Бесшатунный двигатель

Бесшатунный двигатель

«Меня заинтересовала статья в журнале «Изобретатель и рационализатор» о двигателе С. Баландина, — пишет ленинградец К. Фролкин. — Прошу объяснить его принцип работы и устройство» Ответить на просьбу читателей, интересующихся этой темой, мы попросили инженера В. ТИШАКОВА, который работает над проектом бесшатунного двигателя на одном из наших автомобильных заводов.

Как известно, традиционный кривошипно-шатунный механизм поршневых двигателей внутреннего сгорания при работе создает боковое усилие на стенку цилиндра. Чтобы предупредить связанный с этим повышенный износ поршней, приходится придавать им конусную форму, а их юбкам эллипсность. Кроме того, боковая нагрузка на стенку цилиндра увеличивает потери на трение, то есть приводит к уменьшению механического КПД двигателя. Исключить ее можно, применив такой механизм, в котором шатун двигался бы только возвратно-поступательно, не совершая угловых качаний относительно поршневого пальца.

Рис. 1. Частный случай гипоциклоиды: при обкатке одной окружности внутри другой, имеющей вдвое больший радиус, точки А и В малой окружности перемещаются по взаимно перпендикулярным прямым.

К реализации этой идеи приступил С. Баландин. Он предложил применить сначала для паровой машины, а затем поршневого авиационного двигателя «точное прямило» — механизм, давно известный в теории механизмов и машин. Каков же его принцип действия?

Если катить без скольжения внутри большой окружности малую, то любая точка последней опишет за один цикл взаимных перемещений звездообразную криволинейную фигуру — гипоциклоиду. При соотношении диаметров окружностей 1 к 2 фигура превращается в две взаимно перпендикулярные прямые линии (рис. 1). Это явление было известно еще Копернику. Приложить созданный на его основе механизм к двигателю внутреннего сгорания пытались в 1908 году Бюрль во Франции и Бухерер в Германии, но неудачно.

Рис. 2. Принцип гипоциклического перемещения точек окружности в приложении к механизму, преобразующему возвратно — поступательное движение поршней во вращательное (обозначения точек те же, что на рис. 1).

Баландин же, всесторонне исследовав проблему, нашел свое решение (рис. 2). Оно базировалось на частном принципе гипоциклического движения. Схема взаимного перемещения элементов предложенного им механизма (кинематическая схема) была применена в бесшатунном двигателе внутреннего сгорания (рис. 3).

Инженерное воплощение эти изобретения получили в опытном двигателе ОМБ, где были использованы цилиндры, их головки и поршни от пятицилиндрового авиационного мотора М-11А. По сравнению с ним звездообразный четырехцилиндровый бесшатунный двигатель мощнее на 33% и на 84% меньше в площади поперечного сечения. Но самый главный результат — благодаря сокращению потерь на трение между поршнем и цилиндром механический КПД повысился с 0,86 до 0,95, вырос моторесурс. С применением бесшатунного механизма цилиндро-поршневая группа перестала лимитировать надежность и долговечность мотора.

Рис. 3. Кинематическая схема бесшатунного двигателя.

После завершения экспериментов с ОМБ был построен и испытан ряд других опытных двигателей, работавших по принципиально той же схеме (рис. 4 на вкладке). В них функции шатунов выполняют поршневые штоки 1, жестко (а не через поршневые пальцы) связанные с поршнями 6 и, подобно шатунам, охватывающие шейки коленчатого вала 2. На каждом штоке по обеим сторонам подшипника выполнены ползуны (на рис. 4 для упрощения не показаны), которые скользят по направляющим в картере, полностью разгружая поршень и цилиндр от боковых усилий. В результате поршень превращается просто в обойму для поршневых колец, которые герметизируют стык «поршень — цилиндр». Поэтому допуски на размеры поршня могут быть менее жесткими.

На рисунке показана четырехцилиндровая секция бесшатунного двигателя, но возможны конструкции с восемью цилиндрами, двенадцатью, шестнадцатью и т. д. Угол между цилиндрами 8 из-за особенностей кинематической схемы допустим любой, кроме 0 и 180°, так-как невозможно получить конструкции, где цилиндры расположены в один ряд или оппозитно. Во всяком случае, нет препятствий для создания низкого компактного мотора с крестообразным. Х-образным или V-образным расположением цилиндров.

Рис. 4. Принципиальное устройство бесшатунного двигателя: 1 — поршневой шток; 2 — коленчатый вал; 3 — подшипник кривошипа; 4 — кривошип; 5 — вал отбора мощности; 6 — поршень; 7 — ползун штока: 8 — цилиндр.

Коленчатый вал 2 бесшатунного двигателя вращается на подшипниках 3. смонтированных в кривошипах 4. Они через зубчатые венцы на их щеках передают крутящий момент на шестерни так называемого синхронизирующего вала 5, который может служить и для съема мощности.

Типичная компоновка четырехцилиндрового бесшатунного двигателя одинарного действия приведена на рис. 5. Здесь можно видеть ползуны 7 штока, выполненные заодно со штоком 1 поршни 6.

Отсутствие угловых колебаний штока относительно поршня открывает возможность создания двигателя двойного действия (рис. 6). В этом случае рабочий процесс идет по обе стороны поршня, что позволяет снять почти вдвое большую мощность.

