеспечивающие герметизацию между камерами.
• Эксцентриковый вал — аналог коленчатого вала. Ротор установлен на эксцентрике вала, что позволяет преобразовывать вращательное движение ротора во вращение выходного вала.
• Камеры сгорания — три объёма, образованные между гранями ротора и стенками корпуса. В каждый момент времени одна из камер находится на такте впуска, другая — на такте сжатия/сгорания, третья — на такте выпуска.

Рабочий цикл (четырёхтактный цикл Отто)

За один полный оборот ротора (360°) происходит три рабочих цикла (по одному на каждую грань). Вал при этом делает три оборота (1080°). Такты:

1. Впуск — при прохождении впускного окна смесь воздуха и топлива засасывается в камеру.
2. Сжатие — объём камеры уменьшается, смесь сжимается.
3. Сгорание и расширение — свеча поджигает смесь; давление газов вращает ротор.
4. Выпуск — отработанные газы выбрасываются через выпускное окно.

Особенности конструкции

• Отсутствие клапанов и распределительного вала — газораспределение осуществляется через окна в корпусе, открываемые и закрываемые самим ротором.
• Масло подаётся в камеру сгорания для смазки апексов (специальные масляные форсунки), что приводит к повышенному расходу масла (до 0,5–1 л на 1000 км).
• Охлаждение — воздушное или жидкостное; ротор и корпус имеют сложную систему каналов.

Классификация

Двигатели Ванкеля классифицируются по числу роторов:

• Однороторные — простейшие, но имеют высокий уровень вибраций и неравномерность крутящего момента. Использовались в мотоциклах, снегоходах, лёгких самолётах.
• Двухроторные — наиболее распространённая конфигурация в автомобилях Mazda (RX-7, RX-8). Обеспечивают лучшую уравновешенность и мощность.
• Трёх- и четырёхроторные — применялись в гоночных автомобилях и концепт-карах (Mazda 787B, выигравшая «24 часа Ле-Мана» в 1991 году). Встречаются в авиационных и стационарных установках.

По типу охлаждения:

• С воздушным охлаждением (лёгкие, для маломощных применений).
• С жидкостным охлаждением (более эффективное, для высоконагруженных двигателей).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая удельная мощность — при одинаковом рабочем объёме роторный двигатель может выдавать в 1,5–2 раза больше мощности, чем поршневой, благодаря отсутствию возвратно-поступательных масс.
• Компактность и малый вес — двигатель Ванкеля в 2–3 раза меньше и легче поршневого аналога той же мощности.
• Плавность работы — отсутствие клапанов и шатунов обеспечивает низкий уровень вибраций.
• Высокая максимальная частота вращения — ротор может раскручиваться до 10 000–12 000 об/мин и выше.
• Меньшее число деталей — в двигателе Ванкеля около 40 движущихся частей, тогда как в поршневом — более 200.

Недостатки

• Высокий расход топлива — из-за несовершенной формы камеры сгорания (удлинённая, с большой поверхностью) и неполного сгорания смеси. Расход на 20–30% выше, чем у поршневого двигателя аналогичной мощности.
• Повышенный расход масла — масло сгорает в камере, что требует частого долива.
• Проблемы с герметизацией — апексы (уплотнители на вершинах ротора) изнашиваются быстрее поршневых колец, особенно при холодном пуске.
• Высокий уровень выбросов — несгоревшие углеводороды (HC) выше, чем у поршневых двигателей, что затрудняет соответствие экологическим нормам (Евро-4, Евро-5 и выше).
• Сложность ремонта — требует специального инструмента и квалификации, ремонт дороже.
• Ограниченный ресурс — до капитального ремонта обычно 100–150 тыс. км, что меньше, чем у поршневых двигателей (200–300 тыс. км).

Применение

Автомобильная промышленность

Наиболее известное применение — серийные автомобили Mazda:

• Mazda Cosmo Sport (1967–1972) — первый серийный автомобиль с двухроторным двигателем.
• Mazda RX-7 (1978–2002) — спортивное купе, три поколения (SA/FB, FC, FD).
• Mazda RX-8 (2003–2012) — четырёхдверное купе с двигателем RENESIS (13B-MSP), отличавшимся улучшенной экологичностью.

В 1991 году Mazda 787B с четырёхроторным двигателем R26B выиграла гонку «24 часа Ле-Мана», став единственным автомобилем с роторным двигателем, одержавшим победу в этом соревновании.

Авиация

Роторные двигатели Ванкеля применяются в лёгких самолётах, автожирах и беспилотных летательных аппаратах (БПЛА) благодаря малому весу, компактности и высокой мощности. Примеры: двигатели Austro Engine (Австрия) для самолётов Diamond Aircraft, а также российские разработки (например, двигатель ВАЗ-426 для лёгких самолётов).

Мотоциклы и снегоходы

В 1970-х годах компания Hercules (Германия) выпускала мотоцикл Wankel 2000 с однороторным двигателем. В снегоходах роторные двигатели использовались фирмами Ski-Doo и Arctic Cat (ограниченные серии).

Стационарные установки

Двигатели Ванкеля применяются в качестве генераторов электроэнергии, насосов, компрессоров, а также в судовых вспомогательных установках.

Современное состояние и перспективы

К 2020-м годам серийное производство роторных двигателей для автомобилей практически прекращено из-за ужесточения экологических норм. Последняя модель Mazda с роторным двигателем — RX-8 — выпускалась до 2012 года. Однако Mazda продолжает исследования: в 2023 году был представлен концепт-кар Mazda MX-30 e-Skyactiv R-EV с гибридной силовой установкой, где роторный двигатель (0,83 л) используется исключительно как генератор для подзарядки аккумулятора. Это позволяет снизить расход топлива и выбросы, сохраняя компактность.

В России разработкой роторных двигателей занималось предприятие ВАЗ (Волжский автомобильный завод). В 1970–1990-х годах были созданы опытные образцы (ВАЗ-311, ВАЗ-415) для автомобилей «Жигули» и «Нива». Серийно двигатели не выпускались, но отдельные экземпляры использовались в спецтехнике (например, для автомобилей ГАИ и КГБ). В 2000-х годах работы были свёрнуты.

Перспективы роторных двигателей связывают с использованием водорода в качестве топлива (водород сгорает чище, снижая проблему выбросов) и с гибридными схемами, где двигатель работает в оптимальном режиме. Также ведутся исследования по применению керамических материалов для повышения ресурса и термостойкости.

Интересные факты

• В 1970-х годах компания NSU выпускала модель Ro 80 с двухроторным двигателем, которая была признана «Автомобилем года в Европе» (1968). Однако из-за проблем с надёжностью двигателя проект был закрыт.
• Двигатель Ванкеля может работать на различных видах топлива: бензине, керосине, дизеле, водороде, сжиженном газе.
• В 1970-х годах в СССР был создан экспериментальный мотоцикл «Иж-Юпитер» с роторным двигателем, но в серию он не пошёл.
• Роторный двигатель Mazda 13B-REW (двухроторный, с двумя турбинами) устанавливался на RX-7 FD и развивал до 280 л. с. при объёме 1,3 л.

Источники

• Феликс Ванкель. «Роторные двигатели» (Felix Wankel, «Rotationskolbenmaschinen», 1963)
• Mazda Motor Corporation. «История роторных двигателей» (Mazda Rotary Engine History, 2012)
• Техническая документация ВАЗ по роторным двигателям (1970–1990 гг.)
• Журнал «За рулём», статьи о двигателях Ванкеля (1970–2000 гг.)
• Отчёт NSU Motorenwerke AG о разработке DKM 54 (1957)