Проблемы и перспективы роторных двигателей

Наука и техникаHi-Tech

Роторно-поршневые двигатели

Проблемы и перспективы

Анатолий Цибезов

Как известно, основной проблемой при создании роторного двигателя любого типа является герметизация рабочих камер, так как именно надежность уплотнения зазоров определяет работоспособность роторной конструкции.

О трудности решения данной проблемы говорит тот факт, что бесчисленное множество изобретенных роторных двигателей оказывались неработоспособными именно из-за отсутствия эффективной системы уплотнения зазоров.

Достаточно сказать, что только в англоязычной базе за последние 250 лет накопилось порядка 450 тыс. патентов по роторным конструкциям со всего света, и весь этот бесценный опыт человеческой мысли лежит мертвым грузом.

История развития конструкции и основные проблемы

Наиболее удачной и выпускаемой ранее в промышленном масштабе явилась конструкция двигателя Вальтера Фройде и Феликса Ванкеля, более известная как роторно-поршневой двигатель Ванкеля (РПД Ванкеля). По сравнению с поршневыми ДВС аналогичной мощности РПД Ванкеля имеют в 1,5–2 раза меньший вес и габариты, отсутствует газораспределительный механизм в его стандартном исполнении, практически отсутствует вибрация на различных режимах работы.

В то же время РПД Ванкеля присущи следующие недостатки: малый ресурс двигателя, повышенный расход топлива и масла, грязный выхлоп. Малый ресурс двигателя связан прежде всего с быстрым износом радиальных уплотнений (апексов), расположенных в вершинах трехгранного ротора, при этом на статоре появляются поперечные бороздки, не подлежащие ремонту. Маслосъемные кольца и газовые уплотнения, расположенные на боковых сторонах трехгранного ротора, работают в более благоприятных условиях, сравнимых с работой поршневых компрессионных и маслосъемных колец.

Феликс Ванкель начал исследования в области рото-поршневых двигателей и систем уплотнения рабочих полостей в середине 20-х годов прошлого столетия. В 1929 г. им получен патент на бескривошипный двигатель с противоположно лежащими цилиндрами DRP 507584, в 1934 г. – на РПД с тремя роторами, исследование которого он проводил совместно с фирмой BMW, где кроме всего прочего занимался системой золотникового газораспределения поршневых авиационных моторов. В начале 1951 г. Ванкель начал сотрудничать с фирмой NSU Motorenwerke – производителем мотоциклов и малолитражных автомобилей. Прежде чем приступить к созданию полноценного РПД, им совместно с группой инженеров под руководством Вальтера Фройде было построено и испытано несколько компрессоров и пневмодвигателей по биротативной схеме, показавших хорошие результаты.

Используя результаты испытаний, Ванкель в начале 1957 г. построил биротативный двигатель (рис. 1), названый им ДКМ-54 (ДКМ-125), DKMDrehkolbenmotor.

Рис. 1. Двигатель ДКМ-54 в его самом тяжелом варианте – с водяным охлаждением

Этот двигатель был выполнен по эпитрохоидальной схеме, ротор и статор вращались в одном направлении вокруг неподвижных осей, при этом были связаны между собой зубчатой передачей с отношением 2:3. В данном случае отпадала надобность в противовесах, подшипники нагружались исключительно газовыми силами, на радиальные уплотнительные пластины (апексы) действовала постоянная центробежная нагрузка.

Двигатель ДКМ-54 развивал мощность 29 л.с. при 11300 об/мин ротора и 17000 об/мин статора, при среднем эффективном давлении 7,8 бар. При этом относительная скорость скольжения пластин радиальных уплотнений была в несколько раз ниже, нежели в классическом варианте, на эпитрохоидной поверхности статора отсутствовали поперечные бороздки.

Известно, что мощность трения скольжения радиальных пластин по статору равна N=PVf, где P – суммарная нагрузка на радиальную пластину от центробежных и газовых сил, V – скорость скольжения радиальной пластины по статору, f – коэффициент трения скольжения.

Следовательно, чем ниже скорость скольжения пластины по статору, тем ниже мощность трения скольжения, износ пластины и корпуса в целом. По свидетельству Дитера Пашке, выдающегося немецкого инженера, работавшего в группе Ванкеля-Фройде, наработка на отказ радиальных пластин (апексов) составляла в среднем 2500–3000 часов, что сопоставимо с ресурсом поршневых компрессионных колец на то время.

