Ро́торный дви́гатель (РД, РДВС, двигатель Ва́нкеля) — роторный двигатель внутреннего сгорания, конструкция которого разработана в 1957 году инженером компании NSU Вальтером Фройде. Ему же принадлежала идея этой конструкции. Двигатель разрабатывался в соавторстве с Феликсом Ванкелем, работавшим над другой конструкцией роторно-поршневого двигателя^[1].

Особенность двигателя — применение трёхгранного ротора (поршня), имеющего вид треугольника Рёло, вращающегося внутри цилиндра специального профиля, поверхность которого выполнена по эпитрохоиде (возможны и другие формы ротора и цилиндра^[2]).

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 эпитрохоидальной поверхности цилиндра и отсекают переменные объёмы камер в цилиндре с помощью трёх 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 цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами. Отсутствие механизма газораспределения делает двигатель значительно проще четырёхтактного поршневого, а отсутствие сопряжения (картерное пространство, коленвал и шатуны) между отдельными рабочими камерами обеспечивают необычайную компактность и высокую удельную мощность. За один оборот эксцентрикового вала двигатель выполняет один рабочий цикл, что эквивалентно работе двухтактного поршневого двигателя. За один оборот ротора эксцентриковый вал выполняет 3 оборота и 3 рабочих хода, что приводит к ошибочным сравнениям роторного двигателя с шестицилиндровым поршневым двигателем.

Смесеобразование, зажигание, смазка, охлаждение, запуск принципиально такие же, как и у обычного 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 и т. п.

Автомобили с РПД потребляют от 7 до 20 литров топлива на 100 км, в зависимости от режима движения, масла — от 0,4 л до 1 л на 1000 км.

Двигатель Ванкеля использует четырёхтактный цикл:

• такт A: Топливно-воздушная смесь через впускное окно поступает в камеру двигателя
• такт B: Ротор вращается и сжимает смесь, смесь воспламеняется электрической искрой
• такт C: Продукты горения давят на поверхность ротора, передавая усилия на цилиндрический эксцентрик
• такт D: Вращающийся ротор вытесняет отработанные газы в выпускное окно.

Несмотря на схожесть цикла, динамика сгорания топливно-воздушной смеси в роторно-поршневом двигателе (РПД) сильно отличается от традиционного поршневого двигателя.

В поршневом двигателе (ПД) топливно-воздушный заряд, проходя в цилиндр через клапан на стадии впуска, приобретает высокую турбулентность, которая возрастает с ростом числа оборотов коленчатого вала, что благоприятно сказывается на полноте сгорания смеси. В РПД турбулентность ниже и в момент воспламенения, основной заряд смеси впереди по вращению ротора быстро сгорает, в то время как задняя часть рабочей полости остаётся не сгоревшей и выбрасывается в атмосферу. Этим объясняется в 6 — 8 раз более высокий процент выбросов в атмосферу несгоревших углеводородов, по сравнению с поршневыми двигателями.

Ещё одним отличием рабочего цикла РПД от рабочего цикла ПД является сдвиг момента максимального выделения тепла в камере сгорания на линию расширения после прохождения верхней мёртвой точки. Поэтому максимальные температуры цикла, при одинаковой степени сжатия, у РПД ниже, а в фазе выпуска температура отработавших газов на 200—250 °С выше чем у поршневых двигателей. Это термодинамически невыгодно и приводит к дополнительному снижению КПД, но в то же время по этой причине выброс окиси азота у РПД на 20 % ниже, а при одинаковых степенях сжатия, РПД способен работать без детонации на топливе с октановым числом на 15 единиц меньше чем поршневой двигатель.

