Супер двигатель без коленвала

Супер двигатель без коленвала

Первые автомобильные двигатели были изобретены более века назад. С того времени в их конструкции мало что изменилось.

Двигатель без коленвала

Конечно, двигатели усовершенствуются, модернизируются, становятся экологичными, лёгкими и компактными, но основы конструкции остаются прежними. Сейчас всё чаще говорят про ДВС без коленвала.

Зачем нужно убирать коленчатый вал? Как работают такие агрегаты? Такие ли они совершенные или всё же некоторые отрицательные характеристики для них свойственны?

Почему мы хотим избавиться от коленчатого вала

Отчего же таким ненавистным устройством является коленчатый вал, который ещё называется кривошипно-шатунным механизмом? Почему все так упорно желают избавиться от него? Главная причина скрывается в присутствии чрезмерного бокового усилия, которое приходится на стенки цилиндра. Эта особенность обуславливает наличие ряда негативных факторов:

  • сокращение долговечности поршневой системы и её ускоренный износ;
  • увеличение потерей, которые приходятся на трение;
  • снижение КПД.

Чтобы убрать все эти отрицательные моменты, необходимо создать такой агрегат, конструкция которого будет предполагать возвратно-поступательные движения без углового качения.

Свободнопоршневой двигатель машины

Такие механизмы уже существуют в большом количестве. Далеко не все из них могут применяться на практике, лишь некоторые экземпляры достойны внимания. Мы выбрали две модели двигателей без коленвала, презентация которых всколыхнула общественность.

Бесшатунный двигатель Баландина

Первый достойный двигатель без коленвала, который сейчас ложится в основу многих разработок и изобретений, носит имя Баландина. Суть функционирования такого механизма заключается в преобразовании движений возвратно-поступательного типа. Это стало возможным за счёт наличия специального эксцентрического механизма. К этой детали предъявляются высокие требования, которые делают силовой агрегат дорогим и недоступным для широкого использования.

Конструкция является особенной, для неё характерны уникальные характеристики, о которых мы как раз сейчас будем говорить:

  • шатуны заменены на поршневые штоки, они жёстко скрепляются с поршнями;
  • поршневые штоки аналогично шатунам охватывают шейки с коленвала;
  • по обе стороны от подшипника штока располагаются ползуны, которые за счёт направляющих свободно скользят;
  • поршень является обоймой для уплотнительных колец, которые располагаются между цилиндром и поршнем.

В такой конструкции отсутствуют боковые усилия, за счёт чего допустимо сокращение размеров поршня. Сам мотор демонстрирует высокую производительность, является экономичным и характеризуется ёмким ресурсом. Также конструкция становится компактной и более лёгкой. О недостатке мы уже говорили, он заключается в высоких требованиях относительно точности эксцентрика.

Многие специалисты работают над усовершенствованием этого механизма, используя его в качестве основы для своих изобретений.

Двигатель Фролова — мотор без шатунов и коленвала

Этот гениальный человек считал коленвал совершенно неидеальной деталью, которая нуждается в серьёзной доработке или, вовсе, является лишней в ДВС. Инженер долго и тщательно изучал конструкцию механизма Баландина. Эти наблюдения натолкнули его на создание другого механизма.

Бесшатунный мотор Баландина

Фролов изначально модернизировал эксцентрик, чтобы в дальнейшем его требования к точности не стали проблемой. Полностью убрать недостатки, характерные для двигателя Баландина, является крайне сложной задачей, даже для Фролова. Украинский инженер продолжил свои разработки, в надежде полностью убрать из механизма коленвал. Его внимание привлёк механизм, который используется в ткацких станках.

Результатом длительной и плодотворной работы стал сегментно-роторный механизм. В его структуре отсутствует коленвал, он заменён элементом, напоминающим шарнир с разными угловыми скоростями. Такой механизм известен, как шарнир Гука. Вращение деталей в двигателе внутреннего сгорания Фролова обеспечивается подшипниками качения.

Модель мотора без коленвала

Эра эволюции ДВС только начинается, и пока неизвестно, что нас ожидает в конце. Существующие наработки показывают хороший старт и дают повод надеяться на великие открытия. Возможно, уже не за горами момент, когда будет изобретён вечный двигатель.

