Роторно-поршневые двигатели внутреннего сгорания

К оглавлению
1 2 3 4 5 6 7 8 

В этом разделе речь идет о двигателях, которым ав­торы многочисленных публикаций порою сулят блестя­щее будущее. И, конечно, на первом месте стоит дви­гатель Ванкеля.

Но так ли уж радужны его перспективы? Экономи­сты всех стран едины во мнении, что только не менее чем 25% преимущества по основным показателям обес­печивают «новой технике» право на безоговорочную за­мену «старой».

Прошло более 15 лет с момента появления первого промышленного образца двигателя Ванкеля. Срок зна­чительный. И оказывается, что преимущества «ванке­ля» в весе составляют всего 12—15%; преимуществ по стоимости и долговечности нет, и только объем, зани­маемый двигателем под капотом автомобиля, уменьшен на 30%. При этом размеры автомобилей практически не сокращаются.

Реальность опровергает и все еще бытущие утверж­дения о «малодетальности» этого двигателя. Один его ротор имеет 42—58 уплотнительных элементов, в то вре­мя как у сопоставимого ДВС их около 25, включая кла­паны.

Еще хуже обстоят дела с многороторными двигате­лями. Для них нужны сложные картеры, дорогостоящая система охлаждения, многодетальный привод. Уже только двухроторный «ванкель» содержит шесть объем­ных отливок сложной конфигурации, а равнозначный поршневой двигатель — всего 2—3 гораздо более про­стых и технологичных.

Сложная технология изготовления эпитрохоиды — внутреннего профиля каждого картера, покрытие ста­

торов и многочисленных уплотнительных элементов до­рогостоящими материалами, усложненная сборка сво­дят на нет все потенциальные преимущества «ванке­лей».

И хотя уже на автосалонах 1973 г. был представлен четырехроторный двигатель мощностью 280 л. с. (объем 6,8 л; 6300 об/мин), областью применения «ванкелей» останутся одно-двухроторные конструкции. Четырехро­торный образец построила фирма «Дженерал моторе» (США) для спортивной модели «Шевроле-Корветт», выпуск которой небольшими сериями планируется на­чать с 1976 г. В запасе у. фирмы есть и двухроторный образец (4,4 л; 180 л. с. при 6000 об/мин). Однако уста­навливать эти двигатели будут только по просьбе по­купателя. В 1974 г. начат мелкосерийный выпуск фран­цузского варианта двухроторного двигателя (1,2 л; 107 л. с.) для спортивной модели «Ситроен-Биротор».

Следует отметить, что эти практически единственные в мире образцы выпущены фирмами, вложившими зна­чительные средства в приобретение лицензий и отра­ботку конструкции и технологии производства. Затра­ты, естественно, требуют отдачи, но выпуск моделей скорее всего преследует престижные цели. По мнению экспертов, любые роторные двигатели могут стать кон­курентоспособными лишь при условии значительного снижения их стоимости и расхода топлива (!). А тут у «ванкеля» дела обстоят как раз неважно.

Но даже при выполнении этих требований для мас­сового выпуска роторных двигателей, например, амери­канской промышленности потребуется не менее 12 лет. Прогнозные данные о перспективах других типов дви­гателей говорят о том, что этот переход осуществляться не будет. Видимо, по этим причинам такие автогиган­ты, как фирмы «Форд» и «Крайслер», затратив нема­лые средства на разработку «ванкелей», полностью свернули эту тематику.

В последние годы в печати появилось много интри­гующих сообщений о роторном двигателе, разрабаты­ваемом в Австралии изобретателем Ральфом Сарич. Журналисты и, надо полагать, не без помощи автора ухитрились так затуманить сообщения, сравнивая дви­гатель* и с турбинами, и с «ванкелем», и с другими дви­гателями, что просто необходимо остановиться на его конструкции.