Устранение недостатков РПД добиваются усложнением систем впрыска, созданием расслоения топливно-воздушной смеси в камере сгорания и т. п.^[3]

Преимущества перед поршневыми двигателями:

• низкий уровень вибраций: двигатель полностью механически уравновешен, что позволяет повысить комфортность лёгких транспортных средств типа микроавтомобилей, мотокаров и юникаров;
• высокие 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);
• высокая удельная мощность (л. с./кг) в силу того, что:
  • обычная частота вращения вала примерно в 2 раза выше, чем у поршневого четырёхтактного двигателя.
  • масса движущихся частей в РПД гораздо меньше, чем в аналогичных по мощности поршневых двигателях, так как в его конструкции отсутствуют коленчатый вал и шатуны;
  • однороторный двигатель выдаёт мощность в течение трёх четвертей каждого оборота выходного вала. В отличие от четырёхтактного поршневого двигателя, который выдаёт мощность только в течение одной четверти каждого оборота выходного вала;
• меньшие в 1,5—2 раза габаритные размеры;
• меньшее число деталей (два-три десятка вместо нескольких сотен).

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

Недостатки:

• Соединение ротора с выходным валом через эксцентриковый механизм, являясь характерной особенностью РПД, вызывает давление между трущимися поверхностями, что в сочетании с высокой температурой приводит к дополнительному износу и нагреву двигателя. В связи с этим возникает повышенное требование к периодической замене масла. При правильной эксплуатации периодически производится капитальный ремонт, включающий в себя замену уплотнителей. Ресурс при правильной эксплуатации достаточно велик, но не заменённое вовремя масло неизбежно приводит к необратимым последствиям, и двигатель выходит из строя.
  • Для уменьшения износа радиальных уплотнителей требует подачи масла непосредственно в камеру сгорания. Продукты частично горения масла попадают в выхлопные газы (как и при работе двухтактного поршневого двигателя). Помимо более «грязного» выхлопа, это приводит к повышенному расходу масла — в двигателе 13В автомобиля Mazda RX-8 убыль масла оставляет 1 литр на 1 тыс. км пробега.
• Состояние уплотнителей. Площадь пятна контакта очень невелика, а перепад давления очень высокий. Следствием износа уплотнителей являются высокие утечки между камерами и, как следствие, падение КПД и токсичность выхлопа. Проблема быстрого износа уплотнителей на высокой скорости вращения вала была решена применением высоколегированной стали.
• Склонность к перегреву. Камера сгорания имеет линзовидную форму, то есть при маленьком объёме у неё относительно большая площадь. При температуре горения рабочей смеси основные потери энергии идут через излучение, интенсивность которого пропорциональна четвёртой степени температуры; с точки зрения снижения удельной поверхности и за счёт этого потерь теплоты идеальная форма камеры сгорания — сферическая. Лучистая энергия не только бесполезно покидает камеру сгорания, но и приводит к перегреву рабочего цилиндра.
• Меньшая экономичность на низких оборотах по сравнению с поршневыми ДВС. Устраняется отключением работы каждого n-го поршня, что также влечёт снижение температурной нагрузки.
• Высокие требования к геометрической точности изготовления деталей двигателя делают его сложным в производстве — требуется применение высокотехнологичного и высокоточного оборудования: станков, способных перемещать инструмент по сложной траектории эпитрохоидальной поверхности камеры объёмного вытеснения.

Двигатель разрабатывался изначально именно для применения на автотранспорте. Первый серийный автомобиль с роторным двигателем — немецкий спорткар NSU Spider.

Первый массовый (37204 экземпляра) — немецкий седан бизнес-класса NSU Ro 80. Автомобиль имел достаточно инноваций и помимо двигателя, в частности, кузов с рекордно низким аэродинамическим сопротивлением, полуавтоматическую коробку передач с гидротрансформатором, блок-фары, и так далее. Ro 80 отличалась не только уникальной конструкцией, но и передовым дизайном, который оказался непонятен публике середины шестидесятых (см. NSU Ro 80); через десять лет именно он был положен в основу стиля моделей «Ауди» 100 и 200 поколения C2.

Ресурс двигателя оказался весьма мал (ремонт требовался уже после пробега порядка 50 тыс. км), поэтому автомобиль заслужил плохую репутацию и стал скандально известен. На многих сохранившихся автомобилях оригинальный двигатель заменён на поршневой L4 «Essex» фирмы Ford.

