О роторных двигателях пишут, говорят, ими широко интересуются. Но спросите кого угодно (кроме узких специалистов, разумеется), какие он знает двигатели такого типа. И назван будет лишь один — двигатель Ванкеля. А между тем специалисты условно делят все роторные двигатели на три большие группы.
К первой относятся собственно роторные, в которых рабочие такты проходят в «камерах», создаваемых вращающимся ротором. К этому типу и относится ванкель-мотор. Его иногда называют роторно-поршневым, потому что ротор считают своеобразным поршнем. Но это абсолютно неверно.
Двигатели с поршнем — это следующая группа. В них поршни оставлены, но нет сложного и громоздкого шатунно-кривошипного механизма; менее сложен и механизм газораспределения, включающий золотник и систему выходных окон для выхлопа отработанных газов.
Третий тип — роторно-лопастные двигатели, где рабочий процесс тоже происходит в камерах переменного объема. Только создаются они уже не ротором, а плоскими деталями — лопастями.
Рис. 1. Общий вид нового микрованкеля «ОСТраупнер», объемом 5 см3 и весом 385 г, и отдельные детали
Общий принцип устройства ванкель-мотора широко известен. Ротор в форме треугольника с изогнутыми сторонами вращается внутри цилиндра. Между ним и стенками цилиндра создаются камеры переменного объема. В одной камере горючая смесь сжимается, в другой происходит взрыв, из третьей выхлопные газы выталкиваются наружу. Теоретически двигатель Ванкеля имеет огромные преимущества перед поршневым. Но понадобится не один десяток лет упорной работы самого Феликса Ванкеля и лучших конструкторских коллективов разных стран, чтобы появились на дорогах мира первые серийные образцы автомобилей, оснащенных этим двигателем Однако и сейчас их немного.
Успехи в области создания микрованкелей — двигателей для моделей и небольших машин — более значительны, чем в области создания моторов подобного же типа для автомобилей. Недавно появился новый, очень интересный микрованкель (рис. 1), о котором оповестили автомодельные журналы мира. Это двигатель размером с мандарин, с рабочим объемом 5 см3 и максимальным числом оборотов ротора 16 000 об/мин. Мощность его — 0,67 л. с.
Теперь поговорим немного о цене такого успеха, о труде, который ему предшествовал. В 1961 году, вскоре после того, как технический мир облетело сообщение о реализации доктором Ванкелем идеи двигателя с вращающимся ротором, западногерманская фирма Иоганнеса Граупнера решила создать серийный микрованкель. За проектирование взялся инженер Шегг, один из ведущих конструкторов, имевший к тому же большой опыт по разработке двигателя Ванкеля в натуральную величину. Шеггу понадобилось три года, чтобы создать конструкцию действующего микрованкеля, и еще три года, чтобы поднять на нем в воздух радиоуправляемую модель.
Итак, конструкция была как будто бы уже отработана, оставалось найти серийного производителя. Им стала японская фирма ОС. Еще два года весь экспериментальный отдел фирмы работал над тем, чтобы приспособить новый микродвигатель к условиям серийного производства. В 1969 году появились первые пятьдесят предсерийных образцов, а затем двести серийных. Но и в 1970 и в 1971 году работы над усовершенствованием двигателя не прекращались.
В чем же они заключались?
Главная трудность, из-за которой роторно-поршневой двигатель долгое время не мог увидеть света, заключается в том, что очень сложно создать уплотнение между вращающимся ротором и стенками цилиндра. Если зазор слишком мал, ротор не может вращаться, если велик — рабочая смесь будет просачиваться, не создавая нужного давления и, следовательно, мощности.
Есть и другие конструктивные сложности, например сильное нагревание. В микрованкеле «ОС-Граупнер» зазор между ротором и корпусом при всасывании и сжатии на 0,008— 0,01 мм больше, чем при расширении и выхлопе. Этот последний составляет всего 0,02 мм — чтобы уменьшить потери мощности, улучшить работу при запуске и на холостых оборотах. Дальнейшим усовершенствованием было расширение фазы впуска, применение алюминиевого сплава для внутренней поверхности цилиндра.
