Роторно-поршневой двигатель на мотоцикле
Высокая удельная мощность, компактность, технологичность изготовления — таковы основные достоинства, благодаря которым поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС) не только занял ведущее место среди тепловых машин, но и успешно противостоит попыткам заменить его другими силовыми установками. Между тем этому двигателю присущи и серьезные органические недостатки. Один из самых существенных — возвратно-поступательное движение поршня и порождаемые им силы инерции, которые не всегда можно уравновесить. Отсюда — дополнительные динамические нагрузки, вибрации, шум. Другой — наличие в четырехтактных двигателях довольно сложного газораспределительного механизма, требовательного к уходу. Вот почему параллельно с совершенствованием традиционных поршневых ДВС инженеры, изобретатели десятилетиями работали над схемами двигателей, где рабочий орган — поршень совершал бы только вращательное движение.
Среди сотен, а возможно, и тысяч конструкций лишь одну удалось довести до уровня требовании серийного производства. Речь идет об известном роторно-поршневом двигателе (РДД) Ф. Ванкеля («За рулем», 1970, № 12). Хотя принцип его действия и устройство описаны в технической литературе, вкратце напомним их.
Рис. 1. Схема устройства (поперечный 4 разрез) и работы РПД : а, б, в, г — последовательность процессов, происходящих при различных положениях ротора.
В неподвижном корпусе 1 (рис. 1) — треугольный ротор 2. Он вращается по часовой стрелке вокруг своего геометрического центра, который, в свою очередь, перекатывается относительно оси эксцентрикового вала б. При движении ротора 2 каждая из его граней образует с внутренней поверхностью корпуса три рабочие камеры меняющегося объема.
Кромки ротора при его вращении описывают эпитрохоиду; по этой же кривой выполнен внутренний контур корпуса 1. Уплотняют стык лопатки 15, помещенные в прорезях ротора и постоянно прижатые к рабочей поверхности корпуса.
По мере вращения ротора по часовой стрелке (рис. 1,а) объем правой верхней камеры увеличивается, и в нее через впускное окно 17 всасывается горючая смесь. Впуск в камеру идет до тех пор, пока уплотнительная лопатка не достигнет правой кромки окна 17. Далее объем камеры уменьшается, и происходит сжатие смеси. Когда он станет близок к минимальному (рис. 1, б), свеча 7 в соответствии с выбранным углом опережения зажигания воспламенит сжатый заряд смеси. Давление расширяющихся газов на грани ротора 2 (рис. 1, в) заставляет вращаться эксцентриковый вал 6. При дальнейшем повороте вала и ротора открывается выпускное окно 16 и происходит выпуск отработавших газов (рис. 1, г).
Таким образом, в каждой из трех камер происходят последовательно: впуск свежей смеси, сжатие заряда, воспламенение и расширение продуктов сгорания, выпуск отработавших газов, то есть весь рабочий процесс, характерный для четырехтактного ДВС. За один оборот ротора совершается три рабочих хода.
Согласованное вращение ротора 2 и вала б обеспечивает пара синхронизирующих шестерен 10 и 11, из которых меньшая (с наружными зубьями) укреплена неподвижно на боковой крышке корпуса. У шестерни же, жестко связанной с ротором, — внутренние зубья. Соотношение их (2:3) таково, что вал б вращается втрбе быстрее ротора, а рабочий ход приходится на каждый оборот этого вала.
Основные достоинства РПД — малые габарит и масса, плавность работы, отсутствие распределительного механизма, меньшее, чем у поршневого ДВС, количество деталей — привлекли к нему внимание ведущих моторостроительных и автомобильных фирм. Период 60-х и начала 70-х годов отмечен интенсивными работами по исследованию и доводке РПД во многих странах.
У нас к этой проблеме были прийлече-ны НАМИ НАТИ, ряд предприятий автомобильной и некоторых других отраслей промышленности. Одним из первых в работы по РПД включился ВНИИмотопром. В дальнейшем перед специалистами института была поставлена задача разработать двигатель для мотоциклов тяжелого класса (типа «Урала» и «Днепра»).
Надо сказать, что и в конструкции, и в рабочей процессе, и в технологии изготовления РПД есть немало особенностей, радикально отличающих его от традиционного поршневого мотора. При создании опытных образцов неоднократно приходилось решать задачи, не имевшие аналогов в практике двигателестроения. Ряд материалов и процессов разработан впервые в отечественной технике.
