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

Микробы от похмелья Микробы от похмелья

Бактерии, которые способны утилизировать алкогольный токсин в кишечнике

Популярная механика
Абузусная головная боль: симптомы, причины и методы лечения Абузусная головная боль: симптомы, причины и методы лечения

Может ли головная боль стать сильнее, если пытаться её уменьшить?

ТехИнсайдер
Виртуальный номер телефона: что это, и как его получить Виртуальный номер телефона: что это, и как его получить

Что такое виртуальный номер телефона и зачем он нужен?

CHIP
Подводный пылесос и чистящее желе: четыре российских технологии для борьбы с нефтяным загрязнением Подводный пылесос и чистящее желе: четыре российских технологии для борьбы с нефтяным загрязнением

Как решения используют в России по уборке нефтепродуктов?

Inc.
Miss MAXIM 2019 Miss MAXIM 2019

Марафон красоты длиной в пять месяцев финишировал!

Maxim
Ученые переписали нейронауку: впервые обнаружены возможные основы человеческого интеллекта Ученые переписали нейронауку: впервые обнаружены возможные основы человеческого интеллекта

Ученые нашли, как нейроны в человеческом мозге хранят воспоминания

Inc.
Колорблок Колорблок

Как стереть с лица пятьдесят оттенков сепии? Помогут экспосом-чекап и SPF

Собака.ru
Старый новый рэп Старый новый рэп

Как в рэп вернулась непоколебимая маскулинность и почему это не так плохо?

Men Today
Коля Николай Коля Николай

Почему мужчины довольствуются серыми худи и черными кроссовками

СНОБ
Выхожу из стресса Выхожу из стресса

Как повысить стрессоустойчивость: 8 работающих лайфхаков

Лиза
Философия Паддингтона: «Откройте свой разум, и ноги последуют за ним» Философия Паддингтона: «Откройте свой разум, и ноги последуют за ним»

Как простой медведь из дремучего Перу оказался на обложках Esquire и Time Out

СНОБ
Хрустящая курочка Хрустящая курочка

Как выбирать наггетсы, и так ли уж они вредны

Лиза
Траурные церемонии Траурные церемонии

Как изменялся траурный церемониал в России?

Дилетант
Немного науки в арктической воде Немного науки в арктической воде

Что исследователи знают о косолапых пловцах

Weekend
Едва знакомы Едва знакомы

«Едва знакомы» — проект, объединяющий людей за киноужинами

Seasons of life
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
Есть контакт! От клеточной адгезии к нетоксичной терапии рака Есть контакт! От клеточной адгезии к нетоксичной терапии рака

Есть ли вещества, которые могут содействовать здоровой адгезии при лечении рака?

Наука и жизнь
Обманный маневр Обманный маневр

«Ведомости. Спорт» вспоминает громкие случаи мошенничества в мировом спорте

Ведомости
Сила – в музыке транзисторов. Асинхронный привод Сила – в музыке транзисторов. Асинхронный привод

Что помешало поставить асинхронные двигатели на ВЛ80К в роли тяговых?

Наука и техника
«Мне ни на что не хватает!»: 4 типа отношения к деньгам «Мне ни на что не хватает!»: 4 типа отношения к деньгам

Как нормализовать свое отношение к деньгам?

Psychologies
Валдис Пельш: Как ревели горы Валдис Пельш: Как ревели горы

История-подъем, превозмогание, смелость и безумие

Maxim
Как России преодолеть магнитную аномалию Как России преодолеть магнитную аномалию

Редкоземельные магниты играют ключевую роль в производстве высоких технологий

Монокль
Скорая домашняя помощь Скорая домашняя помощь

Как грамотно помочь себе или другому человеку в опасных ситуациях со здоровьем

Лиза
Вяление Вяление

Вяление и его производные дают интересные и порой неожиданные результаты

Bones
Курс пикапа Курс пикапа

Россия как Америка — на примере пикапа GWM Poer

Автопилот
Эрдоган зажат между интересами США и Британии Эрдоган зажат между интересами США и Британии

Политический кризис в Турции может серьезно встряхнуть государство и регион

Монокль
Ударные АПЛ европейских стран НАТО Ударные АПЛ европейских стран НАТО

Лодки класса «Трафальгар» проектировались для противостояния советским подлодкам

Наука и техника
Юбилейная партитура Юбилейная партитура

Музыкальному коллективу Теодора Курентзиса musicAeterna исполняется 20 лет

СНОБ
Взрыв мозга: как нейрочипы изменят медицину Взрыв мозга: как нейрочипы изменят медицину

Какие нейрочипы с разным функционалом создают сегодня лаборатории и стартапы

Монокль
Богатый старый дом Богатый старый дом

«Берлинский дом» — история московской роскоши в лицах и событиях

RR Люкс.Личности.Бизнес.
Открыть в приложении