История роторного двигателя: от Ванкеля до АВТОВАЗ
13 июня, 2012 19:39
В России в 1970-ых годах на АВТОВАЗ существовало конструкторское бюро по разработке роторных двигателей. Советское правительство даже намеревалось купить у Ванкеля лицензию на производство двигателя.
Феликс Генрих Ванкель, создатель роторного двигателя
Феликс Генрих Ванкель, создатель роторного двигателя

В настоящее время Mazda является единственным автопроизводителем, продвигающим технологию роторных двигателей. В 1960 году компания приняла решение о начале работ в этой области.

На протяжении пятидесяти лет Mazda использует роторные двигатели (роторно-поршневый двигатель, РПД) собственной разработки в спортивных и легковых автомобилях.

Несмотря на явные недостатки РДП Mazda не собирается отказываться от ротора.

Совсем недавно Мазда сообщила о значительных успехах в модернизации роторного двигателя, в частности, о возможном переводе роторно-поршневого двигателя на водородное топливо и о создании гибридной силовой установки на базе РПД.

Содержание статьи:

  • Недостаток двигателя внутреннего сгорания в сравнении с роторным двигателем
  • Принцип работы роторно-поршневого двигателя
  • Сравнительные характеристики роторно-поршневого двигателя Ванкеля
  • История создания роторно-поршневого двигателя Ванкеля
  • Недостатки роторно-поршневого двигателя Ванкеля
  • Разработка роторного двигателя советским заводом АВТОВАЗ
  • Инженерные открытия Феликса Ванкеля
  • Автомобили, оснащенные роторным двигателем Ванкеля
  • Фото роторного двигателя

Недостаток двигателя внутреннего сгорания в сравнении с роторным двигателем

В конструкции двигателя внутреннего сгорания (ДВС) заложен один принципиальный недостаток: возвратно-поступательное движение поршня должно быть преобразовано во вращательное движение колёс. Из-за этого ДВС имеет низкий КПД и отличается высокой степенью износа деталей механизма.

От этих недостатков избавлен только один тип двигателя — электродвигатель. Второе решение этой проблемы изобрёл инженер-самоучка Феликс Ванкель.

Принцип работы роторно-поршневого двигателя

В центре ротора проделано круглое отверстие, изнутри покрытое зубцами как у шестерёнки. В это отверстие вставлен вращающийся вал меньшего диаметра, также с зубцами, обеспечивающий отсутствие проскальзывания между ним и ротором. Принцип работы роторного двигателя ВанкеляОтношения диаметров отверстия и вала подобраны так, чтобы вершины треугольника двигались по одной и той же замкнутой кривой, которая называется «эпитрохоида»ю

Инженерное открытие и изобретение Ванкеля заключалось в том, чтобы сначала понять, что такой принцип работы механизма физически возможен, а, поняв, рассчитать точные параметры деталей двигателя.

В итоге, поршень, имеющий форму треугольника Рело, отсекает в камере, повторяющей форму найденной Ванкелем кривой, три камеры переменного объёма и положения.

Конструкция роторно-поршневого ДВС Ванкеля позволяет реализовать любой 4-тактный цикл без применения специального механизма газораспределения.

Благодаря этому факту роторный двигатель оказывается значительно проще обычного 4-тактного поршневого двигателя, в котором в среднем почти на тысячу деталей больше.

Герметизация рабочих камер в роторно-поршневом ДВС обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к «цилиндру» ленточными пружинами, а также центробежными силами и давлением газа.

Одна из технических особенностей РПД — это высокий КПД (коэффициент полезного действия). За один полный оборот ротора (за цикл «впрыск, сжатие, воспламенение, выхлоп»), выходной вал совершает три полных оборота. В обычном поршневом бензиновом двигателе таких результатов можно добиться только используя намного более сложный по конструкции 6-цилиндровый ДВС.

В роторно-поршневом Ванкеля двигателе на 40% меньше деталей, чем в традиционном двигателе внутреннего сгорания. Двигатель Ванкеля проще в ремонте и производстве.

РПД почти в два раза легче и в два раза меньше по габаритам традиционного поршневого ДВС: значительное снижение веса двигателя улучшает управляемость автомобиля, позволяет наиболее оптимально расположить трансмиссию и за счет этого увеличить объем свободного пространства в салоне автомобиля.

Низкий уровень шумов и вибраций РПД объясняется малым числом движущихся частей.

Сравнительные характеристики роторно-поршневого двигателя Ванкеля

Роторно-поршневой двигатель развивает высокую мощность при умеренном расходе топлива. К примеру, современный «ротор» объёмом 1300 см³ развивает мощность в 220 л.с., а с турбокомпрессором мощность достигает 350 л.с.

РПД отличается отличными динамическими характеристиками. На низкой передаче на высоких оборотах двигатель легко разгоняет автомобиль до 100 км/ч . За счёт отсутствия механизма преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, механизм двигателя способен выдержать большие обороты, чем традиционный ДВС.

История создания роторно-поршневого двигателя Ванкеля

Феликс как-то признался журналистам, что идею роторного двигателя он увидел во сне, когда ему было 17 лет. Ванкель понял, как все четыре цикла работы обычного двигателя внутреннего сгорания — впрыск, сжатие, сгорание, выхлоп — можно осуществить при вращении.

