Принцип роботи
Сила тиску газів від згорілої паливо-повітряної суміші призводить в рух ротор, насаджений через підшипники на ексцентриковий вал. Рух ротора щодо корпусу двигуна (статора) проводиться через пару шестерень, одна з яких, більшого розміру, закріплена на внутрішній поверхні ротора, друга, опорна, меншого розміру, жорстко прикріплена до внутрішньої поверхні бічної кришки двигуна. Взаємодія шестерень призводить до того, що ротор здійснює кругові ексцентричні руху, стикаючись гранями з внутрішньою поверхнею камери згоряння. В результаті між ротором і корпусом двигуна утворюються три ізольовані камери змінного об'єму, в яких відбуваються процеси стиснення паливо-повітряної суміші, її згоряння, розширення газів, які чинять тиск на робочу поверхню ротора і очищення камери згоряння від відпрацьованих газів. Обертальний рух ротора передається на ексцентриковий вал, встановлений на підшипниках і передає крутний момент на механізми трансмісії. Таким чином в РПД одночасно працюють дві механічні пари: перша - регулююча рух ротора і складається з пари шестерень; і друга - що перетворює круговий рух ротора в обертання ексцентрикового вала. Передавальне співвідношення шестерень ротора і статора 2: 3, тому за один повний оборот ексцентрикового вала ротор встигає провернутися на 120 градусів. У свою чергу за один повний оберт ротора в кожній з трьох утворених його гранями камер проводиться повний чотиритактний цикл двигуна внутрішнього згоряння.
схема РПД
1 - впускний вікно; 2 випускне вікно; 3 - корпус; 4 - камера згоряння; 5 - нерухома шестерня; 6 - ротор; 7 - зубчасте колесо; 8 - вал; 9 - свічка запалювання
переваги РПД
Головним достоїнством роторно-поршневого двигуна є простота конструкції. У РПД на 35-40 відсотків менше деталей, ніж в поршневому чотиритактному двигуні. У РПД відсутні поршні, шатуни, колінчастий вал. У «класичному» варіанті РПД немає і газорозподільного механізму. Паливо-повітряна суміш надходить в робочу порожнину двигуна через впускний вікно, яке відкриває грань ротора. Відпрацьовані гази викидаються через випускне вікно, яке перетинає, знову ж таки, грань ротора (це нагадує пристрій газорозподілу двотактного поршневого двигуна).
Окремої згадки заслуговує система мастила, яка в найпростішому варіанті РПД практично відсутня. Масло додається в паливо - як при експлуатації двотактних мотоциклетних двигунів. Мастило пар тертя (перш за все ротора і робочої поверхні камери згоряння) виробляється самою паливо-повітряною сумішшю.
Оскільки маса ротора невелика і легко врівноважується масою противаг ексцентрикового вала, РПД відрізняється невеликим рівнем вібрацій і хорошою рівномірністю роботи. В автомобілях з РПД легше врівноважити двигун, домігшись мінімального рівня вібрацій, що добре позначається на комфортабельності машини в цілому. Особливою плавністю ходу відрізняються двохроторннім двигуни, в яких ротори самі є знижують рівень вібрацій балансирами.
Ще одна приваблива якість РПД - висока питома потужність при високих оборотах ексцентрикового вала. Це дозволяє домогтися від автомобіля з РПД відмінних швидкісних характеристик при відносно невеликій витраті палива. Мала інерційність ротора і підвищена в порівнянні з поршневими двигунами внутрішнього згоряння питома потужність дозволяють поліпшити динаміку автомобіля.
Нарешті, важливим достоїнством РПД є невеликі розміри. Роторний двигун менше поршневого чотиритактного мотора тієї ж потужності приблизно вдвічі. І це дозволяє більш раціонально використовувати простір моторного відсіку, більш точно розраховувати розташування вузлів трансмісії і навантаження на передню і задню вісь.
недоліки РПД
Головний недолік роторно-поршневого двигуна - невисока ефективність ущільнень зазору між ротором і камерою згоряння. Хто має складну форму ротор РПД вимагає надійних ущільнень не тільки по гранях (а їх чотири у кожній поверхні - дві по вершинним, дві по бічних гранях), але і по бічній поверхні, дотичної з кришками двигуна. При цьому ущільнення виконані у вигляді пружних смужок з високолегованої сталі з особливо точної обробкою як робочих поверхонь, так і торців. Закладені в конструкцію ущільнень допуски на розширення металу від нагрівання погіршують їх характеристики - уникнути прориву газів у торцевих ділянок ущільнювачів пластин практично неможливо (в поршневих двигунах використовують лабірінтовий ефект, встановлюючи кільця ущільнювачів зазорами в різні боки).
В останні роки надійність ущільнень різко зросла. Конструктори знайшли нові матеріали для ущільнень. Однак, говорити про якийсь прорив поки не доводиться. Ущільнення до сих пір залишаються найвужчим місцем РПД.
