поршневой, бесшатунный двигатель внутреннего сгорания (варианты). Двигатель баландина устройство


Двигатель Баландина — Энциклопедия журнала "За рулем"

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 шток2 - коленчатый вал3 — подшипник кривошипа4 - кривошип5 — вал отбора мощности6 - поршень7 — ползун штока8 - 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 действия1 — поршневой шток2 - коленчатый вал3 — подшипник кривошипа4 - кривошип5 — вал отбора мощности6 - поршень7 — ползун штока8 - 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.

wiki.zr.ru

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.

Литература

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

В. ТИШАКОВ, инженер («За Рулем», №4, 1982)

own.in.ua

Двигатель без коленвала: миф или реальность

Для тех, кто активно интересуется различными  изобретениями, доработками и инновациями в сфере двигателестроения, следует обратить внимание на двигатель Ибадуллаева, а также на двигатель без коленчатого вала.

Если в первом случае речь идет о значительном увеличении степени сжатия и получении большой мощности без увеличения рабочего объема, то во втором следует понимать снижение механических потерь и рост КПД, расхода горючего, степени вибраций, общего веса ДВС и т.д. Давайте остановимся на моторе без коленвала более подробно.

Читайте в этой статье

Мотор без коленчатого вала: преимущества и сложности реализации

Итак, главной задачей и назначением любого ДВС является преобразование энергии, полученной от сгорания топлива, в механическую работу. Если просто, топливо сгорает в закрытом объеме, газы оказывают давление на поршень, через кривошипно-шатунный механизм возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное.

В результате создается крутящий момент двигателя, который передается через трансмиссию на колеса автомобиля. Примечательно то, что хотя с момента создания первых моторов и их внедрения в широкие массы прошло уже более 100 лет, общая конструкция ДВС не изменилась.

При этом постоянно ведутся работы, чтобы мотор мог работать без коленвала. Дело в том, что привычный  кривошипно-шатунный механизм не лишен целого ряда определенных минусов. Именно по этой причине инженеры стремятся избавиться от этого узла.

Дело в том, что работа КШМ связана с неизбежным создание трения и значительных боковых усилий, которые приводят к износу стенок цилиндров. В результате зеркало цилиндра повреждается, разрушаются поршневые кольца и т.д. Что касается потерь на трение, общий КПД двигателя заметно снижается.

Также двигатель с коленвалом сложно обслуживать, так как снятие коленвала без снятия двигателя на многих авто крайне сложно реализовать. Вполне очевидно, что если исключить указанные недостатки, двигатель станет более производительным, увеличится моторесурс.

Для решения задачи конструкторы предлагают разные подходы, однако на практике качественно реализовать большинство решений попросту не удается. Наибольшего внимания в данной области сегодня заслуживает двигатель Баландина и двигатель Фролова. Давайте остановимся на механизмах без шатунов и коленвала  более подробно.

Бесшатунный двигатель Баландина

Данный мотор известен тем, что в нем отсутствуют шатуны. Преобразование возвратно-поступательного движения поршней в цилиндрах происходит благодаря использованию в конструкции специального эксцентрического механизма.

Общее устройство бесшатунного двигателя предполагает наличие следующих деталей:

  • специальный поршневой шток
  • коленвал особой конструкции
  • подшипник кривошипа и кривошип
  • вал для отбора мощности
  • поршень
  • ползун штока
  • цилиндр

В таком ДВС вместо шатунов были использованы поршневые штоки, которые жестко прикреплены к поршням (в обычном агрегате для соединения используется поршневой палец). Указанные штоки, как и привычные шатуны, охватывают шейки коленвала.

Также на штоках с обеих сторон подшипника изготовлены ползуны. Эти ползуны скользят по специальным направляющим в картере мотора. В результате данная конструкция позволяет избавить поршень и стенки цилиндра от бокового усилия. Фактически, в такой схеме реализации поршень можно считать обычной обоймой для поршневых колец, уплотняющих зазор между цилиндром и поршнем.