Комплекс исследований, продолжавшихся несколько лет, привел к созданию роторно-поршневого двигателя, получившего индекс РД—515. Его стендовые и дорожные испытания на мотоциклах «Днепр» (см, фото) показали хорошие результаты.
Прежде чем говорить о возможностях и перспективах применения РПД, рассмотрим, что представляет собой Э1 от двигатель, сконструированный во ВНИИМотопроме (рис. 2). Он односекционный. Его корпус, имеющий водяное охлаждение, образуют три отлитые из алюминиевого сплава части 1, 8, 9. Поскольку внутренняя поверхность средней части статора 1 является рабочей и должна быть износостойкой и жаростойкой, на нее нанесен слой никелекремниевого покрытия «никосил». Оно более надежно, чем, например, известное гальваническое хромирование. Технология нанесения «нико-сила» на алюминиевую основу впервые в отечественной практике разработана ВНИИмотопромом совместно с институтом химии Академии наук Литовской ССР.
К рис. 1 и 2: 1 — корпус (статор); 2 — ротор; 3 — заднее впускное окно; 4 — полость; 5 — роликовый подшипник ротора; 6 — эксцентриновый вал; 7 — свеча; 8 — задняя крышка корпуса; 9 — передняя крышка корпуса; 10 — неподвижная синхронизирующая шестерня; 11 — синхронизирующая шестерня; 12 — переднее впускное окно; 13 — впускной канал; 14 — карбюратор; 15 — лопатка; 16 — торцевое выпускное окно; 17 — торцевое впускное окно.
Для надежной герметичности стыков корпуса и лучшей теплопередачи торцы статора 1, а также и его крышек 8, 9 шлифуются и соединяются без прокладок.
Ротор 2, который выполняет функции поршня, вращается (на шейке эксцентрикового вала 6) не на подшипниках скольжения, а на роликовых 5. В его гранях — углубления, образующие камеры сгорания. В теле эксцентрика вала 6 полость для прохода горючей смеси, которая попутно охлаждает и смазывает (в топливо добавляется масло в пропорции 1: 100) два подшипника ротора. Они способны выдерживать температуру не выше 250° С и поэтому нуждаются в интенсивном охлаждении и хорошей смазке. Кстати, эти подшипники принадлежат к числу деталей, лимитирующих пока ресурс двигателя.
Продолжительное время срок службы РПД связывали с долговечностью уплотнений ротора, в первую очередь на его кромках. Проблему удалось решить подбором специального сплава. Сами уплотнения состоят из лопаток и уголков, устанавливаемых в пазах, которые сделаны в роторе. Торцевые уплотнители — это стальные или чугунные полоски. Их поджимают пружинящие ленты из специального термостойкого сплава — экспандеры.
Конструкция и рабочий процесс роторного двигателя имеют в сравнении с поршневым особенности, которые отразились в конструкции основных его систем: питания, зажигания смазки и др. В частности, большое значение как для получения необходимой мощности, так и для обеспечения требуемого минимума по содержанию токсичных компонентов в отработав них газах и экономичности имеет конструкция впускной системы.
В наш двигатель рабочая смесь поступает двумя потоками — боковым и радиальным. Боковой ведет ее от карбюратора 14 в канал 13. Там поток разделяется на две ветви. Часть смеси устремляется в рабочую полость статора 1 через окно 12, другая — большая — через пустотелый эксцентрик вала 6 в полость 4 задней крышки 8 и окно 3. Основной поток охлаждает ротор и смазывает роликовые подшипники.
Назначение окна 12 — улучшить наполнение камеры сгорания рабочей смесью и обеспечить достаточно высокую мощность. С этой же целью сделан радиальный канал (на рис. 2 не показан).
Система зажигания — бесконтактная, тиристорная с двумя свечами, имеющими довольно высокое калильное число — 240—260 единиц. Необходимость двух свечей вызвана малой высотой и большой длиной камеры сгорания, затрудняющими распространение фронта пламени и замедляющими процесс сгорания. Для пуска двигателя служат электростартер и кик-стартер.
Двигатель РД—515 — итог многолетней работы, всестороннего изучения особенностей РПД, бесчисленных проб, проверок и испытаний. Именно их результаты позволяют считать выбранные конструктивные решения оптимальными для двигателя данной размерности и назначения. Строили мы и образцы РПД с воздушным охлаждением корпуса. После сравнительных испытаний предпочтение отдали жидкостной системе: такой двигатель более надежен, долговечен и менее шумен. Наряду с односекционными институт изготовил образцы и двухсекционного двигателя. Испытали мы также моторы с четырехгранным ротором.
