Автор Валерий Васильев

С момента появления двигателя внутреннего сгорания специалисты всего мира непрерывно занимаются его совершенствованием. Каких только конструкций за прошедшее время не было придумано. Однако лишь малой части из них удалось стать серийными образцами. Остальные, несмотря на оригинальность заложенных идей, так и не вышли из стадии эксперимента. Впрочем, имеются силовые установки, которые, прежде чем завоевать «место под солнцем», проходят тернистый и долгий путь. Одной из них является бесшатунный двигатель.

ИСТОКИ

Известно, что в кривошипно-шатунных механизмах двигателей внутреннего сгорания почти четвертая часть полезной мощности уходит на трение. Другая отрицательная сторона таких моторов — увеличение сил инерции, количества вспышек с повышением числа оборотов, а следовательно, и рост тепловой напряженности цилиндра. Действительно, преобразование прямолинейного перемещения поршня во вращательное движение коленчатого вала с помощью шатуна вызывает появление бокового усилия на стенку цилиндра. Чтобы избежать связанного с этим повышенного износа поршней, им придают конусную форму, а их юбки делают эллипсными. Однако это не решает проблемы в корне. Неизбежная боковая нагрузка на стенку цилиндра увеличивает потери на трение, отрицательно отражающиеся на величине механического КПД двигателя. Бороться с этим явлением можно с помощью конструкции, в которой шатун бы двигался только возвратно-поступательно, не совершая угловых качаний относительно поршневого пальца.



1 — Поршень
2 — Шток
3 — Направляющие крейцкопфа
4 — Коленчатый вал
5 — Камеры сгорания
6 — Шестирёнчатый вал, синхронизирующий вращение кривошипа
7 — Кривошип
8 — Крейцкопф

За практическое воплощение такой идеи еще в 1940 году взялся выдающийся отечественный инженер С. С. Баландин. На базе 5-цилиндрового звездообразного авиационного мотора М-11 он создал версию с четырьмя цилиндрами, названную ОМБ — особый мотор Баландина. Испытания этого образца и его модификации, построенной в 1944 году, дали потрясающие результаты. Бесшатунный двигатель оказался на 33% мощнее и на 84% меньше в площади поперечного сечения, вдвое уменьшились размеры радиаторов систем охлаждения и смазки. Но самое главное—за счет резкого сокращения потерь на трение между поршнем и цилиндром механический КПД увеличился с 0,86 до 0,94, а моторесурс вырос в 18 раз! Снизился и удельный расход топлива.

В ОКБ-2 Наркомата авиапромышленности, возглавляемом С. С. Баландиным, по той же схеме было изготовлено и испытано несколько других опытных двигателей. В любом из них две противоположные пары поршней связаны между собой жестким штоком, который в середине имеет подшипник, охватывающий шейку коленчатого вала. На каждом штоке по обеим сторонам подшипника выполнены ползуны, которые скользят по направляющим в картере, полностью разгружая поршень и цилиндр от боковых усилий. Неудивительно, что в данном случае поршень превращается в своеобразный держатель для поршневых колец, которые герметизируют стык поршень—цилиндр. Поэтому допуски на размеры поршня устанавливаются менее жесткими. Сам по себе коленчатый вал не простой — он разрезан на три части. Средняя часть похожа на обычный коленчатый вал, а крайние являются кривошипами, в которых на подшипниках вращается средняя часть. Благодаря этому штоки с поршнями ходят взад-вперед, а коленчатый вал вращается. Для синхронизации вращения кривошипов, а также для съема мощности служит специальный вал: крутящий момент на его шестерни передают зубчатые венцы, расположенные на кривошипах.



1 — Поршень
2 — Кривошип
3 — Коленчатый вал
4 — Шатунный подшипник
5 — Подшипник кривошипа
6 — Шток

Нельзя не отметить, что если в обычном поршневом двигателе сила давления газов передается через относительно маленький подшипник верхней головки шатуна, а затем через подшипник его нижней головки (он уже больше, но и нагрузки здесь возрастают: добавляются силы инерции от вращения), то в схеме Баландина подшипник всего один, да и размер его гораздо солиднее, чем у подшипника нижней головки обычного шатуна. Силы инерции у «бесшатунника» также меньше, а сама нижняя головка является неразъемной. Пары поршней перемещаются возвратно-поступательно по двум взаимоперпендикулярным направлениям. Когда один из них приближается к головке цилиндра, осуществляя сжатие топливновоздушной смеси, другой, жестко связанный с ним штоком, удаляется от головки противоположного цилиндра, движимый энергией уже подожженной смеси. При этом механизм функционирует с частотой 2000 двойных ходов в минуту или почти 70 — в секунду.

