Роторно-поршневые двигатели: критический анализ перспектив Ванкеля и Сарича

В сфере двигателестроения периодически появляются конструкции, которым специалисты и публицисты пророчат революционное будущее. Безусловным лидером по количеству таких прогнозов долгое время оставался роторно-поршневой двигатель (РПД), известный как двигатель Ванкеля. Однако объективный анализ его реальных преимуществ заставляет усомниться в столь радужных перспективах. Экономисты единодушны во мнении, что новая технология получает право на безусловную замену старой лишь при наличии не менее 25% преимущества по ключевым показателям. Этот рубеж является критическим для массового внедрения.

С момента появления первого промышленного образца двигателя Ванкеля прошло более пятнадцати лет – срок, вполне достаточный для объективной оценки. Анализ показывает, что преимущества «ванкеля» в массе составляют лишь 12–15%, а по стоимости и долговечности он и вовсе не имеет превосходства. Единственным существенным плюсом является сокращение объема под капотом автомобиля на 30%, однако это не приводит к уменьшению габаритов самих транспортных средств. Таким образом, совокупный выигрыш оказывается недостаточным для кардинальной смены технологической парадигмы.

Распространенное утверждение о «малодетальности» данного двигателя также не соответствует действительности. Один его ротор требует установки от 42 до 58 уплотнительных элементов, в то время как у сопоставимого по мощности поршневого ДВС их всего около 25, включая клапанный механизм. Ситуация дополнительно усугубляется в многороторных конструкциях, которые нуждаются в сложных картерах, дорогостоящих системах охлаждения и многодетальных приводах. Даже двухроторный «ванкель» содержит шесть объемных отливок сложной конфигурации, тогда как той-же силы поршневой двигатель обходится двумя-тремя более простыми и технологичными деталями.

Высокая сложность изготовления эпитрохоидального профиля картера, необходимость покрытия статоров и многочисленных уплотнений дорогостоящими материалами, а также усложненная сборка сводят на нет все потенциальные преимущества конструкции «ванкелей». Хотя на автосалонах 1973 года был представлен четырехроторный двигатель мощностью 280 л.с. (рабочий объем 6,8 л, 6300 об/мин), реальной областью применения остаются одно- и двухроторные модели. Четырехроторный образец был разработан американской фирмой «Дженерал Моторс» для спортивной модели «Шевроле-Корветт», но даже ее выпуск планировался ограниченными сериями.

Следует отметить, что серийные образцы были выпущены компаниями, вложившими значительные средства в приобретение лицензий и отработку технологии. Естественно, эти затраты требовали отдачи, однако выпуск моделей скорее преследовал престижные цели, нежели был ориентирован на массовый рынок. По мнению отраслевых экспертов, конкурентоспособность любых роторных двигателей возможна лишь при условии значительного снижения их стоимости и расхода топлива, а здесь у «ванкеля» положение оставляет желать лучшего.

Даже при выполнении этих требований для массового выпуска роторных двигателей американской промышленности потребовалось бы не менее 12 лет. Прогнозные данные о развитии других типов силовых агрегатов свидетельствуют, что такой переход вряд ли будет осуществлен. Вероятно, именно по этим причинам автогиганты «Форд» и «Крайслер», затратив существенные ресурсы на разработку собственных «ванкелей», в итоге полностью свернули эти программы. Их опыт служит показательным примером технологических и экономических барьеров.

В последние годы в профессиональной и научно-популярной печати появился ряд интригующих сообщений о роторном двигателе, разрабатываемом австралийским изобретателем Ральфом Саричем. Журналистам, не без помощи самого автора, удалось создать значительный ажиотаж, сравнивая новый двигатель с газовыми турбинами, «ванкелем» и другими конструкциями, что требует объективного рассмотрения его особенностей. Принципиальная схема этого двигателя заслуживает отдельного анализа.

