Роторные двигатели внутреннего сгорания: достоинства и недостатки

В современном двигателестроении широкое практическое применение нашли поршневые, газотурбинные и реактивные двигатели внутреннего сгорания, причем в силу конструктивных особенностей и принципа работы каждый из упомянутых типов двигателей имеет свою область использования. Роторные же двигатели, несмотря на целый ряд присущих им привлекательных качеств, пока не могут составить указанным выше двигателям серьезной конкуренции.

В зависимости от конструктивных особенностей их можно разделить на роторно-поршневые, роторно-лопастные, планетарного типа и роторно-заслоночные двигатели.

Роторно-поршневые двигатели содержат поршни и цилиндры, которые объединяются в единый блок либо в виде многолучевой звезды, либо в виде барабана. В звездообразных двигателях каждый поршень имеет ролик, опирающийся на рабочую дорожку, проточенную в виде «восьмерки» на неподвижном силовом кольце, а в центре корпуса расположен неподвижный золотник для подвода рабочей смеси в цилиндры. В двигателях барабанного типа поршни движутся в цилиндрах навстречу друг другу, образуя рабочие камеры переменного объема, а их поступательное движение преобразуется во вращательное движение вала с помощью «косых» шайб /1/.

Достоинствами указанных двигателей являются отсутствие системы клапанного газораспределения и их хорошая уравновешенность, а их основным недостатком – малый ресурс работы, который обусловлен усиленным и быстро увеличивающимся с ростом числа оборотов износом цилиндров.

В роторно-лопастных двигателях внутреннего сгорания основными рабочими органами являются лопасти, которые вращаются на валах, проходящих по оси корпуса, и делят его внутреннюю цилиндрическую полость на четыре замкнутых объема. Для осуществления в них термодинамических процессов лопасти должны совершать сложное движение, состоящее, кроме вращения вокруг вала, также из движения, подобного движению ножниц /1/.

Важными достоинствами двигателей этой группы являются их малые габариты и вес, полная уравновешенность, бесклапанная система газораспределения, отсутствие силового контакта между подвижными элементами, которое обуславливает малые потери на трение между ними и практическое отсутствие их износа.

Основными недостатками роторно-лопастных двигателей являются сложная, технически труднореализуемая система управления движением лопастей, а также очень большие знакопеременные нагрузки, действующие на лопасти в местах их соединения с валами, которые приводят к быстрому выходу двигателя из строя.

К группе роторных двигателей планетарного типа можно отнести двигатели, камеры переменного объема для осуществления термодинамических процессов в которых образуются рабочими поверхностями ротора и корпуса.

Наиболее известным роторным двигателем данного типа и, пожалуй, единственным, получившим практическое воплощение, является двигатель Ванкеля, содержащий корпус с внутренней полостью сложной эпитрохоидальной формы, в которой на эксцентрике рабочего вала вращается трехгранный ротор. Ротор имеет шестерню внутреннего зацепления, сцепленную с неподвижной корпусной шестерней внешнего зацепления. Соотношение числа зубьев корпусной шестерни и шестерни ротора равно 2:3. При вращении ротора его вершины скользят по рабочей поверхности внутренней полости корпуса, а между корпусом и ротором образуются три серповидные камеры переменного объема. За три оборота рабочего вала ротор делает один оборот и в рабочих камерах происходит три четырехтактных термодинамических цикла /1/.

Достоинствами данного роторного двигателя являются простая конструкция, состоящая всего из нескольких деталей, простая система газораспределения, малые габариты и вес, полная уравновешенность, достигаемая за счет установки небольших противовесов.

Основным недостатком двигателя Ванкеля является несимметричное распределение действующих в нем сил, которое является следствием эксцентриковой установки ротора. Равнодействующая сил, действующих на ротор, складывается из центробежной силы, увеличивающейся пропорционально квадрату угловой скорости его вращения, и постоянно направленной силы ударного типа, периодически действующей на него со стороны рабочей камеры, в которой происходит воспламенение рабочей смеси. Поскольку ротор в процессе движения постоянно опирается на свои вершины, то вся нагрузка, создаваемая указанными выше силами, воспринимается уплотнительными элементами, установленными в вершинах ротора, что приводит к их быстрому износу. При этом возможен не только быстрый износ уплотнительных элементов, но и выкрашивание зубьев шестерен, приводящее к поломке двигателя.

К весьма существенным недостаткам двигателя Ванкеля можно отнести также неудобную серповидно-щелевую форму камер сгорания и сложную форму внутренней полости.

С целью устранения отмеченных недостатков двигателя Ванкеля предложен ряд конструкций роторных двигателей данного типа с профилированной или цилиндрической внутренней полостью и симметрично устанавливаемым на валу ротором с подвижными или качающимися поршнями /2-5/.

Однако, это приводит к столь существенному усложнению конструкции ротора, системы газораспределения, смазки и уплотнений, что делает их технически нереализуемыми.

В значительной мере от недостатков, присущих двигателю Ванкеля, свободны роторно-заслоночные двигатели с цилиндрической внутренней полостью и простым ротором, рабочие камеры переменного объема для осуществления термодинамических процессов в которых образуются с помощью профилирования наружной поверхности ротора и установки системы подвижных заслонок в пазах корпуса.

Например, известен роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с внутренней цилиндрической полостью и камерой сгорания, снабженной перекрывающимися перепускными каналами, ротор и систему подвижных заслонок, установленных в пазах корпуса и контактирующих с профилированной внешней поверхностью ротора. В средней части ротора выполнен выступ, входящий в кольцевую проточку корпуса, являющуюся рабочей камерой двигателя. Заслонки подразделяются на переднюю, заднюю, разделительную и имеют механизм управления, который снабжен толкателем и двумя двуплечими рычагами, кинематически связанными между собой и с заслонками. Толкатель установлен в полости корпуса с возможностью взаимодействия с внешней поверхностью ротора, а разделительная заслонка выполнена полой в виде золотникового клапана с возможностью перекрытия впускного канала /6/.

Однако, в силу сложности системы управления заслонками и невысокой мощности, обусловленной тем, что за один оборот ротора в этом двигателе совершается только один термодинамический цикл, практическое применение упомянутого двигателя также весьма проблематично.

Нами предложен роторный двигатель нового типа, на который получено два патента. Поскольку принцип его работы весьма напоминает работу турбины, то мы (может быть не совсем удачно) решили назвать его турбороторным двигателем внутреннего сгорания (ТРДВС).

Предлагаемый двигатель при малых габаритах, простой конструкции и небольшом количестве типовых элементов практически по всем параметрам (КПД, удельной мощности, крутящему моменту и т.п) превосходит все известные двигатели внутреннего сгорания.

Список использованных источников

1. Гуськов Г.Г. Необычные двигатели. – М., Знание, 1971 г.
2. Авторское свидетельство № 1017803 по кл. FO2 В 53/00.
3. Авторское свидетельство № 1502865 по кл. FO2 В 53/00.
4. Авторское свидетельство № 1518556 по кл. FO2 В 53/00.
5. Авторское свидетельство № 1442683 по кл. FO2 В 53/00.
6. Патент РФ № 2008468 по кл. FO2 В 53/00.