Просмотр кода страницы Роторно-поршневой двигатель

{{Полезная статья}}
[[Image:Wankel-1.jpg|250px|thumb|Роторно-поршневой двигатель в разрезе]]
'''Ро́торно-поршнево́й дви́гатель''' ([[РПД]], '''двигатель Ва́нкеля''') - оригинальный [[двигатель внутреннего сгорания]], конструкция которого разработана в [[1957]] году инженером компании [[NSU Motorenwerke AG|NSU]] [[Фройде, Вальтер|Вальтером Фройде]], ему же принадлежала идея этой конструкции. Двигатель разрабатывался в соавторстве с [[Ванкель, Феликс|Феликсом Ванкелем]], работавшим над несколько иной конструкцией роторно-поршневого двигателя.<ref>[http://engine.aviaport.ru/issues/11&12/page14.html Иван Пятов. РПД изнутри и снаружи], Журнал Двигатель, № 5-6 (11-12) сентябрь-декабрь 2000</ref>

Особенность двигателя — применение трёхгранного [[ротор]]а (поршня), имеющего вид [[Треугольник Рело|треугольника Рело]], вращающегося внутри цилиндра специального профиля, поверхность которого выполнена по [[эпитрохоида|эпитрохоиде]]. Благодаря этому можно отказаться от применения коленчатого вала, что позволяет при необходимости выполнить вал двигателя полым.

== Конструкция ==
Установленный на валу ротор жёстко соединён с зубчатым колесом, которое входит в зацепление с неподвижной шестернёй — статором. Диаметр ротора намного превышает диаметр статора, несмотря на это ротор с зубчатым колесом обкатывается вокруг шестерни. Каждая из вершин трёхгранного ротора совершает движение по [[эпитрохоида]]льной поверхности [[цилиндр]]а и отсекает переменные объёмы камер в цилиндре с помощью трёх клапанов.

[[Image:Wankel Cycle.jpg|right|thumb|250px|Цикл двигателя Ванкеля: впуск (голубой), сжатие (зелёный), рабочий ход (красный), выпуск (жёлтый)]]
[[Image:Wankel Cycle anim en.gif|thumb|240px|Роторно-поршневой двигатель]]
Такая конструкция позволяет осуществить любой 4-тактный цикл: Дизеля, [[двигатель Стирлинга|Стирлинга]] или [[цикл Отто|Отто]] без применения специального механизма газораспределения. Герметизация камер обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами. Отсутствие механизма газораспределения делает двигатель значительно проще четырехтактного поршневого (экономия составляет около тысячи деталей), а отсутствие сопряжения (картерное пространство, [[Коленчатый вал|коленвал]] и [[Шатун (деталь)|шатуны]]) между отдельными рабочими камерами обеспечивают необычайную компактность и высокую удельную мощность. За один оборот двигатель выполняет три полных рабочих цикла, что эквивалентно работе шестицилиндрового поршневого двигателя.

Смесеобразование, [[зажигание]], смазка, охлаждение, запуск принципиально такие же, как и у обычного [[поршневой двигатель|поршневого двигателя]] внутреннего сгорания.

Практическое применение получили двигатели с трёхгранными роторами, с отношением радиусов шестерни и зубчатого колеса: R:r = 2:3, которые устанавливают на автомобилях, лодках {{nobr|и т. п.}}

== Преимущества, недостатки и их разрешение ==
Преимущества перед обычными бензиновыми двигателями
* низкий уровень вибраций. РПД полностью механически уравновешен, что позволяет повысить комфортность лёгких транспортных средств типа микроавтомобилей, мотокаров и юникаров;
* главным преимуществом роторно-поршневого двигателя являются отличные динамические характеристики: на низкой передаче возможно без излишней нагрузки на двигатель разогнать машину выше 100 км/ч на более высоких оборотах двигателя (8000 об/мин и более), чем в случае использования обычного [[Двигатель внутреннего сгорания|двигателя внутреннего сгорания]].
* Высокая удельная мощность(л.с./кг), причины:
:# Масса движущихся частей в РПД гораздо меньше, чем в аналогичных по мощности «нормальных» поршневых двигателях, так как в его конструкции отсутствуют коленчатый вал и шатуны.
:# К тому же однороторный двигатель выдаёт мощность в течение трёх четвертей каждого оборота вала, в отличии от одноцилиндрового поршневого двигателя, который выдаёт мощность только в течение одной четверти каждого оборота вала (современный серийный РПД с объёмом рабочей камеры 1300 см³ имеет мощность 220&nbsp;[[л.с.]], а с турбокомпрессором — 350&nbsp;[[л.с.]]).
* меньшие в 1,5—2 раза габаритные размеры.
* меньшая на 35—40 % номенклатура деталей.

