Роторний двигун

РОТОРНО-ПОРШНЕВІ ДВИГУНИ

30.09.2015

РОТОРНО-ПОРШНЕВІ ДВИГУНИ

(1629-1969рр.)

ДВИГУН ВАНКЕЛЯ

РОТОРНО-ПОРШНЕВІ ДВИГУНИ
“Непримітний на вигляд RX-2 виявляє на шосе такий темперамент, який можна було б очікувати лише від потужної спортивної машини. Навіть при 5500 об/хв двигун досить надлишкової потужності, щоб послати машину уперед ще швидше, до швидкості 195 км/год». Так відгукнулися про автомобілі «мазда» RX-2 західнонімецькі журналісти, які проводили за завданням журналу «Хобі» випробування «маленького японського дива». Така жвавість у невеликого автомобіля дивна сама по собі. Ще більше вражає інше: «мазда» — серійний автомобіль, оснащений роторним двигуном системи «НСУ/Ванкель».

РОТОРНО-ПОРШНЕВІ ДВИГУНИ
РОТОРНО-ПОРШНЕВІ ДВИГУНИ

Ні, мабуть, іншої технічної новинки, яка викликала б стільки суперечок, надій, розчарувань, скільки бескривошипный двигун Фелікса Ванкеля — патент на нього інженер отримав в 1929 році.

РОТОРНО-ПОРШНЕВІ ДВИГУНИ
Друге народження «ванкеля» відбулося в 1959 році, коли фірма НСУ зацікавилася дослідженнями наполегливого інженера і почала інтенсивні розробки промислових моделей. Але, хоча преса подавала новинку як щось революційне, може перевернути автомобілебудування в найближчий же час, фахівці висловлювалися більш обережно. «Про майбутнє «ванкеля» поки не можна сказати багато чого, — заявив тоді головний конструктор НСУ Ст. Фреда. — Твердо встановлено його принцип. Зараз повинні бути з’ясовані області його застосування, що, звичайно, потребує часу».

Так чи інакше, роторно-поршневий двигун варто того, щоб їм займатися. Так вважають 23 фірми, купили ліцензії на право виробництва «ванкеля». Одні не поспішають використовувати ліцензію і приберігають її на «чорний день», інші гарячково, озираючись на конкурентів, викидають на ринок промислові моделі автомобілів з двигуном нового типу. До числа підприємств, які зробили ставку на обнадійливу новинку, належить японська фірма «Тойо Когио». Судячи з усього, вона не опинилася в програші: якщо до кінця 1970 року з конвеєра зійшло близько 35 тис. «маздою» з роторно-поршневим двигуном, то на початку 1971 року випуск досяг 60 тис. автомобілів. Нині по дорогах світу бігають понад 200 тис. японських машин з двигуном Ванкеля.

Такий успіх пояснюється не тільки технічними та комерційними талантами японських промисловців. Удача «Тойо Когио» крилася в самому принципі двигуна.

«ванкеле» майже на 40% менше деталей, ніж у звичайному поршневому двигуні, він на 15-20% легше.

РОТОРНО-ПОРШНЕВІ ДВИГУНИ
Двигун краще урівноважений, у вихлопних газах міститься менше оксидів азоту, а окис вуглецю і незгорілі вуглеводні легко нейтралізуються в нескладних пристроях.

У числі недоліків «ванкеля», які раніше стримували масове поширення роторно-поршневих двигунів, зазвичай називали недовговічність ущільнюючих елементів і деяку складність мастила ущільнень: масло подавали в суміші з паливом. Саме пошуку кращої конструкції ущільнення матеріалу трущегося елемента ротора і присвятили багато років сам Ванкель і зацікавлені фірми. В результаті сконструйовано і запатентовано кілька ущільнюючих пристроїв, що складаються, як правило, з власне ущільнюючого, трущегося про корпус елемента і декількох підпирали його в радіальному і поперечному напрямках деталей. Як правило, герметичність досягається за рахунок притиску ущільнюючого елемента відцентровою силою і підпирає дії робочого газу, давить на ущільнення з боку осі обертання ротора.