Отсутствие боковых усилий позволяет снизить допуски применительно к размерам поршня. Двигатель становится более производительным, экономичным, возрастает ресурс. Также следует отметить компактность такого ДВС и сниженный вес. Однако главным минусом всей конструкции можно считать крайне высокие требования касательно общей точности изготовления указанного эксцентрика.

Двигатель Фролова: мотор без шатунов и коленвала

Основным принципом В. Фролова, который был положен в основу его разработок, является то, что  коленчатый вал является далекой от совершенства деталью. По этой причине талантливый инженер детально изучил конструкцию двигателя Баландина, после чего предложил ряд собственных доработок.

С учетом того, что недостатком бесшатунного мотора Баландина оставались повышенные требования к точности изготовления эксцентрика, на начальном этапе Фролов существенно модернизировал данный узел преобразования. Однако далее был признан факт, что полностью избавиться от недостатков схемы мотора Баландина крайне сложно.

Рекомендуем также прочитать статью о том, что такое двигатель FSI. Из этой статьи вы узнаете, какие особенности имеют двигатели данного типа, а также какие плюсы и минусы имеет указанный мотор.

При этом Фролов не остановился на достигнутом, а также не оставил мысль избавиться от коленвала.  Дальнейшие поиски надежных и эффективных механизмов преобразования привели к тому, что изобретатель обратил внимание на механизм ткацкого станка.

В результате был создан сегментно-роторный мотор, в основу которого были  положены как заимствованные и доработанные, так и собственные идеи. Полученный двигатель не имеет коленвала, вместо данной детали используется механизм, который по принципу действия и своему устройству похож на шарнир разных угловых скоростей. Такое устройство более известно под названием шарнир Гука.

Вращающиеся детали в таком двигателе Фролова работают благодаря использованию подшипников качения. Что касается смазочной системы, моторное масло подается под крышки клапанов, затем стекает, осуществляя смазку и отвод лишнего тепла. Чтобы масло хорошо охлаждалось, перед двигателем также отдельно установлен масляный радиатор.

Что в итоге

Как видно, даже с учетом сложности реализации, инженеры и конструкторы все равно продолжают искать способы для повышения общей надежности двигателей, увеличения их КПД, снижения расхода топлива.

Рекомендуем также прочитать статью о том, что такое двигатель GDI. Из этой статьи вы узнаете об особенностях конструкции, а также о преимуществах и недостатках моторов данного типа.

Также следует добавить, что западные производители также вплотную занимаются данным вопросом. Например, известная японская корпопрация Toyota также предложила свой вариант двигателя без коленвала. Хотя такой агрегат больше похож на электрический генератор, все равно его можно считать одной из версий ДВС.

С учетом вышесказанного становится понятно, что еще рано говорить об окончании эволюции двигателей внутреннего сгорания. Другими словами, не следует исключать возможность появления бесшатунных моторов, а также агрегатов без коленчатого вала на серийных транспортных средствах.

Читайте также

  • TSI двигатель: что это такое?

    Моторы линейки TSI. Конструктивные особенности, преимущества и недостатки. Модификации с одним и двумя нагнетателями. Рекомендации по эксплуатации.
  • GDI двигатель: что это такое?

    Конструктивные особенности двигателей GDI с непосредственным впрыском от моторов с распределенным впрыском топлива. Режимы работы, неисправности GDI.
  • TDI двигатель: что это такое?

    Дизельный мотор TDI. Отличительные особенности двигателя данного типа. Преимущества и недостатки, ресурс, особенности турбонаддува. советы по эксплуатации.

krutimotor.ru

Баландин С.С. Бесшатунные поршневые двигатели внутреннего сгорания

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.

Баландин С.С. Бесшатунные поршневые двигатели внутреннего сгорания. 1972г. (pdf)

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.

www.chipmaker.ru

Двигатель без коленвала — разбираемся с механизмом + видео » АвтоНоватор

На протяжении многих лет инженеры старались представить, как должен работать супердвигатель без коленвала. Ведь это снизило бы расход топлива и степень негативных последствий постоянной вибрации в моторе. И это случилось, изобретение вызвало многочисленные дискуссии. Попробуем составить впечатление об этом агрегате.