За счёт отсутствия преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, двигатель Ванкеля способен выдерживать гораздо большие обороты, но с меньшими вибрациями, по сравнению с традиционными двигателями. Роторно-поршневые двигатели обладают более высокой мощностью при меньшем объёме камеры сгорания, сама же конструкция двигателя сравнительно компактна и содержит меньше деталей. Небольшие размеры улучшают управляемость, облегчают оптимальное расположение трансмиссии (развесовка) и позволяют сделать например автомобиль более просторным для водителя и пассажиров.

[[Изображение:rpd.gif|thumb|left|Трёхмерная модель РПД в динамике.]]
С другой стороны, сопряжение ротора с выходным валом через эксцентриковый механизм, являясь характерной особенностью РПД Ванкеля, вызывает повышенное механическое напряжение между трущимися поверхностями, что в сочетании с высокой температурой, приводит к дополнительному износу и нагреву двигателя.

В связи с этим возникают повышенные требования к качеству и периодичности замены моторного масла. При правильной эксплуатации периодически производится капитальный ремонт, включающий в себя замену уплотнений. Ресурс при правильной эксплуатации достаточно велик, но не заменённое вовремя масло неизбежно приводит к необратимым последствиям, и двигатель выходит из строя.

Наиболее важной проблемой считается состояние уплотнений. Площадь пятна контакта со стенками камеры очень невелика, а перепад давлений в процессе работы очень высокий. Следствием этого неразрешимого для двигателей Ванкеля противоречия является неизбежный перепуск между отдельными камерами и, как следствие, некоторое падение [[КПД|коэффициента полезного действия]] и повышение токсичности выхлопа. Проблема быстрого износа уплотнений на высоких оборотах была частично решена применением [[Легированная сталь|высоколегированной стали]].

При всех преимуществах (высокая удельная мощность, простота устройства, несложный ремонт при правильной эксплуатации), важную проблему представляет собой меньшая экономичность на низких оборотах по сравнению с обычными [[Двигатель внутреннего сгорания|ДВС]], что является закономерным следствием более высокой удельной мощности.

Другой особенностью двигателей Ванкеля является его склонность к перегреву. [[Камера сгорания]] имеет линзовидную форму, то есть при маленьком объёме у неё относительно большая площадь стенок. В процессе сгорания рабочей смеси основные потери энергии приходятся на тепловое излучение. Интенсивность излучения пропорциональна четвёртой степени от температуры, таким образом идеальная форма камеры сгорания — сферическая. В случае с РПД тепловая энергия не только бесполезно покидает камеру сгорания, но и приводит к перегреву рабочего цилиндра. Эти потери не только снижают эффективность преобразования химической энергии в механическую, но и вызывают проблемы с воспламенением рабочей смеси, поэтому в конструкции такого двигателя часто предусматривают 2 свечи.

Высокие требования к исполнению деталей двигателя с минимальными допусками делают его сложным в производстве — требуется применение высокотехнологичного и высокоточного оборудования: станков, способных перемещать инструмент по сложной траектории [[эпитрохоида]]льной поверхности камеры объёмного вытеснения.

Кроме того, в силу объективных особенностей конструкции РПД является существенно более сложно масштабируемой конструкцией, чем обычный поршневой двигатель, для которого добавление или изъятие одного-двух цилиндров не представляет существенной инженерной проблемы. В случае с РПД каждый блок в двух-трёхблочных двигателях представляет собой по сути отдельный двигатель, и требует для реализации сопряжения с соседними таких же инженерных решений, какие применяются при создании спарок обычных поршневых ДВС. Это неизбежно приводит к увеличению потерь, из-за чего РПД редко имеют более четырёх секций. Аналогично, увеличение мощности односекционных РПД ограничивается технологически допустимыми размерами рабочего цилиндра (и, следственно, объема камеры сгорания), на современном уровне развития технологий это порог в пределах 400 л.с.. 

=== Применение ===
[[Image:Nsu antwerpen93.jpg|thumb|left|220px|NSU Ro80.]]
Двигатель разрабатывался изначально именно для применения на автотранспорте. В 1957 году Ванкель и Фройде продемонстрировали на конференции Общества германских инженеров работающий четырехтактный двигатель DKM 54 с поршнем-ротором, снабженным механическими уплотнениями. Этот двигатель бироторной конструкции оказался чрезвычайно сложным (например, свечи зажигания устанавливались в роторе) и ненадежным, но он доказал принципиальную работоспособность всей предложенной концепции. На следующий год фирма NSU продемонстрировала сразу две модели РПД: трехкамерный ККМ 125 (объем каждой из трех рабочих камер 125 см<sup>3</sup>) и однокамерный ККМ 250 (объем 250 см<sup>3</sup>), в которых свечи зажигания размещались в неподвижном корпусе (статоре) и были легко доступными для обслуживания.