У разі зменшення відцентрової сили ущільнення притискається до корпусу пружинами. Судячи з усього, інженерам «Тойо Когио» вдалося створити надійне і довговічне ущільнення. На випробуваннях «мазди», у двигунах яких застосовані ущільнення матеріалу на вугільно-графитной основі, проходили по 100 тис. км без всяких серйозних поломок. У «мазди» цілком прийнятний витрата палива, що свідчить про успішне рішення проблеми «ненажерливості» роторно-поршневого двигуна. За даними випробувань «Хобі», він становив у середньому 15 л на 100 км. Лише одного разу, коли машина йшла на повній швидкості, через карбюратор пройшло на 2 л більше.

Розгорнувши серійне виробництво «ванкеля», фахівці «Тойо Когио» принесли фірмі чималий дохід: тільки в Європі «мазду» імпортують Швейцарія, Австрія, Бельгія та Франція. Схоже, що на черзі і Західна Німеччина, упустившая можливість стати монополістом у виробництві автомобілів з роторно-поршневим двигуном. Фірма НСУ, хоч і випустила модель «RO-80», що завоювала в 1967 році титул «автомобіля року», відлякала споживачів порівняно високими цінами і недостатньою надійністю «ванкеля». Займаються роторно-поршневим двигуном і інші фірми ФРН — «Даймлер-Бенц», «Порше», вже володіють експериментальними зразками великої потужності. Тим не менш ініціатива належить японцям.

РОТОРНО-ПОРШНЕВІ ДВИГУНИ

Правда, наростаючий випуск роторних «маздою» обертається дзвінкою монетою для власника патенту — фірми НСУ. За кожний випущений «ванкель» «Тойо Когио» виплачує 14 доларів, які, помножившись на все збільшується програму виробництва, обертаються досить круглу суму.

Врахувавши перспективи «ванкеля», американський концерн «Дженерал моторс» придбав ліцензію без компенсації за кожний виготовлений екземпляр. Невеликі (за американським уявленням) автомобілі «вега» з роторним двигуном концерн обіцяє поставити на ринок восени 1974-го — навесні 1975 року. Машина буде оснащена «ванкелем» потужністю 150-175 л. с. В перший рік передбачається випустити 100 тис. штук. Концерн має намір провести науково-дослідні і конструкторські роботи за п’ятирічною програмою, яка обійдеться в 50 млн. доларів. Договір, укладений з фірмами НСУ і «Ванкель», складений таким чином, що в разі успіху автомобілів з «ванкелем» після п’ятирічної виплати за ліцензію «Дженерал моторі» отримує право виробляти і продавати двигуни в будь-якій країні світу. Якщо серійний «ванкель» виявиться блефом, концерн залишив за собою можливість анулювати договір.

Швидше за все американці виявили зайву обережність: «ванкель» досяг зрілості і довів своє право на існування.

Матеріал взято з журналу «Техніка молоді» 1974р. N 6

ДВИГУН САРИЧА

ТРОХИ СЕНСАЦІЇ

РОТОРНО-ПОРШНЕВІ ДВИГУНИ
“Після того як винахід було запатентовано не тільки в Австралії, але і за кордоном, завіса секретності, який до останнього часу приховував роботу Ральфа Сарича, кілька прочинився. Зовнішнім виглядом новий мотор разюче відрізнявся від своїх попередників. Досвідчений варіант орбітального двигуна являє собою масивний диск діаметром 40,6 см, товщиною 12,7 см і вагою близько 45 кг, за яким навколо ротора розміщені камери згоряння. Двигун Сарича розвиває до 200 л. с. За підрахунками фахівців, при масовому виробництві орбітальний давигатель завдяки простоті конструкції (всього 10 рухомих деталей) буде обходитися у багато разів дешевше двигунів, що застосовуються в автомобільній промисловості в даний час». Таку інформацію помістила газета «Правда» 20 січня 1973 року.

Приблизно в той же час телеграфне агентство Ассошіейтед Прес передавало: «це Австралійська компанія «Броукен Хілл Пропраетри» підписала угоду, на підставі якого прийняла зобов’язання підтримувати австралійського винахідника Ральфа Сарича в прагненні приступити до виробництва двигуна його конструкції. Ця компанія готова вкласти 50 млн австралійських доларів у виробництво двигунів Сарича, якщо він виявиться технічно і комерційно життєздатним».