Как зарождался современный ДВС?

Если сравнивать автомобиль с организмом человека, то именно движок будет выполнять роль сердца. Без него эксплуатация транспортного средства попросту невозможна. Само слово мотор в переводе с латыни означает приводить в движение. И если в двух словах, то это устройство отвечает за преобразование энергии от сгорания топлива в механическую, без которой автомобиль не заведется.

Мотор автомобиля

Впервые о подобном агрегате услышали в далеком 1801 году, а благодарить за это изобретение следует французского инженера Филиппа Лебона. А вот создателем образцов, наиболее близких по строению к современным моторам, считают немецкого инженера-самоучку Николауса Отто. О его достижениях мир узнал спустя более 70 лет, в 1877 году.

Французский инженер Филипп Лебон

За пять лет до этого Брайтон попытался воплотить в жизнь силовой агрегат, который будет работать на керосине, предыдущие устройства функционировали за счет газа. Попытка оказалась неудачной. Но в 1882 году жизнь получил новый агрегат, работающий на жидком топливе – бензине. И благодарить за его появление на свет человечество обязано немецкого конструктора, инженера и промышленника Готтлиба Даймлера.

Почему мы хотим избавиться от коленчатого вала?

Более двухсот лет прошло с момента появления первого силового агрегата, и с тех пор многое изменилось. Появились различные модификации, теперь они работают на бензине, солярке, газе, но неизменной осталась функция и роль мотора в строении авто. Однако значительный скачок приходится именно на наш век. Сегодня зарождаются новые технологии, и уже есть разработки двигателей без коленвала. Но как может мотор работать без этого узла?

Двигатель без коленвала

Если разобраться, традиционный кривошипно-шатунный механизм имеет ряд недостатков. Например, во время его работы создается очень сильное боковое усилие на стенки цилиндра. Это приводит к преждевременному износу поршня. Еще подобное усилие значительно увеличивает потери на трение, а значит, страдает КПД. Чтобы исключить этот недостаток, нужен механизм, в котором шатун будет совершать только возвратно-поступательные движения. А вот угловые качения следует полностью устранить. Сейчас можно найти множество разработок подобных агрегатов. Некоторые из них имеют право на существование, другие никуда не годятся.

Кривошипно-шатунный механизм

Основой многих изобретений выступает бесшатунный двигатель Баландина. Его работа заключается в преобразовании возвратно-поступательных движений благодаря специальному эксцентрическому механизму, к которому предъявляются очень высокие требования, что и мешает сделать мотор доступным.На сегодняшний день у инженеров получилось создать рабочий и прошедший все испытания двигатель, в котором уменьшили количество подшипников коленвала. Это двухпоршневые конструкции. И скорее всего в ближайшие годы этот образец будет пущен в массовое производство. Это, конечно, не воплотило мечту миллионов в реальность, но существенно приблизило нас к ней. А пока что ДВС без коленвала остается навязчивой идеей, и поиски решений продолжаются.

Как видит работу мотора без коленвала Баландин?

Рассмотрим основные элементы и принцип работы таких чудо-агрегатов. Идеально гладкий поршень, на поверхности которого нанесена специальная волнообразная выемка, насаживается на вал. Сюда фиксируется и золотник. Его крепят посредством болтового соединения. Сверху поршня надевается гильза. Вся конструкция помещается в корпус. В его верхней части предусмотрена специальная выемка, куда и устанавливается ролик, а затем она закрывается крышкой на болтах.

Имеется головка, в которую вставляется свеча зажигания. С боковой стороны устанавливается глушитель, который тоже фиксируется посредством четырех длинных болтов. С противоположного торца от головки устанавливается система зажигания и соединяется со свечей посредством тонких трубок. А рядом сбоку крепится карбюратор.