В основу двигателя положен принцип работы коло­вратного насоса, пластины которого разграничивают камеры переменного объема. Построенные образцы дви­гателя имеют семь рабочих камер (рис. 18, а), причем в каждой установлены свечи зажигания и впускной и выпускной клапаны (рис. 18, б). Ротор выполнен семи­гранным и совершает эксцентричные колебания под воз­действием центрального кривошипного вала. Лопатки двигателя П-образные (рис. 18, в). В радиальном на­правлении они колеблются в пазах корпуса, а ротор относительно лопаток одновременно перемещается по касательной к окружности. Для обеспечения перемеще­ния лопаток и плотного контакта нижней грани лопат­ки с ротором на их планках установлены ролики, поме­щенные в специальный паз корпуса.

Средние скорости взаимного перемещения деталей относительно невелики и теоретически обороты двига­теля могут достигать 10 тыс. в минуту. Если сравнить этот двигатель с «ванкелем», то максимальный путь, проходимый за один оборот уплотнительным элемен­том, соответственно составит 685 и 165 мм. Система уплотнений содержит около 40 деталей, что сопостави­мо с «ванкелем».


Построенные образцы при 4000 об/мин и весе 64 кг развивают 130—140 л. с. Рабочий объем двигателя 3,5 л, т. е. литровая мощность — на уровне обычных двигателей и составляет около 40 л. с./л. При форси-ровке этот показатель может быть увеличен примерно вдвое.

К недостаткам двигателя относится очень высокая теплонапряженность, требующая применения гораздо более мощных водяной и масляных систем. При испы­таниях выявилось, что наиболее нагруженный и слабый узел — ролики пластин. Поэтому в ближайшем буду­щем характеристики двигателя вряд ли могут быть су­щественно улучшены.

В целом сх^му двигателя признать оригинальной нельзя, так как запатентовано великое множество по­хожих на нее, отличающихся лишь второстепенными деталями. Поэтому главная заслуга Р. Сарича состоит в том, что он взял на себя труд ее доводки и добился определенных результатов. Какой-либо революции его двигатель не совершит, и, пожалуй, наиболее важно в работе Р. Сарича лишь то, что он привлек внимание инженерной общественности к схемам, построенным на принципе действия коловратных машин.

Есть энтузиасты этой схемы и в нащей стране. Так, житель поселка Сары-Озек Талды-Курганской области Г. И. Дьяков даже построил макетный образец такого двигателя с вращающимся ротором, т. е. по схеме, где условия работы пластин хуже. Испытания двигателя пока не проводились.


Сфероидальные двигатели. В 1971 г. в журнале «Изобретатель и рационализатор» появилась статья о сфероидальном двигателе воронежского изобретателя

Г, А. Соколова. В основу двигателя положена способ­ность шарнирного соединения Гука трансформировать­ся в механизм, имеющий четыре полости, объем кото­рых при вращении изменяется от минимума до макси­мума. В одной или двух полостях можно организовать цикл ДВС. Пример трансформации показан на рис. 19. Если крестовину 1 шарнира преобразовать в круглую диафрагму 2 с шаровой наружной поверхностью, а вил­ки 3 шарнира заменить плоскими сегментами 4 и поме­стить эти три элемента в сферическую оболочку 5, то получится механизм, способный выполнять функции двигателя. Для этого в соответствующих местах сфе­рической оболочки необходимо выполнить лишь впуск­ные и выпускные окна и... СШДД готов.

После статьи об этом необычном двигателе пришло более 300 писем. «За» и «против» высказывались про­фессора, студенты, инженеры, директора предприятий, пенсионеры, механики и др. Десять заводов сообщили, что могли бы выпускать двигатель. Много писем при­слали клубы спортсменов-водомоторников. Были пред­ложения об использовании СШДД в качестве гидромо­тора или насоса для тепловозов, лодочного мотора, пневмодвигателя для ручного инструмента, компрессо­ра, силовой установки экспериментального стенда. По­этому редакция журнала разослала около 40 пригла­шений институтам, КБ, заводам и редакциям журналов с предложением собраться за «круглым столом».

