В то же время в мире уже давно достаточно известны четырехтактные двигатели, в которых простота конструкции сочетается с экономичностью. Речь идет о незаслуженно забытых роторно-поршневых двигателях Ванкеля (РПД). Еще четверть века тому назад за рубежом рекламировались ошеломляющие результаты форсировки и очень высокие удельные весовые показатели РПД. Практически все ведущие моторостроительные фирмы провели массу исследований и конструкторских проработок, выпустили большое количество опытных образцов и приступили к серийному производству РПД для автомобилей, мотоциклов, минитракторов, а также для подвесных лодочных моторов (см. «КЯ» №26) и стационарных установок. Авиамоторные предприятия разработали ряд мощных РПД, соизмеримых по весу с газотурбинными установками, но превосходящих их по экономичности (см. табл.).
Ослабление интереса к этому типу двигателей, отличавшихся несколько увеличенным расходом топлива по сравнению с самыми совершенными четырехтактными двигателями, произошло во время последнего топливно-энергетического кризиса, который захлестнул ведущие капиталистические страны. Это сыграло свою трагическую роль: от РПД полностью отказались европейские автомобилестроители и некоторые американские фирмы, например «Фордкор-порейшн». Они официально объявили об отказе от дальнейших исследований по РПД и распродали принадлежавшие им патенты. Лишь японская фирма «Мазда-Мотор-корпорейшн» продолжала выпускать автомобиль «Мазда» с роторными двигателями.
Однако несомненные преимущества РПД, конструкторско-технологические успехи в доводке двигателя, а также некоторое ослабление в 1983—1984 гг. топливно-энергетического кризиса побудили некоторые фирмы вновь продолжить работы по РПД. В настоящее время наибольшее внимание проблемам РПД уделяют фирмы «Кертис-Райт», «Джон Дир» и, разумеется, «Мазда-Мотор-корпорейшн». В СССР наибольших успехов добилось объединение «АвтоВАЗ», выпустившее партию автомобилей с роторными двигателями «ВАЗ-311».
Напомним читателю основные конструктивные особенности, схему и принцип работы роторно-поршневого двигателя.
Основными деталями двигателя Ванкеля (рис. 2, 3) являются вал 1 с эксцентриком, на котором может вращаться трехгранный ротор 2, выполняющий функции поршня, и корпус 3 с внутренней рабочей поверхностью в виде цилиндрической эпитрохоиды. Ротор 2 может вращаться на эксцентрике вала, только обкатываясь своей шестерней с внутренним зубом по неподвижной шестерне 4, закрепленной на боковой крышке 5.
При вращении все три вершины ротора постоянно касаются поверхности корпуса, образуя три отдельные седловидные камеры. Эти камеры, перемещаясь по периметру рабочей поверхности корпуса при сложном вращательном движении ротора, периодически изменяют свой объем — они изменяют его четыре раза за один оборот ротора. Благодаря этому осуществляется работа двигателя по четырехтактному циклу. Циклы рабочего процесса происходят одновременно во всех трех камерах, но, естественно, со сдвигом 120°.
Уплотнение газового стыка между ротором 2 и рабочей поверхностью корпуса 3 производится плоскими радиальными пластинами 6, а торцевое уплотнение достигается тремя слегка изогнутыми пластинами 7. Пластины прижимаются к уплотняемым поверхностям плоскими пружинами-эспандерами давлением газов, а радиальные уплотнения — также и центробежными силами.
На рис. 4 схематично изображены все процессы — такты работы, происходящие в трех камерах за один оборот эксцентрикового вала.
На схеме показано, что один рабочий ход приходится на один оборот эксцентрикового вала, как у двухтактного двигателя, но ротор за это время повернется только на 120 , т. е. обороты ротора будут в три раза меньше оборотов вала. Поэтому у РПД существенно уменьшены инерционные силы и вибрация. Отсутствие деталей, совершающих возвратно-поступательные движения (шатунов, поршней, деталей газораспределения), делает двигатель более уравновешенным и надежным.
Однороторный (односекционный) РПД по сложности и количеству деталей можно сравнить с двухцилиндровыми традиционными ДВС. У РПД количество основных деталей не больше, чем у двухтактного двигателя аналогичной мощности, и в то же время его детали конструктивно проще и надежнее, за исключением непривычной рабочей поверхности корпуса. Однако изготовить эту поверхность сложно только на универсальном оборудовании или в домашних условиях. При использовании современного специализированного оборудования изготовление данной поверхности не вызовет технических затруднений и окупится даже при выпуске малой серии двигателей. Остальные узлы и детали систем питания, зажигания, охлаждения, выпуска отработавших газов или пускового механизма функционально однотипны и могут не иметь принципиальных различий. Например, на всех типах двигателей может быть использован либо традиционный карбюратор, применяющийся на наших ПМ, либо беспоплавковый, с уменьшенными утечками, предназначенный для тракторных пусковых двигателей или бензомоторных пил. Может быть применена и система впрыска бензина, используемая на автомобильных двигателях или зарубежных ПМ большой мощности.
