Двигатель Ванкеля (Wankelmotor)

История и современность двигателя Ванкеля в вопросах и ответах

Моменты и силы инерции, которые возникают в результате преобразования прямолинейного движения поршня в круговое коленчатого вал, – это одна из основных проблем шатунно-поршневых механизмов.

В результате действия сил инерции движущихся (возвратно-поступательно и вращающихся) масс в двигателях с кривошипным механизмом очень сложно обеспечить удовлетворительную плавность работы. Самый высокий уровень плавной работы имеет место у двигателей с шестью или двенадцатью цилиндрами, расположенными V-образно. Но понятно, что это очень дорогостоящие механизмы, которые для массовых транспортных средств не годятся.

В 1924 году молодой человек Феликс Ванкель (Felix Wankel; 1902–1988 гг.) вместе с друзьями собрал трехколесную телегу с 2-цилиндровым V-образным двигателем. Однако при поездках на этой телеге вибрации двигателя были настолько сильными и неприятными, что с этого момента изобретатель переставал думать, как устранить эти вибрации. Во всяком случае, так он рассказывал сам.

С этого момента молодой Ванкель начал искать подходящую конструкцию для «не вибрирующего» двигателя.

Эта конструкция должна была обеспечивать двух-, а лучше четырехтакный цикл работы двигателя и пространственную герметизацию камеры сгорания.

С помощью опытных инженеров Ванкель пришел к выводу, что лучше всего конструкция из приводного эксцентрикового элемента, связанного с поршнем, вращающимся по траектории трохоиды, способна выполнить необходимые требования (мы не будем сейчас углубляться в рассмотрение формы трохоиды, чтобы не отклоняться от главной темы статьи, интересующиеся читатели могу сделать это самостоятельно). Сам Феликс Ванкель не имел технического образования, и некий инженер Вальтер Фройде помог Ванкелю создать ту конструкцию, которая в результате воплотилась в двигатель Ванкеля. Ванкель был талантливым маркетологом, но в конце концов идея конструкции принадлежала Вальтеру Фройде. Конструкция была запатентована.

Трохоида – установленный на валу ротор жестко соединен с зубчатым колесом, которое входит в зацепление с неподвижной шестернeй – статором. Диаметр ротора намного превышает диаметр статора, несмотря на это ротор с зубчатым колесом обкатывается вокруг шестерни. Каждая из вершин трехгранного ротора совершает движение по эпитрохоидальной поверхности цилиндра и отсекает переменные объемы камер в цилиндре с помощью трех радиальных уплотнений.

Такая конструкция позволяет осуществить любой 4-тактный цикл: Дизеля, Стирлинга или Отто без применения специального механизма газораспределения. Герметизация камер обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к поверхности цилиндра центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами. Отсутствие механизма газораспределения делает двигатель значительно проще четырехтактного поршневого, а отсутствие сопряжения (картерного пространства, коленчатого вала и шатунов) между отдельными рабочими камерами обеспечивает необычайную компактность и высокую удельную мощность. За один оборот эксцентрикового вала двигатель выполняет один полный рабочий цикл, как у двухтактного поршневого двигателя.

С Дизелем и Стирлингом Википедия немножко утрирует. Для воспламенения дизельного топлива нужна большая степень сжатия: от 16 до 24. Это возможно только при крайне надежной герметизации камеры сгорания, а герметизация как раз является «больным местом» у Ванкеля.

Применение двигателя Ванкеля в автомобилестроении началось в 1964 году. Компания NSU выпускала первый серийный автомобиль Spider, маленький кабриолет с однодисковым роторным двигателем мощностью в 50 л.с. Всего с 1964 по 1967 гг. было выпущено 2375 машин.

Следующая модель с двигателем Ванкеля – NSU Ro 80. Эта машина в 1967 г. представлялась как лимузин среднего класса, но в скором времени стала выпускаться уже не под маркой NSU. Новый бренд назывался AUDI NSU Auto Union. Компания NSU еще до выпуска кабриолета страдала от нехватки финансовых средств, и поэтому ее пришлось продать компании Volkswagen (VW), где ее объединили с компанией AUDI, принадлежащей VW.

