Двигатель бесшатунный баландина
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.
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.
Двигатель бесшатунный баландина
Товарищи, я так больше не могу) История создания этого поста в разы интересней его самого) Ладно, не буду долго распинаться, перейдём к делу, а именно, к бесшатунным ДВС разных конструкций (хотя конкретно я скажу о достоинствах и недостатках одного типа бесшатунных моторов — конструкции Сергея Степановича Баландина, т.к. пост иначе выходит шибко длинным, и как следствие, его банально не пускають «в печать»):
Началось всё в 1935-ом году. Нет, вру, началось всё конечно же раньше, но первый прототип бесшатунного мотора Баландин создал именно тогда, и был это не ДВС, а… паровой двигатель для паровоза. Позже, под зорким требованием тогдашней власти, собирается СКБ С.С.Баландина, и в течении 19-и лет борется за жизнь, и с законами физики, в попытке собрать наконец тот самый мотор, который бы работал без проблем (о проблемах мотора — ниже), и по заверениям самого Баландина, они собрали несколько рабочих прототипов мощностью от 80 до 10 тысяч лошадиных сил.
Как говорил сам инженер, данная конструкция предполагает к созданию двигателя, который по размеру удельной и габаритной мощности В ДВОЕ превышает обычный ДВС. Собственно говоря, закат и смерть ДВС данной схемы случились по простой причине — что положено Юпитеру, то не положено быку, использовать те же материалы что и в авиации, тогдашнее автомобилестроение позволить себе просто не могло, а в авиации к тому времени уже давно появились реактивные моторы, но не будем о грустном, а будем о вкусном, о достоинствах и недостатках данной схемы.
Собственно, начнем с плюсов, продолжим минусами данной конструкции, после на повестке дня интересная (интересна она прежде всего тем кто хочет опробовать свои силы «в теме») ссылка по теме, + непосредственно сама книга Баландина.
ПЛЮСЫ данной схемы, вполне себе очевидны — в двигателе минимизируется трение. Как следствие — у мотора больше мощность (до 34%), меньше расход топлива (до 84%), выше ресурс (
18 раз), меньше вес и габаритные размеры (Меньше деталей, вес падает в 2-3 раза, размеры тоже чуть ли не вполовину меньше), как следствие отсутствия/минимизации трения, снижается нагрев мотора, а уровень вибронагруженности ничтожен — вибрации мотора составляют всего несколько микрон! словом, одни, казалось бы, плюсы. В чем его недостатки?
Минусы этого мотора не так очевидны (и к тому же, для того кто учился методом научного тыка — не вполне очевидно описаны, так что нижеследующее — отсебятина с одного из сайтов) — 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.
Вот здесь более полноценно описаны ТИПЫ современных решений проблем избыточных кинематических связей, и приведены различные схемы двигателей внутреннего сгорания о 4-х цилиндрах, собранных по бесшатунной схеме. Не так что бы они чётко указывали как оно делается, но…
оседлавшие 18-и колёсных монстров тоже пишут много, в том числе и о бесшатунных моторах.
Статейка получилась маленькой. и не в моём стиле — ограничение-с знаков-с. Но хочется подвести некий итог, исходя из данной вам информации:
Некий Харьковский инжинер-моторист, А. Вуль, в своё время таки получил патент на производство бесшатунных дизелей. Вообще, на нашей родине, таких патентов уже — от пяти, до семи штук. Массового применения, как видите, не случилось. Finita la, как говориться, comedia.
P.S. С 23-им февраля, народ! Всем счастья, удачи, любви, чистых дорог, и меньше говна на дороге встречать!) Весна скоро, да отпустит вас мототоксикоз)
P.P.S. Видео по просьбе читателей, описания взяты от самих роликов (не мои, палками не бить))
The non-standard engine.