Складна система ущільнень ротора вимагає ефективної змащування поверхонь. РПД споживає більше масла, ніж чотиритактний поршневий двигун (від 400 грамів до 1 кілограма на 1000 кілометрів). При цьому масло згорає разом з паливом, що погано позначається на екологічності двигунів. У вихлопних газах РПД небезпечних для здоров'я людей речовин більше, ніж у вихлопних газах поршневих двигунів.
Особливі вимоги пред'являються і до якості масел, використовуваних в РПД. Це пов'язано, по-перше, зі схильністю до підвищеного зносу (через велику площі дотичних деталей - ротора і внутрішньої камери двигуна), по-друге, до перегріву (знову ж через підвищеного тертя і через невеликих розмірів самого двигуна ). Для РПД смертельно небезпечні нерегулярна зміна масла - оскільки абразивні частки в старому маслі різко збільшують знос двигуна, і переохолодження двигуна. Запуск холодного двигуна і недостатній його прогрів призводять до того, що в зоні контакту ущільнень ротора з поверхнею камери згоряння і бічними кришками виявляється мало мастила. Якщо поршневий двигун заклинює при перегріванні, то РПД найчастіше - під час запуску холодного двигуна (або при русі в холодну погоду, коли охолодження виявляється надлишковим).
В цілому робоча температура РПД вище, ніж у поршневих двигунів. Сама термонапруженого область - камера згоряння, яка має невеликий об'єм і, відповідно, підвищену температуру, що ускладнює процес підпалу паливо-повітряної суміші (РПД через протяжної форми камери згоряння схильні до детонації, що теж можна віднести до недоліків цього типу двигунів). Звідси вимогливість РПД до якості свічок. Зазвичай їх встановлюють в ці двигуни попарно.
Роторно-поршневі двигуни при чудових потужних і швидкісних характеристиках виявляються менш гнучкими (або менш еластичними), ніж поршневі. Вони видають оптимальну потужність тільки на досить високих оборотах, що змушує конструкторів використовувати РПД в парі з багатоступінчатими КП і ускладнює конструкцію автоматичних коробок передач. В кінцевому підсумку РПД виявляються не такими економічними, якими повинні бути в теорії.
Практичне застосування в автопромисловості
Найбільшого поширення РПД отримали в кінці 60-х і початку 70-х років минулого століття, коли патент на двигун Ванкеля був куплений 11 провідними автовиробниками світу.
У 1967 році німецька компанія NSU випустила серійний легковий автомобіль бізнес-класу NSU Ro 80. Ця модель випускалася протягом 10 років і розійшлася по світу в кількості 37204 примірників. Автомобіль користувався популярністю, але недоліки встановленого в ньому РПД, в кінці кінців, зіпсували репутацію цієї чудової машини. На тлі довговічних конкурентів модель NSU Ro 80 виглядала «блідо» - пробіг до капітального ремонту двигуна при заявлених 100 тисячах кілометрів не перевищував 50 тисяч.
З РПД експериментували концерн Citroen. Mazda. ВАЗ. Найбільших успіхів добилася Mazda, яка випустила свій легковий автомобіль з РПД ще в 1963 році, на чотири роки раніше появи NSU Ro 80. Сьогодні концерн Mazda оснащує РПД спорткари серії RX. Сучасні автомобілі Mazda RX-8 позбавлені багатьох недоліків РПД Фелікса Ванкеля. Вони цілком екологічні та надійні, хоча серед автовласників і фахівців з ремонту вважаються «примхливими».
Практичне застосування в мотопромишленності
У 70-е і 80-е роки з РПД експериментували деякі виробники мотоциклів - Hercules, Suzuki і інші. В даний час дрібносерійне виробництво «роторних» мотоциклів налагоджено тільки в компанії Norton, що випускає модель NRV588 і готує до серійного випуску мотоцикл NRV700.
Norton NRV588 - спортбайк, оснащений двороторним двигуном загальним обсягом в 588 кубічних сантиметрів і розвиває потужність в 170 кінських сил. При сухій вазі мотоцикла в 130 кг енергоозброєність спортбайка виглядає в буквальному сенсі позамежної. Двигун цієї машини оснащений системами впускного тракту змінної величини і електронного уприскування палива. Про моделі NRV700 відомо лише те, що потужність РПД у цього спортбайка сягатиме 210 к.с.
цікаві факти
1. роторно-поршневі двигуни набули поширення серед авіамоделістів. Оскільки в модельному двигуні вимоги до надійності і економічності знижені до межі, виробництво цих моторів виявляється недорогим. У цих двигунах ущільнень ротора або немає взагалі, або ці ущільнення мають найпростішу конструкцію. Головне достоїнство авіамодельного РПД в тому, що його можна легко вбудувати в літаючу масштабну модель. Зокрема, модельні РПД застосовуються при створенні копій реактивних літаків.
2. Отримавши патент на РПД в 1936 році Фелікс Ванкель став винахідником не тільки двигуна внутрішнього згоряння, але ще і роторно-поршневих насоса і компресора. І ці пристрої можна зустріти набагато частіше, ніж РПД - на виробництві, в ремонтних майстернях, в побуті. Наприклад, портативні електричні компресори для автомобілістів дуже часто влаштовані за принципом роторно-поршневого насоса.