Citroën также экспериментировал с РПД — проект Citroën M35.

После этого серийное и мелкосерийное производство автомобильных роторно-поршневых двигателей Ванкеля производились только фирмами Mazda (Япония) и ВАЗ (СССР)^[4]. Так же немецкая фирма Fichtel & Sachs с 1969 по 1973 год выпускала односекционные малые РПД объёмом в 300 см³, которые устанавливались на бензопилы, электрогенераторы, газонокосилки и т. п. Двухсекционные моторы объёмом 600 см³ применялись на снегоходах.

Инженерам фирмы Mazda, создавшим роторно-поршневой двигатель «Renesis» (производное от слов (англ. Rotary Engine:роторный двигатель и Genesis:процесс становления, название, говорящее о появлении нового класса двигателей), удалось решить основные проблемы таких двигателей — токсичность выхлопа и неэкономичность. По сравнению с двигателями-предшественниками удалось сократить потребление масла на 50 %, бензина — на 40 % и довести выброс вредных окисей до норм, соответствующих Euro IV. Двухкамерный двигатель «Renesis» объёмом всего 1,3 л выдаёт мощность в 250 л. с. и занимает немного места в моторном отсеке.

Автомобили марки Mazda с буквами RE в наименовании (первые буквы от названия «Renesis») могут использовать в качестве топлива как бензин, так и водород (так как менее чувствителен к детонации, чем обычный двигатель, использующий возвратно-поступательное движение поршня). Это явилось вторым витком роста внимания к РПД со стороны разработчиков.

Выпуск автомобилей Mazda RX-8 прекращён в 2011 году, так как он не вписывался в новые ужесточённые нормы экологичности выхлопа в Европе и США. Производитель Mazda время от времени обещает снова вернуться к выпуску роторных моторов, но на 2023 год обещания не были реализованы.

Малые моторы объёмом от 210 до 300 куб см в мире выпускают несколько фирм в Англии и в Германии. Так же копии таких моторов начали выпускать в Китае и в Иране для установки на небольшие беспилотные самолёты.

Несмотря на ряд попыток установки двигателя Ванкеля на самолётах (опытные образцы испытывались в разных странах с 1950-х годов), он не нашёл широкого применения в авиации. В настоящее время (2011) двигатель Ванкеля устанавливается на некоторые модели мотопланеров Schleicher.

Существует британский двигатель AR731 мощностью 38 л. с., сконструированный специально для дронов-камикадзе или других ударных или короткоживущих дронов. Двигатель имеет китайскую копию MDR-208, который, в свою очередь, скопирован в Иране под названием Shahed-783. Этот двигатель используется в дроне Shahed-131, который в России известен как «Герань-1».

В 2019 году российские учёные из Центрального института авиационного моторостроения им. П. И. Баранова и Фонда перспективных исследований решили проблему быстрой изнашиваемости двигателя, создав РПД на основе материалов нового поколения — интеркерамоматричных и металлокерамоматричных композитов. Согласно результатам испытаний, износ этих элементов пренебрежительно мал. Все они сохранили свою работоспособность, подтвердив возможность и перспективность применения композиционных материалов для изготовления наиболее нагруженных и проблемных элементов РПД. В новом отечественном двигателе применена также специально разработанная для РПД система турбонаддува с охлаждением воздуха и новая система управления.^[5]

• Роторно-лопастной двигатель Вигриянова
• Бензиновый двигатель внутреннего сгорания
• Роторный двигатель: конструкции и классификация
• Роторный двигатель
• 5-тактный роторный двигатель
• РПД ВАЗ

• Роторно-поршневой двигатель // Большая советская энциклопедия

• Круглый треугольник Рело / Математические этюды
• Иван Пятов. РПД изнутри и снаружи
• Анимация: Двигатель Ванкеля (видео)
• Конструкция и принцип работы роторного двигателя: анимация (видео)
• Инженер от Бога — Феликс Ванкель
• История роторного двигателя Mazda
• История, настоящее и будущее двигателя Ванкеля
• Роторный двигатель Renesis
• Кто ещё выпускал роторно-поршневые моторы кроме «Мазды»
• Последняя разработка РПД Mazda: Renesis 16X // mazda.com (англ.)
• Wankel-ag.de (нем.) (англ.)

