Двигатель будущего?

Роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания (РЛ ДВС) – двигатель, в котором давление расширяющихся газов воспринимают вращающиеся на валу лопасти. Заманчивая идея позволяет избавиться от недостатков поршневого двигателя, связанных с преобразованием поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала.

Ротор не победил

Идея не новая – принципиальная схема роторно-лопастного двигателя была предложена сто лет назад, в 1910 году. Чтобы схема заработала, нужен был механизм, синхронизирующий работу лопастей. Реально работающий механизм появился только в середине прошлого века.

Немецкая фирма KHD в начале шестидесятых провела исследования роторно-лопастного двигателя с синхронизатором Коуэрца, но получила отрицательный результат. Главным отрицательным фактором стала неоптимальная работа синхронизатора.

К этому времени многие автостроительные компании начали всерьез заниматься разработкой роторно-поршневых двигателей Ванкеля. По сравнению с поршневыми двигатель Ванкеля обладал теми же преимуществами, что и роторно-лопастной. Ему не нужны были кривошипношатунный механизм и сложный механизм газораспределения.

Пионером в применении двигателя Ванкеля на автомобиле стала немецкая компания NSU. Выпущенный ей автомобиль NSU Spider, оснащенный роторно-поршневым двигателем мощностью 50 л.с., в 1963 году стал сенсацией. Через четыре года появился Ro-80 – переднеприводной автомобиль с двухсекционным роторно-поршневым двигателем мощностью 115 л.с.

Недостаточная долговечность роторного мотора и высокий расход топлива в сочетании с «детскими болезнями» самого автомобиля привели к падению спроса и кризису компании. В 1969 году NSU перестала существовать как самостоятельная компания, войдя в состав Audi.

Почти одновременно с NSU разработкой и внедрением роторно-поршневого двигателя занялась японская Mazda. Её первый автомобиль с двигателем Ванкеля появился в 1965 году. Направление посчитали перспективным, объемы производства роторных двигателей постоянно росли, ими оснащались новые модели автомобилей. К 1978 году был выпущен миллион автомобилей с роторными двигателями.

Японские конструкторы смогли существенно улучшить показатели роторного двигателя, но реальным конкурентом поршневому двигателю он так и не стал. Обладая несомненным преимуществом в размерах и мощности, роторный двигатель по-прежнему проигрывает в долговечности и экономичности.

Постепенно его производство начало сокращаться, хотя полностью не прекратилось. Сегодня Mazda использует роторный двигатель только для спортивных моделей, где мощность важнее долговечности и экономичности.

Тем временем многочисленные изобретатели продолжали работу над конструкцией роторно-лопастного двигателя.

Четыре такта за оборот

Конструкция роторно-лопастного двигателя на первый взгляд достаточно проста. Внутри кругового цилиндра соосно расположен ротор, состоящий из двух частей, на каждой из которых установлены две лопасти. При вращении лопасти движутся с переменной скоростью друг относительно друга, создавая внутри цилиндра замкнутые объемы переменной величины.

Четыре изолированных объема соответствуют тактам работы четырехтактного двигателя. При вращении ротора первый объем увеличивается, обеспечивая всасывание рабочей смеси через впускное отверстие, – такт впуска.

Во втором объеме происходит сжатие рабочей смеси за счет сближения лопастей. Когда объем достигает минимума (в верхней точке), подается искра, воспламеняющая рабочую смесь. Давление газов на лопасть заставляет её перемещаться, увеличивая объем, – рабочий ход. Последний объем при повороте ротора уменьшается, выталкивая отработавшие газы через выпускное отверстие, – такт выпуска.

Таким образом, все четыре такта выполняются за один оборот ротора, что позволяет получить существенно более высокую мощность по сравнению с поршневым двигателем.

Преимущества роторно-лопастного двигателя по сравнению с поршневым очевидны:

- простота конструкции. Не нужны кривошипно-шатунный механизм и механизм газораспределения;

- небольшие размеры при одинаковых мощностных показателях, существенно меньшее количество деталей;

- эффективный КПД по расчетам выше на 10 – 12%;

- хорошая уравновешенность, обеспечивающая минимальные вибрации при работе;

- существенно меньший расход смазочных материалов. Обладает РЛДВС и определенными преимуществами перед роторно-поршневым двигателем:

- оптимальная форма камеры сгорания, которую можно получить, варьируя форму лопастей;

- уплотнение лопастей проще и надежнее уплотнения ротора, что положительно скажется на долговечности конструкции.

Проблема – в деньгах

Ещё в 1971 году Г. Гуськов в книге «Необычные двигатели» (изд. «Знание») писал: «Роторно-лопастные двигатели, пожалуй, самые перспективные из всех, разобранных в данной книге. И хотя в серийном промышленном производстве нет ни одного образца из этого довольно многочисленного семейства, а есть лишь буквально считанные экспериментальные модели, ещё очень далёкие от совершенства, можно ожидать, что этим двигателям внутреннего сгорания суждено большое и блестящее будущее».

С тех пор положение сильно не изменилось. Главная проблема заключается в создании эффективного и надежного механизма синхронизации работы лопастей.

Запатентовано несколько различных вариантов конструкции РЛДВС, но реальных воплощений «в металле» немного. Известна только конструкция двигателя Вигриянова, опытный образец которого проработал 30 часов.

Пожалуй, дальше всего продвинулись в Псковском государственном политехническом институте. Но их разработка немного «не в тему» - ученые ППИ работают над созданием роторно-лопастного двигателя внешнего сгорания, предназначенного для «стационарной» работы, а не для применения на автомобиле.

Разработкой конструкции роторно-лопастного двигателя внутреннего сгорания занимается несколько групп энтузиастов-изобретателей в разных городах России и Украины. Новых идей и теоретических обоснований конструкции наработано немало. Дальнейшее развитие идей упирается в необходимость изготовления и испытания опытных образцов.

С одной стороны, не все проблемы, уже известные изобретателям, могут быть решены только теоретически. Работоспособность и долговечность механизма синхронизации и уплотнения лопаток должны определиться при испытаниях образцов. Серьезных испытаний требует вопрос охлаждения ротора и лопастей.

С другой стороны, в процессе испытаний могут выявиться нюансы, появление которых предсказать теоретически невозможно Наконец, теоретически предсказанные преимущества РЛДВС по топливной экономичности и токсичности отработавших газов требуют экспериментального подтверждения.

Постройка работоспособных экспериментальных образцов РЛДВС и их полномасштабные испытания требуют серьезных финансовых вложений. До сегодняшнего дня никто из крупных автомобильных компаний не проявлял интереса к оригинальному двигателю, как это произошло с двигателем Ванкеля.

Похоже, что сегодня перелом наступил. Группа компаний ОНЭКСИМ представила в Москве свой «Ё-мобиль» и макетный образец роторно-лопастного двигателя. Само по себе представление образца двигателя «в металле» говорит, что разработка конструкции существенно продвинулась.

Утверждение разработчиков о реальном использовании нового двигателя в производстве автомобиля подтверждено серьезностью финансовых вложений в разработку конструкции.

Возможно, что мы с вами присутствуем ри рождении двигателя будущего. И может быть, через несколько лет начнет сбываться предсказание Г. Гуськова, сделанное им сорок лет назад и обещавшее роторно-лопастному двигателю «большое и блестящее будущее».