История РЛД

Роторно-лопастной двигатель (РЛД) внутреннего сгорания известен ещё с начала прошлого века, но до сих пор никому не удалось создать агрегат, надёжный настолько, чтобы он мог заменить традиционный ДВС. По сути своей РЛД — это цилиндр с двумя соосно вращающимися роторами, на каждом из которых закреплена пара лопастей (поршней). Лопасти делят цилиндр на четыре рабочие камеры, причём в каждой камере за один оборот совершаются все четыре рабочих такта (впуск рабочей смеси, сжатие, рабочий ход и выпуск отработанных газов).

Таким образом, в рамках данной конструкции возможно реализовать любой четырёхтактный цикл. При этом одна секция РЛД соответствует восьмицилиндровому традиционному ДВС ввиду того, что за один оборот выходного вала совершается четыре полных четырехтактных цикла.

Основная сложность — синхронизация вращения валов роторов и снятие с них мощности, поскольку валы должны двигаться неравномерно, «пульсировать» друг относительно друга. Есть еще проблема высокой теплонагруженности поршневой группы из-за относительной трудности снятия с поршней (лопастей) теплоизбытков.

Все предшествующие попытки создать стабильно функционирующую модель мотора оказались неудачными в основном из-за низкой надежности и малой долговечности механизма синхронизации движения лопастей. В эту проблему упирались все попытки наладить производство РЛД, несмотря на все его видимые преимущества, такие как относительная простота конструкции (в том числе отсутствие сложного механизма газораспределения), высокая удельная мощность, простота передачи энергии между отдельными рабочими камерами, простота реализации современных и перспективных технологий управления рабочими процессами (управляемые фазы газораспределения, изменяемые степень сжатия и рабочий объем, циклы Миллера и Аткинсона и т.д).  

Далее предлагаю рассмотреть несколько примеров предлагавшихся ранее способов синхронизации движения лопастей.

Вариантов конструкций синхронизаторов великое множество. Например, зубчатый механизм с эллиптическими шестернями, шестеренный планетарный механизм, эпициклоидальный механизм, планетарно-кривошипный механизм, рычажный механизм с вращающимися рычагами, рычажно-кулачковый восьмизвенный механизм и рычажно-кулачковый четырехзвенный механизм.

Некоторые анимированные кинематические схемы, представлены здесь: 

Существует еще много способов синхронизации, на которые получены патенты на изобретения. Их легко найти, в том числе на сайтах http://www1.fips.ru,  patents.google.com  и др.

Наибольший интерес, конечно, вызывают конструкции, на основе которых были построены реальные, подававшие надежды двигатели.

Во Франции Девандр (Dewandre) построил свой тороидальный двигатель в 1905 году, который впоследствии возродился под названием Esselbe в 1912 году. Этот двигатель вращается вокруг неподвижного центрального вала. Восемь поршней закреплены попарно.

Четыре эпициклические шестерни входят в зацепление с солнечной шестерней на центральном валу и сообщают возвратно-поступательное движение поршневым узлам через короткие шатуны.

В 1909-1913 гг. три варианта своих роторно-поршневых двигателей строил Фредерик Бек (Beck). Конструкция первого варианта с восемью поршнями, движущимися в тороиде, как и у Девандра, предполагала, что двигатель вращается вокруг неподвижного вала и несет на себе пропеллер. Рабочие полости разделены четырьмя неподвижными перегородками в точке A. Когда кривошип C вращается, соответствующие рычаги вызывают колебание радиальных рычагов R, увлекая за собой поршни P. Были сведения, что этот двигатель был выставлен на авиасалоне в Париже в 1909 году.

Во втором варианте двигателя Бека используются коленчатые кривошипы и лицевой кулачок для привода поршней. Однако  форма направляющей кулачка указывает на то, что коленчатые рычаги и поршни должны испытывать довольно жесткие ускорения. Между поршнями все еще есть перегородки, поэтому каждый из них имеет свою собственную камеру сгорания. На иллюстрации видно наличие клапанного механизма. Клапаны состоят из скользящих колец, установленных в перегородках между поршнями.

Неизвестно, был ли когда-либо построен тот двигатель, а к 1913 году Бек снова переосмыслил его, поскольку в австрийском патенте 59916 показан другой приводной механизм, использующий коленчатые рычаги, звенья и два четвертьтороида.

Несмотря на то, что здесь неполный тороид, это все еще роторный двигатель, то есть двигатель вращается, а центральный вал остается неподвижным. Стрелка F в левом верхнем углу подсказывает это.

После Второй мировой войны были предприняты еще несколько попыток по разработке тороидальных двигателей.

Одна из них была предпринята инженером Гранвиллом Иствуд Брэдшоу (Granville Eastwood Bradshaw).

В его двигателе вращающийся тороид был жестко связан с центральным валом, а шатуны, задающие возвратно-поступательное движение поршней, приводили в движение выходной вал.

Брэдшоу построил версии своего двигателя объемом 1100 и 1250 кубических сантиметров, которые широко рекламировались в 1950-х годах. Но в итоге проект также оказался провальным.