Рис. 5. Компоновка бесшатунного двигателя одинарного действия. Позиции те же, что на рис. 4.

Кстати, для того чтобы создать возможность для двустороннего рабочего процесса, в поршневых паровых машинах и судовых двигателях внутреннего сгорания применяют так называемый крейцкопфный кривошипно-шатунный механизм. Однако при такой конструкции резко увеличиваются габарит и масса двигателя. Сопоставление поперечного габарита V-образных поршневых двигателей внутреннего сгорания двойного действия (рис. 7) крейцкопфного и бесшатунного типа показывает значительные преимущества последнего.

Рис. 6. Компоновка цилиндра у бесшатунного двигателя двойного действия.

Экспериментальный бесшатунный авиационный двигатель МБ-4 одинарного действия при габарите, примерно таком же, как у двигателя ГАЗ-24 «Волга», имел близкую к нему массу и развивал в полтора раза более высокую мощность (140 л. с./103 кВт при 2200 об/мин). Удельная мощность двигателя МБ-4 составляла 20,4 л. с./л; удельная масса — 1,14 кг/л. с.; удельный расход топлива в эксплуатационном режиме — 220 г/л. с. в час.

Последний из опытных бесшатунных двигателей С. Баландина, восьмицилиндровый ОМ-127РН двойного действия развивал мощность 3500 л. с. (2576 кВт). Он имел систему впрыска топлива и турбонаддув.

Удельные параметры ОМ-127РН: мощность — 146 л. с./л, расход топлива при максимальной мощности — 200 г/л. с. в час, масса — 0,6 кг/л. с.

Суммируя достоинства бесшатунного двигателя, можно отметить, что по сравнению с рядом поршневых двигателей внутреннего сгорания и газовыми турбинами он компактнее, менее металлоемок. Для изготовления многих его деталей пригодны действующие технология и оборудование моторостроительных производств в автомобильной промышленности.

Рис. 7. Сравнение поперечного габарита двигателей двойного действия — обычного и бесшатунного (выделен красным цветом): слева — при одинаковых диаметре цилиндра и ходе поршня, справа — при одинаковой мощности.

Все эксперименты и исследования по бесшатунным двигателям велись в свое время специалистами авиамоторостроения. Серийно для нужд авиации он, однако, не выпускался, поскольку пригоден только для винтовых машин, время которых прошло. Развитие же идей С. Баландина применительно к автомобильным двигателям представляет интерес. Так, некоторое время назад на одном из наших автомобильных заводов группой конструкторов под руководством Р. Розова был разработан проект бесшатунного двигателя с Х-образным расположением цилиндров. Ближайшее будущее, видимо, покажет, насколько реальны перспективы применения бесшатунного двигателя на автомобиле в условиях массового производства.

С. С. Баландин. Бесшатунные поршневые двигатели внутреннего сгорания. М., Машиностроение, 1968 (1972 г. — второе издание).

Двигатель Баландина

Традиционный кривошипно-шатунный механизм поршневых двигателей внутреннего сгорания при работе создает боковое усилие на стенку цилиндра. Чтобы предупредить связанный с этим повышенный износ поршней, приходится придавать им конусную форму, а их юбкам эллипсность. Кроме того, боковая нагрузка на стенку цилиндра увеличивает потери на трение, то есть приводит к уменьшению механического КПД двигателя. Исключить ее можно, применив такой механизм, в котором шатун двигался бы только возвратно-поступательно, не совершая угловых качаний относительно поршневого пальца.
К реализации этой идеи приступил С. Баландин. Он предложил применить сначала для паровой машины, а затем поршневого авиационного двигателя «точное прямило» — механизм, давно известный в теории механизмов и машин. Каков же его принцип действия?

Рис. 1. Частный случай гипоциклоиды.
при обкатке одной окружности внутри другой, имеющей вдвое больший радиус, точки А и В малой окружности перемещаются по взаимно перпендикулярным прямым.

Если катить без скольжения внутри большой окружности малую, то любая точка последней опишет за один цикл взаимных перемещений звездообразную криволинейную фигуру — гипоциклоиду. При соотношении диаметров окружностей 1 : 2 фигура превращается в две взаимно перпендикулярные прямые линии. Это явление было известно еще Копернику. Приложить созданный на его основе механизм к двигателю внутреннего сгорания пытались в 1908 году Бюрль во Франции и Бухерер в Германии, но неудачно.

Рис. 2. Принцип гипоциклического перемещения точек окружности в приложении к механизму, преобразующему возвратно — поступательное движение поршней во вращательное (обозначения точек те же, что на предыдущем рис.).

Рис. 3. Кинематическая схема бесшатунного двигателя.
Баландин, всесторонне исследовав проблему, нашел свое решение. Оно базировалось на частном принципе гипоциклического движения. Схема взаимного перемещения элементов предложенного им механизма (кинематическая схема) была применена в бесшатунном двигателе.
Инженерное воплощение эти изобретения получили в опытном двигателе ОМБ, где были использованы цилиндры, их головки и поршни от пятицилиндрового авиационного мотора М—НА. По сравнению с ним звездообразный четырехцилиндровый бесшатунный двигатель мощнее на 33% и на 84% меньше в площади поперечного сечения. Но самый главный результат — благодаря сокращению потерь на трение между поршнем и цилиндром механический КПД повысился с 0,86 до 0,95, вырос моторесурс. С применением бесшатунного механизма цилиндро-поршневая группа перестала лимитировать надежность и долговечность мотора.