Свечи зажигания для мотора Баландин

Если желаете более наглядно ознакомиться с принципом работы двигателя без коленвала, видео с подробной схемой мы разместили чуть ниже, а сейчас опишем этот процесс в общих чертах. Поршень делает возвратно-поступательные движения. Вал и поршень имеют сквозные отверстия, расположенные в одной плоскости. В них вставляется цилиндр, благодаря которому обеспечивается жесткое соединение. Поэтому при вращении вала вокруг своей оси такие манипуляции испытывает и прикрепленная к нему деталь.

Топливо поступает из бензобака в карбюратор, где распыляется через специальный клапан и перемешивается с воздухом. Когда поршень движется в сторону головки, открывается впускное окно и топливно-воздушная смесь поступает в подпоршневое пространство. Затем окно закрывается, а горючее сжимается вследствие изменения движения детали в противоположную сторону. В это время открывается продувочное окно, и смесь поступает в камеру сгорания, где опять происходит ее сжатие, обусловленное движением поршня.

Поршни двигателя без коленвала

Когда поршень находится в крайнем положении, в камере возникает огромное давление и горючее воспламеняется. Этот мини-взрыв толкает поршень в противоположную сторону. Пройдя немного, он открывает канал, через который отработанные газы покидают камеру сгорания. И этот процесс циклично повторяется на протяжении всей работы движка.

Технически подкованным людям при просмотре видеодемонстрации наверняка бросаются в глаза некоторые слабые места такой разработки. И конструкторы продолжают искать пути к повышению надежности и устойчивости такого механизма. Анализ крупных салонов последнего десятилетия показывает, что гиганты автопрома усердно трудятся над совершенствованием мотора. Поэтому есть надежда, что двигатели внутреннего сгорания без коленвала совсем скоро получат реализуемую и надежную конструкцию и автопарк всего мира существенно изменится.

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

carnovato.ru

"Бесшатунные Двигатели Внутреннего Сгорания" Баландин C.C.

Боливар 09-12-2007 11:19

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).

http://www.zshare.net/download/4982889afea182/

ИР 1-1974ВЫ МАЛО ЗНАЕТЕ О ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ.

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

guns.allzip.org

поршневой, бесшатунный двигатель внутреннего сгорания (варианты) - патент РФ 2406838

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению. Техническим результатом является повышение экономичности и ресурса двигателя за счет уменьшения трения поршней о стенки цилиндра. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит коленвал с радиусом кривошипа, равным четверти хода поршня, размещенный на кривошипе эксцентрик с эксцентриситетом, равным четверти хода поршня, и ползун, надетый на эксцентрик и опирающийся на боковые поверхности картера. Ползун соединен с поршнем при помощи штока. Для прохождения «мертвых» точек механизм оснащен фиксаторами в виде подпружиненных роликов, которые позволяют вращаться коленвалу только в одну сторону, а эксцентрику - в противоположную. Например, на эксцентрике устанавливается упор в виде эвольвентного зуба или цилиндрического штифта, а на картере выполняются ответные впадины. 3 н.п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и может быть использовано на транспортных средствах: мотоциклах, автомобилях, речных судах, летательных аппаратах, а также в качестве привода стационарных энергетических установок.

Аналогом предлагаемому двигателю являются бесшатунные двигатели Баландина (Баландин С.С. Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания, 1972).

В бесшатунных двигателях Баландина в несколько раз снижаются потери на трение, значительно увеличивается КПД, повышается надежность и создаются условия для увеличения ресурса двигателей за счет снижения трения поршней о цилиндры вследствие применения бесшатунного механизма преобразования движения.

Механический КПД опытных бесшатунных моторов Баландина равен 94% против 75 85% двигателей с кривошипно-шатунными механизмами.

Прототипом является двигатель внутреннего сгорания Баландина, выполненный по схеме со спаренным эксцентриком (То же, стр.14. Рис. 11в).

Коленчатый вал этого двигателя аналогичен коленчатому валу кривошипно-шатунного двигателя, но имеет в два раза меньший радиус кривошипа. На шатунной шейке коленвала установлен спаренный эксцентрик. На эксцентрики устанавливаются ползуны, которые через штоки соединены с поршнями. Ползуны относительно друг друга расположены под углом 90°, поэтому двигатель может быть выполнен по Х и V-образным схемам.