Дипломная работа показывающая принцип действия и работу нетрадиционного бескривошипно-шатунного двигателя внутреннего сгорания. Двигатель смоделирован на основе существующего авиамодельного Fuji BT-32(кривошипно-шатунного). г.Челябинск ЮУрГУ. АТ-факультет. 2008
Мой проект бесшатунного механизма на гоночный двигатель на базе Иж ПС.
Бесшатунный двигатель Объем — 700см3, вес — 35кг, расчетная мощность — 50-55 л.с. при 5500 об/мин. Изготовлен в 1997 году.
Двухтактный четырехцилиндровый бесшатунный двигатель в работе.
Zweitakt vierzilinder Sternmotor ohne Pleuel
Бесшатунный двигатель
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.
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.
Литература
С. С. Баландин. Бесшатунные поршневые двигатели внутреннего сгорания. М., Машиностроение, 1968 (1972 г. — второе издание).
Внимание! Статья не претендует на оригинальность. Просто есть пожелание перенести сюда все ристалища по бесшатунникам.
Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов
Бесшатунный двигатель
Инженер С.С. Баландин изобрёл бесшатунный двигатель ещё в прошлом веке, но до сих пор никто его не внедряет, ни в автомобили, ни в кораблестроении. Скачок КПД до 70%.
http://rusautomobile.ru/library/besshat . in-s-1971/
Для самолётостроения двигатель Баландина не пошёл из-за развития реактивных двигателей, но почему его не внедряют в машиностроении и в кораблестроении?
Re: Бесшатунный двигатель
Комментарий теории:#2 che » 15 авг 2017, 08:22
Re: Бесшатунный двигатель
Комментарий теории:#3 alexandrovod » 15 авг 2017, 08:58
Re: Бесшатунный двигатель
Комментарий теории:#4 Aleksandr » 17 авг 2017, 22:45
Я не механик, поэтому не понимаю, как можно поломать редуктор. Редуктор ставят на спецавтомобили.
В обычном автомобиле ставят коробку передач без редуктора.
Обороты регулируются у двигателя Баландина, как в обычном шатунном двигателе.
Re: Бесшатунный двигатель
Комментарий теории:#5 alexandrovod » 18 авг 2017, 00:22
Re: Бесшатунный двигатель
Комментарий теории:#6 Aleksandr » 18 авг 2017, 10:08
Re: Бесшатунный двигатель
Комментарий теории:#7 che » 18 авг 2017, 10:41
Re: Бесшатунный двигатель
Комментарий теории:#8 alexandrovod » 18 авг 2017, 10:47
высокооборотный это не высоко приёмистый, совсем разные понятия. А техническое решение есть давно — весьма массивный маховик, но это во много раз увеличивает износ подшипников ведущего вала и усложняет пуск.
Re: Бесшатунный двигатель
Комментарий теории:#9 Aleksandr » 19 авг 2017, 07:11
Так на мало оборотистые двигатели середины ХХ века ставили массивные маховики, но это не мешало их служить долгие годы.
Т.е., это технически решаемые проблемы.
Так и непонятно, почему бесшатунный двигатель Баландина не доводят "до ума"? Тем более, что уже были изготовленные действующие образцы.
Книга о авторской разработке поршневых авиационных двигателях большой мощности у нас после ВМВ. Реактивный двигатель убил у него будущее в воздухе, а на земле, в 70-80е было несколько попыток внедрить его на автотранспорте. Попытки были пресечены сверху. Заодно помещается рецензия на книжку из журнала "изобретатель-рационализатор". с имеющимися там иллюстрациями.
"Бесшатунные Двигатели Внутреннего Сгорания" Баландин C.C.
файл balandin.djvu(2.83MB).
ИР 1-1974
ВЫ МАЛО ЗНАЕТЕ О ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ.
click for enlarge 1193 X 842 248.3 Kb picture
Каждый, кто познакомится с книгой Баландина, естественно, захочет узнать, почему так долго не публиковалась эта ценнейшая работа. В 1957 г. Комитет по делам изобретений и открытий оформил за две недели авторское свидетельство, но без права публикации. Поэтому Сергей Степанович издал свою книгу только в 1972 году, дальше видимо, откладывать было нельзя, хотя важнейшее изобретение не было запатентовано за границей.