Рис. 4. Принципиальное устройство бесшатунного двигателя:
1 — поршневой шток
2 — коленчатый вал
3 — подшипник кривошипа
4 — кривошип
5 — вал отбора мощности
6 — поршень
7 — ползун штока
8 — цилиндр

После завершения экспериментов с ОМБ был построен и испытан ряд других опытных двигателей, работавших по принципиально той же схеме. В них функции шатунов выполняют поршневые штоки 1, жестко (а не через поршневые пальцы) связанные с поршнями 6 и, подобно шатунам, охватывающие шейки коленчатого вала 2. На каждом штоке по обеим сторонам подшипника выполнены ползуны (для упрощения на рисунках не показаны), которые скользят по направляющим в картере, полностью разгружая поршень и цилиндр от боковых усилий. В результате поршень превращается просто в обойму для поршневых колец, которые герметизируют стык «поршень — цилиндр». Поэтому допуски на размеры поршня могут быть менее жесткими.
На рисунке показана четырехцилиндровая секция бесшатунного двигателя, но возможны конструкций с восемью цилиндрами, двенадцатью, шестнадцатью и т. д. Угол между цилиндрами 8 из-за особенностей кинематической схемы допустим любой, кроме 0 и 180°, так как невозможно получить конструкции, где цилиндры расположены в один ряд или оппозитно. Во всяком случае, нет препятствий для создания низкого компактного мотора с крестообразным, Х-образным или V-образным расположением цилиндров.
Коленчатый вал 2 бесшатунного двигателя вращается на подшипниках 3, смонтированных в кривошипах 4. Они через зубчатые венцы на их щеках передают крутящий момент на шестерни так называемого синхронизирующего вала 5, который может служить и для съема мощности.

Рис. 5. Компоновка бесшатунного двигателя одинарного действия
1 — поршневой шток
2 — коленчатый вал
3 — подшипник кривошипа
4 — кривошип
5 — вал отбора мощности
6 — поршень
7 — ползун штока
8 — цилиндр

Типичная компоновка четырехцилиндрового бесшатунного двигателя одинарного действия приведена на рис. Здесь можно видеть ползуны 7 штока, выполненные заодно со штоком. 1 поршни 6.

Рис. 6. Компоновка цилиндра бесшатунного двигателя двойного действия

Отсутствие угловых колебаний штока относительно поршня открывает возможность создания двигателя двойного действия. В этом случае рабочий процесс идет по обе стороны поршня, что позволяет снять почти вдвое большую мощность.

Рис. 7. Сравнение поперечного габарита двигателей двойного действия — обычного и бесшатунного (выделен красным), слева при одинаковых диаметре цилиндра и ходе поршня, справа — при одинаковой мощности.

Кстати, для того чтобы создать возможность для двустороннего рабочего процесса, в поршневых паровых машинах и судовых двигателях внутреннего сгорания применяют так называемый крейцкопфный кривошипно-шатунный механизм. Однако при такой конструкции резко увеличиваются габарит и масса двигателя. Сопоставление поперечного габарита V-образных поршневых двигателей внутреннего сгорания двойного действия крейцкопфного и бесшатунного типа показывает значительные преимущества последнего.
Последний из опытных бесшатунных двигателей С. Баландина, восьмицилиндровый ОМ—127РН двойного действия развивал мощность 3500 л. с. (2576 кВт). Он имел систему впрыска топлива и турбонаддув.
Удельные параметры ОМ—127РН: мощность — 146 л. с/л, расход топлива при максимальной мощности — 200 г/л.с. в час, масса — 0,6 кг/л. с.
Суммируя достоинства бесшатунного двигателя, можно отметить, что по сравнению с рядом поршневых двигателей внутреннего сгорания и газовыми турбинами он компактнее, менее металлоемок. Для изготовления многих его деталей пригодны действующие технология и оборудование моторостроительных производств в автомобильной промышленности.
Все эксперименты и исследования по бесшатунным двигателям велись в свое время специалистами авиамоторостроения. Серийно для нужд авиации он, однако, не выпускался, поскольку пригоден только для винтовых машин, время которых прошло. Развитие же идей С. Баландина применительно к автомобильным двигателям представляет интерес. Так, на одном из наших автомобильных заводов группой конструкторов под руководством Р. Розова был разработан проект бесшатунного двигателя с Х-обравным расположением цилиндров. Ближайшее будущее, видимо, покажет, насколько реальны перспективы применения бесшатунного двигателя на автомобиле в условиях массового производства.