На встрече ответственный секретарь редакции при­влек внимание собравшихся к двум парадоксам: тому, что ВНИИГПЭ, противопоставив лишь патенты, выдан­ные в прошлом веке, отклонил заявку на изобретение главным образом из-за «отсутствия полезности», и то­му, что инженерная общественность не знает о сущест­вовании таких двигателей.

До встречи у многих вызывала сомнение работоспо­собность вилок шарнирного соединения, возможность их смазки, высокая габаритная мощность (за-за невы­годной щелевой формы камеры сгорания и плохого, на­полнения, обусловленного контактом свежей смеси с раскаленной диафрагмой) и герметичность камер сго­рания.

Демонстрация действующего макета двигателя со сферой диаметром 150 мм, который при давлении пода­ваемого в него сжатого воздуха 14 кг/см2 развивал 4500 об/мин, убедительно свидетельствовала о возмож­ности создания работоспособной конструкции такого типа. Диаметр пальца шарнирного соединения двигате­ля может достигать 60 мм. При таких размерах удель­ные давления на контактных поверхностях нетрудно снизить до любого желаемого предела. Работоспособ­ность уплотнения диафрагмы макетного образца сомне­ний у большинства собравшихся не вызвала.

Был также представлен еще один двигатель с диа­метром сферы 102,8 мм. Его построил изобретатель А. Г. Заболоцкий, ничего не знавший о работе Г. А. Со­колова. В режиме пневмодвигателя его конструкция проработала около 40 ч, развивая до 7000 об/мин. Ни повышенных вибраций, ни износа за это время не обна­ружено. А зазоры между сферой и диафрагмой в этой модели были даже слишком малы, так как при «горя­чих» испытаниях двигатель заклинивало.

В процессе дискуссии о надежности уплотнения СШДД выяснилось, что, например, в двигателях Ван­келя скорости скольжения уплотнительных пластин по сравнению с кольцами обычных поршневых двигателей гораздо выше, а вместе с тем эти двигатели достаточно успешно работают. В СШДД скорости скольжения мо­гут быть даже ниже. Так что для современной промыш­ленности, способной создавать двигатели любой конст­рукции, проблема надежности уплотнения скорее все­го не представляет собой сложности. Надежность уплот­нения в значительной степени будет зависеть от точно­сти обработки внутренней поверхности сферической оболочки. Опыт А. Г. Заболоцкого, построившего дви­гатель в мастерской Верхнедонского плодосовхоза, име­ющей только токарный станок, говорит о том, что не­обходимую точность обработки сферы можно получить даже в полукустарных условиях. Простоту обработки сферы подтвердило и изготовление на Средневолжском станкозаводе другого сфероидального двигателя. Там рабочие применили внутришлифовальный станок с по­воротным столом.

Угол между осями шарниров в сфероидальных дви­гателях достигает 35—45°. При этом неравенство угло­вых скоростей должно было бы привести к появлению

больших знакопеременных инерционных моментов и, как следствие, к огромной вибрации. Обкатка опытных образцов на сжатом воздухе опасных вибраций не вы­явила. Нагрузки выдержали даже винты МЗ, которыми были стянуты полусферы в двигателе Г. А. Соколова. Не считает опасными большие углы и проживающий в Хёрсоне В. И. Кузьмин, профессиональная деятельность которого уже 15 лет связана с шарнирами Гука. «Кон­струкцию двигателя Соколова одобряю», — телеграфи­ровал он «круглому столу».

Отсутствие вибраций в СШДД с большим углом между осями (при углах более 10° шарниры Гука обыч­но стараются не применять) можно объяснить демпфи­рующим действием рабочей среды. А поскольку нагруз­ка приложена только с одной стороны шарнира, нерав­номерность вращения свободного от нагрузки вала не приводит к появлению значительных инерционных мо­ментов.

Собравшиеся за «круглым столом» пришли к выво­ду, что достоинства и недостатки СШДД может вы­явить только экспериментальная проверка. Та же мысль содержится в письме профессора кафедры ДВС МВТУ им. Баумана А. С. Орлина. Он пожелал автору «быстрейшего воплощения его замыслов в металле и испытаний», так как только испытания «позволят раз­решить все спорные вопросы». Испытания, а тем более постройка опытных образцов двигателей далеко не про­стое дело: только доводка обычного двигателя даже в заводских условиях длится 4—5 лет.