С 1921 года Ванкель был активным членом НСДАП и был основателем всегерманского военного юношеского объединения и юнгфюрером различных организаций. В 1932 году он вышел из партии, при этом выдвинув обвинение в политической коррупции одному из своих бывших коллег. Но по встречному обвинению ему самому пришлось провести в тюрьме шесть месяцев. Ванкелю удалось освободиттся благодаря протекции Вильгельма Кепплера (Wilhelm Keppler — германский промышленник, депутат рейхстага, обергруппенфюрер СС), он продолжил работы над двигателем.

В 1924 году Ванкель организовал небольшую, где начал проводить исследования и разработки в области роторно-поршневых ДВС.

В 1934 Ванкель он создал первый опытный образец РПД и получил на него патент. Он сконструировал новые клапаны и камеры сгорания для своего двигателя и разработал классификацию кинематических схем различных роторно-поршневых машин.

В 1936 году компания BMW заинтересовалась прототипом двигателя Ванкеля и выступила заказчиком по разработке опытных авиадвигателей. Под эти работы Ванкель получил лабораторию в Линдау.

После войны и разгрома фашистской Германии лаборатория была закрыта, оборудование вывезено во Францию, а сам Ванкель остался без работы из-за бывшего членства в национал-социалистической партии).

В 1951 году Ванкель получил должность инженера-конструктора в компании NSU Motorenwerke AG, являющейся одним из старейших производителей мотоциклов и автомобилей, а в 1957 году совместными усилиями Феликса Ванкеля и ведущего инженера NSU Вальтера Фрёде (Walter Froede) роторно-поршневой двигатель впервые был установлен на автомобиль NSU Prinz.

Первая конструкция двигателя оказалась ненадёжной, громоздкой и неэкономичной. После окончания испытаний в серию пошёл же автомобиль с традиционным ДВС. Но первый роторно-поршневой двигатель DKM-54 доказал свою принципиальную работоспособность.

Недостатки роторно-поршневого двигателя Ванкеля

Первые модели РПД обладали серьезными недостатками, главным и которых был недолговечность.

Один из первых прототипов роторно-поршневых двигателей на испытаниях выработал свой механический ресурс всего за два часа.

Следующая модель DKM-54 выдержала уже сто часов наработки, но для нормальной эксплуатации автомобиля этого всё равно было недостаточно.

Основная проблема первых моделей роторных двгателей заключалась в неравномерном износе внутренней поверхности рабочей камеры, в результате чего появлялись поперечные борозды.

В ходе исследований, проведённых в Mazda, выяснилось, что при вращении треугольного ротора заглушки на его вершинах начинают вибрировать, в результате чего и образуются борозды.

В настоящее время проблемы надежности и долговечности РПД решены: в конструкции двигателя применяются износостойкие покрытия, в том числе керамические.

Повышенная токсичность выхлопа «ванкеля» являлась ещё одной серьёзной проблемой. За счёт неполного сгорания топлива роторный двигатель выделяет в атмосферу меньше окислов азота, но гораздо больше углеводородов.

Инженеры Mazda нашли простое и эффективное решение и этой проблемы. В конструкцию двигателя был добавлен термальный реактор, в котором сжигаются остатки углеводородов в выхлопных газах.

«дожигались». Первым автомобилем, реализовавшим такую схему, стал Mazda R100, также называемый Familia Presto Rotary, выпущенный в 1968 году. Эта машина, одна из немногих, сразу прошла весьма жёсткие экологические требования, выдвинутые США в 1970 году для импортируемых авто.-

Из-за неполного сгорания смеси расход топлива стандартного «ванкеля» существенно выше, чем у стандартного ДВС. Инженеры Mazda смогли решить и эту проблему. Был переработан термореактор и карбюратор, добавлен теплообменника в выхлопную систему, разработан каталитический конвертер, установлена новая система зажигания. В результатих этих усовершенствований Mazda добилась снижения потребления топлива на 40%. В 1978 году был выпущен спортивный автомобиль Mazda RX-7.

Разработка роторного двигателя советским заводом АВТОВАЗ

В 1974 году, в разгар нефтяного кризиса, советское правительство создает на Волжском автозаводе специальное конструкторское бюро РПД (СКБ РПД). "СССР идёт уникальным путём": когда в мире автпроизводители массово отказывались от разработок РПД, в СССР, напротив, создают опытное производство.

Исторически, автомобильное производство ВАЗ планировалось, как простой копировальщик западных технологий (в том числе, технологий FIAT). Заводские специалисты ВАЗ приняли решение воспроизводить двигатель Mazda и в Тольятти начались работы по строительству цехов для серийного производства "ванкелей".

Одним необдуманным решением были отвергнуты наработки отечественных двигателестроительных институтов, которые на прротяжении десятков лет создавали уникальные советские технологии.

Долгое время советские чиновники вели переговоры с Феликсом Ванкелем о покупки лицензий. В итоге, финансовые средства на это так и не нашли, и поэтому воспользоваться некоторыми фирменными технологиями не удалось.

