Несмотря на сегодняшнюю малую распространенность роторных двигателей среди ДВС малой и средней мощности, их история еще более древняя и многообразная, чем поршневых двигателей. Ведь известные уже тысячи лет крыльчатые приводы ветряных мельниц и приводные колеса мельниц водяных – это простейшие варианты рабочих органов роторных машин. К тому же первый в истории тепловой двигатель – эолиопил Герона Александрийского (1 век н.э) – это тоже вариант парового роторного двигателя.
Сохранились упоминания, что создатель паровой поршневой машины Уатт, так же создал идею роторной машины для работы расширяющегося пара, но не смог воплотить ее в дееспособную конструкцию и в промышленную эксплуатацию пошла более технологичная в исполнении поршневая машина. Тем более, что задачи первых паровых машин в конце 18-го века не требовали создания вращательных движений. Им было достаточно совершать простые возвратно — поступательные движения. Ведь они создавались под две главные задачи — откачивать воду из шахт и качать меха примитивных металлургических печей. А для этого можно было лишь двигать «туда — сюда» поршни насосов или раскачивать меха. Но вот с появлением необходиомсти вращать валы приводов разных машин, где потребителю нужно было простое вращательное движение на валу — для пароходов, паровозов, разных станков — появился кривошипно шатиунный механизм, и сразу стали очевидны его огромные недостатки. Вот как об этих недостатках пишетсся в книге «Паровые машины и их применение», издания Санкт-Петербург, 1838 года. Надо учесть, что эта книга- сборник переводной информации из разных английских и французских книг, которые вышли еще раньше, в самом начале 19-го века. Выделенный темным фоном текст, не относится к нашей теме.
19-й век был веком паровых двигателей, основная конструкция которых была именно поршневой системой. Но врожденные недостатки линейного возвратно поступательного движения поршня в цилиндре и неотъемлемого от него кривошипно – шатунного механизма
порождали интенсивный поиск инженеров в области двигателей с круговым движением рабочих элементов – то есть роторных машин. Как всегда во всех развитых странах были в
ыданы многие десятки патентов на роторные машины, но вот в реальные устройства из них были воплощены лишь единицы.
Россия тоже не осталась в стороне от такого прогрессивного дела, и в последней трети 19-го века в нашей стране был налажен выпуск серий нескольких конструкций паровых роторных двигателей, наиболее удачным из них был двигатель инженера — механика Тверского, который устанавливался как на паровых катерах и приводил в движение динамомашины и даже испытывался в варианте привода «подводной миноноски». В этом случае испытаний одной из первых экспериментальных образцов российской подводной лодки в 1876 году такой мотор приводился в движение сжатым аммиаком из баллона высокого давления. Но в конце 19-го века на арену технического прогресса вышли поршневые двигатели внутреннего сгорания, а так же паровые турбины, и паровые роторные машины не смогли конкурировать с этими машинами.
Начало 20-го века стало началом эпохи безраздельного господства поршневых ДВС в сфере моторов малой и средней мощности, но их врожденные недостатки заставляли инженеров и
изобретателей интенсивно искать альтернативу этим машинам. И единственным ясным альтернативным вариантом поршневых моторов были роторные двигатели, тем более что практика паровых двигателей 19-го века доказала их полную дееспособность. Ведь заставить их работать как простые машины расширения в варианте с паровым котлом было весьма просто. Но вот приспособить роторные схемы для работы в режиме внутреннего сгорания с тактом сжатия рабочей смеси оказалось гораздо труднее. Именно поэтому первая реально работоспособная, и пока единственная на сегодня схема роторного двигателя внутреннего сгорания появилась лишь в 1957 году. По легенде молодой Феликс Ванкель увидел некую схему мотора с круговым движением поршневого элемента во сне, еще будучи юношей, но реализация его мечты затянулась на многие десятки лет – он многие годы занимался уплотнениями для разных типов двигателей, и до войны и в войну и после войны. И только в зрелом возрасте работая в 50-х годах на фирму NSU, тогдашнего ведущего в ФРГ производителя мотоциклов, Ванкель вместе с инженером Фреде создал действующий образец роторного двигателя. Этот двигатель относился к типу роторных моторов с планетарным движением главного рабочего элемента, хотя в сложившейся традиции его обычно, но не совсем верно, называют роторно – поршневым двигателем. Надо сказать, что основная идея этого двигателя принадлежит инженеру фирмы NSU В. Фреде, а Ванкель, на определенной стадии разработок, увидев в этой конструкции хорошую перспективу дойти до промышленно применимого образца, решил главную техническую задачу – разработал уплотнения мотора. Одновременно он возглавил всю работу по доводке экспериментального образца и выпуску первых опытных серий – именно поэтому этот тип двигателя и получил в названии имя Феликса Ванкеля. Но Ванкель изначально считал эту схему двигателя неудачной, эдаким «гадким утенком», который неожиданно стал работоспособным, ведь Ванкель почти половину жизни работал над иной схемой роторного двигателя – системой с простым вращением главного элемента. Такую схему Ванкель вполне справедливо считал наиболее технически грамотной и красивой, но реализовать её на практике так и не смог. Кратко завершая разговор о моторах Ванкеля, следует заметить, что эта модель на сегодняшний день является единственно промышленно выпускаемой и, следовательно, доведенной до определенной степени технической применимости. Но сложности по организации выпуска и ее специфические эксплуатационные характеристики привели к тому, что в промышленных масштабах производство «Ванкелей» налажено лишь японской Маздой для одной своей спортивной модели RX-8. Некоторое время в СССР подобные двигатели выпускал ограниченными сериями для машин силовых ведомств ВАЗ, но с началом эпохи перевода экономики на рыночные рельсы это производство было свернуто.