. Початок 70-х років йшло під прапором розширення виробництва роторно-поршневих двигунів Ванкеля, Японська фірма «То і про Когио» нарощувала потужності з виробництва автомобілів з РПД. Концерн «Дженерал моторі» купив ліцензію нє виробництво широкої потужностний гами двигунів для своїх автомобілів і побудував новий автоматизований завод для виробництва РПД. Тому повідомлення про створення нового, ще більш привабливого, на перший погляд двигуна природним чином сколихнули науково-технічну громадськість, великі компанії і ділків.

ХТО ВІН, РАЛЬФ САРІЧ!

В 1973 році 34-річний австралійський інженер, югослав за походженням, змусив говорити про себе весь світ. Потік інформації, здебільшого упередженою, створив навколо двигуна Сарича ореол нового «чуда» XX століття, здатного незабаром поховати класичні поршневі двигуни внутрішнього згоряння. Так, «на думку австралійських прогнозистів, в країні до 1980 року 99 відсотків всіх автомобільних двигунів буде випускатися у вигляді роторних моторів різних модифікацій. «. Наведена інформація з періодичної преси показує, наскільки поспішні висновки зробили з кризи, що вибухнула в той час в Австралії інформаційного буму навколо двигуна Сарича.

Сам же винахідник підійшов до створення свого дітища цілком серйозно, а головне — професійно, Сарич до 1970 року займався гідравлічними і пневматичними двигунами розширювального типу, тому не випадково він взявся за розробку роторного двигуна. Основна увага Саріч приділив зменшення швидкості і тертя окремих елементів двигуна. Щоб справитися з цим завданням, він використовував для основної деталі двигуна — поршня — плоско-паралельний рух, назване їм орбітальним. Для цього винахідник застосував три ексцентрика. Рішення проблеми синхронізації руху поршня з допомогою ексцентриків автор орбітального двигуна приписав собі, однак варто уточнити — у нього був попередник. Це поляк Густав Ружицький, який працював над своїм двигуном у 30-ті роки.

Конструкція Ружицького заснована на тому, що два коліна, або ексцентрика з рівним ексцентриситетом, обертаючись, надають ротору або поршня планетарне рух. Ротор розташовується в корпусі, розділеному ущільнювальними елементами на дві або більше число камер; форма ротора і корпусу взаимоподобны. На малюнку 1 наведена схема досить простого на перший погляд двигуна, запропонованого Ружицким. Тут застосовані чотири ущільнювальні пластини, які здійснюють поступальний рух не тільки в пазах тіла ротора, але і по робочій поверхні корпусу.

Австралійський винахідник розробив оригінальну конструкцію лопаток, що розділяють камери двигуна. Він зрозумів, що при використанні лопаток апробованих в розширювальних машинах, його майже напевно чекає невдача.

Застосована же Р. Саричем конструкція практично не має аналогів серед маси ущільнювальних елементів, пропонованих безліччю винахідників. Деяку подібність може бути знайдено лише в двигуні Крауса, створеному в 1963 році. Причому, на перший погляд, запропоноване Саричем ущільнення орбітального двигуна здається непрацездатним із-за наявності в камерах згоряння прецизійних деталей.

ОРБІТАЛЬНИЙ — ЩО ЦЕ ЗНАЧИТЬ!

На валу відбору потужності є кривошип, на якому встановлений поршень. Три додаткових ексцентрика з ексцентриситетом, рівним радіус кривошипа, не дозволяють поршня обертатися навколо основного вала. Для цього самі ексцентрики входять в поршень, а їх вали обертаються в корпусі двигуна. Завдяки такій системі синхронізації поршень при обертанні вала здійснює тільки переносний рух, і всі його бічні грані під час роботи залишаються паралельними самі собі. Як можна помітити, в частині синхронізації двигун Сарича практично не відрізняється від конструкції Ружицького (порівняйте малюнки 1 і 2).