Этот двигатель имеет недостатки. Так как эксцентрик спаренный, то двигатель невозможно выполнить рядным, расположить цилиндры в одной плоскости, что для автомобилестроения немаловажно. На коленвале невозможно выполнить среднюю опору между цилиндрами из-за спаренного эксцентрика, поэтому двигатель имеет небольшой ресурс. Двигатель сложен в изготовлении.

Изобретение направлено на устранение перечисленных недостатков.

Техническим результатом для всех трех вариантов является повышение экономичности и ресурса двигателя за счет уменьшения трения поршней о стенки цилиндра. Сущность изобретения заключается в том, что каждый цилиндр двигателя оснащен своим эксцентриком, расположенным на кривошипе коленвала, а также оснащен фиксаторами для прохождения средних «мертвых» точек. Для недопустимости обратного вращения коленвала на его коренной шейке также установлен фиксатор. Как вариант, для прохождения «мертвых» точек на эксцентрике устанавливается упор в форме эвольвентного зуба или в форме штифта, а в картере выполнены ответные впадины. Сущность изобретения поясняется при помощи чертежей.

На фиг.1 показан описываемый бесшатунный двигатель;

на фиг.2 - то же, разрез по А-А фиг.1;

на фиг.3 - то же, при положении поршня в средней правой «мертвой» точке;

на фиг.4 - то же, при положении поршня в средней левой «мертвой» точке;

на фиг.5 - то же, момент прохождения поршнем средней правой «мертвой» точки по инерции;

на фиг.6 - двигатель, разрез по Б-Б фиг.1;

на фиг.7 показаны силы, действующие при пуске двигателя в момент прохождения поршнем средней правой «мертвой» точки;

на фиг.8 показаны силы, действующие при пуске двигателя в момент прохождения поршнем средней левой «мертвой» точки;

на фиг.9 показано прохождение средней «мертвой» точки эксцентриком с упором в форме эвольвентного зуба;

на фиг.10 показано взаимное расположение зубьев и впадин:

- а - 15° до средней «мертвой» точки;

- 6 - 30° после средней «мертвой» точки;

на фиг.11 - показан пример выполнения упора эксцентрика в форме штифта;

Фиг.12 - поршень с ползуном и штоком, выполненные одной деталью;

Фиг.13 - четырехцилиндровый поршневой, бесшатунный двигатель.

Двигатель состоит из картера 1 (см. Фиг.1 и 2), в котором находится механизм преобразования движения, состоящий из коленвала 2, эксцентрика 3, ползуна 4, штока 5. Шток соединен с ползуном через палец 6. К картеру крепится цилиндр 7, в котором установлен поршень 8 с поршневыми кольцами 9. Поршень соединен со штоком поршневым пальцем 10. К цилиндру крепится головка цилиндра 11, на который установлена свеча зажигания 12, впускной и выпускной клапаны 13, 14. На картере выполнены направляющие поверхности 15 для ползуна. В ползуне установлены ролики 16, фиксируемые пружинами 17. На двигателе установлены система охлаждения, система смазки, система топливопитания, система пуска, механизм газораспределения, как на обычных поршневых двигателях внутреннего сгорания.

Особенностью предлагаемого двигателя является то, что он имеет четыре «мертвые» точки. Верхняя «мертвая» точка - при положении поршня в крайнем верхнем положении. Нижняя «мертвая» точка - при положении поршня в крайнем нижнем положении. Средняя-правая «мертвая» точка - при положении поршня в середине между крайними положениями, при этом кривошип коленвала повернут вправо на 90° от оси цилиндра. Средняя-левая «мертвая» точка при положении поршня в середине между крайними положениями, при этом кривошип коленвала повернут влево на 90° от оси цилиндра. Средние правая и левая «мертвые» точки показаны на Фиг.3 и 4. Прохождение «мертвых» точек работающего двигателя происходит за счет инерционных сил. На Фиг.5 показан момент прохождения средней-правой «мертвой» точки. Поршень двигается вниз, коленвал вращается вправо, эксцентрик вращается влево и проходит среднюю «мертвую» точку за счет инерционной силы 18 от поршня, ползуна, штока и эксцентрика.