Естественно, при отсутствии угловых колебаний штока относительно поршня появляется возможность создания двигателя двойного действия. В итоге рабочий процесс идет по обе стороны поршня, что позволяет получить почти вдвое большую мощность. Помимо 4-цилиндровой схемы бесшатунного двигателя возможны конструкции с восемью, двенадцатью, шестнадцатью цилиндрами и т. д. Правда, в тот период считалось, что угол между цилиндрами из-за особенностей кинематической схемы допустим любой, кроме 0° и 180°, поскольку, по мнению специалистов, невозможно было получить конструкцию, в которой цилиндры расположены в один ряд или оппозитно. Зато препятствий для создания низкого компактного мотора с крестообразным, Х-образным или V-образным расположением цилиндров не существовало.

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.

Бесспорность перехода авиации на реактивную тягу привела в начале 50-х годов прошлого века к сворачиванию деятельности ОКБ Баландина, хотя уже тогда удалось разработать поршневые моторы, равные по мощности, габаритам и массе турбовинтовым двигателям, к тому же более экономичные. В 1957 году С. С. Баландин, уже после прекращения работ, получил закрытое для публикации авторское свидетельство на «Двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом». После снятия запрета вышла книга «Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания» (первое издание — в 1968 году, второе — в 1972-м).

ДЕНЬ НЫНЕШНИЙ И ДЕНЬ ГРЯДУЩИЙ

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.

И все-таки двигатель Баландина так и не получил широкого распространения. Почему? Главный изъян мотора — появление так называемых избыточных кинематических связей. Дело в том, что шток, связывающий между собой поршни, имеет три опоры. Дополнительная опора в этом случае играет роль избыточной связи. Чтобы такой механизм надежно функционировал, необходима либо высокая податливость опор, либо безупречная точность изготовления деталей. А поскольку опоры коленчатого вала или сам вал сделать податливыми нельзя, остается уповать на технологию высочайшего уровня, доступную эксклюзивным производствам. Но даже при выполнении этого условия естественный износ деталей во время работы может свести все усилия по получению высокой точности на нет. Однако остается еще один способ выбраться из тупика — изменить кинематическую схему. Как раз этим и воспользовался инженер А. Вуль из Харькова, предложивший собственный способ решения проблемы. Вообще, вопросами бесшатунного двигателя украинский последователь С. С. Баландина вместе со своими единомышленниками занимается 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.

Не останавливаясь на достигнутом, группа А. Вуля пошла дальше: был построен 4-цилиндровый дизель с оппозитным расположением цилиндров, что прежде в бесшатуной схеме реализовать не удавалось. Двигатель оборудован непосредственным впрыском и двойным наддувом, включающим турбокомпрессор и механический наддув. Рабочий объем двигателя составляет 2 л, мощность — 150 л.с. Подобные характеристики позволяют устанавливать мотор на многие виды автотранспортной техники.

Вместе с тем было проведено эскизное проектирование и прочностное моделирование наиболее нагруженных элементов оппозитного дизеля на основе классического кривошипно-шатунного механизма, имеющего ту же размерность, аналогичный рабочий процесс и примерно те же габаритные размеры, что и у дизеля на основе бесшатунной схемы. Такой подход связан, в первую очередь, с тем, чтобы более критично оценить ожидаемые преимущества бесшатунного двигателя. Наличие трехопорного коленчатого вала в спроектированном оппозитном двигателе с кривошипно-шатунным механизмом, конечно, не является идеальным решением, но многолетняя зарубежная практика эксплуатации оппозитных бензиновых моторов с экстремальным форсированием (Subaru, Porsсhe, Ferrari, Volkswagen) позволяет предположить, что проблема усталостной прочности коленчатого вала является разрешимой.

Выводы, сделанные при сравнении двигателей обоих проектов, не во всем совпали с ожиданиями разработчиков. Например, при организации подпоршневого наддува в бесшатунном двигателе его преимущество нивелируется, а масса «бесшатунника» с подпоршневым наддувом несколько превышает массу аналога с кривошипно-шатунным механизмом, не имеющего подпоршневого наддува.

Повышенный механический КПД бесшатунного двигателя обеспечивается переносом трения юбки поршня о гильзу из «горячей» зоны с ухудшенными условиями смазки внутрь механизма, где используются линейные подшипники скольжения с эффективной жидкостной смазкой. Помимо всего прочего это приводит к заметному увеличению ресурса цилиндропоршневой группы. Увеличенный тепловой КПД стал возможен благодаря иному закону движения поршня. Расчетное уменьшение расхода топлива в этом случае достигает 5–7%. При прочих равных условиях поршень в таком двигателе находится дольше возле верхней мертвой точки, что увеличивает объем топлива, сгоревшего при постоянном объеме.

Поскольку закон движения поршня точно соответствует синусоидальному, силы инерции первого порядка уравновешиваются противовесами, присоединенными к силовым элементам механизма, а силы инерции второго и высших порядков в такой конструкции вообще практически не возникают.

