(495) 234-36-61
На главную страницу блога Почта

Блог «Умные мелочи»

Роторный двигатель Феликса Ванкеля

Рубрика: (Как рождались технологии) | Автор: moderator | Дата: 22-10-2013

Метки: , , , ,

Поговорим об одном поразительном изобретении, которое в 50-е годы прошлого века обещало перевернуть всю мировую автомобильную промышленность… да так и не перевернуло. Речь о роторно-поршневом двигателе внутреннего сгорания или РПД. Его создал выдающийся немецкий конструктор Феликс Ванкель. В истории создания двигателей внутреннего сгорания имя Ванкеля стоит рядом с именами Николауса Отто и Рудольфа Дизеля.

Феликс Ванкель родился 13 августа 1902 года в немецком городке Лар (земля Баден-Вюртемберг) в семье лесничего Рудольфа Ванкеля и Марты Хайдлауф. Он очень рано осиротел – отец Феликса погиб во время Первой мировой войны. Матери трудно было одной поднять сына, и Феликс Ванкель, едва отучившись в гимназии, стал искать работу. В 1921 году юноша устроился в издательство, но вскоре был уволен. Пытаясь выжить, молодой Ванкель открыл в Гейдельберге небольшое дело – механическую мастерскую, которая просуществовала совсем недолго. В 1927 году к Ванкелю приходит идея роторно-поршневого двигателя. Позже он рассказывал, что РПД ему приснился – как Менделееву приснилась таблица химических элементов. Как бы там ни было, с этого момента и до конца жизни Ванкель постоянно занимался своим изобретением.

В 1929 году Ванкель получил первый патент – на двигатель «с вращающимися поршнями» (работающий по первой схеме), предъявив в бюро чертежи 1927 года. Но работающей модели ещё не существовало. Ванкель пришёл к выводу, что проект нового двигателя несовершенен. Следующая заявка на патент двигателя, уже с вращающимся ротором (работающий по второй схеме РПД Ванкеля), была подана в 1933 году, но патент получен только спустя три года. В 1934 году Ванкель построил первую работающую модель своего мотора, по первой предложенной им схеме.

В 1936 году Феликс Ванкель переселился в Линдау. Здесь он работал над золотниковым механизмом и уплотнениями своего первого двигателя. Но… его лаборатория основана на деньги, выделенные Адольфом Гитлером. Ещё в 1924 году молодой Ванкель вступил в фашистскую партию – НСДАП (а в 1932 даже полгода просидел в тюрьме), хотя спустя 8 лет вышел из её рядов. Тем не менее, до самого разгрома фашизма Ванкель работал в берлинской компании DFL, конструируя авиационные моторы для «Люфтваффе».

Сотрудничество с Гитлером, членство в фашистской партии, поражение  Германии – в результате всего этого лаборатория Ванкеля была уничтожена, сам он оказался под арестом и около года провёл в тюрьме. Только в 1951 году изобретатель смог восстановить свою лабораторию. Он предлагал свой двигатель (которого ещё не существовало в металле) разным фирмам, но нашёл единомышленника только в автомобильной компании NSU – в лице Вальтера Фройде. В феврале 1957 года Ванкель изготовил первый работающий на метаноле роторно-поршневой двигатель DKM-54 с рабочим объёмом в 125 кубических сантиметров. Это был мотор, построенный по первой схеме – «с вращающимися поршнями». В апреле того же года он запустил этот двигатель на бензине, разогнав его до 9 тысяч оборотов в минуту и добившись мощности в 15 лошадиных сил. Наибольшую мощность — 29 лошадиных сил — DKM-54 показал на скорости в 17 тысяч оборотов в минуту.

Первый роторный двигатель, построенный по второй схеме (запатентованной в 1936 году), заработал 7 июля 1958 года. Но понадобилось ещё семь лет доработок, чтобы выпустить первый в мире автомобиль с роторным двигателем — NSU Spider-54 с мотором KKM-502, выпускавшийся с 1964 по 1967 годы. В 1957 году Феликс Ванкель вместе со своим партнером Эрнстом Хютценлаубом основал собственную компанию, которая существует до сих пор. Позже Ванкель создал научно-исследовательский институт в Линдау. Свой путь немецкий изобретатель закончил 9 октября 1988 года.

