Кинематика поршневых двигателей XXI века

Общеизвестно, что роторно-поршневой двигатель немецкого изобретателя Ванкеля не оправдал надежд. Этого и следовало ожидать. Здесь сработал не здравый разум, а мощная реклама, развернутая прессой в пользу патента Ванкеля.

По словам газетчиков, двигатель Ванкеля должен был в ближайшее время вытеснить на транспортных машинах традиционные двигатели с линейным ходом поршней. Основной причиной для этого утверждения была ссылка на наличие в выпускаемых двигателях шатуна, который резко перебрасывает поршень в рабочей камере от одной стенки к другой, что приводит к снижению КПД и моторесурса машины в целом. При этом указывалось, что у двигателя Ванкеля нет этого недостатка, так как поршень не имеет линейного хода, а совершает планетарное движение в рабочей камере, вращается вокруг своей оси и одновременно движется по круговой орбите.

Газетная шумиха докатилась и до нашей страны. Когда заместитель министра Н.Н. Смеляков отказался покупать лицензию у немцев, руководство ВАЗа создало в 1974 г. свое специальное конструкторское бюро по разработке роторно-поршневых двигателей. Результат работы этого ОКБ был показан в 1982 г. на ВДНХ СССР, на автомобиле ВАЗ-21018 (демонстрировалась модель ВАЗ-311). Но в серийное производство этот двигатель так и не пошел. Одни объясняли это тем, что двигатель не имел технологической преемственности, другие указывали на то, что он не обеспечивает высокой компрессии и надежности в работе.

В это же время в лаборатории технического творчества СГПТУ-33 г. Ленинграда начались работы по созданию своих перспективных конструкций поршневых двигателей, существенно отличающихся от двигателя Ванкеля. В этих двигателях так же, как в нем, нет шатунов, но поршни совершают возвратно-поступательное движение в цилиндрах при помощи кривошипных валов, совершающих планетарное движение в корпусе. При этом поршни в цилиндрах расположены оппозитно и совершают встречное и расходящееся движения по закону синуса, то есть гармонично. По динамике вращения кривошипных валов двигатель мало чем отличается от газотурбинного.

На рис. 1 показан вариант конструкции по патенту РФ № 2100616. Устроен и работает двигатель следующим образом. В корпусе 1 находится ротор 2 с двумя симметрично расположенными отверстиями, в которых смонтированы два одинаковых вала 3 и 4. На концах этих валов имеются по две кривошипные шейки. Две шейки связаны с поршневыми штоками или плунжерами 7 и 9, а другие две — шейки 5 и 6 смонтированы в линейных пазах корпуса 1 с торцевых сторон ротора 2. Ротор 2 снабжен зубчатым колесом 11 для снятия или подачи мощности при помощи вала 12.

При работе в режиме компрессора или насоса вал 12 вращает ротор 2 в корпусе 1. При этом все четыре кривошипные шейки совершают линейное движение с пересечением оси вращения ротора 2. Обусловлено это тем, что кривошипные шейки 5 и 6 находятся в линейных пазах корпуса 1 и имеют только одну степень подвижности: они выполняют функцию линейных направляющих для кривошипных шеек, связанных с поршневыми штоками 7 и 9.

На рис. 2 показан второй вариант конструкции по патенту РФ № 2093684. Он отличается от первого только тем, что коленвалы 3 и 4 имеют по одной кривошипной шейке, шарнирно связанной с поршневыми штоками или плунжерами 9 и 11. На конце каждого вала жестко закреплено зубчатое колесо (5 и 7), находящееся по внутреннем зацеплении с колесами 6 и 8. Прямолинейное движение поршней в цилиндрах 10 и 12 обеспечивается по закону центроидных пар, способом гипоциклоидного зацепления зубчатых колес с модулем 1:2.

На рис. 3 показан третий вариант конструкции по патенту РФ № 1771513. Этот вариант содержит не один, а два ротора в корпусе. Он отличается от показанного на рис. 1 тем, что вместо двух линейных пазов в корпусе 1 используется одна муфта поступательного движения 6. Эта муфта находится между двух роторов 2 и 3, смонтированных в корпусе 1. Она связывает шарнирно между собой шейки двух кривошипных валов 5 и 4. При вращении двух роторов 2 и 3 при помощи вала 11 она выполняет ту же функцию, что и линейные пазы в корпусе 1 обеспечивает прямолинейное движение поршней или плунжеров 7 и 8 в цилиндрах 9 и 10

Двигатель показан здесь в блоке с четырехступенчатой планетарной коробкой передач, которая на выставке НИМ была отмечена золотой медалью. Эта коробка передач имеет растянутое на ведомом валу водило, и для переключения передач требуется включение только одного фрикциона, что существенно упрощает систему автоматического управления.