Оптимизация
ДВС


III. Слабый момент силы в РПД Ванкеля и небылицы о нём в Интернете

Сначала немного истории 

Задолго до рождения Феликса Ванкеля уже велись работы по осуществлению его мечты (если верить публикациям) – созданию теплового двигателя объёмного вытеснения на основе механизма с вращающимися силовыми подвижными деталями.

Даже сам Джеймс Уатт, в своё время, приложил немало усилий, чтобы создать такое устройство, потому что на момент подачи им заявки на патент по своему легендарному поршневому механизму с поршнем двойного действия сам поршневой кривошипно-шатунный механизм (КШМ) всего двумя годами ранее в 1780 году уже был запатентован другим исследователем – Джеймсом Паккардом. В процессе рабочего хода теплового двигателя входным силовым звеном секции его КШМ был возвратно-поступательно перемещавшийся поршень, а его выходным силовым звеном – вращающийся эксцентриковый вал. Поэтому в попытке создания механизма двигателя, в котором входное силовое звено также как и вал производило бы вращательное движение, в качестве естественного движущего стимула для Уатта, в основном, выступала благородная по своей сути идея разумного человека – интеллектуально обойти патент конкурента. Однако ему не удалось создать такой коммерчески пригодный механизм. Да, и технологически добиться нужного результата в то время, конечно же, было невозможно. Поэтому, через некоторое время, осознав тщетность поиска альтернативы КШМ, Уатту ничего не оставалось, как, продолжая упорно работать, по-джентльменски терпеливо выжидать до 1800 года, когда заканчивался 20-летний срок действия патента его конкурента. Однако сразу же после его окончания Джеймс Уатт развернулся во всю силу и показал чего стоит в тепловом двигателе его поршневой механизм с поршнем двойного действия, который позднее стал основой для подавляющего большинства коммерческих паровых машин.

Это лишь один из ранних примеров существования идеи роторного двигателя. Однако только Феликсу Ванкелю и его коллеге Вальтеру Фройде принадлежит честь создания в 1956 году первого рабочего образца, который стал основой для коммерческого производства роторного двигателя. Хотя, по меньшей мере, за полвека до этого момента тот самый механизм, который они использовали в качестве механизма секции роторного ДВС объёмного вытеснения, был уже известен и многократно запатентован в различных исполнениях другими исследователями для использования не только в тепловом двигателе, но и, например, в насосе объёмного вытеснения. Также известно, что исследования математиков, да, и просто увлечённых людей, по кинематике подобных гипо- и эпи-схем активно велись ещё, по меньшей мере, за пять веков до этого. 

Двуличный механизм, или эпи-схема и гипо-схема одного и того же роторного механизма 

В секции РПД Ванкеля используется кинематическая епи-схема известного механизма, содержащего локально замкнутую полость объёмного вытеснения, изменение значения объёма V которой относительно стенок неподвижного статора достигается только вращением его подвижных деталей. Основой самостоятельной по своему функциональному назначению секции данного механизма является программный узел, состоящий из двух круговых колец качения, каждое из которых по одному жёстко и соосно закреплёно на одной из несущих деталей (фото 68, 69). Меньшее по своему радиусу кольцо застопорено в статоре, а другое, большее по радиусу кольцо без проскальзывания катится снаружи линии окружности застопоренного кольца. Для исключения возможности проскальзывания при качении программные кольца обычно изготавливают в виде зубчатых колёс. 

Этот же самый механизм обладает и возможностью своей работы по гипо-схеме. Двигатель на его основе ещё обобщённо называют двигателем Грэя, хотя на моторы с данной схемой механизма в разное время были выданы патенты не только господину Грэю, но ещё и нескольким независимым исследователям. В его программном узле одно из двух колец качения, уже большее по своему радиусу, застопорено, а другое, меньшее по радиусу кольцо катится без проскальзывания внутри линии окружности застопоренного кольца.

        

                                                                                            Фото 68                                                                                                             Фото 69

Всё это наглядно продемонстрировано на работе макета данного механизма, представленного на видео 11. То есть если затормозить овальный диск бордового цвета с закреплённой на нём соосно меньшей шестерней и вращать жёлтый эксцентриковый вал, то в ту же сторону будет вращаться трёхгранный диск серого цвета с закреплённой на нём соосно большей шестерней, который по дуговой форме профиля своих радиальных граней называется треугольником Рёло. При отношении радиусов делительных окружностей неподвижной и подвижной шестерней 2е : 3е три вершины профиля серого диска будут описывать овальную траекторию формой математической замкнутой кривой линии, которая называется эпитрохоида (частный случай кривой линии эпициклоиды). Так воспроизводится работа эпи-схемы механизма секции двигателя Ванкеля.

Если же теперь затормозить трёхгранный серый диск и вращать жёлтый эксцентриковый вал, то в сторону, обратную от направления движения вала, будет вращаться овальный диск бордового цвета. Две закруглённые вершины этого бордового овала, расположенные на большой оси его профиля, будут описывать траекторию математической замкнутой кривой линии треугольного профиля, которая называется дельтоида (частный случай кривой линии гипоциклоиды). Так воспроизводится работа гипо-схемы механизма секции двигателя Грэя.