В основу двигателя Ральфа Сарича положен принцип работы коловратного насоса, пластины которого разграничивают камеры переменного объема. Построенные опытные образцы имеют семь рабочих камер, причем в каждой из них установлены свечи зажигания, впускной и выпускной клапаны (рис. 18, б). Ротор выполнен в виде семигранника и совершает эксцентричные колебания, приводимые в действие центральным кривошипным валом. Конструкция лопаток является П-образной (рис. 18, в), что обеспечивает их радиальное перемещение.

Рис. 18. Схема двигателя Р. Сарича: а — поперечный разрез; б — такт сжатия в одной из камер; в — лопатка двигателя

В радиальном направлении лопатки двигаются в пазах корпуса, а ротор относительно лопаток одновременно перемещается по касательной к окружности. Для обеспечения этого сложного перемещения и поддержания плотного контакта нижней грани лопатки с ротором, на их планках установлены специальные ролики, помещенные в паз корпуса. Такая кинематическая схема позволяет снизить средние скорости взаимного перемещения деталей, теоретически позволяя двигателю достигать 10 000 оборотов в минуту.

Сравнительный анализ с «ванкелем» показывает, что максимальный путь, проходимый за один оборот уплотнительным элементом, составляет 685 мм против 165 мм у РПД Ванкеля. Система уплотнений содержит около 40 деталей, что сопоставимо с конкурентом. Построенные образцы при 4000 об/мин и массе 64 кг развивают мощность 130–140 л.с. При рабочем объеме 3,5 л литровая мощность находится на уровне обычных ДВС – около 40 л.с./л, однако при форсировке этот показатель теоретически можно удвоить.

К существенным недостаткам двигателя Сарича относится крайне высокая теплонапряженность, вынуждающая применять более мощные системы водяного и масляного охлаждения. Испытания выявили, что наиболее нагруженным и слабым звеном конструкции являются ролики пластин. Именно этот узел ограничивает возможность существенного улучшения характеристик в обозримом будущем. Таким образом, несмотря на заявленный потенциал, конструкция имеет фундаментальные проблемы.

В целом, принципиальную схему этого двигателя нельзя назвать абсолютно оригинальной, поскольку патентные базы содержат множество аналогичных решений, отличающихся лишь второстепенными деталями. Главная заслуга Ральфа Сарича заключается в практической доводке концепции и достижении определенных функциональных результатов. Однако его двигатель не совершит технологической революции, а ценность работы заключается в привлечении внимания инженерного сообщества к схемам на основе коловратных машин.

Стоит отметить, что энтузиасты подобных схем есть и в нашей стране. Например, житель поселка Сары-Озек Талды-Курганской области Г. И. Дьяков построил макетный образец аналогичного двигателя с вращающимся ротором, хотя в такой схеме условия работы пластин являются менее благоприятными. На момент публикации испытания этого двигателя еще не проводились, поэтому объективно оценить его потенциал преждевременно. Этот пример иллюстрирует сохраняющийся глобальный интерес к альтернативным роторным конструкциям, несмотря на их технологические трудности.

Подводя итог, можно констатировать, что ни двигатель Ванкеля, ни двигатель Сарича на текущем этапе своего развития не обладают решающими преимуществами для вытеснения традиционных поршневых ДВС с массового рынка. Перспективы их широкого коммерческого применения остаются туманными и зависят от преодоления фундаментальных проблем, связанных с стоимостью, надежностью и топливной экономичностью. Инженерный поиск в этом направлении продолжается, но прорывных результатов пока не достигнуто.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: П. П. Лукин; Г. А. Гаспарян; В. Ф. Родионов; К. Ю. Чириков.

Источник: Конструирование и расчет автомобиля. Необычные двигатели.

Данные публикации будут полезны студентам автомобилестроительных и транспортных специальностей, начинающим инженерам-конструкторам и технологам автопрома, а также всем, кто интересуется глубоким пониманием процессов проектирования и компоновки современных автомобилей.