Упомянутые конструкции Девандра, Бека и Брэдшоу были обречены на забвение, так как в их конструкциях был использован возвратно-поступательный принцип движения лопастей, который не позволяет реализовать главное преимущество роторно-лопастного двигателя, при котором за один оборот вала происходят четыре полноценных четырехтактных цикла, а сам двигатель мог бы получиться очень компактным. Кроме того, чрезмерное усложнение, нетехнологичность и ненадежность рассмотренных выше конструкций заведомо приводятзакономерно привели к их проигрышу классическим поршневым конструкциям с кривошипно-шатунным механизмом.

В шестидесятых годах немецкая фирма Клёкнер-Хумбольд-Дойц (нем. Klöckner-Humboldt-Deutz) экспериментировала с механизмом Кауэрца.

Это прекрасный пример двигателя с планетарно-кривошипным механизмом, который много раз использовался и ранее, и позже. Первичная лопасть вращается с постоянной скоростью, тогда как вторичная вращается с переменной скоростью, увеличивая и уменьшая расстояния между ними. При этом удается реализовать принцип "1 оборот = 4 цикла", однако именно планетарно-кривошипный механизм неизбежно создает губительные вибрации из-за хлыстового движения останавливаемой лопасти.

Еще одной попыткой создания оригинальной конструкции роторно-лопастного двигателя был проект Трауготта Чуди (Traugott Tschudi) 1960-х годов.

В этой конструкции лопасти "играют в догонялки" за счет работы роликово-кулачкового механизма. На иллюстрации видно два ролика с двумя лопастями в черном цвете, а другой набор в белом. Выходной вал эксцентричен к роторам и тороиду.

Чуди, хотя и надеялся извлечь выгоду из бума интереса к радиальным двигателям после успеха Ванкеля, так и не смог добиться успеха. Механизм оказался ненадежным из-за больших нагрузок на ролики при их защемлении ротором в момент остановки лопастей.

Результатом одной из последних попыток создания РЛД стал двигатель, созданный Рафалем Моргадо (Raphial Morgado).

Информация об этом двигателе представлена на сайте:

http://www.angellabsllc.com/index.html

Сайт обновлялся в последний раз в 2011 году, поэтому сложно считать, что в каком-то смысле этот проект еще теплится. Моргадо называл этот двигатель - MYT («Могучий, но крошечный») и настаивал, что он имеет «соотношение мощности и веса в 40 раз выше, чем у обычных двигателей. 

Моргадо заявлял, что такой двигатель в дизельном варианте при диаметре поршня 76 мм и степени сжатия 25/1 будет выдавать 850 л.с. и при этом весить 68 кг.

Однако это все тот же пример двигателя с планетарно-кривошипным механизмом, а его слабость – губительные вибрации лопастей вблизи позиции, аналогичной ВМТ у традиционных двигателей.

А у нас в стране известен двигатель Вигриянова, созданный в 1973 году. Этот РЛД заводился, работал и даже привлек внимание инвесторов из США, но, в конце концов, проект провалился, так как двигатель оказался ненадёжным, опять же из-за механизма синхронизации.

Создать РЛД пытались и в Псковском политехническом институте, но уже в виде двигателя внешнего сгорания. В основе его конструкции лежит четырехзвенный механизм преобразования движения роторов. В составе проекта представлена роторно-лопастная машина, преобразующая энергию пара в механическую энергию и функционирующая в составе агрегата, в котором рабочее тело формируется в отдельном парогенераторе.

Еще более известным стал двигатель, разрабатывавшийся для  Ё-мобиля. 

У Ё-двигателя за основу была взята схема РЛД от 1964 года (Virmel Engine, pat. USA #3356079, 1967 год). 

В его разработку было вложено очень много средств, но на беду инвестора ему в проект подсунули идею хоть и усиленной, но все же ненадежной конструкции планетарно-кривошипного синхронизатора роторов,  упомянутые недостатки которой никуда не подевались. У конструкции этого РЛД были и другие, не менее весомые недостатки. В результате - провал.

Однако нет смысла опускать руки и не доверять автору книги "Необычные двигатели" Гуськову Г.Г. заметившему: 

"Роторно-лопастные двигатели, пожалуй, самые перспективные из всех, разобранных в данной книге. И хотя в серийном промышленном производстве нет ни одного образца из этого довольно многочисленного семейства, а есть лишь буквально считанные экспериментальные модели, ещё очень далёкие от совершенства, можно ожидать, что этим двигателям внутреннего сгорания суждено большое и блестящее будущее".

Что ж, дорогу осилит идущий!

В настоящее время ведется работа по внедрению РЛД, имеющего в основе своей конструкции запатентованный механизм, который позволяет совместить плавность преобразования потоков мощности с повышением КПД и надежности РЛД в целом.

Синхронизатор новой конструкции обеспечивает максимально гармоничное преобразование неравномерного движения лопастей в равномерное вращение выходного вала с максимальным сокращением паразитных потерь, свойственных ранее предлагавшимся конструкциям.