По обеим схемам указанного механизма многочисленные патенты были выданы, в основном, в конце 19-го в начале 20-го века. Тогда же наиболее благоприятной для применения в двигателе внутреннего сгорания была признана его эпи-схема, что она, собственно, позднее и подтвердила в коммерческой практике.  

Тем не менее, и в настоящее время гипо-схема интересует многих исследователей. И как у любого подобного технического решения у неё всегда есть возможность не только побороться за долю участия в существующих направлениях применения ДВС, но и занять новую, коммерчески ещё не освоенную нишу.

Кроме КШМ и данного роторного механизма, до настоящего времени пока неизвестно о существовании геометрических возможностей для построения какой-либо другой схемы механизма секции теплового двигателя объёмного вытеснения, внутри объёма рабочей полости которого для совершения рабочего хода в качестве единственного подвижного звена там находилась бы только одна простейшая по форме монолитная поверхность одного входного силового звена механизма, а его единственный силовой узел выходного вала при этом располагался бы за пределами данной рабочей полости. Именно по такому принципу построены конструкции всего лишь двух механизмов: секции поршневого ДВС и секции РПД Ванкеля. Они единственные из большого числа прочих известных механизмов к настоящему времени допущены до широкой коммерческой эксплуатации в ДВС объёмного вытеснения.

Вполне возможно, что данный принцип и есть то самое изначальное условие, от которого в своей логике следовало бы отталкиваться исследователю, стремящемуся повысить эффективность работы современного теплового двигателя? При этом, естественно, не следует прекращать попыток поиска других геометрических возможностей для практического применения этого принципа. Автору данного сайта, к большому сожалению, пока не удалось их найти.

 Что такое небылица 

Однако, начиная с момента появления информации о создании работоспособного образца, роторно-поршневой двигатель Ванкеля (РПД) до сих пор всё ещё продолжают преследовать всякого рода небылицы о, якобы, преобладании в нём отрицательных свойств. В современных условиях существования Интернета словом небылица можно наречь информацию о том, чего никогда не было и нет, то есть обычную непроверенную информацию лентяя, который не утруждает себя задуматься о последствиях распространения и многократного тиражирования порождённой им неправды.

Конечно, ложных информационных вбросов можно было бы избежать, если сразу предоставлять доступные всем желающим сведения о параметрах и характеристиках двигателя, не создавая почву для домыслов и спекуляций. А так как даже десятилетие спустя после своего появления роторный двигатель затем не пошёл в широкую серию, то информация о нём не была так доступна и востребована, как по поршневому двигателю. Интернета тогда ещё не было. Поэтому во многом люди, интересующиеся проблемами ДВС, начали самостоятельно додумывать – почему после создания, вроде бы, более прогрессивного и простого по конструкции роторного двигателя, поршневой ДВС не только не сбавил темпа своего серийного производства, а наоборот лишь нарастил его?

Как известно, без отпора многократно повторенная ложь со временем способна превращаться из обычной сказки в «абсолютную правду», описанную в ней. А если сказочная версия ещё и подкреплена, якобы, «неоспоримыми», а фактически недоказанными, непроверенными и однобокими фактами, то сказка уже становится «абсолютной истиной», особенно, когда у неё есть очень могущественный покровитель.

К сожалению, так произошло с РПД Ванкеля, против которого выступил его главный конкурент – поршневой ДВС, на доведение которого, начиная от первых паровых двигателей 18-го века, до его современного вида, за 250 лет, десятью поколениями, то есть в общей сложности миллионами талантливых исследователей и промышленников, было потрачено не менее триллиона триллионов долларов. В качестве одной из версий можно, конечно, предположить, что при наличии конкурента с недоказанными пока преимуществами, перспектива уменьшения потока финансирования, из-за появления роторного ДВС, в принципе, не могла устраивать производителей поршневого ДВС, на создание производства которого были уже затрачены существенные усилия. А дополнительно тратить их, при неясности перспективы отдачи, но при наличии чётко работающего налаженного производства поршневого ДВС, было бы как-то нелогично. 

Что происходило в жизни роторного двигателя после его появления на свет 

Однако поначалу, на фоне прогнозов о размере возможной выгоды от явных преимуществ РПД после его внедрения в серию, энтузиазм производителей, особенно автомобильных ДВС, зашкаливал за пределы понятия «ажиотаж».

И всё здесь было бы прекрасно, если бы абсолютно все компании, купившие и не купившие лицензию на РПД, на своих опытных образцах вдруг не обнаружили, что той же массой топлива и газового заряда, за каждый такт рабочего хода каждая секция четырёхтактного РПД выдаёт существенно меньшее значение момента силы М, чем секция четырёхтактного поршневого двигателя того же рабочего объёма. Как известно, именно данный параметр М и является конечным продуктом деятельности любого теплового двигателя с выходным силовым валом. Одинаковый неположительный результат у взаимно независимых участников эксперимента говорил об устойчивой тенденции, нежели о разбросе данных по результатам проведённых опытов. Если бы секция РПД выдавала значения момента силы М, то есть мощности N при конкретных оборотах n своим валом, которые, по меньшей мере, были бы близки по значению или, что ещё лучше, превышали бы таковые у секции поршневого ДВС того же объёма, то и не появилось бы тех небылиц о, якобы, «врождённых» недостатках РПД. То есть если бы не факт «нехватки мощности» по сравнению с единственным серийно производимым поршневым «эталоном», то, следуя известному утверждению Карла Маркса, никакому поршневому двигателю не стоило бы даже и рассчитывать, что данные промышленные компании остановились бы перед какими-то там преградами, препятствующими доведению РПД «до ума». Можно не сомневаться, что они действовали бы также настойчиво, как они до сих пор упорно продолжали и продолжают работать над поршневым двигателем. Но пока РПД продолжает иметь неопределённый статус, им больше ничего не остаётся делать, как только пытаться оптимизировать поршневой ДВС.