Главный конструктор бесшатунных двигателей Сергей Степанович Баландин.
Модель бесшатунного 12-цилиндрового авиадвигателя, собранного из трех базовых 4-цилиндровых блоков.
Двигатель хорошо вписывается в малый мидель скоростного транспортного средства.
Были не только модели. Строились бесшатунные авиационные двигатели огромной мощности — до 14000 л. с.
В печати появились первые сообщения о двигателях С. С. Баландина.
Кто возьмется проектировать такие двигатели? С.С. Баландин: ‘Первые образцы могут быть разработаны за два года!’
Самолеты должны быть реактивными. Эта истина, перед войной теоретическая, примерно в середине войны превратилась в практическую, актуальную задачу. И через несколько лет почти вся истребительная авиация в сильнейших армиях мира была переведена на реактивную тягу, оснащена турбореактивными двигателями. И только ‘прожорливость’ первых ТРД и их недолговечность некоторое время еще мешали оснастить ими тяжелые дальние самолеты. Выход нашелся: для тяжелых машин был создан промежуточный тип двигателей, турбовинтовые (ТВД).
Для нашей авиации выход нашелся бы и без ТВД. В те годы специальным конструкторским бюро во главе с Сергеем Степановичем Баландиным были разработаны поршневые моторы, равные турбовинтовым по мощности, габаритам и весу, к тому же более экономичные. И только бесспорность предстоящего перехода всей авиации на реактивную тягу заставила тогда свернуть работы СКБ С. С. Баландина.
Но такие двигатели могли и могут найти применение не только в авиации! И приходится сожалеть, что нам, инженерам, пришлось так долго ждать книгу их главного конструктора ‘Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания’ (Машиностроение, 1972), в которой сконцентрировано все наиболее важное об этих необыкновенных моторах.
Приводимые в книге цифры кажутся невероятными. Но за ними стоят реальные образцы бесшатунных двигателей разной мощности, придирчиво испытанные государственными комиссиями.
В 1968 г. (ИР No.4) в статье под скромным заголовком ‘Существенно новый двигатель’ мы рассказали о ‘бесшатунном механизме для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное’ (а. с. No.164756). Его автор — севастопольский изобретатель Е. И. Лев. А через полгода стало известно о существовании авторского свидетельства No.118471, выданного в 1957 г. Сергею Степановичу Баландину на ‘Двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом’. Но до поры до времени сущность этого изобретения была скрыта фразой ‘без публикации’.
В обеих формулировках употреблено слово ‘бесшатунный’. Что за ним скрыто? Тоже ‘существенно новый двигатель’?
Без тщательных экспериментов никто этого сказать не мог. Двигатель, который сконструировал Е. Лев, пока не построен. Зато работы С. Баландина позволяют сказать, что за ключевым словом ‘бесшатунный’ притаилась, видимо, вся будущая история поршневого моторостроения.
Не будем здесь останавливаться на устройстве бесшатунного механизма, разработанного С. С. Баландиным, — об этом можно прочитать в книге. Скажем лишь, что в моторах Баландина (МБ) оригинальные системы разгрузки, смазки и охлаждения поршней приводят к тому, что поршни практически не изнашиваются. Износ шеек коленчатого вала также снижается в 3—4 раза, потому что на них передается всего лишь разность сил от противолежащих цилиндров, в то время как в обычных двигателях внутреннего сгорания вся сила давления газов на поршни.
Пониженные нагрузки на скользящие детали приводят к 3-4-кратному снижению потерь на трение. Механический к.п.д. моторов Баландина равен 94% (против 75-85% у обычных двигателей внутреннего сгорания). Снижаются габариты моторов А литровая мощность первых же МБ в 1,5 раза превзошла рубеж, до сих пор остающийся заветным для ‘обычного’ двигателестроения — 100 л.с./л.
