Необычные двигатели

Раздел: Техника

 Работа над этими двигателями началась после Великой Отечественной войны. В те годы Сергей Степанович Баландин вел работы по уникальным поршневым двигателям, превосходящим по своим показателям авиационные поршневые двигатели того времени. Эти двигатели были легче, мощнее, экономичнее, проще, надежнее и дешевле любого известного в то время. К 1948 г. было разработано и испытано семь типов двигателей мощностью от 100 до 3200 л. е., а в 1948—1951 гг. появился сверхмощный поршневой двигатель мощностью 10000 л. е., удельные показатели которого практически равны аналогичным показателям турбореактивных двигателей.

Мощность отработанной базовой ступени, состоящей из четырех крестообразных цилиндров, была столь большой, что поднимался вопрос о ее снижении, так как самолетов, требующих таких мощных двигателей, не было.

Уже самый первый образец двигателя С. С. Баландина показал колоссальные преимущества. Он был в 1,5 раза мощнее и в 6(!) раз долговечнее звездообразного авиадвигателя М-11, взятого для сравнения. Кроме того, он превосходил его и по другим показателям. В книге «Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания» С. С. Баландина сконцентрировано все наиболее важное об этих необыкновенных моторах. Трудно

вкратце пересказать содержание этой небольшой книжки. Каждая ее страница — открытие. Приводимые цифры кажутся невероятными. Но за ними стоят реальные, придирчиво испытанные образцы.

В 1968 г. журнал «Изобретатель и рационализатор» № 4 опубликовал статью под заголовком «Существенно новый двигатель», где речь шла о «бесшатунном механизме для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное» (а. с. № 164756). Его автор—молодой севастопольский изобретатель Е. И. Лев. Статья заканчивалась словами: «...хочется, чтобы двигатель построили, опробовали в деле». А через полгода стало известно о существовании авторского свидетельства № 118471, выданного в 1957 г. С. Баландину на «двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом».

В обеих формулировках присутствует слово «бесшатунный». Но что стоит за этим словом? Без тщательных экспериментов ответить трудно. Двигатель ( 6), который сконструировал Е. И. Лев, пока так и не построен — подвела технологическая база. Зато работы С. Баландина позволяют смело сказать: за ключевым в обоих авторских свидетельствах словом «бесшатунный» скрывались необычные двигатели ближайшего будущего. Пройдет несколько лет и только безнадежные консерваторы будут проектировать двигатели с традиционным шатунно-кривошипным механизмом.

Как же устроен бесшатунный механизм С. Баландина? Его «изюминка» — коленчатый вал, как бы разрезанный на три части ( 7, а). Центральная коленчатая часть 1 с уменьшенным вдвое против обычного радиусом шеек свободно вращается в подшипниках скольжения, двух кривошипов 2 с тем же радиусом. Центральную часть охватывает штоковый подшипник. На штоке 3 закреплены два поршня (наиболее полно преимущества схемы реализуются при противолежащих поршнях). Чтобы усилия от шеек центральной части вала не передавались поршням, шток в центре имеет специальную направляющую 4, подобную крейцкопфу компрессоров и паровых машин. Только крейцкопф этот разместился в самом центре двигателя. Синхронизацию вращения кривошипов обеспечивает вал 5, связанный с ними зубчатыми передачами 6. Он же представляет собой вал отбора мощности для привода клапанов и других агрегатов.

Штоковый подшипник перемещается по прямой. Вокруг его центра, Двигающегося возвратно-поступательно, описывают свои траектории (окружности) шейки коленчатого вала. А раз у шеек траектория — окружность, то и кривошипы плавно следуют за шейками. Итак, шатуна в двигателе нет. Поэтому через широкие каналы в крейцкопфе по штоку к поршням можно подвести мощный поток масла, который обеспечит идеальное охлаждение поршней, что, в свою очередь, позволяет резко форсировать двигатель. Нагретое масло возвращается также через, шток. Для этого он разделен

трубкой на две части. Благодаря крейцкопфу, скользящему по масляной пленке, поршни двигателей С. Баландина практически не изнашиваются. Износ шеек коленчатого вала снижается в 3—4 раза. Объясняется это просто. В обычных ДВС на шейки передается вся сила давления газов на поршни, а у двигателей С. Баландина всего лишь полезная разность сил противолежащих цилиндров.

Пониженные нагрузки на вращающиеся детали приводят к трех- четырехкратному (!) снижению потерь на трение. Механический КПД двигателей С. Баландина равен 94%! Всего 6% вместо 15—25% тратится на преодоление трения! Габариты уже самых первых двигателей Баландина были меньшими, чем у двигателя М-И по крайней мере на длину шатуна, а их литровая мощность (максимальная мощность, деленная на рабочий объем цилиндров в литрах) — самая главная характеристика двигателя в 1,5 раза превысила и сейчас заветный для всех двигателестроителей рубеж—100 л. с ./л. Для примера можно напомнить, что литровая мощность двигателя автомобиля «Жигули» ровно вполовину меньше.

По словам С, С. Баландина, от беалатунных двигателей взято пока «только с поверхности». Например, только эти двигатели дают возможность конструктивно просто реализовать двухсторонний рабочий процесс в цилиндрах, повысить мощность двигателей ровно в 2 раза.