Фактически, сами участники первых экспериментов с РПД, не ведая того, и были инициаторами всякого рода небылиц. Когда у кого-то что-то не получается, то виноватыми, естественно, будут родители ещё слабого ребёнка, но никак не доктора, которые пытались поставить его на ноги (запустить в широкую коммерческую эксплуатацию). В результате, в качестве оправдания и в поддержку своего реноме появились «причины» их неудач, которые были растиражированы, и которые с лёгкостью и удовольствием подтвердили те, кто ещё не успел публично засветиться в неудачном эксперименте с РПД.

Невысокое значение момента силы в РПД должно было отразиться и на значении главного экономического показателя теплового двигателя – расхода топлива на единицу мощности, вырабатываемой им в конкретном промежутке времени. За каждым из автомобильных гигантов, которые, в основном, приняли участие в эксперименте, стояли крупные производства с большими заводами и технологией, наработанной в течение десятков лет. Поэтому надёжно работающий поршневой двигатель не имел права давать повод для потери тех больших денег, которые при его непосредственном участии успешно генерировались до этих пор.

Однако даже с учётом относительной негативности результата, благодаря своим малым габаритам и весу роторный ДВС, вполне мог быть востребован если не в автомобильной промышленности, то, например, в пропеллерной авиации, как было до этого с поршневым двигателем. Однако к тому времени в авиации поршневые ДВС уже начали активно вытесняться двигателями необъёмного вытеснения – газотурбинными, а потребности в двигателях объёмного вытеснения в малой авиации, не такой богатой по сравнению с автомобильной промышленностью, были не столь масштабными. Да, и беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), которым в настоящее время они крайне необходимы, тогда ещё не было в таком серьёзном промышленном объёме, который появился в основном только в начале следующего века, благодаря прорывным технологиям в электронике.    

Отдадим должное поршневому двигателю 

При всём этом, отстранившись от представленной выше авторской интерпретации происшедших событий, совершенно искренне следует признать, что современный развитый мир своим существованием обязан, прежде всего, именно Уважаемому Поршневому Двигателю.

Неоднократно в разных источниках уже ставился такой вопрос: «Если бы РПД был создан первым, то в этом случае был бы востребован поршневой ДВС?». Думается, что правильным был бы следующий ответ: «Такая постановка вопроса – некорректна. РПД не мог быть изготовлен первым, потому что появление первым поршневого двигателя было предопределено исторической логикой энергетического развития цивилизации». Теперь уже известно, что разработать и изготовить РПД можно только, опираясь на соответствующий уровень развития техники, который, кроме приобретённых знаний и опыта, достигается ещё и высоким уровнем искусственной выработки энергии, которую по началу производил, в основном, только поршневой тепловой двигатель. Именно его механизм, поначалу имевший свои немалые габариты, обладал большинством основных деталей круговой цилиндрической формы, которые как раз могли быть изготовлены, в основном, методом литья, в развитии которого на протяжении тысячелетий ко времени создания первых таких коммерческих двигателей был достигнут ощутимый прогресс. Тот же Джеймс Уатт существенно продвинулся вперёд, лишь, когда объединился с промышленником Мэттью Болтоном, на заводе которого работало первоклассное для того времени литейное производство.

Кстати, с тех пор и пошла легенда о простоте деталей конструкции поршневого механизма, которая жива и до сих пор, хотя в настоящее время уже имеется больше относительно недорогих и весьма точных способов изготовления серийных деталей и более сложной формы, чем круговая цилиндрическая. Впрочем, форма современного поршня уже и не является строго цилиндрической.

Сейчас уже даже как-то и не принято замечать, что поршневой двигатель обладает, пожалуй, самой сложной в мире массовой серийной монолитной деталью – многосекционным коленчатым валом. Может быть потому, что за последние 150 лет, затратив колоссальные  средства, всё же удалось разработать специальную технологию и уникальные станки для его производства? Притом ещё, что сам современный эксцентриковый вал, продолжая выполнять свою прямую силовую функцию в механизме двигателя, благодаря применению метода гидродинамической смазки, теперь также превратился в ещё более сложную конструкцию своеобразного полого сосуда для моторного масла. 