С. Баландин работал в авиационной промышленности, спроектировал и построил несколько образцов авиамоторов по бесшатунной схеме, и эти работы были долгое время (до конца шестидесятых) засекречены. Информации об этих двигателях немного до сих пор. Некоторые сохранились до наших дней в качестве экспонатов музея авиационной техники, что в подмосковном городе Монино. В свое время эти разработки окружала завеса секретности, и с тех пор немалая часть техдокументации, отчетов об испытаниях, переписки либо уничтожена, либо канула в безвестность. Мало известно и о современных проектах. Впрочем, любые конструкторские бюро очень неохотно делятся информацией о своих экспериментальных разработках, не увидевших производства. Это естественно, и такой подход характерен для всех КБ во всем мире.
Конструкторы ирбитского мотоциклетного завода занимались «бесшатунником». Опытный образец был построен, но до испытаний на стенде дело не дошло, — не удавалось провернуть рабочий вал двигателя.
Баландин в своей книге «Бесшатунные поршневые двигатели внутреннего сгорания» (М., Машиностроение, 1972) приводит разрез бесшатунного автомобильного двигателя. Как удалось узнать, его спроектировала небольшая конструкторская группа одного из автомобильных заводов страны. Это был ее первый мотор, и он так и остался на бумаге. Изучение книги Баландина и разных публикаций, пропагандировавших идею «бесшатунника», наводило на мысль, что ранее подобная схема никем не применялась. Однако в сборнике «Новые конструкции автомобилей и их отдельных механизмов» (М., Гострансиздат, 1931), составленном А. Коростелиным, есть описание сходного по схеме двигателя. О нем говорилось, что разработан он автомобильным институтом в Англии и, самое удивительное, что первая партия этих двигателей только что поступила в опытную эксплуатацию. По-видимому, новое это и в самом деле хорошо забытое старое.

бесшатунный двигатель

В истории техники едва ли можно найти устройства, которым уделялось бы столько внимания, сколько выпало на долю механизмов преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное. Со времен Дж. Пакарда (1780 г. — патент на кривошипно-шатунный механизм (КШМ)) и Дж. Уатта (1784 г. — первая паровая машина с КШМ) тысячи изобретателей разных стран и поколений вдохновенно искали идеальную схему, свободную от недостатков КШМ. Особенно интенсивно этот процесс проходил в ХХ веке и продолжается до сих пор. И каждый раз оказывалось, что большинство предложенных решений излишне сложны, не работоспособны под нагрузкой или ограниченно работоспособны в силу свойственных им недостатков. Позиции же КШМ на фоне общего технологического развития неуклонно укреплялись.

В этом соревновании, среди немногих находок, достойно проявил себя бесшатунный механизм, разработанный известным советским конструктором авиационных двигателей Сергеем Степановичем Баландиным и воплощенный под его руководством в опытных моторах ОМБ, МБ-4, МБ-4б, МБ-8, МБ-8б, ОМ-127РН и ОМ-127РНТ (1937-1951 гг.). После войны, в августе 1946 г., организовано ОКБ-2 при заводе № 500 МАП, где перед коллективом С.С. Баландина была поставлена важнейшая государственная задача — с учетом предшествующего опыта разработки двигателей ОМБ, МБ-4, -4б, -8, -8б, создать для межконтинентального стратегического бомбардировщика мощный поршневой двигатель с цилиндрами двойного действия. Это один из многих примеров того времени, когда творческая энергия разработчиков целенаправленно подкреплялась потоком необходимых государственных ресурсов и дала прекрасные технические результаты. После снятия режима секретности, благодаря книгам С.С. Баландина, бесшатунный механизм стал широко известен и с тех пор не дает покоя многим конструкторам моторной техники. Интерес к теме не спадает. Потенциал идеи активно стимулирует поиски ее новых версий.

С. Баландиным были разработаны 3 схемы бесшатунногом еханизма. Работоспособность подтвердили две из них — с совмещенными эксцентриками и с соединительным синхронизирующим валом . Первая оказалась пригодной только для короткоходовых ДВС, т.к. диаметр совмещенных эксцентриков штоковых подшипников скольжения находится в прямой зависимости от диаметра шеек коленчатого вала, на который они опираются. Вторая не имела этого недостатка, дополнялась другими положительными качествами и поэтому была реализована во всех опытных разработках коллектива С.С. Баландина. Для бесшатунных схем С.С. Баландина характерно наличие ползунов 7 (крейцкопфов). Они берут на себя всю боковую рабочую нагрузку. Ползун 7, отделенный от поршня 4 и находящийся в благоприятных условиях смазки, позволил многократно поднять ресурс механизма и обеспечить создание компактных авиационных ДВС с двухсторонним рабочим процессом, первыми представителями которых стали опытные двигатели ОМ-127РН и ОМ-127РНТ, наработавшие на испытательных стендах в разной комплектации 1476 часов без поломок, дефектов и без замены деталей (ЦИАМ. Дело № 10 20-й переборки ОМ-127 № 01).
Тем не менее, для Х-образной схемы возможен вариант без ползунов. В этом случае боковая нагрузка на поверхностях поршней присутствует, но она распадается на два противоположных поршня и поэтому удельное давление их боковых поверхностей на зеркало цилиндров уменьшается в два раза. Вариант без ползунов относится к бесшатунной схеме Чарльза Алджернона Парсонсона — английского инженера, впервые предложившего ее в восьмидесятых годах ХIX века для парового двигателя. По своим свойствам схема является промежуточной. Ее применение технически оправдано в бесшатунных поршневых машинах с цилиндрами одностороннего действия.
В сравнении с ДВС, имеющим традиционный КШМ, двигатели с бесшатунным механизмом С.С. Баландина привлекает к себе внимание рядом ценных качеств. Среди них:

— высокое значение механического к.п.д. (0,93…0,96; к.п.д. двигателя с КШМ 0,78…0,86);
— меньшая теплонапряженность двигателя и связанное с этим уменьшение потребной площади воздушных радиаторов системы охлаждения в 1,5 раза и водо-масляных радиаторов в 2,5…3,0 раза [1];
— возможность использования высоких допустимых средних скоростей поршня;
— большой ресурс цилиндропоршневой группы и механизма движения (тысячи и десятки тысяч часов в зависимости от размерности ДВС);
— отсутствие боковых перекладок поршней в цилиндрах и безизносная работа поршневых канавок для колец [4];
— возможность работы на более высоких степенях сжатия (для бензиновых ДВС безопасная степень сжатия выше на 1…2 единицы);
— возможность реализации двухстороннего рабочего процесса при малых габаритах;
— уменьшенный объем картерного пространства с сохранением достаточной жесткости блок-картера;
— значительно (в 1,6…1,8 раза) меньшие удельные нагрузки на элементы механизма движения благодаря благоприятному сочетанию действия газовых и инерционных сил [1];
— высокая топливная экономичность (удельный расход топлива, при прочих равных условиях, ниже на 10…12%, чем у аналогичных двигателей с КШМ);
— высокая литровая мощность (до 120 кВт/л; в форсированных двигателях до 170 кВт/л);
— высокая удельная мощность (2,2…3,3 кВт/кг и выше);
— низкая удельная масса (0,30…0,45 кг/кВт, в турбопоршневом варианте до 0,14 кг/кВт);
— высокие параметры компактности конструкции (миделевая площадь меньше, чем у двигателей с КШМ в 2 раза).
Уже во время Великой Отечественной войны стало ясно, сколь заманчивые перспективы таит в себе бесшатунный двигатель. Понятно, почему в работе над ОМБ оказались задействованы три ОКБ и пять серийных заводов Наркомата авиапромышленности, не считая Академии им. Н.В. Жуковского и трех НИИ. Да и сам С. С. Баландин старался не отставать. Экспериментальный авиадвигатель МБ-4 одинарного действия при габарите, сопоставимом с двигателем «Волги», имел близкую к нему массу и развивал в полтора раза более высокую мощность (140 л. с. при 2200 мин-1). Удельная мощность двигателя составляла 20,4 л. с./л, удельная масса — 1,14 кг/л. с., удельный расход топлива в эксплуатационном режиме — 220 г/л.с. в час. Последний из опытных моторов — 8-цилиндровый ОМ-127РН двойного действия, оснащавшийся системой впрыска топлива и турбонаддувом, развивал мощность 3500 л.с. Более того, работы над столь многообещающим двигателем привели к началу постройки авиационного мотора мощностью 10000 л. с. и массой З, 5 т, что в 200 раз легче стационарного дизеля той же мощности. Наконец, в ОКБ-2 приступили к проектированию бесшатунного авиадизеля мощностью 20000 л.с. И всего при 24 цилиндрах! Для сравнения: разработанный американской фирмой Laicoming авиационный поршневой мотор ХР-7755 мощностью 5000 л. с. имел 36 цилиндров при несравнимо худших характеристиках. Попытки создать «бесшатунник» для установки на различные мобильные системы, в том числе на бронетанковую и автомобильную технику в нашей стране предпринимались неоднократно. Проектировщики оценили достоинства двигателя Баландина, который, по сравнению с рядом поршневых двигателей внутреннего сгорания и газовыми турбинами, был компактнее и менее металлоемок. Для изготовления многих его деталей пригодны действующие технологии и оборудование моторостроительных производств автомобильной промышленности. Кроме того, в пользу «бесшатунника» говорили: высокая удельная мощность, минимальное число деталей, идеальная уравновешенность (амплитуды вибраций самых мощных образцов являлись неправдоподобно малыми — порядка несколько микрометров). К тому же по технологичности мотор Баландина заметно превосходил тот же двигатель Ванкеля. На Брянском автозаводе разработали проект бесшатунного двигателя с X-образным расположением цилиндров. Зиловские инженеры в конце 80-х годов прошлого века построили опытный образец дизельного «Баландина», который успешно прошел стендовые испытания. По сравнению с серийным дизелем ЯМЗ-238, на каждые два цилиндра которого приходятся 28 деталей, разработали бесшатунный компрессор для питания пневмосистемы грузовиков. Аналогичные работы проводили молодые конструкторы инициативной группы «Трек» Московского авиационного института.
Один украинский последователь С. С. Баландина Алексей Вуль вместе со своими единомышленниками занимается бесшатунными двигателями с 1994 года. За это время специалисты организованной для этой цели лаборатории создали несколько образцов. Первые два из них представляют автомобильные V-образные 4-цилиндровые дизели объемом 2,0 и 2,8 л и расчетной мощностью 68 и 136 л. с. соответственно.
Конечно, собрать в условиях не заводского производства необычный двигатель, а тем более дизель, без всякого преувеличения, является сверхзадачей. Но на стороне А. Вуля оказались упорство, невероятная работоспособность и огромный опыт ремонта современных зарубежных дизелей. В течение нескольких лет в лаборатории были созданы серьезный станочный парк и современный испытательный стенд с нагрузочным электродвигателем двустороннего действия.

