Орбитальный двигатель

Орбитальный двигатель

Необычный двигатель, созданный инженером из г. Перта Ральфом Сейричем.
Сейрич не специалист по двигателям внутреннего сгорания, он работал над гидравлическими и пневматическими машинами, среди которых не последнее место занимали разного рода насосы. Действие насоса построено на том, что в нем существуют полости или отсеки, объем которых периодически изменяется. При увеличении объема происходит всасывание жидкости или газа, при уменьшении — выталкивание их, подача под давлением.

Коловратный насос:
1 — корпус;
2 — энсцентрик;
3 — лопатка;
4 — пружина;
5 — камера;
6 — впускной клапан;
7 — выпускной клапан;
8 — ось вращения эксцентрика.

Перед нами многокамерный коловратный насос. В цилиндрической полости его корпуса 1 вращается относительно оси 8 эксцентрик 2. Лопатки 3, прижимаемые пружинами 4 к эксцентрику, образуют четыре камеры 5, объемы которых при его вращении периодически изменяются. Таким образом, эксцентрик 2 является поршневым элементом.
Если в таком насосе вместо всасывающего (впускного) 6 и нагнетательного выпускного) 7 клапанов установить клапаны обычного поршневого мотора и свечу зажигания, то подобный механизм, на первый взгляд, должен работать как четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. Однако в нем есть существенный недостаток, который делает конструкцию практически малопригодной. Почему? При работе лопатки располагаются относительно эксцентрика то по его диаметру (А и В), то по хорде (Г и В). Следовательно, они могут иметь контакт с поверхностью эксцентрика только по линии, и концы лопаток должны быть скруглены. При сравнительно невысоких давлениях, существующих в камерах насосов такого типа, нужную эффективность уплотнения еще можно обеспечить. Когда же дело касается двигателя внутреннего сгорания, где давление в камерах достигает 60-80 кг/см 2 , создать надлежащее уплотнение очень трудно. Во всяком случае, на роторных двигателях уплотнение лопаток до сих пор остается «больным местом».
Поэтому Сейрич начал поиски иного конструктивного решения, которое позволило бы создать более надежное уплотнение рабочих камер двигателя. Для этого, рассуждал он, лопатка должна прижиматься ас поршневому элементу не по линии, а по всей своей толщине. Как это достигается?

Рис. 1. Схема устройства двигателя Сейрича:
а — вид спереди (разрез);
б — вид сзади (разрез);
в — характер движения частей;
1 — корпус;
2 — лопатка;
3 — поршневой элемент;
4 — личинка лопатки;
5 — паз;
6 — кривошип;
7 — ось вращения кривошипа;
8 — полость над лопаткой;
9 — впускной клапан;
10 — свеча;
11 — выпускной клапан;
12 — эксцентрик направляющего устройства.
На рисунках а и б красным цветом показаны кривошип и эксцентрики, а также рабочие камеры переменного объема.

В двигателе австралийского изобретателя, в отличие от рассмотренной схемы насоса, сделано не четыре, а семь рабочих камер (рис. 1, а), а поршневой элемент 3 представляет собой семигранник с округленными ребрами.

Соединение лопатки с поршневым элементом.
2 — лопатка;
3 — поршневой элемент;
4 — личинка лопатки;
5 — паз;
13 — планка.

Все лопатки 2 расположены перпендикулярно к граням (которые представляют собой плоскости) и свободно скользят по ним. В то же время лопатки могут перемещаться в прорезях корпуса 1, причем каждая из лопаток снабжена по бокам цилиндрическими личинками 4, которые скользят в пазах 5 поршневого элемента 3. В свою очередь, личинки 4 соединены с лопатками 2 планками 13, для которых в передней и задней торцевых крышках корпуса сделано по семь радиальных канавок. Поршневой элемент 3 надет на эксцентричную («шатунную») шейку кривошипа 6 (см. рис. 1), который вращается в подшипниках, расположенных в торцевых крышках. Во избежание перекосов поршневого элемента в задней торцевой крышке корпуса установлен корректирующий механизм (см. рис. 1, б). Он состоят из трех эксцентриков 12, равномерно расположенных вокруг оси 7 кривошипа 6. Размеры этих эксцентриков выбраны так, что они препятствуют проворачиванию поршневого элемента 3 в корпусе 1, допуская только плоско-параллельное перемещение его. Таким образом, при вращении кривошипа 6 поршневой элемент 3 относительно корпуса 1 не вращается (см. рис. 1, в). Пазы 5 движутся вместе с поршневым элементом взад-вперед относительно личинок 4. Сами лопатки перемещаются только вдоль прорезей в корпусе 1. В итоге получается, что любая точка поршневого элемента за один оборот кривошипа 6 движется по круговой траектории (рис. 1, в), то есть совершает, как говорят, орбитальное движение относительно оси 7. По этой причине австралийский изобретатель и назвал свой мотор орбитальным.