Машина Ro 80 была оснащена двухдисковым роторным двигателем мощностью в 115 л.с. и выпускалaсь с 1967 до 1977 гг. Всего было собрано 37 406 экземпляров.

По мнению многих специалистов, эта машина стала великим шагом вперед в развитии конструкций автомобилей, но не из-за еe футуристического двигателя, а благодаря инновационному на тот момент кузову. Ro 80 – это первый на рынке автомобиль с клиновидным кузовом.

С двигателем же получилось обратное: двигатели часто ломались, производитель, у которого уже без этого финансовая ситуация была трудная, скоро стал не в состоянии обеспечивать нужный сервис, и продажи уменьшились как снег весной. А новая материнская компания Volkswagen также была в трудном финансовом и техническом положении. Она 20 лет подряд выпускала машины на основе «Жука», довольно простой довоенной конструкции с двигателем заднего расположения с воздушным охлаждением, который уже давно устарел. А все его модификации были ничем иным, как вновь и вновь воспроизведенная вариация того же «Жука».

Преемником Ro 80 стал VW K 70, переднеприводный лимузин, который изначально был предусмотрен для установки нового роторного двигателя, но в итоге был оснащен четырехтактным двигателем компании AUDI. Для компании VW этот лимузин стал спасителем и началом новой эры  – эры автомобилей с пeредним приводом.

Лицензии на выпуск этих двигателей были проданы почти всем основным автомобилестроительным компаниям. Все хотели вступить в новую эпоху двигателестроения. Некоторые компании начали даже разработку собственных машин и стали готовиться к серийному производству, как, например, компания Citroën.

В Советском Союзе ЛАДА разработала роторно-поршневые двигатели на основе лицензии Ванкеля. Помимо роторных двигателей для машин ЛАДА, ГАЗ и РАФ были разработаны двигатели для применения на самолетах.

Также в ГДР была закуплена лицензия на роторно-поршневой двигатель Ванкеля за 3,5 миллиона DM. Были разработаны некоторые варианты и для мотоциклов, и для автомобилей, но когда была рассчитана сумма необходимых капиталовложений, было решено отказаться от их производства.

Двигатель, показанный на рис. 13, был разработан и предназначен для преемника легковой машины Trabant. Ни двигатель, ни машина не пошли в серийное производство. Также на мотоциклах MZ испытали собственную разработку роторного двигателя, но и они никогда серийно не выпускались.

Единственным производителем осталась японская компания MAZDA, которая с начала появления роторных двигателей по лицензии Ванкеля никогда не останавливала ни разработку, ни производство этих силовых агрегатов.

Самые современные инновации двигателей MAZDA – инжекторные двигатели, у которых отдельный впрыск горючей смеси и чистого воздуха. У двигателя Ванкеля горючая смесь содержит, как у двухтактных двигателей, и топливовоздушную смесь, и смазочное масло (см. рис. 14).

Эти двигатели отличаются чрезвычайно плавной работой. Поршень вращается кругообразно, без вибраций. Нет клапанов для газообмена. К тому же роторные двигатели очень компактны и легки по сравнению с шатунно-поршневыми двигателями. Мощность при разгоне развивается быстро, как у турбины.

Есть, конечно, и недостатки, как у всех технических решений. Трудно осуществлять смазку и уплотнение деталей, сложно обеспечить и низкий уровень вредных выбросов в отработавших газах.

При всем этом надо признать успехи компании MAZDA, которая в течение почти 60 лет не только никогда отказывалась от двигателей, работающих по принципу Ванкеля, но и устраняла почти все существенные недостатки.

Есть такое мнение по вопросу, почему двигатели Ванкеля не получили ожидаемого распространения: отрицательные черты характера самого Феликса Ванкеля сыграли в этом некоторую роль. Сам Ванкель не был техником, он в основном был заинтересован продавать как можно больше лицензий, а в техническом плане ничем помочь своему двигателю не смог. Двигатель изначально был не доработан, так как большинство компаний, купивших лицензию, не зная объемов предстоящих работ, проявляли большую осторожность при затрате средств на нужное оборудование для окончательного усовершенствования конструкции и производства двигателей. Осталась одна смелая компания, которая до сих пор целенаправленно работает над роторными двигателями, это MAZDA.

Примечание автора. Все рисунки, фотографии и диаграммы взяты из общедоступных источников.