Для прохождения средних «мертвых» точек неработающего двигателя, например в момент пуска двигателя, в ползуне установлены фиксаторы, которые состоят из роликов и пружин. Фиксаторы позволяют вращаться эксцентрику только в одну сторону. Для недопущения вращения коленвала в обратную сторону на картере в опоре коренной шейки коленвала установлены фиксаторы (см. Фиг.6), состоящие из роликов 19 и пружин 20.

Действие сил при прохождении средней-правой «мертвой» точки при пуске двигателя показано на Фиг.7. При пуске двигателя пусковое устройство сообщает коленвалу угловую скорость , при этом кривошип коленвала действует в точке А на эксцентрик с силой Р. Ролик 16 фиксирующего устройства, находящийся справа, тормозит эксцентрик 4 в точке В. Сила Р на плече L создает момент М, который вращает эксцентрик. Эксцентрик, вращаясь, двигается вниз, тянет за собой ползун, который через шток двигает поршень со скоростью v.

Действие сил при прохождении средней-левой «мертвой» точки при пуске двигателя показано на Фиг.8. При пуске двигателя пусковое устройство сообщает коленвалу угловую скорость , при этом кривошип коленвала действует в точке А на эксцентрик с силой Р. Ролик 16 фиксирующего устройства, находящийся слева, тормозит эксцентрик 4 в точке В. Сила Р на плече L создает момент М, который вращает эксцентрик. Эксцентрик, вращаясь, двигается вверх, тянет за собой ползун, который через шток двигает поршень со скоростью v.

Для прохождения средних «мертвых» точек в момент пуска двигателя (как вариант) на эксцентрике можно установить упор в виде зуба или штифта, а на картере сделать упор в виде выемки. Прохождение средней «мертвой» точки эксцентрика с упором, выполненным в форме зуба, показано на Фиг.9. Эвольвентный зуб 21 выполняется за одно целое с эксцентриком или изготавливается отдельной деталью и закрепляется на эксцентрике со стороны кривошипа. На картере выполнены напротив кривошипа в средней левой и правой «мертвых» точках две выемки 22 в форме впадин шестерен с внутренним зубчатым зацеплением. Д1 - делительный диаметр для зуба. Д2 - делительный диаметр впадин. Делительный диаметр зуба Д1 равен половине диаметра Д2 впадин.

На Фиг.10,а показано положение зуба эксцентрика в момент 15° до средней «мертвой» точки. На Фиг.10,б показано положение зуба эксцентрика в момент - 30° после средней мертвой точки поворота кривошипа коленвала.

На Фиг.11 упор эксцентрика выполнен в форме штифта 23, диаметр Д1 равен половине диаметра Д2, поэтому впадина 24 имеет форму цилиндрической галтели. При любом другом отношении диаметров Д1 к Д2 впадина будет иметь вид циклоиды.

Упоры в виде зубьев или штифтов можно разместить на картере, а впадины выполнить на эксцентрике.

Детали - поршень, поршневой палец, шток, палец штока, ползун - можно выполнить одной целой деталью, как у двигателей Баландина. Такая деталь показана на Фиг.12.

Работа предлагаемого двигателя не отличается от работы поршневого двигателя внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом.

Двигатель может быть двухтактным или четырехтактным, может быть бензиновым или дизельным.

Отличительной особенностью предлагаемого бесшатунного двигателя является то, что он может быть рядным или оппозитным, а при выполнении двигателя четырехцилиндровым двигатель полностью уравновешен. Инерционные силы поршней, эксцентриков, ползунов соответственно попарно направлены друг к другу, поэтому взаимно компенсируются. Возникающий момент пары сил M1 от поршней П1 и П2 компенсируется моментом М2 от поршней П3 и П4 (см. Фиг.13).