В двигателе А. Вуля одностороннего действия два штока, находящихся рядом на коленчатом вале, развернуты друг относительно друга на угол 90°. Сам вал совершает двойное вращение: вокруг собственной оси и вокруг оси кривошипа. Именно такая кинематика механизма позволяет передавать мощность от поступательно движущихся штоков на вращающийся по определенной траектории коленчатый вал и далее на кривошипы.
При материализации своего замысла А. Вуль наиболее сложные элементы заимствовал от импортного дизеля. Речь идет об индивидуальных головках цилиндров (диаметром 100мм) и форсунках, а камеру сгорания и ее относительное расположение пришлось попросту скопировать. При этом, по сравнению с базовым мотором, несколько увеличено давление впрыска топлива, сокращена его продолжительность, изменен угол опережения впрыска. Сочетание готовых и оригинальных узлов привело к рождению 4-цилиндрового V-образного дизеля с углом развала 90°, работающего по четырехтактному циклу. При этом из-за особенностей схемы вспышки в камерах сгорания дизеля чередуются неравномерно: 0°, 90°, затем пауза 270° и снова 0° и 90°. Такой процесс работы потребовал использовать топливный насос распределительного типа зарубежного производства со встречно движущимися плунжерами, изначально предназначенный для 8-цилиндрового двигателя, и еще направлять топливо на слив из четырех дополнительных штуцеров. Дополнив «бесшатунник» генератором, стартером и вкладышами от различных марок грузовых и легковых автомобилей, а также снабдив силовую установку изрядным количеством деталей собственного изготовления, А. Вуль получил вполне работоспособную конструкцию.

Бесшатунный двигатель своими руками

Изобретение относится к области двигателестроения. Изобретение предлагает конструкцию оппозитного бесшатунного поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

За прототип принят оппозитный бесшатунный поршневой двигатель С. Баландина.

История развития бесшатунных поршневых двигателей, предложенных С. Баландиным, берет начало в тридцатых-сороковых годах прошлого века, когда в конструкторском бюро, где работал автор, были разработаны и построены несколько типов авиационных двигателей с необычным, отличным от кривошипно-шатунного, силовым механизмом.

Все построенные образцы основывались на схеме с одной избыточной кинематической связью.

При кажущейся простоте механизм содержал неотработанные кинематические связи, а в применении к тепловым машинам они были слабо изучены и поэтому их возможности плохо прогнозировались. Всего одна избыточная кинематическая связь в таком сложном механизме как ДВС ставила под сомнение всю его дальнейшую работоспособность. Тем более не было понимания того, как от этой связи избавиться, синхронизирующий механизм, о котором идет речь, являлся неотъемлемой частью самого двигателя.

Приведем пример, поясняющий принцип симметрии, в приложении к рассматриваемому бесшатунному силовому механизму. Лучший образец — кинематическая схема оппозитного бесшатунного двигателя С. Баландина, в котором чередование между рабочими тактами происходит равномерно, через 180° по углу поворота коленчатого вала. Конструкция силового механизма включает: четыре рабочих поршня со штоками, соединенные попарно; два рабочих крейцкопфа, перемещающиеся по оси движения поршней, три синхронизирующих крейцкопфа, перемещающиеся в плоскости, перпендикулярной плоскости цилиндров. Названные элементы объединены общим планетарно вращающимся коленчатым валом и располагаются на его пяти шейках. Шестая и седьмая шейки коленчатого вала предназначены для установки противовесов и передачи крутящего момента валу отбора мощности. У каждого рабочего поршня, по обе стороны и на равных расстояниях, располагаются синхронизирующие крейцкопфы. В оппозитном двигателе они выполняют следующие функции.

— Совместно с рабочими крейцкопфами обеспечивают синхронизацию коленчатого вала.

— Воспринимают на себя основную нагрузку от газовых сил, отделяя крейцкопфы рабочих цилиндров от «ударного» нагружения в момент воспламенения горючих газов в соседних цилиндрах.

— Выполняют функции противовесов для уравновешивания всех масс. Рассмотренный механизм обладает широкими кинематическими возможностями, он прекрасно уравновешивается.

И в заключении перечислим основные преимущества, которыми располагают бесшатунные ДВС.

— Компоновка бесшатунного двигателя позволяет значительно сократить объем моторного отсека за счет рационального расположения узлов и деталей двигателя.

— Взаимное сочетание газовых сил и сил инерции приводит к значительному уменьшению результирующих сил, нагружающих кинематические звенья, что позволяет увеличить механический КПД двигателя.

— В бесшатунном двигателе, чем больше масса поршней со штоками и крейцкопфами и чем выше обороты двигателя (в известных пределах), тем меньше нагрузка на подшипники, в тронковом двигателе — наоборот.

— Количество функций, возложенных на рабочие поршни уменьшается (поршни перестают быть парами трения), соответственно, надежность их работы увеличивается.