Возможности моторов Баландина очень велики. Пока только в них удалось конструктивно просто реализовать двухсторонний рабочий процесс в цилиндрах и таким путем почти в два раза повысить мощность двигателя без существенного увеличения его габаритов (они лишь немного увеличиваются из-за удлинения штоков). Только на этих двигателях при большом мощности применимо золотниковое газораспределение, что ранее удавалось осу ществлять только на маленьких двигателях, например для гоночных мотоциклов. В результате могут быть упорядочены фазы газораспределения, нарушавшиеся в больших двигателях из-за огромных нагрузи на клапанные механизмы. Только в этих моторах может быть достигнута средняя скорость поршня — 80 м/сек, в то время как у лучших образцов шатунных двигателей она не превышает 30 м/сек (при большей скорости поршня эффективная мощность двигателя устремлялась к нулю из-за опережающего роста потерь, в основном на преодоление растущих сил трения). Бесшатунный механизм практически не реагирует на рост средней скорости поршня; эффективная мощность таких моторов в 5-6 раз (а при двойном действии в 10 раз) выше мощности шатунных двигателей тех же габаритов и веса. Об этом свидетельствует график, приведенный в книге. Он ограничен диапазоном до 100 м/сек, но кривые как бы стремятся вырваться за этот предел. Никому в мире — хотя за дело брались крупнейшие фирмы — не удалось еще создать обычный поршневой авиационный мотор мощностью более 6000 л. с. Табу накладывал все тот же кривошипно-шатунный механизм. Под руководством С.С. Баландина строился авиационный мотор мощностью 10000 л. с, весом менее 3,5 т, был разработан бесшатунный авиадизель мощностью 14000 л. с. А в принципе можно построить мотор на все двадцать тысяч л. с. И всего при 24 цилиндрах. Для сравнения: спроектированный фирмой ‘Лайкоминг’ (США) авиационный поршневой мотор XR-7755 мощностью 5000 л. с. имел 36 цилиндров и гораздо худшие характеристики. Но рост средней скорости — это рост оборотов, рост инерционных нагрузок, вибраций.
И здесь, оказывается, моторы Баландина вне конкуренции. Осциллограммы вибраций самых мощных образцов, снятые в трех осях, кажутся неправдоподобными. Амплитуды — всего 0,05-0,1 мм. Даже наиспокойнейшие турбины зачастую обладают менее уравновешенным характером.
Идеальная уравновешенность моторов Баландина сохраняется при любом числе цилиндров. Из базовых блоков по четыре цилиндра (хотя возможны одно- и двухцилиндровые двигатели) можно, как из кубиков, складывать любые композиции, не сомневаясь в их превосходном поведении. Какой мотор может похвастаться такой пластичностью?
Да еще прибавьте сюда экономичность. Удельный расход топлива у моторов Баландина в среднем на 10% ниже, чем у шатунных. Отключая подачу топлива в один или несколько рядов цилиндров, можно заставить двигатель работать с высокой и практически постоянной экономичностью на режимах от 0,25 до номинальной мощности. Режиму работы на частичных нагрузках — а это основной и, как ни странно, наименее изученный режим подавляющего большинства двигателей — в последнее время уделяется большое внимание. Ведь обычный двигатель хорош лишь в узком диапазоне мощностей и чисел оборотов. Немного в сторону — и все его характеристики ухудшаются. Кроме того, экспериментально установлено, что удельный расход топлива в моторах Баландина можно снизить еще минимум на 10% применением так называемого цикла с удлиненным расширением, т. е. с более длинным рабочим ходом поршня. Цикл этот не выгоден в обычных двигателях, так как приходится резко раздувать их габариты. В бесшатунных же двигателях требуемое увеличение габаритов ровно вдвое меньше, а с учетом их изначальной малогабаритности такой ‘подарок’ грех не принять.
