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
Пар над водой Пар над водой

Хаусбот, заметно отличающийся от всех остальных

Y Magazine
«Русланы» уходят. Часть 1 «Русланы» уходят. Часть 1

История Ан-124 «Руслан» уходит во времена зарождения реактивной авиации

Наука и техника
Мировые тренды в ЗОЖ Мировые тренды в ЗОЖ

Самые полезные диеты и продукты

Добрые советы
Как быстро зарядить телефон и что для этого нужно Как быстро зарядить телефон и что для этого нужно

Как быстро зарядить телефон Андроид или Айфон и что для этого понадобится

CHIP
Разведка по патенту Разведка по патенту

Как новая экосистема патентной аналитики поддержит процесс импортозамещения

Ведомости
Что сделать, чтобы авокадо быстрее дозрело: 4 простых трюка Что сделать, чтобы авокадо быстрее дозрело: 4 простых трюка

Лайфхаки, которые помогут ускорить процесс дозревания авокадо

ТехИнсайдер
Азбука банкротства Азбука банкротства

Российский суд обанкротил кипрского совладельца ритейлера «Азбука вкуса»

Ведомости
5 советов, как побороть нерешительность и довести дело до конца 5 советов, как побороть нерешительность и довести дело до конца

Нерешительность — одна из самых разочаровывающих и непродуктивных форм поведения

Inc.
Психологический портрет: что такое сейфтизм Психологический портрет: что такое сейфтизм

Сейфтизм: что это такое и чего в нем больше — пользы или вреда?

Forbes
Масло Масло

Им не испортишь кашу. Повара его обожают, а врачи недолюбливают

Здоровье
6 советов женщине, муж которой не хочет детей 6 советов женщине, муж которой не хочет детей

Вы всегда мечтали стать матерью, а ваш партнер хочет «пожить для себя»?

Psychologies
Себя посмотреть Себя посмотреть

Самые важные открытия, которые я сделал, связаны с кухней родного края

Bones
Главными проблемами малого и среднего бизнеса стали дефицит кадров и инфляция Главными проблемами малого и среднего бизнеса стали дефицит кадров и инфляция

Доля предпринимателей, не сталкивающихся с трудностями, в 2025 году упала до 14%

Forbes
Жила-была Жила-была

Удивительная история о ремесле, таланте, упрямстве и любви

Новый очаг
«Если это не любовь, то что?»: созависимость в отношениях «Если это не любовь, то что?»: созависимость в отношениях

Почему мы выбираем холодных партнеров? Как отличить любовь от созависимости?

Psychologies
Феномен «Ли» Феномен «Ли»

Кроссовер Li Xiang L9: почему все бросились покупать гибриды?

Автопилот
Этническое чудо Этническое чудо

Сингапур взял лучшее от западной культуры и построил у себя XXII век

Вокруг света
Танцы в Аничковом Танцы в Аничковом

При дворе Николая I светские законы сочетались с военным уставом

Дилетант
Игры разума Игры разума

Ученые вывели глухих комаров и отправили в космос первый деревянный спутник

Вокруг света
Итоги царствования Александра III Итоги царствования Александра III

Железный царь: как Александр III усилил Россию и избежал войн?

Знание – сила
Доктор Доктор

Фантастический рассказ Александра Маркова «Доктор»

Знание – сила
Хроническая усталость у женщин: 10 самых частых вопросов и ответы врача Хроническая усталость у женщин: 10 самых частых вопросов и ответы врача

Постоянно ощущаете себя «не в ресурсе»?

Psychologies
Система Юпитера: есть ли жизнь в подледном океане Европы? Система Юпитера: есть ли жизнь в подледном океане Европы?

Почему спутник Юпитера Европа — перспективный объект исследования?

Наука и техника
Мечтатели Мечтатели

Рассказ «Мечтатели» от Нади Алексеевой, лауреата премии «Большая книга»

СНОБ
Базовый элемент Базовый элемент

История Джо Ди Маджо – легендарного игрока «Янкиз»

Ведомости
Комната снов Комната снов

Почему Дэвид Линч — больше чем режиссер

Men Today
Тропики в ванной Тропики в ванной

Мечтали когда-нибудь о ванной комнате, утопающей в зелени?

Новый очаг
Фитнес-геометрия Фитнес-геометрия

Уникальная методика тренировок от фитнес-редакторов Ксении Ruff и Олега Майами

ЖАРА Magazine
Начальник или наставник? Начальник или наставник?

Законодатель впервые дал официальное определение наставничества. Что это значит?

Ведомости
Открыть в приложении