Первые в мире: отечественные бесшатунные двигатели
Компьютерный концепт бесшатунного мотора ОМ-127РН
Шедевр механики
Зачем, собственно, изымать из двигателя шатун? Двигателю внутреннего сгорания в привычном виде уже более 160 лет, и никто не собирается вторгаться в его устоявшуюся конструкцию. Но так было не всегда. Советский инженер Сергей Степанович Баландин из ОКБ № 2 Наркомата авиационной промышленности в 30-е годы совершил небольшую техническую революцию и лишил двигатель шатунов.
Кривошипно-шатунный механизм сам по себе всем хорош, но имеет недостатки. Например, боковой наклон шатуна во время работы вдавливает поршень в стенку цилиндра. Отсюда повышенный износ — всем знакома эллипсоидная форма цилиндра на больших пробегах, нарушающая герметичность камеры сгорания. Механика движения шатуна вызывает паразитные вибрации, для компенсации которых требуются специальные балансирные валы. Мотор с шатунами и коленчатым валом габаритен и тяжёл. Из-за высоких инерционных нагрузок от тяжёлых шатунов и поршней при смене направления движения в верхней и нижней мёртвых точках возникают колоссальные нагрузки на разрыв, что ограничивает максимальные обороты. Если убрать шатун, то большая часть проблем исчезает.
Автор разработки Сергей Баландин в своей книге пишет:
Бесшатунный механизм позволяет конструктивно просто осуществлять при малых габаритах и высокой быстроходности двигателей двусторонний рабочий процесс в цилиндрах и получать вследствие этого почти удвоенную литровую и габаритную мощность.
Сергей Степанович Баландин
Бесшатунный двигатель Баландина ОМБ мощность 80-140 л.с. в зависимости от исполнения
Что из себя представляет двигатель Баландина, или бесшатунный ДВС? С одной стороны, всё просто — два противоположных поршня жёстко соединяются между собой штоком. Компоновка у мотора может быть или оппозитная, или звездообразная. Никаких V-образных и рядных ДВС с бесшатунной схемой быть не может. Отсутствие шатунов заметно облегчает конструкцию мотора, снижает до нуля боковые силы, действующие на поршень, отчего практически отсутствует износ юбки и зеркала цилиндров. Снижаются в несколько раз суммарные потери мощности на трение, растёт КПД и эффективнее расходуется топливо. При всех прочих равных у бесшатунного мотора выше литровая мощность и потенциал для наращивания оборотов. Несомненным плюсом ДВС без шатунов считается возможность организации двухстороннего рабочего процесса в цилиндрах.
Исполнения бесшатунного мотора с двухсторонним рабочим процессом
Что это такое? Не стоит его путать с двухтактным рабочим процессом. Двухсторонний рабочий процесс в ДВС (или использование цилиндров двойного действия) — это принцип работы, при котором сгорание топливно-воздушной смеси и расширение газов происходят по обе стороны от поршня, а не только с одной (сверху), как в обычных двигателях. Это очень серьёзное усовершенствование мотора, обеспечивающее резкий рост литровой мощности при всех прочих равных. Например, экспериментальный 8-цилиндровый бесшатунный мотор с двухсторонним рабочим процессом ОМ-127РН выдавал 3200–3500 л.с. Рабочий объём агрегата был всего 22 литра, а масса — 2,1 тонны. Для 1940-х годов это были рекордные показатели.
Моторы (без)будущего
Как и с любой технической инновацией, с бесшатунными схемами было непросто. Например, механизм передачи крутящего момента от поршней к валу очень сложен в изготовлении. В настоящее время известны три варианта исполнения — планетарная передача, эксцентриковый узел и ползуны. В отличие от классического коленчатого вала, эти механизмы требуют высочайшей культуры изготовления. Производственные допуски минимальны, а с этим возникает проблема теплового расширения — при неравномерном нагреве бесшатунный механизм мог запросто заклинить. Непросто было организовать смазку высоконагруженных подшипников коленчатого вала, эксцентриков и планетарной передачи.
У бесшатунных моторов для своего времени была крайне низкая ремонтопригодность — для настройки требовалось балансировочное оборудование. Опыт эксплуатации показал, что боковое усилие, которое в классическом кривошипно-шатунном механизме передаётся поршнем на стенку цилиндра, в бесшатунном моторе никуда не исчезает физически — оно переносится на ползуны, направляющие штоков или зубья шестерён механизма. Эти детали имеют меньшую площадь контакта и испытывают огромные контактные напряжения, из-за чего быстро изнашиваются. Для ремонта столь непростых агрегатов у мастеров техническая культура должна была быть на порядок выше.
