Роторно-лопастной ДВС

Конструкция и принцип работы двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с кривошипношатунным механизмом давно уже устарели – они не изменились с XIX века, но до сих пор им нет равноценной замены, поэтому их продолжают выпускать.

Cамыми перспективными из разрабатываемых ДВС являются роторные. Роторный двигатель Ванкеля, разработанный в 1957 г., серийно выпускается в ФРГ, Японии и США. Масса и габариты двигателя Ванкеля в 2-3 раза меньше соответствующих им по мощности существующих ДВС.

Еще более перспективными по сравнению с обычными ДВС (и даже с двигателями Ванкеля) являются роторно­лопастные ДВС.

Давно уже известен принцип работы роторно­лопастного двигателя. В отличие от других типов ДВС, у роторно­лопастного малое количество деталей – корпус и два ротора-лопасти. Все детали уравновешены. Места соприкосновения движущихся деталей образуются большими поверхностями, что позволяет довольно просто и надежно их уплотнять. Имеются и другие преимущества.

Однако, несмотря на это, до сих пор нет надежно работающего роторно­лопастного двигателя внутреннего сгорания. Причина – некоторые недостатки такого двигателя.

Основной недостаток – неравномерная скорость вращения роторов-лопастей. Во время рабочего хода один ротор движется, а другой должен стоять. В следующий рабочий ход, когда второй ротор движется, а первый ротор должен стоять, преобразовать энергию вращения роторов с неравномерной скоростью при механической передаче очень трудно.

Второй недостаток – необходимость синхронизировать работу роторов‑лопастей между собой. Т. е. нужен механизм или какое‑либо устройство, которое обеспечит бесперебойное схождение и расхождение лопастей. Известно много устройств механических синхронизаторов движения лопастей. Но, из‑за возникновения резких переменных нагрузок и ударов, на больших оборотах двигателя, при вспышках горючей смеси с маленькими площадями контакта на контактирующих поверхностях, очень быстро появляется усталость металла. Он начинает выкрашиваться, и детали быстро приходят в негодность, поэтому механические синхронизаторы не могут обеспечить длительную и надежную работу роторно­лопастного ДВС.

Но так ли уж необходимо синхронизировать работу роторов‑лопастей между собой? Самое главное в таком двигателе – чтобы одна лопасть во время рабочего хода могла двигаться свободно, а вторая стояла на месте. Это легко можно обеспечить любым стопором, например – храповым механизмом.

Синхронизацию лопасти обеспечат сами – лопасть, которая стояла во время рабочего хода, передвигается в конце рабочего хода лопастью, которая сжимает рабочую смесь или воздух. А лопасть, передвигающая ее, занимает положение задней стенки камеры сгорания (где и фиксируется).

Такой роторно­лопастной двигатель состоит из корпуса и одной или нескольких пар лопастей (одинаковое количество на каждом из роторов). Соответственно, столько же, сколько и пар лопастей на одном роторе, имеется устройств для зажигания рабочей смеси или впрыскивания топлива на впускных и выпускных «окнах». При этом пары лопастей на роторах и устройства зажигания или впрыскивания топлива, а также впускные и выпускные окна равномерно распределены по окружности. Имеются также датчики положения роторов и устройства, предотвращающие движение лопасти, находящейся в положении задней стенки камеры сгорания, в обратную сторону.

Роторы-лопасти посажены на один выходной вал, на котором они вращаются и которому – попеременно – то один, то другой – передают вращательное движение лопастей во время рабочего хода с помощью специального устройства, например – храпового механизма или обгонной муфты. В выходном валу имеются две системы отверстий, по одной из которых подается смазывающе-­охлаждающее вещество в полости роторов‑лопастей. А по другой – отводится это вещество, «отобравшее» тепло у роторов‑лопастей.

Устройство, которое фиксирует лопасть (находящуюся в положении задней стенки камеры сгорания) и предотвращающее ее движение в обратную сторону, совмещено с датчиком положения ротора. При этом стержень, фиксирующий лопасть, включает или выключает датчик положения ротора.

На выходном валу имеются кольца с выступами, а на роторах – впадины, в которые при необходимости входят выступы колец. Кольца вращаются вместе с валом, во время работы ДВС они отжаты от ротора пружинами. В корпусе ДВС имеются толкатели с приводами, которые в определенные моменты, при запуске ДВС, попеременно прижимают то одно, то другое кольца к роторам, обеспечивая этим вращение роторов, для того чтобы лопасти занимали положение стенок камеры сгорания. На выходном валу имеется приводное устройство, которое приводит в движение масляный насос, закрепленный в корпусе и подающий смазывающе-­охлаждающее вещество в полость выходного вала.

Между роторами, а также между роторами и корпусом установлены уплотняющие кольца. В роторах и в корпусе имеются канавки для этих колец, и в лопатках находятся канавки для уплотняющих пластин. Герметизация камер обеспечивается уплотнительными пластинами и кольцами, прижимаемыми к цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами.

Все это вместе позволяет обойтись всего одним валом, и соответственно, при необходимости, всего одним генератором, и – обеспечить нормальную бесперебойную работу двигателя.

Работает роторно­лопастной ДВС следующим образом. При запуске срабатывает один из приводов; стержень‑толкатель прижимает кольцо к ротору. В это время стартер вращает вал, кольцо выступами входит в пазы ротора­-лопасти и заставляет его двигаться вместе с валом, пока лопасть ротора не займет положение задней стенки камеры сгорания. После чего срабатывает датчик положения ротора и привод толкателя отключается.

После этого срабатывает привод толкателя другого ротора. Кольцо этого ротора входит в его пазы и вращает ротор, пока его лопасть не займет положение задней стенки камеры сгорания. Во время движения лопасть сжимает топливную смесь или воздух, и когда сработает фиксатор этой лопасти, – а соответственно,  сработает и датчик положения этого ротора, – произойдет зажигание рабочей смеси или впрыскивание топлива. В камере сгорания сгорит топливо, и лопасть заставит ротор вращаться, толкатель упрется в паз вала и заставит его тоже вращаться.

В это же время противоположная лопасть этого ротора производит сжатие топливной смеси или воздуха, подготавливая следующий рабочий ход.

В процессе работы каждая лопасть совершает рабочий ход, когда на одну ее сторону давят рабочие газы, а другой стороной лопасть выгоняет через выхлопное окно отработавшие газы предыдущего хода.

Затем одной стороной она сжимает топливную смесь или воздух, подготавливая следующий рабочий ход, а другой стороной лопасть засасывает через впускное окно топливную смесь или воздух для последующего хода.

Потом она становится в положение задней стенки камеры сгорания, обеспечивая возможность осуществить рабочий ход лопастью другого ротора. При этом лопасть, занимающая положение задней стенки, переходит в положение передней стенки, после чего ею совершается новый рабочий ход.

Во время работы ДВС привод насоса заставляет его прокачивать смазывающе-охлаждающее вещество по системам отверстий и в вале, которое, попадая в полости роторов‑лопастей, смазывает поверхности соприкосновения роторов, и одновременно охлаждает роторы. А уплотняющие кольца предотвращают попадание смазки в рабочие полости ДВС и в то же время препятствуют проникновению горючих газов во внутренние полости двигателя. При этом уплотняющие пластины препятствуют прохождению горючих газов из камеры сгорания в другие полости.

Все это делает роторно­лопастной ДВС простым в изготовлении и надежным в работе.

При этом массо-габаритные характеристики роторнолопастного ДВС будут на порядок лучше, чем у существующих ДВС.

Анатолий ИСАЧКИН

Источник: http://www.elektroportal.ru