На «круглом столе» была представлена подборка патентов по сфероидальным двигателям. Хотя научно-техническая литература не содержит сведений о них, па­тентные архивы говорят о том, что Г. А. Соколов и А. Г. Зоболоцкий не первыми подметили замечатель­ную способность шарнира Гука трансформироваться в двигатель или насос. Первый похожий английский па­тент относится к 1879 г., последние — уже к нашему времени. Не обойдена эта схема вниманием и в клас­сификационной таблице всех мыслимых схем роторно-поршневых двигателей, которая приводится в книге Ванкеля о роторных двигателях.

Таким образом, сфероидальным двигателям, выпол­ненным на основе шарнира Гука, просто не повезло.

Не нашлось в истории моторостроения человека, кото­рый взял бы на себя труд их доводки.

В настоящее время к этой работе обстоятельно го­товится Г. Соколов (Воронежский политехнический ин­ститут) и ряд других энтузиастов. Соколовым уточнены фазы газораспределения, отлиты из специального ан­тифрикционного сплава (сплава Баклана) полусферы, проведены многочисленные расчеты, так и не выявив­шие недопустимых нагрузок.

Вторым центром постройки СШДД стал Херсон «Теоретик карданов», как величали его на встрече за «круглым столом», Виктор Иванович Кузьмин настоль­ко заинтересовался этой необычной схемой, что взялся за постройку. К работе он привлек группу рабочих, сту­дентов, аспирантов. Двигатель изготовлен в металле и теперь дело за испытаниями.


В 1974 г. стало известно об еще одном сфероидаль­ном двигателе. Проживающий в Целинограде молодой

/ — диафрагма; 2 я 3 — сегменты; 4 и 5 — уплотннтельные кольца; 6 — уплотнительные пластины; 7 — пальцы; 8 •— дистанционные втулки; 9 — маховик; 10 — перепускной трубопровод; И — теплоотводящие стержни

конструктор по сельскохозяйственным машинам Вале­рий Альвианович Когут давно обдумцрал идею подоб­ного двигателя и, узнав о работе Соколова, построил действующую модель (рис. 20). Двигатель был выпол­нен без системы охлаждения и при доводке работал по несколько минут до момента перегрева в общей.слож­ности более 2 ч. Следует отметить, что такая продол­жительность работы — своеобразный рекорд. Сферои­дальные двигатели других авторов работали менее про­должительно.

Двигатель состоит из диафрагмы / и двух сегментов 2, 5, шарнирно соединенных с диафрагмой. Валы сег­ментов вращаются в подшипниковых узлах. Уплотнение сегментов и диафрагмы осуществляется кольцами 4, 5, уплотнение между сегментами и диафрагмой — подпру­жиненными пластинами 6. В теле диафрагмы размеще­ны* четыре пальца 7, к которым с помощью дистанцион­ных втулок 8 привинчены сегменты 2, 3 (см. сечение

Цикл двигателя двухтактный. В левой половине сфе­ры (со стороны маховика 9) осуществляется предвари­тельное сжатие смеси, поступающей из автомобильного карбюратора. По перепускному трубопроводу 10 смесь направляется в правую половину сферы. В изображен­ном на рисунке положении в верхней части происхо­дит продувка *, в нижней начинается рабочий ход.

Смазка и охлаждение правого сегмента 3 и диаф­рагмы / должны осуществляться маслом, подаваемым через правый подшипниковый узел. Кроме этого, с тор­цевой поверхностью правого сегмента контактируют не­сколько подпружиненных теплоотводящих стержней 11, по которым тепловой поток «стекает» к оребренному корпусу подшипникового) узла. С левой стороны диаф­рагма охлаждается свежей рабочей смесью.