Об’єм камер, отриманий при діленні порожнини між корпусом і поршнем заслінками на частини, при обертанні вела змінюється від мінімуму до максимуму. Без наявності газорозподільного механізму в такій машині можливий тільки двотактний цикл. При поділі порожнини на 6 камер, що працюють поспіль, двигун дасть 6 робочих ходів за один оборот вихідного валу, але при наступному обороті робочих ходів не буде. При чергуванні робочих ходів через один протікання крутного моменту буде досить рівномірним. Саме тому Саріч застосував непарне число камер. На малюнку 3 показані окремі фази циклу: кінець всмоктування — камера заповнена свіжою сумішшю, але ще відкритий впускний клапан; середина такту стиснення, коли обидва клапани закриті; початок згоряння — поршень підійшов до верхньої мертвої точки (ВМТ); початок робочого ходу і початок випуску. За наступний оборот відбудуться такти випуску і всмоктування.

Порожнину між корпусом і ротором розділена кількома лопатками, ковзаючими в пазах корпуса і торцевих кришок. Лопатки приводяться в рух за допомогою кулісних прорізів на торцях поршня, куди входять повзуни, шарнірно з’єднані з лопатками. Кожна лопатка складається з трьох частин: центральної і двох бічних, скріплених болтами. Герметизацію робочих камер забезпечують пружні ущільнювальні елементи, які встановлюються в канавках, виконаних в пазах корпусу, в самій лопатці (в місцях її стику з боковими стінками); у центральній частині лопатки (у стику з ротором); в кільцевих канавках на торцях ротора по його периферії.

ЯКЩО ВИЯВИТЬСЯ ГІДНИМ.

Після опублікування опису орбиального двигуна і після перших гучних захоплень з’явилися критичні і навіть різко негативні висловлювання в пресі. Причому вістря цієї критики було спрямовано на конструкцію лопаток і їх ущільнювальних елементів. тобто на той пристрій, на розробку якого, за словами автора, він звернув особливу увагу. Критика в основному зводилася до наступного: ефективна герметизація робочих камер важко здійсненна, а на думку опонентів, неможлива у зв’язку з великим периметром ущільнювального контуру, великою кількістю стиків ущільнювальних елементів і значними переміщеннями лопаток. Відведення тепла від лопаток і їх ефективна мастило ускладнені. Викликає сумнів усунення зносу і задирів від вельми значи-

тільних газових сил, однобічно діючих на лопатки, а також від сил інерції, що виникають при русі лопаток, маси яких і переміщення сумірні з поршнями поршневих двигунів. Відомі труднощі пов’язані з підвищеною точністю, необхідної для забезпечення відносного розташування пазів в корпусі і кришках, а також куліс поршня, мінімальних зазорів в з’єднаннях, рівності радіусу кривошипа вихідного валу з радіусом ексцентриків і так далі.

Не вдаючись у детальний розбір пристрою, наведемо висловлювання конструктора фірми «Чемпіоншип» Філа Ірвінга: «Якщо перший двигун, який збираються випробувати, виявиться гідним очікувань своїх прихильників, необхідно проведення значної доводочной роботи, перш ніж він міг би стати одним із загальноприйнятих конкурентів «старого вірного слуги»».

І ВСЕ-ТАКИ ВОНА КРУТИТЬСЯ

Минуло шість років з початку розробок орбітального двигуна. Які ж успіхи і які труднощі стоять перед творцями нового двигуна! Саме перед творцями, тому що в даний час Саріч очолює досить численну групу співробітників.

На початку 1977 року автор цих рядків взяв участь у бесіді з Р. Саричем, яку винахідник почав словами: “Забудьте про те, що писала преса. Послухайте нас. Розробка розпочато зовсім нещодавно — в 1972 році, але вже досягнуті певні успіхи. Так, викид окису вуглецю з відпрацьованими газами нижче, ніж у поршневого. Економічність поки гірше. Але за минулий час нами витрачено трохи більше 2 мільйонів доларів, у той час як на двигун Ванкеля витрачено вже 600-700 мільйонів доларів, на двигун Стірлінга — близько 150 мільйонів доларів. Тобто ми знаходимося ще на дуже ранній стадії розробки двигуна. У нашій конструкції є плюси і, природно, мінуси».

РОТОРНО-ПОРШНЕВІ ДВИГУНИ

Рис. 1. Схема двигуна Ружицького: 1 — корпус двигуна, 2 — ротор, 3 — ущільнювальне лопатки, 4 — синхронізуючі ексцентрики.