Тем не менее, РПД Ванкеля жив 

Возвращаясь снова к РПД, необходимо отметить, что, потерпев неудачу, постепенно сдались все крупные производители авто-ДВС, кроме одной – компании «Мазда», что делает ей честь. Благодаря именно её усилиям, стало возможным говорить о положительной коммерческой практике РПД Ванкеля, на которую при поиске себе спонсоров теперь могли ссылаться небольшие исследовательские коллективы. Они упорно продолжали оптимизацию роторного двигателя и успешно освоили диапазоны рабочих объёмов РПД, находящиеся за пределом значения рабочего объёма секции серийного роторного двигателя компании "Мазда", которое, начиная от Ванкеля, составляет около 650 куб. см. Именно они выиграли, когда из конкурентной борьбы добровольно выбыли крупные автопроизводители, вынужденные в большей степени заниматься серийным производством и уже только во вторую очередь – инновациями в такой консервативной области знаний, как тепловой двигатель объёмного вытеснения. В настоящее время более стремительное развитие небольших инновационных компаний, работающих в теме РПД, чаще не связанных с автопромышленностью, сдерживается, пожалуй, только величиной доступных им финансовых ресурсов.

В том числе и поэтому РПД теперь не может не упоминаться, особенно в аналитических статьях в Интернете, который теперь «читают», наверное, больше, чем умные книжки, да, и их читают там же. Знакомясь с этими публикациями, можно прийти к выводу, что подавляющее большинство аналитиков привыкло занимать позицию за спиной сильного в данное время игрока – поршневого ДВС. А так как они находятся именно на его стороне, то непременно используют любую возможность, чтобы выступить в качестве критиков РПД и подчеркнуть силу своего патрона методом унижения конкурента, попрекая его, как какого-то искусственно сделанного урода, «врождёнными» недостатками в сравнении с поршневым ДВС, который по их утверждениям, в основном, лишён таковых. Но если вдруг они и есть, то являются, ну, совсем «несущественными». И надо признать, что этой настойчиво повторяемой «аналитикой», по меньшей мере, в русскоязычном Интернете, критики РПД успешно формируют устойчивое общественное мнение в том, что, будто бы, существование какой-либо коммерческой альтернативы поршневому двигателю полностью исключено в принципе. 

Откуда появился главный недостаток РПД Ванкеля, о котором почему-то не принято говорить 

Для начала было бы интересно знать – понимали авторы РПД, что момент силы, выработанный каждой секцией их двигателя, по своему значению будет меньше, чем в поршневой секции того же рабочего объёма? Скорее всего, да, понимали, но, будучи техническими специалистами, наверное, не подозревали, что это будет так критично с коммерческой точки зрения. Однако, как никто другой, сознавая ещё нераскрытый потенциал, заложенный в роторном двигателе, отступить назад на позиции поршневого двигателя они, наверное, уже не смогли бы.

Понимая это, была ли у авторов РПД возможность сразу изменить ситуацию в свою пользу? Нет, не было. Потому что на момент создания РПД в силовом механизме объёмного вытеснения не существовало другой коммерчески проверенной конструкции генератора момента силы, кроме эксцентрикового вала, которого они и адаптировали к конструкции своего роторного механизма, позаимствовав из поршневого механизма (КШМ). А так как за построение схемы любого механизма изначально отвечает точная наука – Геометрия, то она диктует и свои правила по определению значения максимального объёма изменяемой по величине замкнутой рабочей полости секции механизма двигателя, в которой размещается газовый заряд рабочего тела, своей нагретой массой в такте рабочего хода толкающий перед собой поршень или ротор-поршень. Известно, что значение объёма рабочей полости в эксцентриковых механизмах геометрически всегда привязано к значению длины прямой линии эксцентриситета е, на которую его свободный конец, расположенный в профиле на оси круга эксцентрика, отстоит от точки его опоры, которая в профиле механизма с эксцентриковым валом неизменно укреплена на коренной оси вала, благодаря жёсткому креплению эксцентрика на валу.

Как известно, механическая энергия работающего в такте рабочего хода нагретого заряда рабочего тела, внешне выраженная значением его усилия Р, передаётся от поршня или ротора на вращающийся вал двигателя и от него на вал нагрузки только в форме момента силы М.

Если, приняв равной единице длину эксцентриситета роторной секции РПД еРПД = 1, рассматривать механизмы поршневой и роторной секций с рабочей полостью одинакового максимального рабочего объёма Vмакс, то длина эксцентриситета в поршневой секции геометрически всегда получается больше длины эксцентриситета роторной секции примерно в 3 раза (да, простит автора за это «разоблачение» уважаемая компания «Мазда», «…но истина дороже»). Как известно, в механизмах с эксцентриковым валом текущая длина плеча L рычага при любом угле φ поворота эксцентриситета е всегда находится в рамках значения длины линии эксцентриситета (фиг.6).

 

Из-за этого при одинаковом значении усилия Р нагретого заряда с такой же массой топлива в нём, размещённого в одинаковом по значению объёме рабочей полости, момент силы М = РL в поршневой секции всегда будет выше, чем в роторной секции. Причём, как видно на фиг.6, нарастание значения длины плеча L рычага момента силы М в секции поршневого двигателя (ПД) сразу после ВМТ гораздо более резкое, чем в секции РПД. Это особенно важно, если учитывать, что значение усилия Р нагретого газового заряда в течение такта рабочего хода при расширении объёма рабочей полости в направлении своего максимального значения Vмакс резко снижается, начиная от своего максимального значения Рмакс = 1, достигнутого в минимальном объёме Vмин камеры сгорания в секторе ВМТ.