Испытания двигателя В. Когута, во время которых многие его узлы модернизировались, доказывают прин­ципиальную работоспособность этой схемы. Конструк­тивно и технологически СШДД существенно проще дви­гателя Ванкеля. Реальные преимущества станут ясны в ближайшем будущем после испытаний двигателей Соколова, Кузьмина, Когута.

За «круглым столом» журнала «Изобретатель и ра­ционализатор» куйбышевский изобретатель В. И. Анд­реев сообщил о сфероидальном двигателе, в разработ­ке рабочих чертежей двух вариантов которого, а также в расчетах и изготовлении литых деталей принимали участие сотрудники ВАЗа. Особенность двигателя (рис. 21) в том, что он состоит из двух роторов, наруж­ного / и внутреннего 3, вращающихся в одном направ­лении. Оси роторов наклонены, их сопряжение осуще­ствляется по сфере. В центре сферы разместилась ди­афрагма— поршень 2, разделяющая рабочий объем на четыре самостоятельных камеры сгорания.

1 Авторы конструкции В. И. Андреев и Л. Я. Ушеренко. Анд­реев также соавтор по двигателю внешнего сгорания, описанному на с. 43—45.



Прокрутите мысленно роторы хотя бы на один обо­рот, и объем около верхней свечи плавно увеличится до максимума, что может соответствовать рабочему хо­

ду или перепуску (цикл двигателя двухтактный), а за­тем снова сведется к минимуму, т. е. произойдет выхлоп или окатие. Предварительное сжатие воздуха осуще­ствляется центробежным нагнетателем 4.

Из нагнетателя воздух следует в карбюратор и да­лее через полый вал 6 в камеру сгорания. Выхлоп про­исходит через окна 7 во внешнем роторе, а энергия вы­хлопных газов реализуется на турбине 5. Наружный ротор вращается в двухрожковой улитке 8. Поэтому ло­патки попеременно выполняют функции нагнетателя и турбины. Выхлоп происходит в один рожок (на рисун­ке не показано), другой используется для нагнетателя. Из-за этого холостые обороты двигателя сравнительно высоки — не менее 1500 об/мин.

При двухтактном цикле работы в диаметрально про­тивоположных камерах одновременно происходят оди­наковые процессы. На рис. 21 изображен момент, когда ъ I и III камерах начинается рабочий ход, а во // и IV камерах идет продувка (сплошные линии стрелок—ра­бочая смесь, пунктирные — продукты сгорания).

Если смотреть на двигатель справа, то при враще­нии ротора против часовой стрелки в I и III камерах произойдет расширение (рабочий ход) 110° по углу по­ворота, затем откроются выхлопные окна и еще через 8° впускные. После поворота на 180° объем / и /// камер будет равен объему при начальном положении камер // и lVy что соответствует середине продувки. При угле поворота 240° закроются выхлопные окна, а еіце через 8° впускные. С этого момента начнется такт сжатия (цикл несимметричный). При рабочем такте ребра внешнего ротора омываются чистым воздухом (стрелки из точек), охлаждающим ротор, а затем этот воздух используется для наддува. При выхлопе ребра работают как лопатки турбины.

Расчетная мощность двигателя 45 л. с. При пер­вом знакомстве с ним поражают непропорционально большие размеры карбюратора. Но оказывается, что карбюратор даже меньше обычных мотоциклетных, а невелик сам двигатель. Еще больше удивляешься, когда узнаешь, что рабочие чертежи всех без исключения де­талей уместились в тонюсенькой папке. Она убедитель­но говорит о простоте конструкции, минимальном ко­личестве деталей. А после ознакомления со сравнитель­ными характеристиками, подтвержденными многочис­

ленными расчетами — не поверить в будущее этой кон­струкции просто невозможно. Судите сами.

Оба ротора вращаются в одну сторону. Тем самым резко снижаются скорости взаимного перемещения де­талей, и обычные кольца прекрасно выполнят свои функции.