Может возникнуть у читателя вопрос: к чему столь подробный рассказ о работе всего над одним типом микрованкеля? А вот к чему. Человек, вздумавший заняться изготовлением его в домашних условиях, должен совершенно отчетливо представить себе, какие трудности перед ним встанут. Конструкция поршневых двигателей отрабатывалась почти столетие. Опыт их изготовления стал достоянием огромного количества людей. Нет в настоящее время двигателя лучше отработанного, пригодного для серийного выпуска в огромном количестве экземпляров, нежели обычный поршневой. Но, как известно, творческая мысль опережает реальность, поиски изобретателей не ограничиваются жесткими рамками современного промышленного производства. Они создают свои конструкции, а вопрос о пригодности их решит время.
Рис. 2. Схематический разрез двигателя Меркера:
а — четырехцилиндрового, б — шестицилилдрового; 1 — цилиндр, 2 — поршень, 3 — опорный ролик, 4 — жесткая рама, 5 — корпус, 6 — золотник, 7 — рабочая дорожка, 8 — канал золотника, 9 — впускные клапаны, 10 — выпускные клапаны.
Поговорим о роторно-поршневых двигателях. Наиболее широко известен вариант (рис. 2), созданный австрийским инженером Остином Меркером. Четыре цилиндра расположены крестообразно внутри жесткой рамы. К концу каждого цилиндра крепится жесткий ролик. Он упирается в специально проточенную внутри рамы дорожку сложной формы. Имеющие выпускные и впускные каналы цилиндры крепятся к корпусу, внутри которого помещается золотник с каналами для подвода горючей смеси. Когда ролик одной соосной пары поршней проходит через места сужения рабочей дорожки, в цилиндрах этой пары происходит максимальное сжатие. В этот момент вспыхивает искра, горючая смесь воспламеняется, давление газов заставляет Цилиндры двигаться по окружности. Ролики попадают на самое широкое место рабочей дорожки, и происходит выхлоп отработанных газов. Но в этот момент сжатие начинается уже в другой паре цилиндров, все повторяется вновь. Ролики поочередно проходят наиболее широкие и наиболее узкие места внутренней дорожки рамы, поршни движутся внутри цилиндров, выхлопные газы уходят через открываемые поршнями окна, золотник вращается, и в тот момент, когда его каналы совпадают с впускными каналами цилиндров, происходит наполнение горючей смесью. Смесь эта поступает в золотник из небольшого нагнетателя, приводимого в действие от вала двигателя.
Вот такой двигатель предложил Остин Меркер. Заманчиво, ничего не скажешь. Нет шатунов, и вал не коленчатый, а прямой; нет инерционных сил, нет мучающего всех автомобилистов стука клапанов, нет даже прерывателя, распределителя, механизма опережения зажигания. Вместо этого неподвижная пластинка с выступами, на которую подается высокое напряжение Свечи, ввернутые в цилиндры, движутся вместе с ними, последовательно проходят выступы, и искра перескакивает с пластинки на свечу. Все предельно просто.
Рис. 3. Силы, действующие в двигателе Меркера на ролик и поршень:
1 — цилиндр, 2 — поршень, 3 — опорный ролик, 4 — рабочая дорожка.
Так почему же двигателестроители мира не бросили поспешно моторы обычного типа и не взялись дружно за конструкции Меркера? Почему эти моторы существуют пока только в виде экспериментальных вариантов и нет даже опытных образцов? Ответ на этот вопрос дает теоретическая механика, а конкретно — та ее часть, которая касается разложения сил. Посмотрим на рисунок 3, где показан ролик, катящийся по дорожке, и поршень. Сила Р, воспринимаемая роликом от дорожки, вовсе не направлена по оси цилиндра. Ее можно разложить на составляющие. Составляющая направлена по оси цилиндра, а сила — вбок. Она-то и перекашивает поршень в цилиндре, вызывая его усиленный износ. Поэтому высокие рабочие обороты в двигателе невозможны. Существуют, правда, конструкции, где основной ролик дополняют два вспомогательных, берущих на себя боковые нагрузки. Но это уж очень большое конструктивное усложнение. Так что двигатель Меркера пока что всего лишь мечта, хотя и очень заманчивая.