Принципиальные варианты передачи крутящего момента от поршней к валу в бесшатунном ДВС
Можно с уверенностью говорить о том, что идея Баландина заметно опередила своё время. Но перспективы у бесшатунного мотора были несомненные. За относительно короткий срок с 1938 по 1948 годы под руководством Баландина был разработан, построен и испытан целый ряд опытных бесшатунных двигателей: ОМБ, МБ-4, МБ-4б, МБ-8, МБ-8б, ОМ-127, ОМ-127РН, различных по конструкции и мощности. Основной сферой применения должна была стать авиация — только здесь можно было мириться с высокой стоимостью и сложностью бесшатунных моторов. Но на сцену вышли реактивные силовые установки, и схема Баландина так и осталась в разряде технической экзотики.
Поперечный срез двигателя МК-127К
Вершиной «бесшатунного творчества» можно считать гигантский М-127К, созданный в конце 40-х годов. Если бы не эра реактивной авиации, именно он стал бы основным мотором советской авиации. Полное наименование аппарата — Х-образный наддувный двадцатичетырёхцилиндровый бесшатунный двигатель двойного действия М-127К мощностью 10 000 л.с. Так и хочется сказать: умели же делать в своё время! Рабочий объём — 82 литра, а масса чрезвычайно малая для такой мощности — всего 3450 кг. На базе этого мотора соорудили ещё большего монстра — бесшатунный дизель мощностью 14 000 л.с.
Несмотря на то, что авиационный бесшатунный мотор оказался бесперспективным, это не стало концом для всей разработки. В Музее Гаража особого назначения на ВДНХ можно увидеть уникальный экспонат — мотор ЗИЛ-БД-1800. Разумеется, этот аппарат был создан на основе идей Сергея Баландина. Идея возникла в конце 1979 года, когда инженер В. Г. Тишаков предложил конструкторам дизельного КБ московского автозавода создать силовую установку принципиально нового типа. Концепция вызвала серьёзный интерес у руководства: разработку лично контролировали ведущие специалисты управления конструкторских и экспериментальных работ (УКЭР) ЗИЛа — главный конструктор В. К. Кошкин и его заместитель А. В. Брагин.
ЗИЛ-БД-1800
Путь от теоретических расчётов до реального металла занял несколько лет: сначала в 1985 году была построена экспериментальная двухцилиндровая оппозитная модель для проверки жизнеспособности механизма. Накопленный опыт позволил к 1989 году собрать два полноценных опытных образца ЗИЛ-БД-1800 уже с четырьмя цилиндрами. Есть информация, что второй опытный экземпляр работал на солярке. Двигатель получил компактную оппозитную архитектуру и уникальную кинематику: коленчатый вал совершал сложное двойное вращение (вокруг своей оси и вокруг оси кривошипа). При этом движение узла «поршень–шток» подчинялось строгой синусоиде, что исключало паразитные силы инерции высших порядков, а применение линейных подшипников скольжения полностью избавило цилиндры и поршни от боковых сил трения, гарантируя мотору высокий КПД и плавную работу.
Точные данные о параметрах мотора в открытом доступе отсутствуют, поэтому приходится только предполагать. Если экстраполировать характеристики моторов Баландина на разработку ЗИЛа, то мощность 1,8-литрового мотора могла превышать 110–120 л.с. При этом ДВС весил 70–80 кг — не более. Даже для современного уровня развития двигателестроения характеристики почти выдающиеся, не говоря уже о конце 80-х годов. Но ЗИЛ-БД-1800 так и остался опытной разработкой, а потом занял место в музее. 90-е годы в новой России никого не щадили, и бесшатунный мотор не стал исключением.
Поршневой шток и коленвал бесшатунного ОМБ
Ни о каком втором рождении идеи Баландина в массовом производстве речи быть не может. Слишком большие затраты на перевод автомобилей и поршневых самолётов на бесшатунные ДВС, а дивиденды не вдохновляют инвесторов. При этом современная производственная культура позволяет выпускать моторы с приемлемым уровнем качества и надёжности. Отечественные моторостроители-энтузиасты в гаражных условиях редко, но методично демонстрируют работоспособные варианты бесшатунных моторов. Неожиданную актуальность тема моторов Баландина приобрела в беспилотной авиации. В качестве силовой установки для БПЛА средней и большой дальности компактный ДВС без шатунов подходит почти идеально. Сергей Степанович очень детально описал нюансы разработки моторов, и этим явно стоит воспользоваться — или хотя бы провести экспертную оценку целесообразности внедрения бесшатунных моторов в беспилотную авиацию.
Информация