Именно из-за высоких скоростей уплотнений Ванке-лю пришлось понизить число оборотов двигателей с 10—12 тыс. до обычных 6 тыс. об/мин. Авторам сферо­идального двигателя даже не потребовалось гнаться за высокими оборотами. Уже и при 4—5 тыс. об/мин их двигатель превосходит «ванкелей». Достаточно сказать, что у этого двигателя более высокая литровая мощ­ность— 97 л. с./л при 4000 об/мин, в 2—3 раза более высокий крутящий момент (25 кгм!), .а удельный вес — 0,5 кг/л. с. соперничает с авиационными двигателями. И все это относится к опытному образцу!" Благодаря тому что роторы симметричны относительно осей вра­щения, двигатель идеально уравновешен. Тому же спо­собствует и протекание в диаметрально противополож­ных камерах одинаковых процессов. Расчетная нерав­номерность работы мотора равна 2°16', что гораздо ни­же, чем у «ванкеля» или поршневого ДВС. Симметрич­ность процессов, кроме того, обусловливает работу, ди­афрагмы как бы во взвешенном состоянии, резко сни­жая нагрузки на трущиеся пары.

Если сравнить нагрузку на пальцы диафрагмы с на­грузкой поршневого пальца и нагрузку" на подшипники внешнего ротора с нагрузкой на шатунные шейки обыч­ного ДВС такой же мощности, то они окажутся в 2 раза меньше. Наполовину снижено в сфероидальном двигателе и усилие, приходящееся на подшипники внут­реннего ротора (сравнение проведено с коренной шей­кой двухцилиндрового поршневого ДВС).

Сокращение числа трущихся пар и малая величина» нагрузок приводят к небывало высокому механическо* му КПД. По расчетам он может достигать 92%! Ни один двигатель, за исключением двигателей с механиз­мом С. Баландина, не имеет КПД, даже близкого к этой величине.

Двигатель В. И. Андреева интересен еще и тем, что лопатки на внешнем роторе выполняют функции ком­прессора наддува и вентилятора охлаждения, а также глушителя (изменение скорости и объема газов) и тур­

бины. В обычных двигателях в глушителе бесполезно рассеивается от 5 до 15% мощности. Здесь минимум 5% турбина возвращает обратно. Идея использования выхлопных газов не нова. Но ее реализация сложна: добавляются турбина, компрессор, газопроводы (рис. 22). В двигателе В. И. Андреева и Л. Я. Ушеренко для этого не требуется ни одной лишней детали.

Действие турбины уже проверено при несколько не­обычных обстоятельствах. Для холодной обкатки с по­мощью электромотора двигатель был установлен на стенде в инструментальном цехе Средневолжского стан­козавода, где производились изготовление его деталей и сборка. Вращение продолжалось 6 ч. Ни вибрации, ни нагрева двигателя, ни задиров трущихся элементов обкатка не выявила.

Однако при «горячих» испытаниях случился казус. Из нагнетательного патрубка турбины вырывался сноп пламени как из сопла реактивдого самолета, а ожидае­мой мощности двигатель не дал. Когда его разобрали, камеры сгорания оказались абсолютно чистыми. При-


чина — головки свечей расположены слишком близко к корпусу и искра проскакивала, но не там, где надо. Так что первые испытания косвенно подтвердили лишь ра­ботоспособность турбины. Реконструкцию системы за­жигания и все хлопоты по доводке взял на себя меха­ник В. А. Артемьев.

Разработка двигателя ближайших десятилетий сложная и многогранная проблема. Осветить ее пол­ностью в пределах небольшой брошюры невозможно. Потребовалось бы рассказать о попытках усовершенст­вования рабочего процесса обычных ДВС, о способах нейтрализации выхлопных газов, об обеспечении рав-нопрочности узлов двигателя, устранении необходимо­сти в техническом обслуживании, приспособлении кон­струкции к диагностированию. Каждая из этих проблем заслуживает отдельного подробного рассказа.

Задача настоящей брошюры — помочь читателю ориентироваться в потоке информации по затронутому вопросу и привлечь его внимание к конструкциям изо­бретателей, которые обязательно займут свое место в семье наипервейших помощников человека — двигате­лей.

Кирилл Юрьевич Чириков