Как же выглядит наш роторный в сравнении со своими поршневыми «собратьями»? На его стороне — целый ряд преимуществ. Так, масса (и металлоемкость) РПД на 13 кг (36%) меньше, чем мотоциклетного мотора того же класса, габаритный объем меньше в 2,5 раза, а количество деталей — в полтора. Эксплуатационный расход топлива на 10% ниже, чем у мотоцикла с серийным поршневым двигателем. Что касается долговечности, то РД-515 без замены основных деталей проходит 50 тысяч километров. Для мотоцикла это вполне приемлемо. Институт, однако, ведет работу по дальнейшему повышению срока службы РПД.
Имея рабочий объем одной камеры 491 см3, РД—515 развивает 38 л. с./ 28,4 кВт при 6000 об/мин. Крутящий момент — 5,2 кгс*м / 51,0 Н*м при 3500 об/мин. Степень сжатия — 8,7, требует применения бензина АИ-93. Сухая масса двигателя — 38 кг.
К настоящему времени в мировой практике по экономичности и токсичности РПД практически доведены до уровня поршневых. Но осталось два не менее важных обстоятельства. Первое — отсутствие технологической преемственности конструкций поршневого мотора и РПД — обстоятельство весьма серьезное. Из-за этого производство РПД требует принципиально нового оборудования и значительных капиталовложений. Второе — определенное недоверие со стороны как специалистов, так и потребителей, основанное частью на недостатках ранних моделей серийных РПД, частью на плохой осведомленности.
Тем не менее достигнутые сегодня в нашей стране и за рубежом результаты позволяют полагать, что 80-е годы будут отмечены «второй волной» интереса к РПД. Производство таких двигателей представляется оправданным в условиях нашей страны, где тяжелые мотоциклы, в отличие от стран Запада, являются весьма популярным транспортным средством. В то же время объем их производства все-таки значительно меньше, чем легковых автомобилей, и это облегчило бы отработку технологии, решение других проблем производства при меньших первоначальных затратах.
С. ИВАНИЦКИЙ, заведующий отделом
ВНИИМотопрома, кандидат технических наук
Интересно, что в Советском Союзе существовали разработки в области РПД. И если о роторном автомобиле ВАЗ известно многим, то существование в прошлом отечественных мотоциклов с двигателями, построенными по схеме Ванкеля, до сих пор для многих остается секретом.
Еще в 1970 году начались дорожные испытания двигателя РД-350В, установленного в шасси от Днепр К-650. Динамика машины оказалась удовлетворительной, мощность двигателя была доведена до 30,5 л.с., но очень малый ресурс мотора (всего в 100 часов) не позволил увидеть разработке светлое будущее.
В 1972 году создается новый вариант РПД - РД-500В. Его корпус выполнен из алюминиевого сплава, с хромовым покрытием рабочей поверхности. Двигатель развивал мощность 40 л.с. при 6000 об/мин. Дорожные испытания мотора проводились в шасси мотоцикла Днепр МТ-9. На нем впервые опробовали систему впрыска топлива, но впоследствии отказались от нее из-за затрудненного запуска холодного двигателя (системы впрыска топлива тех времен были далеки от совершенства). Развитием РД-500В стал созданный в 1973 году РД-501, в котором применили износо-жаростойкое никасилевое покрытие алюминиевого корпуса, ротор двигателя был изготовлен из спеченного алюминиевого сплава, а воспламенение бензовоздушной смеси обеспечивалось электронной бесконтактной системой зажигания.
Решительным шагом стал переход на систему жидкостного охлаждения в 1976 году. Такой двигатель, получивший обозначение РД-510, развивал уже 48 л.с. при 6000 об/мин. Дальнейшие работы были направлены на повышение "живучести" двигателя, снижение расхода топлива и токсичности отработавших газов.
Односекционный РД-515, в середине 70-х предполагалось ставить на тяжелые мотоциклы. При весе 38 кг и объеме 491 см куб. он выдавал 38 л.с. (6000 об./мин.) и 51 Нм (3500 об./мин.). Торцевые уплотнители изготовляли из стали или чугуна. Специально для этого мотора разработали технологию нанесения износостойкого жаропрочного никель-кремниевого покрытия "никосил" на алюминиевую основу. Агрегат выхаживал до капитального ремонта 50 тыс. км.