Есть некая ирония судьбы в том, что главной любовью всей жизни Феликса Ванкеля был роторно-поршневой двигатель первой конструкции (той, «что с вращающимися поршнями», серии DKM), а серийно выпускались только РПД, соответствующие второй, более поздней, схеме (серии KKM). Ванкель недолюбливал KKM из-за высокого уровня вибраций, вынуждающего применять специальные противовесы, и трудностей с уплотнениями ротора. Но конструкция при этом получалась удивительно простой. Собственно, двигатели второй схемы, с вращающимся в картере треугольным ротором и планетарной передачей вращающего момента на вал, мы и называем «двигателями Ванкеля». Именно они выпущены в количестве более двух миллионов экземпляров. Именно они устанавливались на автомобилях NSU и Mazda, на тяжёлых мотоциклах и даже на советских автомобилях ВАЗ (правда, в небольших количествах). Они до сих пор выпускаются в немалом количестве, например, в виде авиамодельных моторов.

Попытаемся описать принцип работы РПД словами. Представьте себе плоский по боковым сторонам треугольный ротор с покатыми гранями (словно кругляш огурца). Его грани заострены, а в них располагаются подпружиненные пластинки – аналоги уплотнительных поршневых колец обычного двигателя внутреннего сгорания. Этот ротор вращается в полости картера (корпуса) двигателя, образованной двумя накладывающимися друг на друга окружностями. Получается нечто вроде овала. Стенки картера плоские, как и боковые стенки ротора. Внутри ротора большое кругло отверстие с зубьями, которые перекатываются по зубьям установленного в центре полости картера приводного вала двигателя. Ротор обегает зубья вала, последовательно прилегая к внутренним стенкам картера, образуя три полости переменного объёма. В этих полостях и протекает рабочий цикл мотора. В расширяющуюся полость под воздействием разрежения через впускное отверстие в картере поступает топливовоздушная смесь, затем впускное отверстие перекрывается ротором (его заострённой гранью), рабочая смесь сжимается, зажигается искровой свечой. Происходит вспышка, расширяющиеся газы давят на стенку ротора, проворачивая его на шестерёнчатом валу. Ротор (его грань) достигает выпускного отверстия в картере, отработавшие газы выбрасываются, ротор достигает впускного отверстия, и — цикл повторяется.

Добавим – если ротор один, двигатель называется односекционным. Если два – двухсекционным. И так далее. Увлечение секций приводит не только к росту мощности, но и уравновешивает работу двигателя.

Если взглянуть на схему РПД, сразу становится ясно – это очень простой двигатель, в котором вращающихся деталей в несколько раз меньше, чем в обычном поршневом моторе. Двигатель Ванкеля такой же мощности, что и поршневой, имеет втрое меньшие размеры. Недостатков тоже хватает. Главный из них, который и препятствуют широкому распространению роторного двигателя – плоские уплотняющие пластинки на рёбрах ротора (и не только на рёбрах – надо предотвратить прорыв газов и по боковым плоскостям ротора, в зазоре между боковыми стенками картера). Три упругих поршневых кольца обычного двигателя, установленные разрезами в разные стороны, представляют собой эффективное лабиринтное уплотнение, препятствующее прорыву расширяющихся горячих газов. А плоская пластинка для достижения такого же эффекта должна снабжаться прижимными пружинками, иметь точно обработанные грани. Прибавьте к этому деформацию горячего металла, вибрации, ударные нагрузки. Получается почти невыполнимая инженерная задача… Другие недостатки – необходимость добавления масла в топливо (как в двухтактных двигателях) и, как результат, повышенный выброс в атмосферу вредных газов, малый диапазон рабочих оборотов (требуются многоступенчатые коробки передач), чувствительность к низким температурам (холодный мотор при неосторожном увеличении оборотов попросту заклинивает).

Большинства перечисленных недостатков лишён РПД построенный по первой схеме Ванкеля (серия DKM). Там три поршня установлены под углом в 120 градусов друг к другу. Поршни давят на ротор поочерёдно, а он обегает зубья шестерни приводного вала. Здесь уже можно применить эффективные кольцевые уплотнения, но… преимущества такого РПД неочевидны. Он мало в чём выигрывает у обычного двигателя классической конструкции, оставаясь больше поршневым, чем роторным.

Да, двигатель Ванкеля (причём, оба варианта) не изменил расклад сил в мировом двигателестроении. Однако, исследования в этой области продолжаются. И на рынок время от времени выходят новые модели автомобилей с РПД. Внимание конструкторов и потребителей привлекает очень высокая мощность и компактность этих моторов. И, конечно, простота, которая, правда, в данном случае не является синонимом высокой надёжности.




Оставить комментарий

 
По всем вопросам, связанным с работой сайта, обращайтесь по адресу: webmaster@elcode.ru