Зарубежными фирмами, а также «Авто-ВАЗом» накоплен богатый опыт проектирования, изготовления и доводки РПД, поэтому конструкторско-технологические вопросы выбора системы смазки и охлаждения, конструкции и износостойкости уплотнительных пластин и рабочих поверхностей корпуса, способа охлаждения ротора, расположения впускных и выпускных окон и свечей зажигания, а также другие проблемы разрешены на высоком техническом уровне. Это позволяет снова рекомендовать РПД для широкого использования в качестве силового агрегата.
У различных двигателей РПД топливная экономичность колеблется в широких пределах. В среднем она несколько хуже парадных показателей современных традиционных двигателей, работающих на высокооктановом бензине. Опыт доводки РПД "ВАЗ-311" показал возможность получения одинаковых показателей по сравнению с двигателем одинаковой мощности «ВАЗ-21011» (N = 69÷70 л. с.). Минимальный удельный расход РПД составил 215 г/п.с./ч, что даже несколько лучше, чем у «ВАЗ-21011».
Резервом повышения экономичности может стать система впрыска топлива, широко применяемая за рубежом на автомобильных двигателях и катерных двигателях повышенной мощности.
Роторно-поршневые двигатели легче традиционных четырехтактных ДВС в среднем на 15—20%. Например, отечественный РПД "ВАЗ-311" мощностью 70 л.с. легче двигателя автомобиля «ВАЗ-21011» мощностью 69 л.с. на 18%. Резервом уменьшения веса РПД явилось бы также применение специально спроектированных неавтомобильных узлов и агрегатов: сцепления, карбюратора с фильтром, генератора, стартера, водяного насоса и пи специального вентилятора и др. Кроме того, РПД обладает лучшими тяговыми характеристиками, меньшей чувствительностью к изменению октанового числа бензина и повышенным КПД.
В настоящее время, в условиях необходимости бережливого отношения к топливно-энергетическим ресурсам, настало время оценить простоту и экономичность РПД и сравнить их с широко выпускаемыми в нашей стране двухтактными двигателями, имеющими, как известно, минимальный удельный расход от 330—450 г/л.с./ч в зависимости от назначения. Выпуск этих двигателей для мопедов и мотоциклов составляет около миллиона штук в год; кроме того, изготовляется несколько сот тысяч двигателей для пусковых двигателей тракторов, бензомоторных пил и насосов, мотоблоков минитракторов, зарядных станций, а также несколько десятков тысяч ПМ.
Налицо явный парадокс: существует достаточно отработанная конструкция двигателя, соизмеримая по трудоемкости с двухтактным, а по топливной экономичности — с четырехтактным двигателем, однако предприятия автомобильной, тракторной и авиационной промышленности (основного изготовителя лодочных моторов по комплексному плану выпуска товаров народного потребления) продолжают выпускать миллионы морально устаревших неэкономичных двигателей. Представитель одного из министерств инженер А. С. Шеламов, в своем интервью в «КЯ» №98, посетовав на падение спроса ПМ из-за их технического несовершенства, заявил, что выпуск четырехтактных двигателей даже не планируется...
Вероятно, организациям, заинтересованным в уменьшении перерасхода нескольких сот тысяч тонн бензина в год, давно пора решиться поднять технический уровень выпускаемых двигателей для нужд народного хозяйства и народного потребления, не дожидаясь, пока за рубежом начнется новый виток массового выпуска усовершенствованных РПД. (К слову сказать, в 1984 г. фирмой "Мазда-Мотор-К" выпущено 400 тыс. автомобилей марки "Мазда РХ-7", специально спроектированных под РПД, позволивший повысить гарантийный пробег автомобиля до 160 тыс. км.)
Что же касается отечественных ПМ, то началом работ по применению для них РПД нужно считать разработку типажа двигателей без пробелов, существующих ныне в ряду мощностей выпускаемых моторов между "Салютом" и "Ветерком-8", а также "Ветерком-8" и "Вихрем-30".
В заключение хотелось бы обратить внимание на то, что каждое очередное ограничение районов плавания для моторных судов базируется обычно на неквалифицированном подсчете гипотетического количества сжигаемого за год топлива на ограниченной акватории. Поэтому уменьшение удельного расхода топлива двигателями моторных судов несомненно окажет положительное влияние на расширение возможностей водно-моторного туризма, спорта и отдыха с минимальным ущербом для природы.