⚙️ Двигатель Ванкеля: другой путь для ДВС

💠 Привычный поршневой мотор с его возвратно-поступательной механикой — не единственный способ преобразовать энергию топлива во вращение. Роторный двигатель предлагает принципиально иное решение. В основе роторно-поршневого двигателя (РПД) лежит треугольник Рёло — фигура, обладающая свойством постоянной ширины. Это означает, что расстояние между любыми двумя параллельными опорными прямыми, касающимися контура, всегда одинаково, независимо от угла поворота. Для треугольника Рёло это расстояние равно длине его стороны. Камера имеет форму эпитрохоиды — кривой, которую описывает точка окружности, катящейся по другой окружности снаружи. Ротор, вращаясь внутри такой камеры, постоянно касается стенок тремя вершинами, разделяя внутреннее пространство на три изолированные полости. Объём каждой полости циклически изменяется за счёт того, что центр ротора движется по круговой траектории вокруг выходного вала, а сам ротор совершает сложное плоскопараллельное движение, подобное движению планет в эпициклической передаче. За один полный оборот ротора происходит три полных рабочих цикла, а эксцентриковый вал, жёстко связанный с центроидой (геометрическим центром ротора), делает три оборота.

🔥 Особенность камеры сгорания роторного двигателя — её вытянутая, серповидная форма. Относительная площадь поверхности стенок к объёму здесь выше, чем в цилиндре поршневого мотора. Это ведёт к большим тепловым потерям: энергия рабочего тела уходит в стенки, а не в совершение работы. Тепловой КПД роторного мотора в реальных условиях ниже, чем у хорошего поршневого агрегата.

Фронт пламени при воспламенении смеси распространяется в щелевидном пространстве, что увеличивает время догорания и делает процесс неравномерным. Особенно это заметно на переходных режимах. Кроме того, из-за асимметрии камеры турбулентность заряда на такте сжатия слабее, что ухудшает смесеобразование.

Главная конструктивная проблема — уплотнения на вершинах ротора (апексы). Они движутся вдоль стенки с высокой линейной скоростью (более 30 м/с) и при этом испытывают резкие перепады температуры и давления. За один оборот вала каждый апекс проходит через четыре такта с разными тепловыми режимами. Коэффициент трения в контакте "апекс — стенка" высок, и при недостатке масла возникает задир. Именно поэтому в масло РПД добавляют специальные противоизносные присадки, а замена масла требуется чаще, чем у поршневых двигателей.

📝 Автором концепции выступил Вальтер Фройде, руководитель инженерной группы немецкой компании NSU. Феликс Ванкель, чьё имя закрепилось за мотором, работал над уплотнениями и другой конструкцией, но именно схема Фройде легла в основу серийных образцов. Первый рабочий прототип DKM 54 запустили 1 февраля 1957 года. Однако ранний вариант оказался сложным, и уже в 1958 году появилась более практичная версия KKM с неподвижным корпусом. Первым серийным автомобилем с РПД стал NSU Spider в 1964 году, а затем — NSU Ro 80.

⚙️ У роторного двигателя есть бесспорные достоинства: компактность, малый вес, высокая удельная мощность и плавность работы благодаря отсутствию возвратно-поступательных движений. Практически полное отсутствие вибраций позволяет поднимать рабочие обороты до 7–8 тысяч без дополнительных балансиров. Но физические ограничения оказались серьёзными. Уплотнения изнашиваются быстрее, чем поршневые кольца. Камера сгорания имеет неблагоприятное отношение поверхности к объёму, что снижает термический КПД. Топливо сгорает неполностью — выбросы углеводородов у РПД выше в два-три раза, чем у поршневых аналогов. Удельный расход топлива на средних и высоких оборотах заметно выше.

🚘 Японские инженеры Mazda довели конструкцию до ума, увеличив ресурс апексов за счёт применения керамических покрытий и более жёстких материалов, а также создали двигатель Renesis с боковыми впускными и выпускными окнами, что позволило сократить перекрытие фаз и снизить выбросы. #физика #physics #механика #видеоуроки #научные_фильмы #ДВС #техника #опыты #лекции #physics #механика

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib