Роторные двигатели

Наиболее известным двигателем, использующим принцип непрерывного вращения главного рабочего органа является газовая турбина. Но газовая турбина не имеет герметично запираемой камеры сгорания и в этом ее главный недостаток, которые проявляется в малом КПД и высоком расходе топлива. В отличие от поршневых двигателей- двигателей "объемного расширения", турбины являются "проточными" силовыми машинами. Поэтому не будем говорить об этих типах силовых машин, тем более что у турбин с крутящим моментом все вполне прилично (правда- только на высоких оборотах вращения их ротора- крыльчатки). Сейчас поговорим о роторных двигателях с запираемыми камерами сгорания.

Единственным на сегодня выпускаемым в промышленных масштабах роторным двигателем является двигатель Ванкеля – роторный двигатель с планетарным движением главного рабочего элемента. Как я уже писал, этот тип двигателя обладает одним неоспоримым преимуществом- это наиболее простой по количеству деталей тип конструкций. Но при этом он обладает немалыми врожденными, неизбежными для такого типа организации внутренней кинематики, недостатками. И один из основных недостатков - наличие КШМ-а. Не удивляйтесь: как это – роторный двигатель, а имеет кривошипно- шатунный механизм? А вот так- имеет. Правда двигатель Ванкеля обладает не полноценным КШМ-мом, как его поршневые конкуренты, а лишь его фрагментом. Но этот фрагмент и заключает в себе все главные недостатки и пороки классического КШМ-а, которые и играют на такую сложную судьбу этого типа двигателей. Поэтому двигатели Ванкеля и не смогли потеснить своих поршневых конкурентов – ибо у них не было преимущества в главном: не было простой и мало затратной схемы переведения давления рабочих газов во вращение рабочего вала. То есть роторный двигатель Ванкеля только лишь от части ушел от возвратно –поступательного движения поршней, но так и не смог прийти к чистому и простому вращательному движению главного рабочего элемента, поэтому в его конструкции и пришлось применять кривошипный механизм, со всеми его недостатками и потерями. (РИС.) Соответственно, надо понимать, что планетарное вращательное движение центра ротора вокруг геометрического центра рабочей камеры и вокруг оси вала есть промежуточный вариант устройства, между двумя диаметрально противоположными типами организации движения главных рабочих элементов разных типов двигателей: возвратно – поступательным и простым вращательным движением.

Рассмотрим, как работает и проявляет себя кривошипный механизм в двигателе Ванкеля, который создает самое главное в моторе - крутящий момент.

В роторном моторе с планетарным движением главного рабочего элемента давление газов передается на грань вращающегося треугольного ротора. Газы толкают эту грань и придают вращательно – поступательное движение ротору. Ротор, который подвижно насажен на эксцентриковый вал, вращаясь вокруг своего геометрического центра, одновременно совершает поступательно – кольцевое движение по полости рабочей камеры. При этом движении геометрический центр ротора описывает ровную окружность вокруг центра камеры сгорания, которая совпадает с главной осью эксцентрикового вал. Вращательное движение ротора вокруг своей оси механически преобразовать во вращение вала предельно сложно, поэтому остается снять полезную силу с планетарного, кольцеобразного вращения центра ротора вокруг центра рабочей камеры. Именно этим и занимается эксцентриковый вал, но если внимательно рассмотреть его конструкцию, то мы обнаружим в нем такой знакомый и такой малоэффективный кривошип. При этом недостатки работы этого механизма в двигателе Ванкеля как бы спрятаны в необычности его конструкции, поэтому и не бросаются в глаза сразу, хотя все пороки и изъяны действия этого механизма в роторном моторе с планетарным вращением главного элемента проявляются «по полной программе».