Первый серийный автомобиль с роторным двигателем — немецкий спорткар [[NSU Wankelspider]].

Первый массовый (37&nbsp;204 экземпляра) автомобиль — немецкий седан бизнес-класса [[NSU Ro 80]]. Он имел достаточно инноваций и помимо двигателя, в частности, кузов с рекордно низким для того времени аэродинамическим сопротивлением, полуавтоматическую коробку передач с гидротрансформатором, блок-фары, и т.д.. Ro80 отличалась не только уникальной конструкцией, но и передовым дизайном, который не смогла оценить по достоинству публика середины шестидесятых; через десять лет именно он был положен в основу стиля моделей [[Audi 100|«Ауди» 100 и 200 поколения C2]].

К сожалению, ресурс двигателя оказался весьма мал (ремонт требовался уже после пробега порядка 50 тыс. км), поэтому автомобиль заслужил плохую репутацию и относительно малоизвестен. На многих сохранившихся автомобилях оригинальный двигатель заменён на поршневой [[V4]] «Essex» фирмы [[Ford]].

Малоизвестно, что кузов отечественных автомобилей [[ЗАЗ-966]] и [[ЗАЗ-968]] был скопирован с кузова автомашин NSU серии Prince (конкретно ЗАЗ-966 это Prince IV), которые также оснащались РПД и, в отличии от своих советских копий, позиционировались как весьма престижные молодёжные спорткары-купе. 

Citroën также экспериментировал с РПД — проект [[Citroën M35]].

Вспышка интереса к РПД пришлась на конец пятидесятых-начало семидесятых годов: первой лицензию на производство у NSU приобрела всемирно известная корпорация Curtiss-Wright в 1958 году, а в 1960-1961 годах к ней присоединились крупнейшие германские моторостроительные фирмы Fichtel&Sachs, Daimler-Benz AG, MAN, Friedrich Krupp GmbH, Klockner-Humboldt-Deutz AG и две японские - Yanmar Diesel Co. и Toyo Kogyo Co., а также английская фирма F/Perkins Ltd. В 1965 году лицензии приобрели такие авторитетные компании, как Rolls-Royce, OMC и Porsche KG. Очередь гигантов класса Nissan Motor Co., General Motors Corp., Suzuki Motor Co., Toyota Motor, Ford-Werke AG, Ingersoll-Rand, Mercury Div., Brunswick Corp., Yamaha Motor, Kawasaki Heavy Industries Ltd. и American Motors Corp. пришла в 1970-1973 годах. Всего было заключено около 30 лицензионных соглашений на право производства.

После этого серийное и мелкосерийное производство роторно-поршневых двигателей Ванкеля велось только фирмами [[Mazda]] (Япония) и [[ВАЗ]] (Россия)<ref>http://www.ladaonline.ru/catalog/index.php?SECTION_ID=355&SHOWALL_1=1</ref>.

=== Современные двигатели ===
[[Image:Двигатель Mazda RENESIS 16X.jpg|thumb|left|Двигатель Mazda RENESIS 16X]]
[[Image:Prt rx8 map.jpg|thumb|Mazda RX-8 Hydrogen RE]]
[[Image:Pic rx8 03.jpg|thumb|Mazda RX-8 Hydrogen RE]]
Инженерам фирмы [[Mazda]] удалось решить все основные проблемы РПД — токсичность выхлопа и неэкономичность. По сравнению с двигателями-предшественниками, на двигателе «Renesis» им удалось сократить потребление масла на 50 %, бензина на 40 % и довести выброс вредных продуктов сгорания до норм, соответствующих [[Euro IV]]. Двухкамерный двигатель «Renesis» объёмом всего 1,3 л выдаёт мощность в 250 л. с. и занимает гораздо меньше места в моторном отсеке, чем традиционный двигатель. Следующая модель двигателя Renesis 2 16X имеет объём 1.6 литра, и бо́льшую мощность, меньше нагревается.