В корпусе 1 (см. рис. 1, а) против каждой камеры расположены впускной и выпускной каналы с соответствующими клапанами 9 и 11 и свеча 10. Привод к клапанам может быть осуществлен, очевидно, только по схеме, принятой для авиационных звездообразных поршневых моторов — с кулачковой шайбой, длинными штангами толкателей и коромыслами.
В таком случае большая инерция длинных штанг не позволит форсировать двигатель по числу оборотов. Предвидя, что этот недостаток может сыграть решающую роль в судьбе нового двигателя, Сейрич наряду с упомянутым четырехтактным вариантом разработал двухтактный. В нем нет клапанов, а распределение осуществляется благодаря перекрытию впускных и выпускных окон, расположенных в торцевых крышках корпуса, поршневым элементом — подобно поршню в привычных нам двухтактных мотоциклетных моторах. Воздух для продувки подается отдельным насосом.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя Сейрича. В верхнем ряду слева направо:
впуск; сжатие; воспламенение;
в нижнем ряду слева направо: догорание; рабочий ход; выпуск.
1 — корпус;
2 — лопатка;
3 — поршневой элемент;
4 — личинка лопатки;
5 — паз;
6 — кривошип;
7 — ось вращения кривошипа;
8 — полость над лопаткой;
9 — впускной клапан;
10 — свеча;
11 — выпускной клапан;

Посмотрим, как протекает рабочий процесс в четырехтактном орбитальном двигателе. При вращении кривошипа 6 поршневой элемент 3 в определенный момент отходит от внутренней стенки корпуса 1 на наибольшую величину. Объем камеры, ограниченный стенками корпуса 1, лопатками 2 и гранью поршневого элемента 3, — наибольший. В этот момент открывается впускной клапан 9, и камера заполняется рабочей смесью. При дальнейшем вращении кривошипа поршневой элемент начинает приближаться к соответствующему участку корпуса, и происходит сжатие смеси, а затем ее воспламенение от искры, проскакивающей между электродами свечи 10. При этом горит не вся смесь в камере. Часть ее, находящаяся напротив выпускного клапана 11, не воспламеняется, так как она отделена от основной массы заряда перегородкой (показана на рисунке стрелкой), размещенной по всей ширине камеры между свечой и впускным клапаном.
Давление газов на грань поршневого элемента 3 отжимает его от стенки корпуса 1, заставляя воздействовать на шейку кривошипа в и проворачивать его. Как только поршневой элемент сместится из своего крайнего положения (15-25 градусов поворота кривошипа от в. м. т.), между ним и перегородкой на стенке корпуса образуется щель. Проникшая через нее горящая смесь воспламенит «резерв», находящийся под выпускным клапаном. Благодаря такому ступенчатому процессу, как считает Сейрич, удается обеспечить более полное сгорание смеси. В результате должно снизиться содержание вредных примесей в отработавших газах.
Орбитальный двигатель развивает удельную мощность около 60 л. с. на литр рабочего объема двигателя. Это далеко не сенсационный результат. Даже у «Москвича-412» и «Жигулей» удельная мощность равна 50 л. с/л, а на гоночных мотоциклетных моторах она достигает величины 200-300 л.с./л.
Важным преимуществом новой конструкции является ее компактность и меньший вес по сравнению с поршневым и роторными двигателями. Например, один из опытных образцов орбитального двигателя (рабочим объемом 2952 см 3 и мощностью 200 л. с. при 5500 об/мин) весил всего 41 кг. Это означает, что на одну лошадиную силу приходится 0,25 кг веса — в 7-8 раз меньше, чем у двигателей обычных легковых машин, и даже меньше, чем у моторов гоночных автомобилей. Безусловно, ко всем этим цифрам надо относиться с осторожностью — порой изобретатели охотно выдают желаемое за действительное.
О многих параметрах и характеристиках орбитального двигателя пока нельзя сделать определенных выводов, поскольку Сейрич держит их в секрете. Те подробности устройства, которые появились на страницах технических журналов, уже защищены патентами на его имя. Ральф Сейрич начал работу над своим детищем три года назад. После первых предварительных испытаний опытных образцов австралийская фирма БХП подписала с ним контракт по доводке орбитального двигателя на сумму в 50 миллионов долларов. Несколько ведущих автомобильных фирм, имя которых держится в секрете, также предложили свои услуги Сейричу. Однако пока нет свидетельств того, что в ближайшие годы они начнут серийный выпуск автомобилей с орбитальными двигателями. Какой бы в принципе удачной ни оказалась конструкция, она потребует многих лет доводки и совершенствования. Примером тому служит роторный двигатель Ванкеля, и вряд ли мотор Сейрича в этом смысле окажется исключением.