В 1976 году заработал первый волжский односекционный двигатель ВАЗ-311 мощностью 65 л.с., еще пять лет ушло на доводку конструкции, после чего была выпущена опытная партия в 50 штук роторных "единичек" ВАЗ-21018, мгновенно разошедшихся среди работников ВАЗа.

Хотя двигатель внешне был похож на японский, его конструкция оказалась хуже нынешних китайских клонов: двигатели отказывали один за другим, и руководство завода было вынуждено за полгода заменить все двигатели на серийные поршневые.

Руководство было вынуждено такжесократить на половину штат СКБ РПД и приостановить строительство цехов.

На счастье советских разработчиков, спецслужбы заинтересовались современной разработкой. Расход топлива и ресурс двигателя их не интересовал, а динамические характеристики показались им перспективными.

Из двух двигателей ВАЗ-311 был сделан двухсекционный РПД мощностью 120 л.с., который стал устанавливаться на ВАЗ-21019, получивший неофициальное название "Аркан".

На этом факте основаны многочисленные анекдоты, в котороых милицейские "Запорожцы" догоняют мощные "Мерседесы".

До 1990-х годов внешне "Аркан" с роторным двигателем, действительно, легко догонял все машины. Помимо ВАЗ-21019 на АвтоВАЗе также выпускаются малые партии автомобилей ВАЗ-2105, -2107, -2108, -2109, -21099. Максимальная скорость роторной «восьмерки» составляет около 210 км/ч, а до сотни она разгоняется всего за 8 секунд.

Благодаря спецзаказам СКБ РПД стал делать двигатели для водного и автоспорта, где автомобили с роторными двигателями стали настолько часто завоевывать призовые места, что спортивные чиновники были вынуждены запретить применение РПД.

В 1987 году умер руководитель СКБ РПД Борис Поспелов и на общем собрании был выбран Владимир Шнякин — человек, пришедший в автомобилестроение из авиации и недолюбливающий наземный транспорт. Главным направлением СКБ РПД становится создание двигателей для авиации.

Такое решение стало первой стратегической ошибкой: СССР выпускал несоизмеримо меньшее количество самолётов, а прибыль завода складывалась из числа проданных двигателей.

Второй ошибкой стала ориентация в сохранившемся производстве автомобильных РПД на маломощные двигатели ВАЗ-1185 в 42 л.с. для "Оки", хотя более динамичные роторные двигатели так больше подходили для самых быстрых советских автомобилей; таких как ВАЗ 2108.

В итоге на российских дорогах оказалось всего несколько роторных микролитражек "Ока". В 1998 году был наконец-то подготовлен гражданский вариант двухцилиндрового роторного 1,3-литрового двигателя ВАЗ-415, который стали устанавливать на ВАЗ-2105, 2107, 2108 и 2109.

Для сравнения, сами японцы из Mazda устанавливают роторные "ванкели" только на спортивные модели.

Инженерные открытия Феликса Ванкеля

Феликс Ванкель, не имеющий законченного технического образования, под конец жизни достиг мирового признания в области двигателестроения и уплотнительной техники.

Ванкель завоевал множество наград и титулов.

Именем Ванкеля названы улицы и площади немецких городов (Felix-Wankel-Strasse, Felix-Wankel-Ring).

Помимо двигателей, Ванкель разработал новую концепцию скоростных судов и самостоятельно построил несколько лодок.

Роторный двигатель, который сделал его миллионером и принес ему всемирную славу, Ванкель не любил, считая его "гадким утенком".

Серийные образцы были сделаны по "концепции ККМ", предусматривающей планетарное вращение ротора и требующей введения внешних противовесов. Эту схему предложил не Ванкель, а инженер NSU Вальтер Фройде. Сам же Ванкель до последних дней считал идеальной схему двигателя "с вращающимися поршнями без неравномерно вращающихся частей" (Drehkolbenmasine — DKM), концептуально гораздо более красивую, но технически сложную; такая схема требует установки свечей зажигания на вращающемся роторе.

Тем не менее, роторные двигатели во всем мире связывают именно с именем Ванкеля, поскольку все, кто близко знал изобрателя, в один голос утверждают, что что без неуемной энергии немецкого инженера мир так и не увидел бы этого удивительного устройства.

Феликс Ванкель умер в 1988 году.

Автомобили, оснащенные роторным двигателем Ванкеля

После вышедшего в 1964 году NSU Spyder были выпущены модели NSU Ro 80 (в мире до сих пор существует множество клубов владельцев этих машин), Citroen M35 (1970), Mercedes C-111 (1969), Corvette XP (1973)

Единственным массовым производителем в мире стала Mazda, выпускавшая с 1967 года по 2-3 новые модели с РПД. Роторные двигатели ставили на катера, снегоходы и легкие самолеты.

В 1973 году, из-за нефтеного кризиса автопризводителям пришлось свернуть программы производства роторных двигателей из-за их высокого потребления топлива.

В это же время продажи автомобилей Mazda с РПД сократились более чем в два раза: с 104960 в 1973 году до 61192 автомобилей в 1974-м.

Система Orphus