Итак, расширение рабочих газов в двигателе Ванкеля происходит только в одной зоне его камеры сгорания, форма которой называется эпитрохоидой. (РИС.) Следовательно, начала такта расширения и его завершение будет происходить в постоянно одинаковых геометрических позициях. Поэтому и суммарный вектор силы, который будет придавать планетарное, вращательно – поступательное движение ротору будет все время работать в одном направлении. А вот плечо рычага, которым обладает эксцентрично посаженый на вал мотора диск, который и будет переводить поступательное движение ротора во вращение этого вала, будет все время меняться по закону синусоиды. То есть будут две геометрические точки, когда проекция плеча рычага по отношению к направлению вектора действующей силы, будет равна нолю. (РИС.) Так же будут две точки, когда проекция плеча рычага по отношению к вектору силы будет максимальной, а во всех остальных точках проекция этого плеча будет различна по значению, меняясь по закону синусоиды. Всё совершенно так же, как и в КШМ-е поршневого мотора. Именно поэтому двигатель Ванкеля в исполнении с одной роторной секцией имеет крайне неудовлетворительную диаграмму крутящего момента – еще хуже, чем у поршневого мотора. Ведь длина рабочего хода у двигателя Ванкеля меньше, поэтому и рывки по нарастанию и падению интенсивности крутящего момента еще больше. Но к этому недостатку добавляется еще и возможность на небольшом участке вращения ротора иметь отрицательный крутящий момент, т.е. момент который работает против основного вращения ротора… Вот такого этапа в диаграмме крутящего момента в поршневых моторах точно нет. Именно по этой причине односекционные моторы Ванкеля с одним ротором имеют очень плохую диаграмму крутящего момента и нуждаются для приобретения приемлемой работоспособности в массивных маховиках. На приведенном выше схеме из старой книги "Судовые роторные двигатели" хорошо видно, как на первом (верхнем графике) линия значения крутящего момента в односекционном двигателе Ванкеля часть времени опускается в поле отрицательных значений. Т.е. некоторое время сила рабочих газов вращает ротор в обратном направлении... соотвественно и режим крутящего момента у такого двигателя очень плохой.

Эксцентриковый вал совершает три оборота за один оборот ротора, и это соотношение задается специально подобранным передаточным отношением шестерен, которые определяют движение ротора по отношению к корпусу и диаметром дисков – эксцентриков главного вала. Так как ротор имеет три грани, то один оборот вала приходится на точно один рабочий ход, который совершает каждая грань ротора, то есть оборот вала с прохождением двух мертвых точек кривошипа эксцентрикового вала будет осуществляться на каждый рабочий ход. Т.е. на каждый рабочий ход грани ротора и оборот вала будет приходится две точки когда плечо рычага кривошипа равно нолю и крутящий момент тоже равен нолю. В этот момент ротор и вал вращаются лишь по инерции, или – в исполнении с двухроторным вариантом мотора – за счет рабочего усилия другого ротора. Лучшие тяговые возможности двигателя Ванкеля, по отношению к поршневым моторам, проявляются лишь за счет того, что инерция движения вращающихся масс этих моторов гораздо выше и активнее, ибо в двигателях Ванкеля все движение организовано по вращательному принципу и не имеет возвратно – поступательных движений.

Так же надо отметить, что двигатели Ванкеля по режиму крутящего момента являются "верховыми" моторами- т.е. у них большая величина крутящего момента появляется только на "верхах", т.е. после набора значительного количества оборотов главного вала. Т.е. чтобы резко стартовать с места автомобилю с двигателем Ванкеля надо вначале хорошо прогазоваться и набрать мощь - "раскрутить" двигатель до боольших оборотов и только потом выжать сцеление, иначе на малых оборотах земетной силы крутящего момента на валу не будет и авто не удастся резко сорвать с места.

***

Проведя это небольшое исследование темы крутящего момента мы увидели, что на настоящем этапе развития техники постоянным и непрерывным крутящим моментом могут похвастаться лишь газовые турбины и электромоторы- силовые машины, в которых тяговое усилие действующего силового принципа превращается во вращение главного вала непосредственно и без применения механизмов - посредников. А вот поршневые моторы и двигатели Ванкеля, которые используют для преобразования поступательного движения главных рабочих органов во вращательное движение своих главных валов конструкции – посредники, в виде кривошипных механизмов, выдают на главный вал прерывистый, пульсирующий крутящий момент плохого качества.

Именно в избавлении от этого недостатка автору этих строк и видится задача по созданию двигателя внутреннего сгорания с герметично запираемой камерой сгорания, который будет обладать простым непрерывным вращением главного рабочего элемента. Поэтому такой мотор не будет нуждаться в механизме - посреднике и будет сразу преобразовывать простое и непрерывное вращение главного рабочего элемента в непрерывное вращение рабочего вала с постоянным крутящим моментом