Примечание. шумиха, поднятая вокруг Сейрича, оказалась преждевременной. Изобретатель при доводке своего двигателя встретился с серьезными трудностями, для преодоления они требуют времени, упорного труда и финансов. Австралийский инженер продолжал работу над своим детищем несколько лет, но говорить о его практическом применении до сих пор не приходится.

ОРБИТАЛЬНЫЙ? ДА, НО ЗЕМНОЙ

НЕМНОГО СЕНСАЦИИ. «После того как изобретение было запатентовано не только в Австралии, но и за рубежом, занавес секретности, который до последнего времени скрывал работу Ральфа Сарича, несколько приоткрылся. Внешним видом новый мотор разительно отличался от своих предшественников. Опытный вариант орбитального двигателя представляет собой массивный диск диаметром 40,6 см, толщиной 12,7 см и весом около 45 кг, по которому вокруг ротора размещены камеры сгорания… Двигатель Сарича развивает до 200 л. с. По подсчетам специалистов, при массовом производстве орбитальный двигатель благодаря простоте конструкции (всего 10 движущихся деталей) будет обходиться во много раз дешевле двигателей, применяемых в автомобильной промышленности в настоящее время». Такую информацию поместила газета «Правда» 20 января 1973 года.

Примерно в то же время телеграфное агентство Ассошиэйтед Пресс передавало: «Австралийская компания «Броукен Хилл Пропраетри» подписала соглашение, на основании которого приняла обязательство поддерживать австралийского изобретателя Ральфа Сарича в стремлении приступить к производству двигателя его конструкции. Эта компания готова вложить 50 млн. австралийских долларов в производство двигателей Сарича, если он окажется технически и коммерчески жизнеспособным».

…Начало 70-х годов шло под флагом расширения производства роторно-поршневых двигателей Ванкеля. Японская фирма «Тойо Когио» наращивала мощности по производству автомобилей с РПД. Концерн «Дженерал моторс» купил лицензию на производство широкой мощностной гаммы двигателей для своих автомобилей и построил новый автоматизированный завод для производства РПД. Поэтому сообщения о создании нового, еще более привлекательного на первый взгляд двигателя естественным образом всколыхнули научно-техническую общественность, крупные компании и дельцов.

КТО ОН, РАЛЬФ САРИЧ? В 1973 году 34-летний австралийский инженер, югослав по происхождению, заставил говорить о себе весь мир. Поток информации, по большей части предвзятой, создал вокруг двигателя Сарича ореол нового «чуда» XX века, способного в скором времени похоронить классические поршневые двигатели внутреннего сгорания. Так, «по мнению австралийских прогнозистов, в стране к 1980 году 99 процентов всех автомобильных двигателей будет выпускаться в виде роторных моторов различных модификаций…». Приведенная выдержка из периодической печати показывает, насколько поспешные выводы сделали из разразившегося в то время в Австралии информационного бума вокруг двигателя Сарича.

Сам же изобретатель подошел к созданию своего детища вполне серьезно, а главное — профессионально. Сарич до 1970 года занимался гидравлическими и пневматическими моторами расширительного типа, поэтому не случайно он взялся за разработку роторного двигателя. Основное внимание Сарич уделил уменьшению скорости и трения отдельных элементов мотора. Чтобы справиться с этой задачей, он использовал для основной детали двигателя — поршня — плоско-параллельное движение, названное им орбитальным. Для этого изобретатель применил три эксцентрика. Решение проблемы синхронизации движения поршня с помощью эксцентриков автор орбитального двигателя приписал себе, однако стоит уточнить — у него был предшественник. Это поляк Густав Ружицкий, который работал над своим двигателем в 30-е годы.

Конструкция Ружицкого основана на том, что два колена, или эксцентрика с равным эксцентриситетом, вращаясь, придают ротору или поршню планетарное движение. Ротор помещается в корпусе, разделенном уплотнительными элементами на две или большее число камер; форма ротора и корпуса взаимоподобны. На рисунке 1 приведена схема довольно простого на первый взгляд двигателя, предложенного Ружицким. Здесь применены четыре уплотнительные пластины, которые совершают поступательное движение не только в пазах тела ротора, но и по рабочей поверхности корпуса.