Осмелимся сказать – таковы корни главной проблемы механизма секции РПД Ванкеля с эксцентриковым валом. На её фоне отрицательное влияние и, якобы, существенная значимость остальных мелких проблем в конструкции РПД, навязываемая его критиками, представляется откровенно надуманной и необоснованно преувеличенной, хотя бы потому, что каждая из этих проблем в той или иной степени всё же была успешно решена в двигателе Ванкеля. В противном случае он не был бы удостоен чести коммерческой эксплуатации

Если проблема «нехватки» момента силы – это постоянное присутствующее конструкционное свойство РПД Ванкеля, то у него есть ещё одна особенность конструкции, которая в процессе эксплуатации может неожиданно проявить себя не с лучшей стороны. О том, что в ней такого особенного и как она устраняется, будет рассказано в последующих главах этого сайта. 

В то же время не следует впадать в глубокий пессимизм относительно будущего, ожидающего РПД Ванкеля. Практически, у всех его основных проблем уже есть решения. Конечно, теперь это уже будет не тот самый РПД в его классическом виде, от которого в итоге неизменнной останется лишь незыблемая Геометрия, отражённая в нём привычными для нас формами профилей треугольника Рёло ротора и овала эпитрохоиды рабочей полости статора. 

Объективные свойства конструкции РПД, о которых нельзя не сказать, но при желании можно попытаться не замечать 

В своих аналитических материалах критиками благосклонно отмечены положительные свойства механизма секции РПД, которые, в общем-то, визуально очевидны, чтобы их не замечать. Например, такое как отсутствие в составе механизма секции прямолинейно движущейся детали (поршня) и преобразователя прямолинейного движения во вращательное (шатуна в связке с эксцентриком вала), упрощающее конструкцию, снижающее её вес и габариты. Также отмечается простота конструкции по минимальности числа компоновочных деталей механизма каждой секции, отсутствие газораспределительного механизма (ГРМ) и хорошая балансировочная способность особенно двухсекционного механизма РПД. Однако эти свойства являются лишь частью из всех тех положительных свойств, которыми, кроме возможности отсутствия ГРМ, ни при каких условиях не может обладать поршневая секция. На них, вполне возможно, также могли в своё время рассчитывать авторы РПД, как на свойства, которые были способны компенсировать объективную «нехватку» длины плеча L рычага вала в значении момента силы М его такта рабочего хода.

Таких важных свойств, которых "не замечают" критики РПД, ещё, по меньшей мере, семь. Напомним, что речь по-прежнему идёт ни о каких-то скрытых или завуалированных свойствах, но только о наглядно наблюдаемых факторах особенности конструкции механизма роторной секции и ни о чём более. 

Первое. Действительно, в механизме секции РПД существенно упрощена конструкция твёрдой механической прокладки между генератором усилия такта рабочего хода – нагретым газовым зарядом, и генератором момента силы механизма – эксцентриком вала. Вместо громоздкого поршня и шатуна в профиле она свелась к тонкой стенке радиальной грани ротора-поршня между нагретым газом и круговым седлом ротора в силовом подшипнике эксцентрика. Но, кроме упрощения, данное конструкционное решение стало ещё и эквивалентом такой возможности, как если бы в поршневой секции удалось существенно снизить нормальные усилия торможения цилиндрической поверхности поршня по зеркалу своего цилиндра статора, вместо того, как в такте рабочего хода компрессионные поршневые кольца, буквально «вгрызаясь» в его зеркало, существенно тормозят там движение поршня, требуя высокой прочности и обильности смазки их поверхностей трения. Для решения этой проблемы в поршневых двигателях, которая оценивается в размере более 50% потери на нагрев пар трения внутри собственного механизма ДВС от общего количества механической энергии, выработанной в каждом такте рабочего хода, даже существует специальное исследовательское направление по «Бесшатунным поршневым механизмам». В роторной секции нет поршня с шатуном, от чего внутри её рабочей полости в несколько раз ниже потери на трение уплотнений ротора-поршня. 

Второе. За каждый оборот вала в поршневой секции в секторах «мёртвых точек» поворота эксцентрика поршень вместе с шатуном дважды разгоняется от состояния покоя и дважды тормозится до нулевой линейной скорости, усиливая дополнительное и весьма негативное инерционное силовое воздействие на поверхности кинематических пар трения деталей силовой цепи механизма и их опор, пропорциональное значению квадрата скорости перемещения масс данных подвижных деталей. Паразитное инерционное усилие чревато не только большими потерями энергии такта рабочего хода внутри механизма секции, особенно при больших оборотах вала. От этого, в ущерб надёжности, кроме требования предельного снижения масс поршня и шатуна, также приходится ограничивать скорость их движения условными рамками невысокой по значению эффективной скорости вращения вала механизма двигателя. В роторной секции нет такой проблемы из-за непрерывного вращения всех подвижных элементов её механизма в одном направлении. 