Преимущество предлагаемого двигателя перед двигателем с кривошипно-шатунным механизмом - в уменьшении трения поршней о стенки цилиндров, в результате чего в несколько раз снижаются суммарные потери мощности на трение, значительно увеличивается коэффициент полезного действия, улучшается экономичность, повышается моторесурс.

Предлагаемый двигатель можно легко построить из автомобильного двигателя. Необходимо заменить коленвал автомобиля на коленвал с кривошипами с уменьшенным в два раза радиусами, в картере необходимо выполнить направляющие плоскости для ползунов. Установить ползуны с эксцентриками на кривошипы. В ползуны и в опору коленвала установить фиксаторы (шарики или ролики с пружинами).

Увеличение себестоимости изготовления двигателя окупается экономией топлива и увеличением ресурса по предварительным расчетам в два-три раза.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Поршневой, бесшатунный двигатель внутреннего сгорания, состоящий из картера, к которому крепится цилиндр, с размещенным в нем поршнем с поршневыми кольцами, закрепленной к цилиндру головкой с камерой сгорания и свечей зажигания, механизмом газораспределения, системой смазки, системой охлаждения, системой пуска, системой топливопитания, механизмом преобразования прямолинейного движения во вращательное движение, состоящего из коленвала с кривошипом, равным четверти хода поршня, эксцентриком с эксцентриситетом, равным четверти хода поршня, размещенным на кривошипе, ползуна, надетого на эксцентрик, опирающегося на опорные плоскости, выполненные в картере, отличающийся тем, что, с целью упростить конструкцию и уменьшить механические потери, для каждого цилиндра выполняется отдельный эксцентрик, который фиксируется для прохождения «мертвых» точек подпружиненными роликами, установленными в отверстиях, выполненных в ползунах по касательной к диаметру эксцентрика, для недопущения вращения коленвала в нерабочую сторону, в опоре картера шейки коленвала установлены подпружиненные ролики.

2. Поршневой, бесшатунный двигатель внутреннего сгорания, состоящий из картера, к которому крепится цилиндр, с размещенным в нем поршнем с поршневыми кольцами, закрепленной к цилиндру головкой с камерой сгорания и свечей зажигания, механизмом газораспределения, системой смазки, системой охлаждения, системой пуска, системой топливопитания, механизмом преобразования прямолинейного движения во вращательное движение, состоящего из коленвала с кривошипом, равным четверти хода поршня, эксцентриком с эксцентриситетом, равным четверти хода поршня, размещенным на кривошипе, ползуна, надетого на эксцентрик, опирающегося на опорные плоскости, выполненные в картере, отличающийся тем, что для прохождения «мертвых» точек на эксцентрике устанавливается упор в форме эвольвентного зуба, а в картере имеются две выемки в форме эвольвентных впадин, расположенные напротив друг друга в плоскости оси коленвала, перпендикулярной плоскости цилиндра, при этом диаметр делительной окружности зуба в два раза меньше делительного диаметра впадин.

3. Поршневой, бесшатунный двигатель внутреннего сгорания, состоящий из картера, к которому крепится цилиндр, с размещенным в нем поршнем с поршневыми кольцами, закрепленной к цилиндру головкой с камерой сгорания и свечей зажигания, механизмом газораспределения, системой смазки, системой охлаждения, системой пуска, системой топливопитания, механизмом преобразования прямолинейного движения во вращательное движение, состоящего из коленвала с кривошипом, равным четверти хода поршня, эксцентриком с эксцентриситетом, равным четверти хода поршня, размещенным на кривошипе, ползуна, надетого на эксцентрик, опирающегося на опорные плоскости, выполненные в картере, отличающийся тем, что для прохождения «мертвых» точек на эксцентрике устанавливается упор в форме штифта, а в картере выполняются две выемки, расположенные напротив друг друга в плоскости оси коленвала, перпендикулярной плоскости цилиндра, форма которых может быть цилиндрической или циклоидной в зависимости от отношения диаметров, на которых расположены штифт и впадины.

www.freepatent.ru