В качестве материала для изготовления всех корпусных и некоторых силовых элементов использовались алюминиевые сплавы и композитные материалы. В итоге масса двигателя была снижена до 130 кг с возможностью дальнейшего улучшения этого показателя.

Применение прямого гидростатического привода клапанов газораспределительного механизма дало возможность упростить конструкцию дизеля с раздельными головками цилиндров, сделать ее более компактной, а также повысить надежность агрегата в целом.

Одной из главных задач при проектировании нового дизеля стало снижение токсичности выхлопа. Известно, что в результате сгорания масла, находящегося на стенках цилиндров двигателя, в его выхлопе содержится высокотоксичное вещество бензопирен, которое является сильным канцерогеном. Замысел состоит в том, чтобы вовсе отказаться от смазки стенок цилиндра за счет масла и достичь нулевого уровня расхода масла на угар благодаря применению несмазываемой пары поршень–гильза.

Считается, что при правильной работе бесшатунного механизма поршень не касается стенок цилиндра, поэтому его изготовили из легированной стали. Поршневые кольца выполнены из углеродной композиции, а гильза цилиндра — из алюминиевого сплава, покрытого слоем оксида алюминия. Работа такого узла напоминает функционирование щеточного узла коллекторного электродвигателя. Для обеспечения достаточной теплопередачи поршневые кольца выполнены массивными и поджаты изнутри к стенкам цилиндров пружинными экспандерами наподобие тех, что применяются в обычных маслосъемных кольцах. Охлаждение стального поршня обеспечивается воздухом подпоршневого компрессора.

В двигателе с обычным кривошипно-шатунным механизмом такая схема уплотнения имела бы худшую работоспособность, поскольку там кольца имеют значительную подвижность в радиальном направлении относительно поршня, совершающего перекладки между стенками цилиндра в районе верхней и нижней мертвой точки, а также опрокидывающее движение относительно оси пальца. У «бесшатунника» величина перекладок поршня в 5–10 раз меньше, опрокидывание отсутствует, поэтому требования к механической прочности уплотнений цилиндров значительно снижаются. Массивность колец необходима для обеспечения жесткости, а также для обеспечения необходимой площади контакта, которая отводит тепло в стенки цилиндров. Газы, прорвавшиеся через поршневые уплотнения, также не контактируют с маслом и направляются подпоршневым нагнетателем непосредственно в систему впуска двигателя для дожигания, что обеспечивает их полную рециркуляцию.

Развитие описанной конструкции открывает путь к появлению автомобильных двигателей со значительно увеличенными межсервисными пробегами. Становится реальной замена масла через 100 тыс. км, а в перспективе и через 200. Задача-максимум группы А. Вуля состоит в том, чтобы создать двигатель, который вообще не нуждается в замене масла в течение всего срока эксплуатации, аналогично тому, как это реализовано, например, в механических коробках передач многих современных автомобилей. Минимальный удельный расход топлива при испытаниях бесшатунного дизеля А. Вуля составил 165–170 г/кВт.ч, ресурс — 5000 ч, что соответствует приблизительно 350 тыс. км пробега.

Универсализация проекта, по мнению авторов, почти не является дополнительным ограничением и компромиссом между всеми возможными потребителями. Критически нагруженные узлы в любом случае могут рассчитываться, исходя из требований минимальной массы при максимальной несущей способности деталей, что при серийном производстве напрямую снижает их себестоимость. Запас же прочности, определяемый отношением максимально расчетной нагрузки к максимально действующей нагрузке и влияющий на ресурс изделия, выбирается исходя из назначения двигателя, после чего определяется конструкция и необходимое число его секций. Поскольку снятие мощности в оппозитном дизеле производится не с кривошипных валов (водил), а с вала отбора мощности, который может иметь различное (произвольное в определенных границах) передаточное отношение по отношению к кривошипным валам, возможно получение широкого диапазона чисел оборотов и крутящих моментов на выходном вале двигателя. Это делает возможной упрощенную адаптацию мотора для различных потребителей, которым необходимы различные максимальные числа оборотов выходного вала. Редуктор оказывается интегрированным в конструкцию двигателя и может перенастраиваться относительно несложным способом.

На первом этапе реализации проекта А. Вуль и его коллеги считают целесообразным проектирование и подготовку производства двигателя автомобильного типа для оснащения им в том числе легких грузовиков или микроавтобусов. К сказанному следует добавить, что основные технические решения по примененной версии кривошипно-ползунного механизма двигателя защищены международными заявками (стадия выдачи патентов США, Англии, Германии, России и Украины). Изобретения касаются преодоления важнейшей проблемы бесшатунных механизмов — склонности к образованию избыточных кинематических связей, т. е. к конфликтам траекторий движения ползуна и поршня, ползуна и ползунной шейки коленчатого вала.

Ближайшее будущее покажет, насколько реальны перспективы применения бесшатунного двигателя на автомобильном транспорте в условиях серийного и массового производства.