Третье. Из четырёхтактного цикла заряда рабочего тела один его такт рабочего хода, который как раз и является источником выработанной в секции механической энергии, передаваемой на её вал и далее на нагрузку, в поршневой секции протекает за два оборота вала. Это связано с тем, что каждый из четырёх процессов цикла одного заряда протекает раздельно и последовательно друг за другом над единственным днищем поршня в единственной рабочей полости одного цилиндра статора. Чтобы такая схема работала в четырёхтактном цикле заряда, в поршневой секции применяется дополнительный и весьма энергозатратный газораспределительный клапанный механизм (ГРМ), затраты на привод которого оценивается в размере около 10% потерь от всей механической энергии такта рабочего хода. При этом тарелки клапанов ГРМ, перекрывающие каналы впуска и выпуска заряда, находящиеся в головке цилиндра, создают собой существенное сопротивление движению газа, проходящего через их каналы в тактах процесса его охлаждения. В результате за 720 градусов двух своих оборотов вала такт рабочего хода совершается лишь на протяжении 180 градусов поворота вала. Механическая энергия такта рабочего хода для вращения вала нагрузки воспроизводится и передаётся им на вал нагрузки только в 25% из 100% длительности поворота вала секции до начала следующего такта рабочего хода. Отсюда в оставшиеся 75% от общей длительности поворота вала между окончанием и началом двух соседних тактов рабочего хода происходит возврат энергии, накопленной в маховике вала, через силовой подшипник обратно на перемещение шатуна и поршня. То есть механическая энергия рабочего хода не только не передаётся на вращение вала механизма нагрузки, но наоборот отбирается от него и направляется для пространственного перемещения звеньев пар трения внутри самогὁ механизма двигателя, то есть на его собственные нужды. Поэтому в трёх четвертях двух полных оборотов вала поршневая секция производит балластную работу, неэффективно потраченную исключительно на восполнение потерь энергии в собственном механизме. Это выражается в невысокой эффективности передачи на каждый из 720 градусов поворота вала нагрузки небольшого количества от общей энергии одного такта рабочего хода, сгенерированной лишь в 180 градусах поворота вала секции двигателя. То есть на каждый градус поворота вала каждый градус его поворота в такте рабочего хода передаёт 720 : 180 . 100% = 25% механической энергии, выработанной за один полный цикл изменения параметров состояния заряда по отношению к двум оборотам вала (или условно 90 градусов рабочего хода на 360 градусов одного оборота вала).

Чем длиннее по обороту вала пауза между соседними тактами рабочего хода в механизме одной секции двигателя, тем большее количество механической энергии рабочего хода текущего цикла заряда, не уходя в вал нагрузки, вынуждено запасаться внутри маховика. Поскольку после окончания рабочего хода энергия, запасённая в маховике, вынуждена сразу возвращаться в обратном направлении, в такте выпуска к уже остывающему отработанному заряду и в тактах впуска и сжатия к следующему за ним заряду нового цикла, через те же силовые пары трения, продолжающие безостановочно тереться друг о друга. Поэтому длинная пауза провоцирует нерациональное распределение в самὁм механизме секции двигателя энергии такта рабочего хода, когда при бὁльшей во времени длительности паузы (по обороту вала), в процессе возврата с маховика внутрь механизма не ушедшей в нагрузку части данной механической энергии, на тепловые потери внутри собственного механизма тратится, соответственно, и бὁльшая часть энергии только что закончившегося рабочего хода, чем при короткой во времени паузе. В то же время, чем длиннее фаза рабочего хода в обороте вала (во времени) по сравнению с длительностью фазы паузы между соседними рабочими ходами, тем большее количество энергии рабочего хода передаётся сразу в вал нагрузки, а также, не заходя в маховик, на пары трения соседних секций двигателя, и, соответственно, меньшая часть от этого количества энергии запасается в маховике. А условия по взаимной длительности фаз рабочего хода и пауз между ними, как известно, задаются конкретными особенностями конструкции механизма  секции теплового двигателя.

В роторной секции один такт рабочего хода каждого из трёх зарядов, по одному находящимися над каждой из трёх граней одного ротора-поршня, происходит за каждый полный оборот вала на 360 градусов, причём он длится на протяжении 270 градусов его поворота. На паузу между соседними тактами рабочего хода в секции РПД тратится только (360 - 270) = 90 градусов оборота вала, что говорит о её шестикратно повышенном быстродействии при генерации большего количества механической энергии на вал нагрузки и компенсации потерь энергии внутри двигателя, меньших по количеству и по длительности работы механизма (в 90 градусах оборота вала), в сравнении с секцией поршневого ДВС – (720 - 180) = 540 градусов. То есть 540 : 90 = 6. На вращение вала нагрузки энергией одного такта рабочего хода в ней тратится 75% из 100% длительности каждого полного цикла заряда на один оборот вала. На каждый градус оборота вала каждый градус его поворота в такте рабочего хода передаёт 360 : 270 . 100% = 75% выработанной в нём механической энергии. Таким образом, роторная секция обладает троекратно более высокой производительностью, чем поршневая секция. То есть 75% : 25% = 3.