К этой же разновидности двигателей относятся и такие, в которых поршни и цилиндры расположены, как гнезда и патроны в револьверном барабане, вокруг оси. С поршнями соединены наклонные диски. Двигаясь, поршни вращают эти диски, а те, в свою очередь, вал. Двигатель подобной схемы был предложен очень давно. Еще в 1916 году молодые инженеры А. Микулин и 6. Стечкин, оба — будущие советские академики, выдающиеся двигателестроители — предложили сконструированный именно по такой, «барабанной» схеме мотор АМБС-1 мощностью 300 л. с. В 1924 году вариант такого же двигателя создал инженер Старостин. Судьба их всех схожа с судьбой двигателя Меркера.
И причина та же. большие потери на трение, быстрый износ.
Рис. 4. Схема роторно-лопастного двигателя:
1 — корпус, 2 — система охлаждения, 3 — выпускное окно, 4 — впускное окно, 5 — свеча.
Рис. 5. Циклы работы роторно-лопастного двигателя.
Рассмотрим теперь, что представляет собой роторно-лопастной двигатель (рис. 4). В корпусе, снабженном системой охлаждения, впускными и выпускными окнами и свечой зажигания, вращаются две лопасти. Если лопасть А вращается равномерно, а лопасть Б то догоняет ее, то отстает, замкнутый объем между лопастями и корпусом все время меняется. Тут-то и возможны всякого рода циклы, имеющие место в двигателях внутреннего сгорания (рис. 5). В камере 1 (позиция «а») горючая смесь воспламеняется от свечи зажигания. В камере 2 газы расширяются — происходит рабочий ход; в камере 3 всасывается новая порция рабочей смеси, в камере 4 она сжимается. Лопасти движутся дальше; камеры меняются местами (позиция «б»)- в 1-й — рабочий ход; во 2-й — выпуск; в 3-й — всасывание; в 4-й — сжатие свежей смеси. Затем все повторяется вновь (позиции «в» и «г»).
Идея заманчивая, что и говорить. Преимущества перед обычным, шатунно-кривошипным механизмом все те же: нет инерционных сил, все уравновешено, двигатель может развивать колоссальные обороты. Перед двигателями Меркера или Ванкеля тоже есть преимущества: сила давления газов воспринимается не крохотной поверхностью контакта ротора или ролика, а большими поверхностями лопастей. И щели между лопастями и внутренней поверхностью корпуса гоже легче уплотнять, нежели в двигателе Ванкеля.
Но одна проблема есть и тут. Как добиться точного движения лопастей относительно друг друга? Для этой цели создано множество механизмов — шестеренчатых, кулачковых, рычажных, — но говорить о результатах пока еще рано. Если эксперименты увенчаются успехом, техника получит высокооборотный, долговечный, надежный, легкий и мощный двигатель.
Рис. 6. Двигатель финских изобретателей, совмещающий в себе особенности роторного и обычного двигателя (механизм газораспределения — клапанный). Описание и чертежи двигателя были любезно предоставлены нашей редакции одним из его авторов, Ману Пайоненом
Таковы основные разновидности двигателей нового типа — роторных. К ним примыкает двигатель с вращающимся поршнем — как бы переходное звено между роторными и обычными двигателями. Эта конструкция предложена финскими изобретателями Онни Хейнола, Матти Кейхманиеми, Ману Пайоненом. Здесь поршень (рис. 6), вращаясь на эксцентриковой оси, то приближается к стенкам цилиндра, то удаляется от них. Цикл идет следующим образом. В одном пространстве происходит взрыв горючей смеси и рабочий ход; в другом — выпуск; в третьем — всасывание. Сохранена в какой-то степени и газораспределительная система обычного поршневого двигателя. В этой конструкции как бы наложились друг на друга, совместились разные типы роторных двигателей.