Ни до, ни после не удалось получить для радиальных уплотнений вершин ротора подобный результат.

Несмотря на более чем скромный вес и габариты (m=10 кг, DxL, мм 195 х 180), высокую удельную мощность на единицу веса, а также, что наработка на отказ радиальных пластин (апексов), газовых уплотнений и маслосъемных колец ротора была сопоставима с 4-тактным поршневым ДВС аналогичной мощности для того времени, двигатель ДКМ-54 так и не пошел в промышленную серию.

Причина проста – слишком сложны в изготовлении сборочные единицы, трудности с подводом свежей смеси и отвода продуктов сгорания от вращающихся деталей, трудности с подачей высокого напряжения к вращающимся свечам зажигания и пр. Достаточно сказать, что для замены свечей зажигания, которые находились на вращающимся роторе, приходилось разбирать половину двигателя.

Руководство компании NSU решило вернуться к более простой, классической схеме: неподвижный статор (корпус), в котором ротор совершает планетарное движение. Феликс Ванкель, который был единственным автором биротативной конструкции, был недоволен решением руководства компании, но сделать ничего не мог. Значительная часть прибыли компании NSU уходила на содержание группы Ванкеля-Фройде и требовалось радикальное решение (которое впоследствии было найдено), способное вывести компанию в лидеры нарождавшегося рынка РПД. Все последующие годы, до последнего дня, Ванкель занимался разработкой более надежной системы радиальных уплотнений вершин трехгранного ротора, получил несколько десятков патентов по данной теме, но ничего лучшего, придуманного им в начале творческого пути, предложить не смог, как и тысячи его последователей по всему миру. Кроме того, он активно занимался усовершенствованием своего биротативного двигателя ДКМ54, но предложить и построить что-то принципиально новое не успел.

Процесс сгорания топлива в РПД, в отличие от поршневого ДВС, имеет свои особенности. На боковых сторонах трехгранного ротора имеются выемки в форме линзы. На сегодняшний день они признаны как наиболее оптимальные.

В то же время при сравнительно небольшом объеме они обладают большей площадью в сравнении с поршневыми аналогами. Такая форма камеры сгорания ведет к ухудшению смесеобразования и замедлению скорости сгорания топлива, поэтому практически на всех РПД Ванкеля ставят по две свечи. Кроме того, по различным оценкам, 25–30% лучистой энергии сгорания топлива идет на нагрев ротора и корпуса, возможен перегрев конструкции в целом. Если поршень ДВС движется в цилиндре прямолинейно и использует большую часть потенциальной энергии горящего топлива в полезную работу, то в РПД Ванкеля потенциальная энергия как бы защемлена между боковой поверхностью ротора и статора, ее потенциал используется не полностью, выхлопные газы имеют более высокое давление и температуру, нежели поршневые аналоги.

Лицензии на производство РПД Ванкеля в 60–70-х годах прошлого века приобрели более 50 крупных компаний и корпораций США, Европы и Японии.

Среди них «Даймлер-Бенц», «МАН», «Крупп», «Фихтель» и «Закс» (ФРГ), «Куртис-Райт», «Дженерал Моторс» (США), «Роллс-Ройс», «Перкинс» (Англия), «Ниссан Моторс», «Сузуки Моторс», «Тойо Когио – Мазда» (Япония) и др.

В основном через 5–7 лет разработки роторно-поршневого двигателя Ванкеля были прекращены практически всеми приобретателями лицензий, кроме компании «Мазда».

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

100 самых сексуальных женщин страны 100 самых сексуальных женщин страны

Сто самых красивых женщин страны заждались тебя

Maxim
Шоссе в никуда Шоссе в никуда

Самые живописные трассы мира, которые ждут отпечатков ваших шин

Men Today
Первый холокост Первый холокост

Религиозный фанатизм крестоносцев первыми ощутили на себе евреи

Дилетант
Страдающее Средневековье: 5 книг, которые помогут в изучении истории Страдающее Средневековье: 5 книг, которые помогут в изучении истории

Книги для тех, кто хочет погрузиться в изучение мировой истории

СНОБ
Был ли аншлюс ГДР? Был ли аншлюс ГДР?

Читаем новый единый учебник всеобщей истории для 11 класса

Дилетант
Траурные церемонии Траурные церемонии

Как изменялся траурный церемониал в России?