Нельзя сказать, что в поршневой секции не предпринималось попыток для оптимизации параметров быстродействия и производительности. Первым это сделал Джеймс Уатт, который ещё в конце 18-го века предложил в одной паровой поршневой секции использовать сразу два днища одного поршня со штоком и крейцкопфом, а также две функционально одинаковые оппозитные рабочие полости одного цилиндра статора с двумя головками, когда двумя зарядами рабочего тела за один оборот вала  по очереди воспроизводилось сразу два такта рабочего хода. Например, по сравнению с появившейся позднее секцией поршневого четырёхтактного ДВС с тронковым поршнем (один такт рабочего хода за два оборота вала), это давало существенное преимущество по быстродействию (без пауз между соседними тактами рабочего хода в одной секции за один оборот вала) и производительности в пользу секции парового поршневого двигателя. Что в течение длительного периода времени являлось одним из существенных сдерживающих факторов в коммерческом продвижении ДВС в его конкурентной борьбе с паровым двигателем. В этом направлении также работали создатели, так называемого, двухтактного поршневого ДВС, принцип действия которого разработал ещё создатель первого ДВС Жан Этьен Ленуар, и в котором, используя наработку Уатта с двумя работающими днищами одного поршня, но теперь с двумя функционально разными рабочими оппозитными полостями одного цилиндра статора, а также для двух зарядов рабочего тела, последовательно идущих по одним и тем же объёмам секции, удалось за каждый полный оборот вала совершать один такт рабочего хода, как и в секции появившегося позднее РПД Ванкеля. Однако в двухтактном ДВС пришлось пожертвовать длительностью и качеством процессов его цикла, за счёт меньших значений углов поворота вала в каждом из них по отношению к его полному обороту. При этом, как и роторный двигатель, он не имел в своём составе балластного газораспределительного механизма.

Четвёртое. В рабочей полости одной роторной секции, как и в поршневой секции, расположено одно входное силовое звено – монолитный ротор-поршень, у которого в профиле имеются три одинаковые радиальные грани, между поверхностью каждой из которых и профилем общей для них эпитрохоиды статора, по тому же алгоритму изменения величины текущего объёма заряда, как и в поршневой секции, одновременно изменяют свой объём три одинаковых по массе заряда рабочего тела. Все четыре процесса термодинамических циклов трёх зарядов, взаимно чередуясь, протекают там одновременно и параллельно, подобно движению конвейера. В то время как один из зарядов над одной гранью ротора-поршня совершает такт рабочего хода своего термодинамического цикла, каждый из двух других зарядов либо сжимается другой гранью данного ротора-поршня в такте сжатия, либо выталкивается из рабочей полости наружу через канал выпуска статора или затягивается в неё через канал впуска, в совокупности производя этими действиями процесс охлаждения в своём собственном цикле посредством тактов выпуска и впуска. Поэтому, по сравнению с поршневой секцией, в роторной секции не тратится энергия такта рабочего хода на отправку уже выработанной ротором механической энергии через силовой подшипник в маховик для накопления там, а потом на обратное извлечение её оттуда, опять же через силовой подшипник, на воспроизводство трёх других затратных процессов цикла. Кроме повышения эффективности передачи энергии рабочего хода на производство затратных процессов цикла и снижения потерь на передачу энергии за пределы секции на маховик, в РПД это также способствует уменьшению нагрузки на её силовой подшипник и снижению массы маховика, представляющего собой, как и ГРМ, энергетический балласт в составе механизма двигателя.  

Пятое. В такте рабочего хода, например, при степени сжатия ε = 10 расширение от минимального по значению объёма Vмин = 0,22 рабочей полости поршневой секции до своего максимального значения Vмакс  = 2,22 происходит в секторе изменения угла φ поворота эксцентриситета е эксцентрика вала в интервале его возможного диапазона от φмин = 0о до φмакс ПД = 180о между верхней и нижней мёртвой точками (ВМТ и НМТ) и характеризуется кривой линией VПД (фиг.7). По мере увеличения значения своего объёма нагретый в объёме Vмин камеры сгорания газовый заряд рабочего тела, обладавший в ВМТ максимальным значением механического усилия Рмакс = 1, объективно и достаточно резко теряет величину силы своего воздействия на дно поршня секции, которая при максимальном в НМТ расширении заряда Vмакс имеет минимально возможное в рабочей полости поршневой секции значение Рмин (фиг.8). Изменение текущего значения силы Р давления заряда на днище поршня, по мере увеличения угла φ поворота эксцентриситета е, происходящее по программе повышения объёма рабочей полости поршневого механизма, который заполнен этим газовым зарядом (фиг.7), характеризуется нисходящей к оси абсцисс вогнутой дуговой линией РПД. При этом, исходя из практики, к 90 градусам угла φ значение усилия РПД снижается в среднем почти в 4 раза, а к 180 градусам - почти в 8 раз от Рмакс = 1 (фиг.8). 



   

При той же степени сжатия ε = 10 и тех же значениях своего максимального Vмакс и минимального Vмин объёма  та же масса заряда рабочего тела в рабочей полости роторной секции РПД Ванкеля, благодаря её конструкционным особенностям, способна расширяться в такте рабочего хода в большем диапазоне: от φмин = 0о в ВМТ до φмакс РПД = 270о, то есть спустя ещё 90 градусов поворота эксцентриситета за положение НМТ (фиг.7). В связи с тем, что, по мере повышения значения угла φ, текущее значение объёма VРПД её рабочей полости возрастает не столь резко, как в поршневой секции, то текущее значение усилия РРПД той же массы заряда, изначально нагретой в камере сгорания того же минимально объёма Vмин до той же максимальной температуры Тмакс, будет выше, чем в поршневой секции, отсюда и линия характеристики РРПД усилия заряда роторной секции в такте рабочего хода на графике фиг.8 будет располагаться выше характеристики РПД поршневой секции. То же самое текущее значение усилия РПД, например, при φ = 90о или φ = 102о в поршневой секции наблюдается в секции РПД (фиг. 7 и 8), соответственно, при φ  = 163о или φ  = 180о. То есть каждому текущему значению угла φ поворота эксцентрика и вала в роторной секции соответствует каждое текущее значение силы РРПД заряда, которое всегда больше, чем значение силы РПД в поршневой секции того же объёма. Причём это достигается ещё и при полуторакратно большей длительности такта рабочего хода в одном обороте вала роторной секции, чем в поршневой секции. 