Після цих вступних слів присутнім був показаний фільм, що розповідає про принцип дії двигуна і його конструкції. У ньому демонструвалися конкретні приклади застосування дзі-гателя для приводу моторного човна, а також для автомобіля, у якого при цьому дві третини підкапотного простору залишаються порожніми. В даний час фірма володіє двома типами двигунів: з золотниковым і клапанним газорозподілом. Перевага віддається золотниковому (має менші габарити) варіантом; над поліпшенням його конструкції ведуться посилені роботи. Для займання тут використовуються 4 свічки розжарювання, установлені в золотнику.

Автор вважає, що, незважаючи на те, що система ущільнень складна, вона має переваги перед застосовується в двигуні Ванкеля. Так, не змінюється кут нахилу до ущільнення поверхні ковзання, а швидкість останнього становить лише 40% від швидкості двигун Ванкеля, що зменшує відцентрові сили. Лопатки примусово не охолоджуються. На думку розробників, тепло і так добре відводиться в корпус. Очевидно, вузьким місцем конструкції є ущільнення зазорів в кутах камер згоряння.

На що ж здатний орбітальний в даний час? Витрати палива відповідають витратам «ванкеля» зразка 1970 року, коли він був висхідною зіркою, І хоча автори «шкодують» своїх первістків, не даючи їм повної навантаження, двигуни «крутяться». І не тільки крутяться, але і працюють, допомагаючи своїм творцям долати «дитячі» хвороби і відпрацьовувати концепцію цього нового двигуна — одного з небагатьох роторних, які вийшли з паперової стадії і втілилися в метал.

РОТОРНО-ПОРШНЕВІ ДВИГУНИ
РОТОРНО-ПОРШНЕВІ ДВИГУНИ

Рис. 2. Двигун Сарича: 1 — корпус двигуна, 2 — ротор, 3 — ущільнювальне лопатки, 4 — синхронізуючі ексцентрики.

РОТОРНО-ПОРШНЕВІ ДВИГУНИ

Рис. 3. Схема роботи двигуна Сарича: а — кінець всмоктування, б — середина такту стиснення, — ВМТ, м — початок робочого ходу, д — початок випуску.

І все ж насторожує такий факт. Незважаючи на очевидні переваги орбітального за вагою і габаритами, витрати в кілька мільйонів доларів не дозволили за останні 4 роки домогтися помітних успіхів. Наведені в бесіді, що відбулася дані в основному ті ж, що і в публікаціях 1974— 1975 років. Чи Не пояснюється це тим, що резерви подальшого поліпшення цієї конструкції вже вичерпані?

Справді, до. досі досвідчені зразки змушені працювати на суміші бензину з маслом в пропорції 25: 1, тобто на такому ж паливі, що і двотактні двигуни. Це обставина не дозволить ор6италь.нр.го доягзтеля) пройти суворі іспити з граничним нормам вмісту токсичних компонентів у відпрацьованих газах. Щоправда, надалі Саріч передбачає забезпечити мастило ущільнень шляхом подачі до них масла від вала, що представляє досить складну інженерну проблему. Винахідник був змушений констатувати, що втрати на тертя в орбітальному двигуні ви-ше, ніж у поршневому, хоча він досі випробовується на приблизно половинних навантаженнях. Так, двигун з робочим об’ємом 3,5 л не виводився на навантаження понад 16,1 кгм при 1600— 2000 об/хв. Із збільшенням навантаження слід очікувати ще більшого збільшення тертя в механізмі. І хоча Саріч робив упор на те, що двигун витрачає паливо на рівні роторних, але цей рівень — семирічної давності, давно подоланий, а здійснення розшарування заряду в робочій порожнині вивело їх в один ряд з поршневими двигунами.

І все-таки орбітальний крутиться, підстьобуючи нашу уяву і розширюючи звичний світогляд.

В. ЗІНОВ’ЄВ, інженер

Матеріал взято з журналу «Моделист конструктор» 1979р. N 3

Короткий опис статті: роторний двигун

Джерело: РОТОРНО-ПОРШНЕВІ ДВИГУНИ

Також ви можете прочитати