Среди множества потенциально возможных моделей роторных двигателей одни схемы многие десятилетия незаслуженно остаются за кругом интересов специалистов, а другие наоборот — оказываются в центре внимания многочисленных изобретателей и конструкторов. Именно последнее можно сказать о конструкции роторного двигателя с неравномерным качающимся (возвратно – вращательным) движением главного рабочего органа – такую конструктивную схему в прессе не вполне верно называют роторно – лопастным двигателем. (РИС.)
В последние годы о такой конструкции оживленно начали упоминать в российских средствах массовой информации в связи с разработкой группы ученых из Псковского технического университета, которые выиграли грант поддержки научных исследований и получили на свою разработку из бюджета около 7,5 миллионов рублей. Но, по мнению автора, эта разработка не является интересной для массовой публики так как:
А) разрабатываемая в Псковском техническом университете энергетическая установка является двигателем Стирлинга, то есть тепловым двигателем внешнего сгорания, и по сути своей не является компактной, и изначально рассчитана на привод электростанций и прочих стационарных силовых машин;
Б) из такой расширительной роторной машины очень трудно на практике сконструировать и изготовить реально работоспособный в длительном режиме образец двигателя внутреннего сгорания;
В) роторная машина с неравномерным движением главных рабочих элементов изначально является малоэффективной конструкцией с большим количеством кинематических противоречий, заложенных в саму её схему, и которые технически разрешить очень сложно;
Но, на удивление, подобная схема является очень притягательной для многих разработчиков, что объясняется чисто первым впечатлением о легкости встроить в её конструкцию четыре такта традиционного двигателя внутреннего сгорания. Именно такое первое впечатление и приводит к заметному вниманию различных технических энтузиастов к подобной схеме.
На этом описание истории развития роторных двигателей можно завершить, ибо она содержит весьма скромное количество фактов о реальных конструкциях и доведенных до дееспособного уровня промышленных образцах.
Еще одна компоновочная схема, которая активно берется многими изобретателями и энтузиастами технического творчества за основу своих конструкций – это система роторного двигателя с запорными элементами – лопастями ротора, движущимися в роторе. Изучение автором этих строк материалов в патентной библиотеке Российского патентного ведомства по теме ДВС, показывает, что это наиболее часто подаваемая как технической новшество схема двигателя, на предмет патентной защиты. Авторы разных патентов лишь меняют вторичные элементы и вводят в конструкцию различные дополнительные особенности, но общая схема остается одной и той же.(РИС.)
Главная притягательность этой схемы для многих ищущих умов заключена в том, что им кажется, что система уплотнения зоны контакта торцевой плоскости лопасти и поверхности рабочей камеры двигателя очень хорошо решается за счет центробежных сил, которые при вращении ротора на высоких скоростях будут автоматически прижимать лопасть к стенке камеры. Так же на первый взгляд сами лопасти ротора являются и уплотнительными элементами, что дает конструкции такого мотора внешнюю простоту. Кроме того, подобная схема давно и удачно работает в качестве пневматических моторов. Теоретически это так, но вот неизбежная необходимость лопастям ротора непрерывно и на высоких скоростях двигаться в теле ротора для реализации этой схемы в условиях ДВС создает практически непреодолимые трудности. Например, для того, чтобы лопасти легко двигались, совершая возвратно – поступательные движения в теле ротора, надо чтобы зазор между поверхностями лопасти и ротора был значительным. Но это условие будет приводить к потере герметичности и прорыву газов высокого давления из камеры одного такта в камеру другого такта. Далее – таки поверхности трения надо хорошо смазывать и значительно охлаждать, но как организовать систему принудительной смазки и охлаждения во вращающемся на высоких оборотах роторе… Кроме того, масло с поверхностей контакта ротора и лопастей будет центробежными силами вращения неизбежно «выбрасываться» в камеры сгорания и сжатия… Лопасти при этом будут предельны быстро изнашиваться от трения «на сухую». Далее – для того, чтобы лопасть ротора могла выдерживать высокое давление газов и приводила во вращение ротор, она должна быть очень прочной и толстой и как можно надежнее закреплена в роторе, но для выполнения её другой функции – легкого и быстрого движения вверх-вниз, для обеспечения герметичности рабочей камеры, она должна легко двигаться в своем гнезде всего лишь под действием центробежной силы и иметь достаточный зазор для обеспечения подвижности в гнезде ротора. Эти два предъявляемые к лопасти ротора требования практически противоречат друг другу, и соединить их в одном техническом решении практически мало возможно. А если делать силовой привод принудительного движения лопастей внутри ротора, то это резко усложнит конструкцию мотора, но принципиально проблему не решит. Именно из-за такого количества принципиальных сложностей реализации подобной схемы роторного двигателя, таких работоспособных и промышленно применимых конструкций до сих пор так и не было создано.