— Допускается возможность организации рабочего процесса в двигателе по обе стороны рабочего поршня или использования подпоршневого пространства для компрессорного наддува.

— Появляется возможность улучшения системы охлаждения поршней прокачиванием масла через поршневые штоки и поршни для их эффективного охлаждения.

— Становится возможным для прямолинейно движущихся поршней применить лабиринтный вид уплотнений с полным или частичным отказом от поршневых колец.

Основная же причина того, что применение рассматриваемой кинематической схемы не получило практической реализации, состоит в том, что она сложнее обычного кривошипно-шатунного механизма. Большое количество сопрягаемых элементов требует высокого технологического уровня их изготовления. Значение их суммарного допуска должно быть меньше величины диаметрального зазора одного из крайних подшипников планетарного вала, иначе невозможно обеспечить его правой и левой половине синхронного вращения. Уложиться же в этот допуск технологически сложно. (http://www.volnovoidvigatel.ru/controd-free-engines/index.html).

В двигателе Баландина, имеющего одну избыточную кинематическую связь, неизбежно при повышении температуры изменяются размеры деталей, а также неточность, больше чем зазор в подшипниках, в размерах деталей при изготовлении и их размещении приводит к перекосам, заклиниванию, задирам деталей. Дальнейшее усовершенствование конструкции двигателя Баландина существенно усложнило ее, сведя на нет изначально запланированные преимущества.

Предлагаемое заявителем устройство содержит по два цилиндра на каждой из параллельных осей, в каждой паре цилиндров по два поршня, жестко соединенных пластиной, снабженной поперечной прорезью с двумя направляющими, по которым свободно скользит крейцкопф с подшипниками для шейки коленчатого вала перпендикулярно движению поршней, и коленчатый вал с жестким креплением в подшипниковых опорах, стоящих по обе стороны от пластин, и с взаимно перпендикулярными шейками, вращающимися во внутренних подшипниках крейцкопфа, обеспечивающий чередование между рабочими тактами через 90°.

Такая конструкция бесшатунного двигателя позволяет устранить боковое давление на цилиндры, избежать эффекта верхней мертвой точки и устранить перекосы, задиры, усиленный износ, а также снимать мощность с одного конца коленчатого вала, упрощая конструкцию.

Прототип имеет два рабочих крейцкопфа, скользящих соосно с поршнями, и три синхронизирующих, а предлагаемое устройство имеет два крейцкопфа, свободно скользящих перпендикулярно движению поршней по направляющим в поперечной прорези пластины, соединяющей два поршня. Поперечное перемещение крейцкопфа осуществляется давлением смеси газов цилиндра с перпендикулярной шейкой коленвала, крейцкопфы имеют одну степень свободы и не оказывают давления на боковые стенки цилиндров, что повышает механический КПД и, соответственно, уменьшает износ цилиндров и поршней, делает механизм высоконадежным, с длительной работоспособностью. Жесткое крепление коленвала, в отличие от планетарного в прототипе, устраняет перекосы и задиры, а также дает возможность снимать мощность с одного конца коленвала.

Это, казалось бы, простое изменение конструкции, принципиально меняет свойства двигателя.

Коленчатый вал с взаимно перпендикулярными шейками, которые вращаются во внутренних подшипниках крейцкопфа, обеспечивает чередование между рабочими тактами через 90°, что позволяет избегать эффекта верхней мертвой точки. Крейцкопфы имеют скользящие подшипники: два плоских наружных для направляющих в поперечной прорези пластины и внутренний для шейки коленвала, и имеющие систему смазки через каналы в коленчатом валу, продолжающуюся на наружную поверхность крейцкопфа, аналогичную, как при кривошипно-шатунном механизме, кроме того, смазка производится масляным туманом, порождаемым вращением коленчатого вала. Кроме того, уменьшается длина самих поршней за счет отсутствия юбки поршня и места для поршневого пальца, остается только место для установки поршневых колец, что сокращает длину цилиндров и, соответственно, габариты и вес конструкции. Кроме того, ввиду увеличения суммарной длины двух поршней, соединенных вместе, уменьшается боковое давление и износ цилиндров. Также существенным технологическим преимуществом является то, что противоположные цилиндры обрабатываются с одной установки, как и два жестко соединенных поршня. Габариты четырехцилиндрового двигателя практически будут соответствовать габаритам обычного двухцилиндрового.

Данная конструкция может использоваться для всех видов двигателей: бензиновых, дизельных, четырехтактных, двухтактных, четырехцилиндровых, 8 и более цилиндров с использованием обычных систем газораспределения, зажигания, питания, впрыска и т.д. Эти системы в данном изобретении рассматриваться не будут.

Также система коленвал — крейцкопф, свободно перемещающийся в поперечной прорези пластины, соединяющей два поршня, может использоваться в устройствах, где необходимо преобразовать вращение в поступательное движение: в насосах, компрессорах и т.п.

На Фиг. 1 изображены: кинематическая схема оппозитного бесшатунного поршневого двигателя внутреннего сгорания: две пары поршней (1, 2 и 3, 4); (5) — коленчатый вал; (6, 7 и 8, 9) — две пары оппозитных цилиндров; (10) — коренные подшипники; (11) — подшипники шейки коленвала; (12) — крейцкопф; (13) — пластина, имеющая поперечную прорезь с двумя направляющими;

На Фиг. 2 — изображен фронтальный вид поперечной прорези пластины, соединяющей два поршня; (14) — плоский подшипник для направляющих; и те же (11) и (12).