И последнее. Производство опытных образцов моторов Баландина было в среднем в 1,6 раза дешевле производства равных по мощности обычных поршневых двигателей, причем серийных. То же самое, очевидно, будет иметь место и в новых разработках.
Каждый, кто познакомится с книгой Баландина, естественно, захочет узнать, почему так долго не публиковалась эта ценнейшая работа.
В 1957 г. Баландин получил ‘добро’ на публикацию материалов. Но и после этого Комитет по делам изобретений и открытий, оформив за две недели соответствующее авторское свидетельство, снабдил его грифом ‘без публикации’. И только один из иностранных журналов туманно сообщил, что в СССР созданы какие-то уникальные поршневые двигатели. Прошло еще десятилетие, прежде чем Сергей Степанович издал свою книгу. Дальше, видимо, откладывать было нельзя, хотя важнейшее изобретение не было запатентовано за границей. За авторским свидетельством Баландина стоят не только поршневые двигатели ближайшего будущего, но и поршневые насосы, компрессоры без смазки, пневмо- и комбинированные двигатели.
Использование двигателей Баландина сулит большие выгоды народному хозяйству. Для их разработки нужна, видимо, специальная конструкторская организация. Вопрос этот как межотраслевой должен решить Государственный комитет СМ СССР по науке и технике.
По мнению С.С. Баландина, первые двигатели могут быть разработаны и построены уже через два-три года после создания такой организации.
К. ЧИРИКОВ, инженер
( Цветом выделил Al. )
Странно, но в статье не жалуются на приёмистость бесшатунного двигателя, а выделенное в статье цветом вызывает ещё больше вопросов.
Что за вредитель-пресекатель в российском верху?
Дизельный двигатель для учебных самолетов
На протяжении последних десятилетий отечественное самолетостроение не вело серьезных работ в направлении легких поршневых учебно-тренировочных самолетов. Фактически, за несколько лет был создан только Як-152, да и то, его перспективы выглядят в достаточной мере туманными. В первую очередь, стоит отметить недостаточный интерес к проекту со стороны потенциальных заказчиков. Закупка новой техники обойдется в определенную сумму, а эксплуатационные расходы могут быть выше, чем ожидается.
Выходом из сложившейся ситуации может стать новый двигатель, при помощи которого перспективный Як-152 получит более высокие летные характеристики, а также не ухудшит экономические нюансы эксплуатации в сравнении со своим «предком» Як-52. Несколько лет назад российские авиастроители договорились с немецкой компанией RED Aircraft GmbH на предмет разработки перспективных двигателей для легких поршневых самолетов. Договором предусматривается создание двух авиационных дизельных двигателей. Они известны под обозначениями RED A03/V12 и RED A05/V6. Главное отличие этих моторов – количество цилиндров. RED A03/V12 имеет 12 цилиндров, расположенных по V-образной системе, а RED A05/V6, соответственно, шесть, что отражено в их названиях.
Впервые о начале работ над проектом стало известно осенью 2010 года, когда из Германии пришла новость о завершении сборки опытного образца 12-цилиндрового дизеля. Вскоре его установили на немного доработанный самолет Як-52, который получил новую мотораму. В ноябре 2010 года сообщалось, что новый двигатель имеет мощность в 500-700 лошадиных сил (первое время точных данных не было), а расход топлива составляет примерно 30 литров в час при скорости полета в 250 км/ч на двух третях мощности двигателя. Такие цифры заинтересовали любителей авиации, однако вскоре интерес пропал вместе с новыми сообщениями. Последующие несколько месяцев RED Aircraft потратили на доводку нового двигателя и демонстрации его на авиационных салонах.
Недавно появилась очередная новость о двигателе RED A03/V12. Руководство компании-разработчика заявило, что к концу текущего 2012 года испытания нового двигателя будут завершены, а в следующем году начнется сборка первого самолета Як-152, оснащенного дизелем. После изготовления опытного дизельного прототипа нового учебно-тренировочного самолета начнутся испытания и работы по получению всех необходимых документов. При наличии интереса со стороны заказчиков, серийное производство Як-152 с двигателями RED A03/V12 может начаться уже в 2014 году.