Последними из известных нам проектов в области отечественных мотоциклов с РПД являются разработанные в середине 80-х аппараты РД - 660 и эскортный мотоцикл РД-601 (613 куб.см, мощность 52 л.с. при 6000 об./мин.)
Становится понятным, что к началу "перестройки" 90-х годов институт располагал несколькими отработанными конструкциями РПД. Но дальнейший разворот событий в нашей стране убил все надежды на какое-либо успешное продолжение разработок. На сегодняшний день разработки советских времен в области роторно-поршневых двигателей можно наблюдать в таком состоянии:
Найдено,на просторах интернета.
В конце 80-х годов был создан экспериментальный образец эскортного (для сопровождения кортежей официальных делегаций и патрульной службы) мотоцикла с РПД.
Заниматься данным проектом было поручено специалистам Ижевского мотозавода, причем это был полноценный госзаказ, который предусматривал постановку модели в мелкосерийное производство.
Богатырев Виктор Николаевич и Глухов Герман Яковлевич работают над макетом ИЖ-Лидер:
В качестве силового агрегата предусматривалась установка 2-секцинного роторно-поршневого мотора РД-601. При рабочем объеме в 613 кубиков, он выдавал мощностью 52 л.с. при 6000 об/мин и максимальный крутящий момент в 51Нм (при 3500 об/мин). Данная установка была разработана в Тольятти и во много унифицирована с ВАЗ-овскими роторными агрегатами, которые в те времена уже начали активно ставить на автомобили для спецслужб.
Финальный вариант мотоцикла ИЖ-Лидер с РПД:
В результате дизайнерского поиска, на свет появилось сразу несколько ходовых макетов «советского супербайка», которые своей внешностью напоминали лучшие образцы тогдашних японских и немецких мотоциклов.
Первым стал ИЖ «Лидер» - аппарат с очень развитой капотировкой и массивными пластиковыми обтекателями, которые хорошо защищали водителя от ветра и осадков. Своими обводами он чем-то напоминает мне легендарный спорт-турер BMW K1, появившийся на свет примерно в то же время (1988-й год).
В таком состоянии уникальный мотоцикл пребывал в последний раз, когда его видели:
Как и на «баварце», тяга мотора передавалась на заднее колесо посредством кардана. Было построено 2 опытных варианта «Лидера»: первый - с уже упомянутым РПД, а второй - с более привычным 2-цилиндровым оппозитным ДВС от серийного мотоцикла «Урал».
А это уже останки другого Лидера - с мотором от Урала:
Другой эскортный мотоцикл от «Ижмаша» получил название ИЖ-8.201 или «Вега». Он отличался более изящным и стремительным обликом. В отличии от «Лидера», его внешность не вызывала ассоциаций со средневековыми рыцарями.
В поисках оптимальной формы… Макеты строились как вокруг шасси с РПД, так и с привычным оппозитным мотором.
Дизайн практически соответствовал лучшим западным моделям, хотя отдельные элементы выглядели на таком красавце чужеродными: например - барабанные тормозные механизмы или спицованные колесные диски (хотя проектом также предусматривались и легкосплавные).
Итоговый вариант эскортного мотоцикла с роторно-поршневым двигателем:
Современный и привлекательный дизайн:
Вариант с классическим ДВС:
Кроме роторной «Веги», существовала также более приземленная версия данного эскортника, в шасси которого был установлен 650-кубовый оппозитный мотор от мотоцикла «Днепр».
Ничем не хуже тогдашних BMW, Honda и Moto Guzzi:
Задняя передача - карданная.
Барабанные тормоза тут не в тему:
Планы создателей были амбициозные: наладить полноценный серийный выпуск таких аппаратов и даже организовать массовые поставки за границу - для нужд полицейских служб в разных странах.
Отлично сохранившийся экземпляр ИЖ-8.201 на одной из современных выставок:
Жаль, что он так и не попал на конвейер.
2-секционный роторно-поршневой мотор РД-601 мощностью 52 л.с.:
Однако, перестройка, связанные с ней проблемы в экономике СССР и дальнейший развал страны поставил крест на этих перспективных разработках.
Силовой агрегат был построен специалистами АвтоВАЗа.
Тут тоже спицованные колеса.
Панель приборов частично унифицирована с Жигулями.