Оппозитный бесшатунный поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит по два оппозитных цилиндра (6, 7 и 8, 9) на каждой из параллельных осей, в каждой паре цилиндров есть по два поршня (1, 2 и 3, 4), жестко соединенные попарно пластинами (13) с поперечной прорезью, с направляющими, по которым свободно скользят крейцкопфы (12) с плоскими подшипниками (14) для направляющих в поперечной прорези и цилиндрическими подшипниками (11) скольжения для шейки коленчатого вала (5).

Рациональный двухсторонний рабочий процесс в цилиндрах, когда при рабочем ходе в одном цилиндре, в противоположном происходит сжатие, частично разгружает коленчатый вал.

Взаимно-перпендикулярное расположение шеек коленвала для соседних оппозитных цилиндров позволяет избегать эффекта верхней мертвой точки (ВМТ): когда при начале рабочего хода в верхней мертвой точке находится один из поршней, у второго поршня на перпендикулярной шейке крутящий момент на коленчатом валу максимален, в результате крутящий момент бесшатунного двигателя — величина постоянная. Математически это выглядит так: если момент по одной оси X, а по перпендикулярной Y, то суммарный момент (формула окружности):

Устройство работает при четырехтактном цикле следующим образом: когда в 6 цилиндре поршень находится в верхней мертвой точке (ВМТ), смесь сжата, начинается рабочий ход (РХ), в 7 цилиндре начинается сжатие рабочей смеси (СЖ), в 8 цилиндре — вторая половина выхлопа (ВХ), в 9 — вторая половина всасывания (ВС).

При повороте коленвала на 90 градусов в 8 и 9 цилиндрах заканчиваются их циклы и начинается всасывание (в 8) и сжатие (в 9). В 6 и 7 цилиндрах продолжатся прежние циклы: в 6 — рабочий ход, в 7 — сжатие.

При повороте коленвала на 180 градусов в 6 и 7 цилиндрах заканчиваются их циклы и начинается выхлоп (в 6) и рабочий ход (в 7). В 8 и 9 цилиндрах продолжатся прежние циклы: в 8 — всасывание, в 9 — сжатие.

При повороте коленвала на 270 градусов в 8 и 9 цилиндрах заканчиваются их циклы и начинается сжатие (в 8) и рабочий ход (в 9). В 6 и 7 цилиндрах продолжатся прежние циклы: в 6 — выхлоп, в 7 — рабочий ход.

При повороте коленвала на 360 градусов в 6 и 7 цилиндрах заканчиваются их циклы и начинается всасывание (в 6) и выхлоп (в 7). В 8 и 9 цилиндрах продолжатся прежние циклы: в 8 — сжатие, в 9 — рабочий ход.

При повороте коленвала на 450 градусов в 8 и 9 цилиндрах заканчиваются их циклы и начинается рабочий ход (в 8) и выхлоп (в 9). В 6 и 7 цилиндрах продолжатся прежние циклы: в 6 — всасывание и в 7 — выхлоп.

При повороте коленвала на 540 градусов в 6 и 7 цилиндрах заканчиваются их циклы и начинается сжатие (в 6) и всасывание (в 7). В 8 и 9 цилиндрах продолжатся их прежние циклы: в 8 — рабочий ход, в 9 — выхлоп.

При повороте коленвала на 630 градусов в 8 и 9 цилиндрах заканчиваются их циклы и начинается выхлоп (в 8) и всасывание (в 9). В 6 и 7 цилиндрах продолжатся прежние циклы: в 6 — сжатие, в 7 — всасывание.

При повороте коленвала на 720 градусов в 6 и 7 цилиндрах заканчиваются их циклы и начинается рабочий ход (в 6) и сжатие (в 7). В 8 и 9 продолжатся прежние циклы: в 8 — выхлоп, в 9 — всасывание.

Анализ циклов четырехтактного двигателя показывает, что на два оборота коленвала четверть оборота (от 630 до 720°) отсутствует рабочий ход, от 270 до 360° одновременно в 9 и 7 цилиндрах — рабочий ход, в остальных (РХ) последовательно. Это можно устранить, изготовив восьмицилиндровый двигатель, который практически уложится в габариты четырехцилиндрового двигателя. Мы получим одновременно (РХ) в двух цилиндрах, сдвинутые на 90°.

Оппозитный бесшатунный двигатель внутреннего сгорания, содержащий по два цилиндра на каждой из параллельных осей, в каждой паре цилиндров по два поршня, жестко соединенных пластиной, снабженной поперечной прорезью с двумя направляющими, по которым свободно скользит крейцкопф с подшипниками для шейки коленчатого вала перпендикулярно движению поршней, и коленчатый вал с жестким креплением в подшипниковых опорах, стоящих по обе стороны от пластин, и с взаимно перпендикулярными шейками, вращающимися во внутренних подшипниках крейцкопфа, обеспечивающий чередование между рабочими тактами через 90°.