В связи с этим роторная секция обладает большей работоспособностью, так как, независимо от конфигурации формы объёма, та же масса заряда рабочего тела в её рабочей полости способна произвести в 1,7 раза большее количество механической работы А (площадь под кривыми линиями РПД и РРПД на фиг.8), чем в рабочей полости того же объёма поршневой секции.

Шестое. Известно, что сгорание топлива в объёме горючей смеси заряда рабочего тела происходит в течение всего процесса расширения рабочей полости секции ДВС в такте рабочего хода. Так как процесс расширения в роторной секции длится на 90 градусов дольше по углу поворота эксцентриситета е, то в ней на треть больше тратится времени на процесс сгорания, чем в поршневой секции. Что, при его естественной скоротечности, позволяет полнее сжечь топливо и отобрать от него большее количество энергии на вращение рычага вала непосредственно в такте рабочего хода.

Седьмое. Площадь S внутренней поверхности подвижных и неподвижных стенок рабочей полости, через которые происходит потеря во внешнюю среду теплоты нагретого заряда из рабочей полости от момента зажигания (условно в ВМТ) до момента начала выпуска заряда (условно в НМТ), в поршневой секции возрастает почти в 2,6 раза. А в роторной секции того же объёма она повышается не так резко – лишь в 1,7 раза. Притом, что площадь Sмин поверхности стенок минимального объёма Vмин камеры сгорания в поршневой секции почти в 1,9 раза ниже, чем в роторной секции (при х = 1), однако на момент своего максимального расширения поршневая секция быстро теряет это преимущество в процессе рабочего хода, так как площадь поверхности стенок Sмакс максимального объёма расширения Vмакс в поршневой секции всего лишь в 1,25 раза меньше, чем в роторной секции того же объёма [1]. То есть по объективным геометрическим возможностям, напрямую влияющим на степень потери исходной теплоты заряда при расширении в такте рабочего хода, у поршневой секции нет существенных преимуществ перед роторной секцией. В то же время, в силу разделения участия стенок статора роторной секции в холодных и горячих процессах цикла заряда рабочего тела, стенки статора полости расширения такта рабочего хода в секции РПД всегда горячее, чем у непрерывно охлаждаемого цилиндра статора поршневой секции, стенки которого участвует одновременно во всех процессах цикла. Если считать, что поршень и ротор-поршень нагреты до одинаково высокой температуры,  и принять во внимание, что площадь поверхности днища поршня почти в 2 раза меньше площади поверхности одной грани ротора-поршня, то возможности для потери во внешнюю среду теплоты нагретого заряда через не слишком горячие стенки цилиндра статора в поршневой секции во время работы двигателя всегда будут существенно выше, чем в роторной секции такого же объёма.

Данные семь дополнительных факторов, наряду с факторами, отмеченными критиками, подтверждают мнение о том, что, учитывая простоту конструкции их двигателя, авторам РПД было на что рассчитывать в их стремлении повысить значение момента силы. И как было подтверждено на практике, свойства роторного механизма реально способствовали тому, что по сравнению с поршневой секцией, при сохранении трёхкратной разницы в максимуме длины плеча L рычага вращающего момента М, в роторной секции до 2,3 раза (на четверть) удалось сократить разницу в значении момента силы, среднего за такт рабочего хода. Однако, как видно по данному результату, для кардинального решения проблемы слабого момента в РПД, влияния указанных факторов всё же оказалось недостаточно. Лишь объединившись в составе двигателя, две секции РПД Ванкеля при тех же оборотах вала по крутящему моменту могут подойти ближе к поршневому двигателю с четырьмя секциями того же рабочего объёма каждая, при этом, вырабатывая своим валом значение среднего за один его оборот момента силы, которое всё равно почти в 1,5 раза будет ниже, чем в поршневом ДВС. Но это всё же гораздо предпочтительнее более чем двукратного проигрыша по значению момента силы в очном сравнении одной секции РПД Ванкеля перед одной поршневой секцией того же объёма. 

Таким образом, в «командной» работе своих секций роторно-поршневой двигатель Ванкеля способен быть эффективнее поршневого ДВС. Это положительное свойство роторного двигателя уже давно успешно используется на практике, когда число его секций в составе двигателя больше двух единиц. Тем не менее, данный экстенсивный, то есть количественный метод, повышая габариты и вес, не только существенно усложняет конструкцию, но и не решает сути проблемы относительной слабости момента силы в РПД. Поэтому здесь необходим интенсивный, то есть качественный метод, который способен устранить саму причину существования этой проблемы на уровне каждой его секции.

Далее: IV. Особенности конструкции механизма поршневого и роторного ДВС