Коротко: роторный (Ванкеля) и поршневой двигатели по-разному превращают давление газов в момент и по-разному теряют энергию из‑за геометрии камеры, утечек, засорения и режимов газообмена. Ниже — пояснение с точки зрения механики и термодинамики.
Механика
- Преобразование давления в крутящий момент. В поршневом двигателе сила от давления действует через шатун/кривошип с хорошо определённым плечом; в роторном мгновенный момент определяется давлением на рабочей поверхности ротора и меняющимся плечом:
$$T(\theta )=p(\theta )A(\theta )r(\theta )$$
где $p(\theta )$ — давление в камере, $A(\theta )$ — проекция рабочей площади, $r(\theta )$ — эффективный плечевой радиус. В результате профиль момента у Ванкеля отличается по форме, но в целом вращение более гладкое (меньше колебаний), что позволяет более высокие обороты.
- Паразитные механические потери. Апекс‑сeйлы (кромочные уплотнения) и опорные уплотнения ротора создают значительное трение; эти трения и износ приводят к потерям и деградации уплотнения (утечки) со временем. Это снижает КПД.
- Момент/передача. Меньшее число движущихся масс и отсутствующие возвратно‑поступательные инерционные силы дают лучшую сглаженность момента и меньшие вибрации, но суммарный эффективный цилиндровый объём и давление на шатун/кривошип у поршневого обычно дают более высокий средний эффективный момент при тех же геометрических объёмах из‑за лучших уплотнений.
Термодинамика
- Форма камеры и отношение поверхности к объёму. Камера Ванкеля вытянута и имеет большее отношение площади поверхности к объёму, чем компактная поршневая камера. Потери тепла через стенки пропорциональны площади:
$$Q_{\text{loss}}\propto A_{\text{s}}(T_{\text{газ}}-T_{\text{стен}})$$
Больше потерь — ниже температура газа при расширении и, следовательно, меньшая полезная работа.
- Эффективное степень сжатия. Геометрия ограничивает практическую степень сжатия $r$, и из‑за утечек и неполного уплотнения реальная эффективная степень сжатия ниже. Для идеального цикла Отто термодинамический КПД зависит от $r$:
$${\eta }_{\text{Otto}}=1-r^{1-\gamma }$$
Меньший $r$ → меньший КПД.
- Горение и скорость распространения пламени. Удлинённая и несимметричная камера даёт более длинный путь пламени и большие области «закварки» (quench), что увеличивает неполноту сгорания и потери на неполное сгорание/нагар. Это уменьшает тепловую полноту (соотношение сгоревшего топлива к теоретическому).
- Газообмен и утечки. Роторный двигатель часто имеет особенности газообмена, близкие к двухтактным схемам (вытеснение и впуск/выпуск на разных фазах вращения), что ведёт к перемешиванию свежей смеси с оставшимися газами и к выхлопным потерям топлива. Дополнительно утечки через апекс‑сейлы снижают индикативное среднее эффективное давление (IMEP).
- Рабочая частота циклов и потери на насосную работу. При высоких оборотах Ванкеля полезная мощность растёт (меньше инерционных ограничений), но насосные потери и тепловые потери тоже растут; оптимум КПД смещён иначе, чем у поршневого.
Итог (в одном предложении)
- Роторный двигатель даёт более гладкий момент и высокую удельную мощность при компактности, но из‑за формы камеры, повышенных теплопотерь, затруднённого уплотнения и газообменных потерь имеет обычно более низкий термический КПД и меньший средний крутящий момент на единицу рабочего объёма по сравнению с поршневым двигателем.