Двойное действие — древний термин. От относился к самым первым ДВС Ленуара. А позже почти исчез из технической литературы. Не только потому, что на пути его реализации множество конструктивных трудностей. Немногие существующие двигатели двойного действия отнюдь не имеют удвоенной мощности, а по удельным характеристикам они значительно хуже обычных ДВС. Виноват шатун. Он обязательно требует крейцкопфа, установленного следом за ним. А это приводит к росту габарита, увеличению веса и соответственно инерционных нагрузок. В итоге — громоздкая, тихоходная конструкция, почему эта схема и используется сейчас лишь в мощных судовых дизелях. Двигатель же Баландина совсем не требует увеличения массы движущихся частей. В нем, чтобы разместить вторые цилиндры, нужно лишь немного удлинить штоки. Опасность перегрева поршней устраняется блестяще решенной конструкцией охлаждения поршня мощным потоком масла.

Все сверхмощные двигатели С. Баландина, среди которых есть двигатель мощностью 14 тыс. л. с. при весе в 3,5 т (0,25 кг/л. е.), были двигателями двойного действия, в том числе с золотниковым газораспределением, позволяющим еще более уменьшить размеры. От золотника, позаимствованного у паровой машины, отказались уже в начале развития ДВС. Теперь золотники снова используются. Только вместо золотников, двигающихся возвратно-поступательно, применяют вращающиеся. Однако суть их прежняя.

Но почему золотник? С повышением оборотов, а чем они выше, тем меньше размеры двигателя при той же мощности, инерционные нагрузки на шатунно-поршне- вую группу и детали клапанного механизма резко возрастают. В последнем увеличенные нагрузки нарушают фазы газораспределения. Вращающемуся золотнику это не грозит. Недаром именно двигатели с золотниковым газораспределением не так давно поражали мир рекордами литровой мощности. С 200 л. с./л (ГДР, 1960) до 300 л. с./л (Япония, 1970) поднялась литровая мощность двигателей с золотниками для гоночных мотоциклов за десятилетие.

С. С. Баландин опередил «рекордсменов» минимум на 20 лет создав крупные двигатели огромной мощности. Напомним, что никому в мире, хотя за дело брались специалисты известнейших фирм, не удалось созидать поршневого авиационного двигателя мощностью более 4000 тыс. л. с. А тут сразу 10—14 тыс., а при желании и все 20 тыс. И всего 24 цилиндра. Средняя скорость поршня в двигателях Баландина достигала невиданной величины — 80 м/с! (в обычных двигателях эта скорость равна 10—15 м/с, в гоночных — до 30 м/с). А высокий механический КПД не мешает поднять ее еще выше.

Эффективная мощность лучших образцов шатунных двигателей уже при -средней скорости поршня, превышающей 30 м/с, неудержимо стремится к нулю. Бесшатунный механизм практически не реагирует на рост средней скорости. Эффективная мощность двигателей С. Баландина в 5—6 раз, а при двойном действии и в 10 раз (!) выше аналогичной у шатунных. Небольшой график, приведенный в книге С. Баландина, беспристрастно свидетельствует об этом. График ограничен диапазоном средних скоростей поршня до 100 м/с, но кривые как бы стремятся вырваться за его пределы, словно подчеркивая скрытые возможности этой необыкновенной схемы.

Средняя скорость—это обороты, мощность. Но ведь выше обороты, выше инерционные нагрузки, вибрация. И здесь двигатели Баландина вне конкуренции. Осциллограммы вибрации (амплитуды 0,05—01 мм) самых мощных образцов, снятые в трех плоскостях, кажутся неправдоподобными. Даже у турбин вибрация, как правило, не меньше. Идеальная уравновешенность сохраняется при любом кратном 4 числе цилиндров. Хотя в принципе возможны одно- и двухцилиндровые двигатели. Из базовых блоков по четыре цилиндра, как из кубиков, можно складывать любые композиции, не сомневаясь в их превосходных характеристиках.

Нельзя не сказать и об экономичности. Удельный расход топлива у двигателя Баландина в среднем на 10% ниже, чем у шатунных прототипов. Но это не все! Путем отключения подачи топлива в один или несколько рядов цилиндров (и это было осуществлено!) можно заставить двигатели работать с высокой и практически постоянной экономичностью на режимах от 0,25 до верхнего предела номинальной мощности. Режиму работы на частичных нагрузках, а -это основной и, как ни странно, наименее изученный режим работы большинства двигателей, последнее время уделяется максимальное внимание. Ведь КПД обычных двигателей оптимален в узких диапазонах мощности и числа оборотов.

Многоцилиндровые бесшатунные двигатели практически не изменяют эффективность й при любой частичной нагрузке. Невероятно, но опять же проверенный экспериментально факт, что и у них удельный расход топлива можно снизить еще минимум на 10%. Достигается это применением так называемого цикла с удлиненным расширением, т. е. с более длинным рабочим ходом поршня. Цикл этот не находит применения на обычных двигателях, так как приходится резко увеличивать их габарит. В бесшатунных двигателях требуемое увеличение размеров ровно вдвое меньше, а с учетом их малогабаритности вообще такой шаг почти не отражается на весовых характеристиках двигателя.

И последнее. Стоимость производства даже опытных образцов двигателей С. Баландина в среднем, в 1,6 раза ниже, чем аналогичных по мощности серийных. То же самое будет и в новых разработках. Залог тому и меньшее количество деталей, и технологичность конструкций.