Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) по праву заняли доминирующее положение, обеспечивая энергией большой класс мобильной техники индивидуального пользования.

В основном это легковые автомобили, катера и значительная часть грузового парка находящегося в индивидуальном пользовании. Сегодня человек в своей деятельности должен использовать сотни лошадиных сил, чтобы оперативно решать возникающие проблемы. Однако бурный рост потребления энергетических мощностей индивидуального пользования требует высокого качества применяемых преобразователей энергии, поскольку их работа связано с нагрузкой на окружающую среду.

Поршневые ДВС часто уже не справляются с современными требованиями, которые предъявляются к тепловым преобразователям индивидуального пользования. В поисках замены поршневого ДВС изобретатели все чаще обращаются к роторным машинам.

Однако из всех автомобильных фирм только Мазда решилась поставить на поток роторный двигатель Ванкеля. Он по масса-габаритным характеристикам значительно превосходит поршневые двигатели, имеет меньше деталей. Однако его широкое использование сдерживается рядом существенных причин. К главным из них можно отнести малый ресурс двигателя, которого от силы хватает на 100 000 км пробега. 

Попытки решить проблему долговечности двигателя пока успеха не имеет. Однако основные технические характеристики, которые позволяет роторное исполнение теплового преобразователя, близки к характеристикам турбореактивной техники, но при этом обладают экономичностью поршневого двигателя, что заставляет постоянно искать пути совершенствования РПД. Как известно, РПД Ванкеля состоит из корпуса, в котором вершины треугольного ротора совершают эпитрохоидную траекторию, обеспечивая необходимые замкнутые полости переменного объема для сжатия рабочего тела, подвода тепловой энергии и ее преобразования в энергию вращающегося вала. Анализируя работу двигателя Ванкеля, можно заметить, что вершины треугольного ротора совершают свою траекторию под воздействием, линии эпитрохоиды корпуса в отличие от ДВС, где смена направления движения поршня определяет коленчатый вал.

Массивный ротор в свою очередь имя большую скорость оказывает значительное сопротивление на сложных поворотах линии эпитрохоиды и, несмотря на обильную смазку, быстро изнашивает трущиеся детали двигателя. Помимо этого, вершины ротора, имеющие малую контактную поверхность, под разными углами скользят по трущейся поверхности корпуса, что ведет к еще большей скорости разрушения уплотнений. К сожалению, линия эпитрохоиды совместно с эксцентриковым механизмом является конструктивной особенностью роторного поршневого двигателя Ванкеля, и на сегодняшний день схема Ванкеля - лучшее решение для РПД, несмотря на низкий ресурс двигателя. Однако можно признать, что дальнейшее улучшение характеристик двигателя Ванкеля лежит на пути применения еще более дорогостоящих материалов при незначительной эффективности.

Другое решение создания замкнутых полостей переменного объема, в полной мере использующая все преимуществ роторно-поршневого механизма можно найти путем установки плотной разделительной стенки в радиальной плоскости цилиндрического корпуса, которая откроется в нужный момент и пропустит рабочую часть ротора в точку начала цикла. В этом случае ротор жестко связан с выходным валом, определяющим траекторию движения ротора без возвратно поступательной составляющей. Трение вращающегося ротора по цилиндрическому корпусу позволит создать большую площадь контакта трущихся поверхностей с неизменным углом касания. В итоге трущиеся поверхности не испытывают паразитное давление, параллельно с этим значительно улучшается уплотнение за счет увеличения поверхности контакта и снижается вибрация двигателя.

Единственным относительно сложным узлом двигателя, который требует технической проработки и испытания является уплотнительная стенка пропускающая зуб ротора после завершения цикла. Реализовать ее можно, установив на пути ротора дополнительный синхронно вращающийся цилиндр, охваченный корпусом. Он работает как вращающаяся часть подшипника скольжения, имеющего паз, который развернувшись, пропускает зуб ротора, словно через турникет. Работа пропускного цилиндра при совершении рабочего цикла заключается только в создании надежного уплотнения между камерами.

Эти уплотнения обеспечиваются в двух направлениях цилиндра. Одно уплотнение проходит по линии скольжения цилиндра в корпусе с характеристиками подшипника скольжения, где уплотнительная способность цилиндра сомнений не вызывает. На втором направлении уплотнения цилиндр катится по поверхности малого радиуса ротора. Это наиболее сложный участок уплотнения с характеристиками подобному роликовому или игольчатому подшипнику, который и является основой работы над пропускным РПД. Представляется, что с технической части на пути к созданию перспективного роторного двигателя свободного от недостатков РПД Ванкеля стоит лишь вопрос уплотнения между катящимися цилиндрами. Переход же зуба через паз цилиндра происходит в технологическое время при отсутствии давления между камерами. Схема боковых уплотнений успешно решается в РПД Ванкеля, и ее можно позаимствовать.

Вторым отличием проходного РПД является компоновка функциональных узлов двигателя по схеме газотурбинного двигателя. Выделение компрессора камеры сгорания и преобразователя в отдельные конструктивные узлы может значительно улучшить экологические показатели выхлопных газов, поскольку топливо будет сгорать в специально приспособленной камере, где легко можно поддерживать расход температуру и давление рабочего тела.

Учитывая разные условия работы компрессора и преобразователя, появится возможность оптимизации узлов под конкретную задачу сжатия воздуха или преобразования энергии полученного горячего газа.

Сергей ДЖАНШИЕВ,
Станислав ПОНЯТОВСКИЙ

Технологии