РПД СССР/России

• ВАЗ: Описание моделей с РПД // Ladaonline.ru
• История СКБ РПД
• «За рулём» — Тест-драйв: сравнение ВАЗ 2110 и ВАЗ 21099 с РПД

Авиационные РПД

• Шнякин В. А. На земле, на небесах и на море
• Новости ВПК и военно-технического комплекса // mfit.ru, 2001
• На АВТОВАЗе разрабатывают двигатели для самолётов
• Тридцать лет вазовскому РПД
• Одноместный сверхлёгкий вертолёт КА-56, КБ Камова

Двигатели
Двигатели внутреннего сгорания (кроме турбинных) Возвратно-поступательные Количество тактов Двухтактный двигатель двигатель Ленуара Четырёхтактный двигатель Пятитактный двигатель роторный Шеститактный двигатель Расположение цилиндров Рядный двигатель U-образный двигатель Оппозитный двигатель Н-образный двигатель V-образный двигатель VR-образный двигатель W-образный двигатель Звездообразный двигатель вращающийся X-образный двигатель Типы поршней Свободно-поршневые Двигатель со встречным движением поршней дельтообразный Аксиальные Способ воспламенения Дизельные Компрессионные карбюраторные Калильно-компрессионный Калильные карбюраторные Батарейное зажигание Магнето Дуговые и искровые свечи Детали ДВС Поршень Поршневой палец Плунжер Коленчатый вал Ползун Шатун Магнето Свеча зажигания Роторные Двигатель Ванкеля Орбитальный двигатель двигатель Сарича Роторно-лопастной двигатель Вигриянова Комбинированные Гибридные Двигатель Хессельмана
Воздушно-реактивные Основные типы Бескомпрессорные Прямоточные Пульсирующие Турбореактивные Турбовентиляторные (двухконтурные) Турбовинтовые Турбовинтовентиляторные Турбовальные Модификации и гибридные системы Мотокомпрессорный воздушно-реактивный двигатель Гиперзвуковые прямоточные См. также: Газотурбинные двигатели
Ракетные двигатели Стартовый Разгонный Маршевый Маневровый Химические Жидкостные Закрытого цикла Открытого цикла С фазовым переходом Двигатель Вальтера Другие Твердотопливные Топливно-гибридные Ядерные Термоядерные Газофазно-ядерные Твердофазно-ядерные Солевые Электрические Плазменные электромагнитный ускоритель VASIMR Ионные Электротермические Электростатические Другие Клиновоздушный Двигатель Бассарда
Двигатели внешнего сгорания Паровая машина Двигатель Стирлинга Пневматический двигатель Турбины и механизмы с турбинами в составе По виду рабочего тела Газовые Газотурбинная установка Газотурбинная электростанция Газотурбинные двигатели Турбодетандер Паровые Парогазовая установка Конденсационная турбина Гидравлические Пропеллерная турбина По конструктивным особенностям Осевая (аксиальная) турбина Центробежная турбина радиальная диагональная Радиально-осевая турбина (турбина Френсиса) Поворотно-лопастная турбина (турбина Каплана) Ковшовая турбина (турбина Пелтона) Турбина Турго Ротор Дарье Турбина Уэльса Турбина Тесла Сегнерово колесо
Электродвигатели Постоянного тока Переменного тока Многофазные Трёхфазные Двухфазные Однофазные Универсальные Асинхронные Конденсаторный двигатель Синхронные Бесколлекторные (Вентильный двигатель) Коллекторные Вентильные реактивные Шаговые Другие Линейные Гистерезисные Униполярные Ультразвуковые Мендосинский мотор
Биологические двигатели Моторные белки Актин Динеин Кинезин Миозин Тропомиозин Тропонин Флагеллин
См. также Вечный двигатель Мотор-редуктор Резиномотор