Рис. 1. Схема двигателя Ружицкого:

1 — корпус двигателя, 2 — ротор, 3 — уплотнительные лопатки, 4 — синхронизирующие эксцентрики.

Австралийский изобретатель разработал оригинальную конструкцию лопаток, разделяющих камеры двигателя. Он понял, что при использовании лопаток, апробированных в расширительных машинах, его почти наверняка ждет неудача.

Примененная же Р. Саричем конструкция практически не имеет аналогов среди массы уплотнительных элементов, предлагаемых множеством изобретателей. Некоторое подобие может быть найдено лишь в двигателе Крауса, созданном в 1963 году. Причем на первый взгляд предложенное Саричем уплотнение орбитального двигателя кажется неработоспособным из-за наличия в камерах сгорания прецизионных деталей.

ОРБИТАЛЬНЫЙ — ЧТО ЭТО ЗНАЧИТ! На валу отбора мощности имеется кривошип, на котором установлен поршень. Три дополнительных эксцентрика с эксцентриситетом, равным радиусу кривошипа, не позволяют поршню вращаться вокруг основного вала. Для этого сами эксцентрики входят в поршень, а их валы вращаются в корпусе двигателя. Благодаря такой системе синхронизации поршень при вращении вала совершает только переносное движение, и все его боковые грани во время работы остаются параллельными сами себе. Как можно заметить, в части синхронизации двигатель Сарича практически не отличается от конструкции Ружицкого (сравните рисунки 1 и 2).

Объем камер, полученный при делении полости между корпусом и поршнем заслонками на части, при вращении вала изменяется от минимума до максимума, Без наличия газораспределительного механизма в такой машине возможен только двухтактный цикл. При делении полости на 6 камер, работающих подряд, двигатель даст 6 рабочих ходов за один оборот выходного вала, но при следующем обороте рабочих ходов не будет. При чередовании рабочих ходов через один протекание крутящего момента будет достаточно равномерным. Именно поэтому Сарич применил нечетное число камер. На рисунке 3 показаны отдельные фазы цикла: конец всасывания — камера заполнена свежей смесью, но впускной клапан еще открыт; середина такта сжатия, когда оба клапана закрыты; начало сгорания — поршень подошел к верхней мертвой точке (ВМТ); начало рабочего хода и начало выпуска. За следующий оборот произойдут такты выпуска и всасывания.

Полость между корпусом и ротором разделена несколькими лопатками, скользящими в пазах корпуса и торцевых крышек. Лопатки приводятся в движение с помощью кулисных прорезей на торцах поршня, куда входят ползуны, шарнирно соединенные с лопатками. Каждая лопатка состоит из трех частей: центральной и двух боковых, скрепленных болтами. Герметизацию рабочих камер обеспечивают подпружиненные уплотнительные элементы, которые устанавливаются в канавках, выполненных в пазах корпуса, в самой лопатке (в местах ее стыка с боковыми стенками); в центральной части лопатки (в стыке с ротором); в кольцевых канавках на торцах ротора по его периферии.

ЕСЛИ ОКАЖЕТСЯ ДОСТОЙНЫМ… После опубликования описания орбитального двигателя и после первых шумных восторгов появились критические и даже резко отрицательные высказывания в прессе. Причем острие этой критики было направлено на конструкцию лопаток и их уплотнительных элементов, то есть на то устройство, на разработку которого, по словам автора, он обратил особое внимание. Критика в основном сводилась к следующему: эффективная герметизация рабочих камер трудно осуществима, а по мнению оппонентов, невозможна в связи с большим периметром уплотнительного контура, большим числом стыков уплотнительных элементов и значительными перемещениями лопаток. Отвод тепла от лопаток и их эффективная смазка затруднены Вызывает сомнение устранение износа и задиров от весьма значительных газовых сил, односторонне действующих на лопатки, а также от сил инерции, возникающих при движении лопаток, массы которых и перемещения соизмеримы с поршнями поршневых двигателей. Известные трудности связаны с повышенной точностью изготовления, необходимой для обеспечения относительного расположения пазов в корпусе и крышках, а также кулис поршня, минимальных зазоров в сочленениях, равенства радиуса кривошипа выходного вала с радиусом эксцентриков и так далее.

Не вдаваясь в детальный разбор устройства, приведем высказывание конструктора фирмы «Чемпионшип» Фила Ирвинга: «Если первый двигатель, который собираются испытать, окажется достойным ожиданий своих приверженцев, необходимо проведение значительной доводочной работы, прежде чем он мог бы стать одним из общепринятых конкурентов «старому верному слуге»».