В нашей стране экспериментальный Як-52 с мотором RED A03/V12 впервые был продемонстрирован на Чемпионате мира по пилотажу на Як-52, прошедшем в июне этого года. Как и на более ранних зарубежных мероприятиях, опытный самолет экспонировался со снятым капотом. Кроме того, все желающие могли рассмотреть двигатель, стоящий на отдельной подставке, и задать свои вопросы непосредственным руководителям авиамоторного проекта. На составе авторов проекта стоит остановиться отдельно. Основателем компании RED Aircraft является известный в определенных кругах моторист и гонщик В. Райхлин. В прессе часто отмечается, что он является первым в мире инженером, которому удалось создать дизельный двигатель, способный стабильно работать на авиационном керосине и при этом сохранять достаточную для авиации надежность. В то же время, в эксплуатации уже находится несколько авиационных дизелей с возможностью использования керосина. Так что спишем утверждения о «первом в мире» на рекламу нового проекта. Также определенный интерес представляет «финансовая поддержка» проекта. Основным инвестором дизельной программы является холдинг «Финам». Примечательно, что аэродром в Большом Грызлове, на котором прошел июньский чемпионат, принадлежит именно этой организации и носит ее название.
Немного о конструктивных решениях, примененных в двигателях A03/V12 и A05/V6. Утверждается, что ряд узлов и агрегатов был спроектирован почти с нуля, а главная «изюминка» проекта – система EECU (Electronic Engine Control Unit – Электронный блок управления двигателем) – является полностью собственной разработкой RED Aircraft. В ведение этой аппаратуры входит контроль над работой двигателя в целом и его систем в отдельности, а также корректировка различных параметров для сохранения требуемого режима работы. Еще одно интересное решение касается всех прочих систем двигателя. Топливная и электрическая схемы двигателя, равно как турбонаддув и охлаждение, разделены на два независимых друг от друга контура. Благодаря такому решению, при отказе одного из контуров двигатель сохраняет работоспособность, хотя и теряет часть мощности. Тем не менее, и на оставшихся оборотах и лошадиных силах самолет может дотянуть до аэродрома. Естественно, без выполнения сложного пилотажа.
Большинство работ по доводке двигателя RED A03/V12 было закончено еще в конце прошлого года. В ходе испытательных полетов и регулировок сотрудники RED Aircraft определяли оптимальные режимы работы мотора. Кроме того, для повышения экономичности и эффективности работы двигателя пришлось уделить внимание взаимодействию двигателя и воздушного винта. В результате всех доработок удельный расход топлива (авиационный керосин) был доведен до уровня в 160 г/л.с.∙ч, а максимальная мощность, на которой двигатель может работать в течение длительного времени, достигла 480 лошадиных сил. Эта мощность сохраняется до высоты в три тысячи метров, где находится первая граница высотности. Что касается максимальной мощности на взлетном режиме, то она оказалась равной 500 л.с., а не 700, как говорилось ранее.
В целом, дизельные двигатели компании RED Aircraft являются достаточно интересным проектом, имеющим неплохие перспективы. Однако все радужные планы могут быть разрушены экономической ситуацией. Двигатели A03/V12 и A05/V6 предназначаются, в первую очередь, для перспективных отечественных учебно-тренировочных самолетов. Вряд ли этот сегмент авиационного рынка России можно назвать в достаточной мере развитым и массовым. Как следствие, спрос на новые Як-152 может быть недостаточным, что повлияет и на выпуск двигателей для него. Будем надеяться, в ближайшее время ремоторизированный Як-152 (в исходном проекте он оснащался бензиновым двигателем М-14Х) не только поднимется в воздух, но и привлечет внимание заказчиков, как в нашей стране, так и за рубежом. По итогам реакции на первый полет нового самолета можно будет делать более реалистичные выводы о перспективах самолета и двигателя.