Автомобили марки [[Mazda]] с буквами RE в наименовании<ref>первые буквы от названия «Renesis», производным от слов ({{lang-en|Rotary Engine:роторный двигатель и Genesis:процесс становления}}, название говорящее о появлении нового класса двигателей)</ref> могут использовать в качестве топлива как бензин, так и водород. Это явилось вторым витком роста внимания к РПД со стороны разработчиков. Двигатель успешно может использовать водород, так как менее чувствителен к [[детонация|детонации]], чем обычный двигатель, использующий возвратно-поступательное движение поршня.

Автомобили с РПД потребляют от 7 до 20 литров топлива на 100 км, в зависимости от режима движения, и масла от 0,4 л до 1 л на 1000 км (для двигателей Mazda 0,4 — 0,6 л.). В настоящее время исследование этого типа двигателя активно ведёт японский автоконцерн [[Mazda]], оснащая доработанными моделями роторных двигателей автомобили серии RX.

=== Отечественные РПД ===
История отечественных РПД началась в 1961 году, когда Минавтопром и Минсельхозмаш СССР поставили соответствующую задачу перед научно-испытательными институтами - [[НАМИ]], [[НАТИ]] и [[ВНИИмотопром]]ом. Параллельно по линии Минобороны изучением РПД занялся [[НИИД]]. В числе создателей отечественных конструкций роторно-поршневого двигателя можно назвать фамилии Чистозвонова, Ханина, Турянского, Зиновьева (НАМИ), Гостева и Бениовича (НАТИ), а также Иваницкого, Карманова и Александрова (ВНИИмотопром).

В период 1961-78 годов в отраслевых НИИ и учебных институтах СССР были проведены исследовательские и опытно-конструкторские работы, которые завершились созданием опытных образцов РПД различного назначения и технологий для их производства.

В 1974 году решением правительства дальнейшие работы по РПД были поручены Волжскому автозаводу, где развертывалось специальное конструкторское бюро (СКБ РПД). Это решение, с одной стороны, придало новый импульс разработке отечественного варианта РПД (начались, в частности, проектные работы по строительству цехов для серийного производства), а с другой - привело к фактической утрате многого из того, что наработали институты, поскольку в качестве прототипа специалисты ВАЗа решили ориентироваться на двигатель фирмы Mazda и опыт его массового производства (т.е. по сути просто скопировать двигатель "Мазды" вместо того, чтобы реализовать отечественные разработки<ref>Подобная практика вообще традиционна для отечественного автопрома.</ref>). У истоков СКБ стояли такие специалисты как В.Н. Поляков, Е.А. Башинджагян, А.А. Житков, Б.С. Поспелов и М.А. Коржов. Ныне СКБ РПД ВАЗа возглавляет В.А. Шнякин.

В [[АвтоВАЗ|Научно-техническом центре ВАЗ]] была создана линейка автомобильных РПД [[ВАЗ-416]], [[ВАЗ-426]], [[ВАЗ-526]] и авиационных [[ВАЗ-1187]], [[ВАЗ-1188]]. Некоторые из них устанавливались на малых сериях спецмашин производства ВАЗ. Кроме того, небольшие серии таких двигателей устанавливались на спецавтомобили других производителей, в частности [[ЗАЗ-965]] и [[ЛуАЗ-969]]. К началу 2000-х годов РПД оснащались малые партии автомобилей [[ВАЗ-2105]], [[ВАЗ-2107]], [[ВАЗ-2108]], [[ВАЗ-2109]], [[ВАЗ-21099]], на [[ВАЗ-2110]] ставились двигатели [[ВАЗ-415]]. Для установки на [[ВАЗ-1111]] "Ока" был разработан двигатель [[ВАЗ-1185]].

=== Применение в авиации ===
В [[1990]] году по заказу МВЗ им. М.Л. Миля в СССР началась разработка авиационного роторного двигателя [[ВАЗ-430]], предназначавшегося для легкого вертолета [[Ми-34]]ВАЗ. При этом предполагалось, что доступ к авиационным технологиям позволит быстро создать качественный РПД, но эти надежды не оправдались, причем камнем преткновения стало не только отсутствие государственного финансирования, но и утраченный авиационной промышленностью опыт создания малоразмерных двигателей внутреннего сгорания и соответствующих агрегатов.

Впоследствии на базе автомобильного двигателя для "Оки" был разработан легкий авиационный РПД ВАЗ-1187 мощностью 40 л.с. для [[дельталет]]ов и его усовершенствованный вариант ВАЗ-1188 (60 л.с.). Был сделан вывод о целесообразности создания авиационных РПД в диапазоне мощности 40-300 л.с., где они конкурентоспособны с классическими поршневыми двигателями. В настоящее время усилия СКБ сосредоточены на разработке авиационного трёхсекционного РПД [[ВАЗ-426]] мощностью до 240 л.с. Об уровне совершенства современных РПД конструкции Волжского СКБ свидетельствует тот факт,что масса двигателя составляет всего 145 кг, а удельный расход топлива при работе на автомобильном бензине на крейсерской мощности не превышает 205 г/л.с. в час.