И ВСЕ-ТАКИ ОН ВЕРТИТСЯ. Прошло шесть лет с начала разработок орбитального двигателя. Каковы же успехи и какие трудности стоят перед создателями нового двигателя! Именно перед создателями, потому что в настоящее время Сарич возглавляет достаточно многочисленную группу сотрудников.

В начале 1977 года автор этих строк принял участие в беседе с Р. Саричем, которую изобретатель начал словами: «Забудьте о том, что писала пресса. Послушайте нас Разработка начата совсем недавно — в 1972 году, но уже достигнуты определенные успехи. Так, выброс окиси углерода с отработавшими газами ниже, чем у поршневого. Экономичность пока хуже. Но за прошедшее время нами затрачено чуть больше 2 миллионов долларов, в го время как на двигатель Ванкеля затрачено уже 600—700 миллионов долларов, на двигатель Стирлинга — около 150 миллионов долларов. То есть мы находимся еще на очень ранней стадии разработки двигателя. В нашей конструкции есть плюсы и, естественно, минусы».

Рис. 2. Двигатель Сарича:

1 — корпус двигателя, 2 — ротор, 3 — уплотнительные лопатки, 4 — синхронизирующие эксцентрики.

Рис. 3. Схема работы двигателя Сарича:

а — конец всасывания, б — середина такта сжатия, в — ВМТ, г — начало рабочего хода, д — начало выпуска.

После этих вводных слов присутствующим был показан фильм, рассказывающий о принципе действия мотора и его конструкции В нем демонстрировались конкретные примеры применения двигателя для привода моторной лодки, а также для автомобиля, у которого при этом две трети подкапотного пространства остаются пустыми. В настоящее время фирма располагает двумя типами двигателя: с золотниковым и клапанным газораспределением. Предпочтение отдается золотниковому (имеющему меньшие габариты) варианту; над улучшением его конструкции ведутся усиленные работы. Для воспламенения здесь используются 4 свечи накаливания, установленные в золотнике.

Автор считает, что, несмотря на то, что система уплотнений сложна, она имеет преимущества перед применяющейся в двигателе Ванкеля. Так, не меняется угол наклона уплотнения к поверхности скольжения, а скорость последнего составляет лишь 40% от скорости в двигателе Ванкеля, что уменьшает центробежные силы. Лопатки принудительно не охлаждаются. По мнению разработчиков, тепло и так хорошо отводится в корпус. Очевидно, узким местом конструкции является уплотнение зазоров в углах камер сгорания.

На что же способен орбитальный в настоящее время? Расходы топлива соответствуют расходам «ванкеля» образца 1970 года, когда он был восходящей звездой. И хотя авторы «жалеют» своих первенцев, не давая им полной нагрузки, двигатели «крутятся». И не только крутятся, но и работают, помогая своим создателям преодолевать «детские» болезни и отрабатывать концепцию этого нового двигателя — одного из немногих роторных, которые вышли из бумажной стадии и воплотились в металл.

И все же настораживает такой факт. Несмотря на очевидные преимущества орбитального по весу и габаритам, затраты в несколько миллионов долларов не позволили за последние 4 года добиться явных успехов. Приведенные в состоявшейся беседе данные в основном те же, что и в публикациях 1974— 1975 годов. Не объясняется ли это тем, что резервы дальнейшего улучшения этой конструкции уже исчерпаны?

Действительно, до сих пор опытные образцы вынуждены работать на смеси бензина с маслом в пропорции 25 : 1, то есть на таком же топливе, что и двухтактные двигатели. Это обстоятельство не позволит орбитальному двигателю пройти жесткие экзамены по предельным нормам содержания токсичных компонентов в отработавших газах. Правда, в дальнейшем Сарич предполагает обеспечить смазку уплотнений путем подачи к ним масла от вала, что представляет достаточно сложную инженерную проблему. Изобретатель был вынужден констатировать, что потери на трение в орбитальном двигателе выше, чем в поршневом, хотя он до сих пор испытывается на примерно половинных нагрузках. Так, мотор с рабочим объемом 3,5 л не выводился на нагрузку более 16,1 кгм при 1600 — 2000 об/мин. С увеличением нагрузки следует ожидать еще большего увеличения трения в механизме. И хотя Сарич делал упор на то, что двигатель расходует топливо на уровне роторных, но этот уровень — семилетней давности, давно превзойден, а осуществление расслоения заряда в рабочей полости вывело их в один ряд с поршневыми двигателями.

И все-таки орбитальный вертится, подстегивая наше воображение и расширяя привычный кругозор.