ГРЯДЕТ ЭПОХА ПЕРЕМЕН (ИЛИ РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ В СВЕТЕ ПЕРЕМЕН)
Старокожев М.А. (БГИТА, г.Брянск, РФ)
In given clause the history of development, advantage, lacks rotor engines of generations is described! The new design of rotor engine is presented!
Человечество находится в постоянном круговороте событий. Одни научные открытия дополняются или опровергаются другими. Заканчивая свою жизнь, многие ученые оставляют после себя большое количество неразрешенных проблем, которые впоследствии частично или полно разрешаются другими учеными. И ничему нет конечной цели. А если б и были таковые, то не к чему было бы стремиться.
Переломным этапом в двигателестроении стало создание Феликсом Ванкелем первого в мире работоспособного, получившего широкую известность, роторного двигателя внутреннего сгорания.
Этот двигатель («гадким утенком» называл его сам творец Ф. Ванкель) стал центром внимания многих компаний, заинтересовавшихся в его уникальности и новизне. Его стали применять в самолетах, вертолетах, лодках, автомобилях, мотоциклах и т.п., т.е. везде, где требуются в первую очередь малая масса, компактность и надежность.
Казалось бы, ничего сложного: ротор треугольной формы (рис. 1) движется по эпитрохоидной поверхности, а уплотнениями камер является система из радиальных и торцовых пластин. Но и такая система уплотнений оказалась ненадежной в работе двигателя: негерметичность камер, быстрое истирание уплотнительных элементов и большой удельный расход топлива сказывались налицо. Кроме того, имелись недостатки и у самой эпитрохоидной поверхности. Главный недостаток эпитрохоидных роторных двигателей - это трудность обеспечения газообмена через движущийся планетарно ротор.
Рисунок 1 – Общий вид ротора
Двигатель оказался неэкологичен, неэкономичен, дорог в ремонте (стоимость самого ротора составляет третью часть стоимости всего двигателя), а также имел малый срок службы. В общем, недостатки данного двигателя полностью перекрывают все его достоинства. Но японская компания MAZDA – единственно, кто не отказался от производства автомобилей с данным двигателем после нефтяного кризиса в 1973 – все же взялась за его доработку и до сих пор совершенствует каждый его элемент. Сейчас компания MAZDA постоянно зарекомендовывает себя только с лучшей стороны и выпускает самые последние новинки автомобилей преимущественно с роторным двигателем (рис. 2).
Рисунок 2 – Концепт-кар Mazda Taiki
Рассматривая каждый автомобиль этой компании, даже и не знаешь, какой элемент дизайна машины является самым интересным. Поражает абсолютно все, начиная с оформления переднего бампера и заканчивая фантастическими задними крыльями. Ну а само сердце автомобиля – роторный двигатель – соответствует жестким экологическим нормам Euro 4 и даже выше.
Жаль, что сам Ванкель не предполагал, что его собственный двигатель станет объектом внимания почти всего мира и возможно сыграет огромную роль в будущем, так как постоянно растет цена на бензиновое топливо, и преобладает тенденция к переходу на водородное топливо (в некоторых странах это уже становится главной задачей), для которого, как считают многие ученые, роторный двигатель идеально подходит.
Каждой форме ротора непременно соответствует в совершенстве своя форма статора. К примеру, трехвершинной форме ротора будет соответствовать форма поверхности статора, выполненная в виде эпитрохоиды (рис. 3).
Рисунок 3 – Трехвершинный ротор, движущийся по эпитрохоиде
Если же ротор имеет две вершины, то формой поверхности статора будет идеально служить окружность (рис 4) и т. д. Т.е. чем больше вершин у ротора, тем сложнее будет подобрать поверхность для осуществления его движения. Так существуют и циклоидальные формы роторов, движущиеся по гипотрохоиде.
а – блок впуск-сжатие; б – блок рабочий ход-выпуск
Рисунок 4 - Трехмерная модель исследуемого роторного двигателя; общий вид
Особенностями модели представленного на рис. 4 роторного двигателя, разработанного БГИТА (Брянская государственная инженерно-технологическая академия), являются:
- Статор, в сечении имеющий форму окружности;
- Поворотные подпружиненные уплотняющие элементы, обеспечивающие касание соприкасающихся поверхностей по окружности одинакового радиуса, что резко сокращает истирание поверхности, повышая надежность и долговечность радиальных уплотнений рабочих камер;
- Пара двухкамерных блоков - четырехтактный цикл разделен на два этапа:
1-ый этап - «впуск – сжатие»;
2-ой этап - «рабочий ход – выпуск».
Принцип работы нового роторного двигателя (рис. 5) заключается в следующем. Свежая рабочая смесь, попадая в камеру «впуск-сжатие», сжимается ротором, совершающим планетарное движение. Сжатая рабочая смесь через каналы в роторах и отверстие в межкамерной перегородке перекачивается в камеру «рабочий ход-выпуск», по окончании перекачки происходит воспламенение, и расширение рабочей смеси (совершается рабочий ход). Расширение отработанных газов происходит до определенного положения ротора, создающего максимальный объем камеры, далее происходит процесс выпуска за счет последующего уменьшения объема при движении ротора.
Рисунок 5 – Рабочий процесс четырехтактного роторного двигателя
Наличие в РД пары камер и двух, жестко связанных роторов, делает организацию рабочего цикла специфичной, т.е. в двигателе все четыре такта происходят одновременно, что видно по изменяющимся объемам.
Работу радиальных уплотнений характеризует параметр (е) – радиальный зазор, уменьшение которого положительно влияет на герметичность.
Работу торцевых уплотнений и возможность их расположения характеризует параметр (а) – торцевой зазор, увеличение которого положительно влияет на герметичность камер (рис. 5).
Таким образом, при числе оборотов вала n=5000 об/мин, степени сжатия 8,5, мощности 80 кВт, четырех цилиндрах, роторный двигатель имеет следующие расчетные показатели:
- максимальный часовой расход топлива равен 22,18 кг/ч;
- индикаторный кпд двигателя равен 0,391;
- удельный эффективный расход топлива равен 284 г/(кВт·ч);
- механический кпд двигателя равен 0,9421.
Рабочий объем двигателя составляет 2,224 л.
Разработанный двигатель может работать как углеводородном топливе, так и на водородном.
Исходя из расчетов, видно, что надежность уплотнений, основные экономические и рабочие показатели нового роторного двигателя будет выше, чем у двигателя Ванкеля.
Какой бы сложной ни была конструкция роторного двигателя, все равно он будет оставаться столь же надежным, компактным и уникальным.
Сколько еще доработок и новых запатентованных конструкций внесет человечество в будущее этого двигателя, остается только догадываться. Но все же будет какой-то конечный результат, которого будут придерживаться все, который будет всех удовлетворять. Тогда-то и наступит будущее роторного двигателя, придет его «час».