В настоящее время наиболее перспективной сферой применения РПД в авиации являются [[БПЛА]] - разведывательные, метеорологические, а также самолеты-ретрансляторы и даже небольшие транспортные машины. Приемник глобальной навигационной системы (NAVSTAR и пр.) позволяет новейшим БПЛА летать на огромные расстояния, не сбиваясь с курса, а цифровая автоматизированная система взлета/посадки DGPS обеспечивает сохранность груза. Современный БПЛА [[Hermes 1500 UAV]] с двумя РПД способен нести 350 кг полезной нагрузки и держаться в воздухе 30 ч, а его летный ресурс достигает 20 000 ч.

== Примечания ==
<references />

== Ссылки ==
* [http://www.mazda-rx8.org/publ/5 Все о роторном двигателе]
* [http://etudes.ru/ru/mov/mov001/index.php Круглый треугольник Рело]
* [http://www.youtube.com/watch?v=mGOKkIx2__w&feature=related  Анимация: Двигатель Ванкеля]
* [http://www.youtube.com/watch?v=6BCgl2uumlI&NR=1 Конструкция и принцип работы роторного двигателя: анимация]
* [http://engine.aviaport.ru/issues/11&12/page14.html Иван Пятов. РПД изнутри и снаружи]
* [http://www.theallnewrx-8.com/ru/rotary/default.html Роторный двигатель]
* [http://www.avtosport.ru/news/6705/print.html Инженер от Бога — Феликс Ванкель]
* [http://mazda.110km.ru/autowisdom/15281.html История роторного двигателя Mazda]
* [http://www.deltaexpo.ru/content/view/131/15/ Роторный двигатель: преимущества и недостатки]
* [http://www.c400.ru/index.php?newsid=9671 История двигателя Ванкеля]
* [http://www.oborudovanieregion.ru/service/Materials/view?id=393 Оборудование. Регион. «ДВС. Эволюция в лицах», № 7(24)]
* [http://www.mazda.com/mazdaspirit/rotary/16x/ Последняя разработка РПД Mazda: Renesis 16X]{{ref-en}}, www.mazda.com
* [http://www.wankel-ag.de/ Wankel-ag.de] {{ref-de}} {{ref-en}}
* [http://www.monito.com/wankel/wankel.html Англоязычный форум по РПД] {{ref-en}}
'''РПД СССР/России'''<br />
* [http://www.ladaonline.ru/catalog/index.php?SECTION_ID=355&SHOWALL_1=1  ВАЗ: Описание моделей с РПД], Ladaonline.ru
* [http://www.7verst.ru/old/pages/rpd/rpd.htm История СКБ РПД]
* [http://faqs.org.ru/cars/parts/rpd.htm  FAQ по РПД АВТОВАЗа]
* [http://www.tatauto.ru/news/2004/09/08/213.html Опыт тюнинга РПД]
* [http://autosvit.com.ua/testview_321.html «За рулем» — Тест-драйв: сравнение ВАЗ 2110 и ВАЗ 21099 с РПД]
* [http://vankel.narod.ru Сайт о РПД, форум ]
'''Авиационные РПД'''
* [http://www.vaz.ru/press/book/chapter16.htm Шнякин,В. А. На земле, на небесах и на море]
* [http://www.mfit.ru/defensive/obzor/ob14-12-01-3.html Новости ВПК и военно-технического комплекса], 2001
* [http://www.aeroclub.kiev.ua/association/product/engine.html Коробецкий С. П. Нужен ли нам свой, Российский двигатель для СЛА и какой?][http://delta.wtr.ru/archive/12488.shtml расширенная версия (54 с.)]
* [http://www.ladaonline.ru/news/5743/ На АВТОВАЗе разрабатывают двигатели для самолетов]
* [http://www.ladaonline.ru/news/3317/ Тридцать лет вазовскому РПД]
* [http://twistairclub.narod.ru/ka56/index.htm Одноместный сверхлёгкий вертолет КА-56], КБ Камова

== См. также ==
* [[Роторно-лопастной двигатель Вигриянова]]
* [[Бензиновый двигатель внутреннего сгорания]]

[[Категория:Двигатель внутреннего сгорания]]