Дилетант
Сам бы ел Сам бы ел

Как вести себя, если у ребенка внезапно испортились отношения с едой?

Лиза
Мухи-журчалки начали точно подражать осам уже 33 миллиона лет назад Мухи-журчалки начали точно подражать осам уже 33 миллиона лет назад

Ученые обнаружили ископаемую муху-журчалку, которая подражала окраске ос

N+1
Высокая кухня по низким ценам Высокая кухня по низким ценам

Как российские рестораны получали звезды Michelin

Ведомости
Личное пространство Личное пространство

Респектабельный интерьер в духе современной классики

SALON-Interior
О. Димитрий: «Есть русская пословица: “Я всех так люблю, что вилами в рай загоню”. Так нельзя…» О. Димитрий: «Есть русская пословица: “Я всех так люблю, что вилами в рай загоню”. Так нельзя…»

«Думаю, любые попытки построить безрелигиозное общество обречены»

Монокль
Природные успокоительные и витаминные бомбы: 7 фруктов, богатых магнием Природные успокоительные и витаминные бомбы: 7 фруктов, богатых магнием

Получить суточную дозу магния можно, просто добавив в свой рацион эти продукты!

ТехИнсайдер
Неудачник, который победил: как Вертинский преодолел поэзию, эпоху и свою судьбу Неудачник, который победил: как Вертинский преодолел поэзию, эпоху и свою судьбу

Как Вертинский прожил несколько жизней и предвосхитил куртуазных маньеристов

СНОБ
Как научиться довольствоваться тем, что есть, и перестать сравнивать свою жизнь с чужими Как научиться довольствоваться тем, что есть, и перестать сравнивать свою жизнь с чужими

Как перестать вечно гнаться за идеалом?

ТехИнсайдер
Эллинг выходного дня Эллинг выходного дня

Этот небольшой дом на Финском заливе — бывший эллинг, то есть гараж для яхты

Идеи Вашего Дома
Природа вещей Природа вещей

Растения всегда интересовали Нину Самохину, и она решила создать бренд

Новый очаг
Верным курсом Верным курсом

Активные ингредиенты — «тяжелая артиллерия» в уходе за кожей

Лиза
Обзор ГАЗ «Соболь»: размеры, характеристики, модельный ряд Обзор ГАЗ «Соболь»: размеры, характеристики, модельный ряд

Все про ГАЗ «Соболь»: характеристики, сколько стоит, модификации

РБК
Удобрения санкций не боятся Удобрения санкций не боятся

Нехватка цифровых и зеленых технологий с лихвой компенсируется запасами ресурсов

Монокль
Город двух цивилизаций Город двух цивилизаций

Касимов — где храмы на виду, а минарет в овраге

Weekend
Жила-была Жила-была

Удивительная история о ремесле, таланте, упрямстве и любви

Новый очаг
Место силы Место силы

Финский залив, сосны… Деревянный дом со сплошным остеклением стены

Идеи Вашего Дома
Ошибка отца Фёдора Ошибка отца Фёдора

Знаменитый роман «12 стульев» приближается к своему вековому юбилею

Дилетант
Как восстановиться после того, как тебе разбили сердце: 3 стратегии, которые помогут обрести себя и стать сильнее Как восстановиться после того, как тебе разбили сердце: 3 стратегии, которые помогут обрести себя и стать сильнее

Стратегии, которые помогут вам исцелиться и начать новую жизнь после разрыва

Psychologies
«Миноритарий» звучит размыто «Миноритарий» звучит размыто

Непубличные компании могли бы стать базой для роста фондового рынка, но не стали

Монокль
Судный день Судный день

Вызвали в суд в качестве присяжной? Осторожнее, это могут быть мошенники

Лиза
Парфюмерный этикет Парфюмерный этикет

Как правильно использовать ароматы

Grazia
Полярный бизнес-круг Полярный бизнес-круг

Российские компании против таяния мерзлоты: как бизнес адаптируется к угрозам

Ведомости
Я тебя — что? Я тебя — что?

Как меняется смысл «ты» в культуре, отношениях и восприятии себя?

Seasons of life
«Люди должны захотеть быть здоровыми» «Люди должны захотеть быть здоровыми»

Кто должен отвечать за стремление к здоровью и как бороться с эпидемией ожирения

Ведомости
Открыть в приложении