Мало что меняется в конструкции двигателей внутреннего сгорания (ДВС): в целом они такие же, что и 100 лет назад. И все же появляются сомневающиеся в незыблемости конструкции. Знакомьтесь: Виталий Константинович Фролов из города Николаева (Украина) – бывший авиатор, авто-мото-кроссмен (он мастер спорта), изобретатель и мастер с золотыми руками. Он сначала усовершенствовал коленвал, а затем и вовсе изгнал его из своих моторов.

Забытое гениальное

В начале изобретательской карьеры, 30 лет назад, Виталий Фролов еще не замахивался на то, чтобы изменить ДВС -ограничился малым: установил на коленвал особые накладки. Когда они изнашивались, менял их вместе с вкладышами, и вал продолжал работать. Просто? Тем не менее, до этого раньше никто не додумался. Виталий получил первое авторское свидетельство, его наградили серебряной медалью Выставки достижений народного хозяйства СССР – в те времена считалось очень почетным стать лауреатом этой награды. Так часто бывает: гениальные изобретения забываются. Чудесный коленвал так и не был внедрен…

Читайте также:  Можно ли звонить с айпад мини

Похоже, обида на неразумное человечество вылилась у Виталия в нелюбовь к коленчатым валам, и позже он беспощадно «уничтожал» деталь во всех своих последующих разработках. И сформулировал один из принципов: коленчатый вал – деталь несовершенная.

Странный оппозит

Однажды он получил заказ от специалистов воздушно-десантных войск: разработать двигатель – помощник суперсолдат. Мотор, сказали ему люди в мундирах, должен быть легким, экономичным, безотказным в воздухе, на земле и воде. И вскоре такой появился – 2-тактный оппозит, в основе которого лежал мотор «Иж-Юпитер 5».

Оппозит Фролова необычный – без уплотнительной перегородки между кривошипными камерами, так усложняющей конструкцию ординарных 2-цилиндровых двухтактников. Коленчатый вал (до поры до времени Фролов оставил его в покое) – с двумя опорными подшипниками (вместо трех), что снизило его вес и длину. В конструкции Фролов использовал два своих изобретения: «Демпфер крутильных колебаний коленчатого вала ДВС» и «Узел двигателя внутреннего сгорания».

Мотор получился компактным и «бодрым» – в 1,5 раза возросли мощность и крутящий момент. Он предназначался для сверхлегкой авиации, водномоторного спорта. В 1988 г. пришел заказ на изготовление 300 моторов для дельтапланов. Опытный мотор УМБ-760 устанавливался и на автомобиль ЛуАЗ, планировалось начать его серийный выпуск.

В 2001 году появился мотоцикл, который сразу привлек внимание байкеров. Еще бы: во время демонстрации работоспособности аппарата на второй передаче заднее колесо срывало в букс. Производство движка планировали развернуть на одном из харьковских заводов – для переоборудования обычных «Ижей». Но нагрянули известные события с распадом СССР, и проект так и остался невоплощенным.

Улучшенный баландин

Вконец разочаровавшись в коленчатых валах, Виталий Фролов увлекся бесшатунными двигателями Баландина. У этих моторов нет не только шатуна, но и коленчатого вала: преобразование возвратно-поступательного движения поршня в них происходит посредством особого эксцентрического механизма.

Недостаток баландинского «бесшатунника» – излишне высокие требования к точности изготовления эксцентрика. Модернизировав узел преобразования, Виталий изготовил два опытных мотора: один смонтировал в картере «Минска», использовав штатные цилиндр, головку, сцепление и КП. Второй по этой же схеме был от начала до конца самоделкой.

Иногда он давал мотогонщикам свои моторы – и те выигрывали. Техкомиссия их не засекала, потому что о необычных «внутренностях» никто и не догадывался: габариты двигателя оставались прежними. Настолько не догадывались, что однажды в гонках по спидвею победившего спортсмена дисквалифицировали с формулировкой. «опасно ехал». Но никто не продолжил мысль: ведь это происходило в силу избытка мощности мотора. Никому в голову не пришло заглянуть вовнутрь.

И все равно, даже усовершенствованный «баландин» не устраивал изобретателя: механизм преобразования своей громоздкостью напоминал ненавистный коленчатый вал.

Мотостенд

Однажды на глаза Фролову попался ткацкий станок. Другой бы прошел мимо, но нашего пытливого героя натолкнул на нетрадиционное решение. И в 2001 году он изобрел собственную конструкцию механизма преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное. Изобретательство ради патентов – не его страсть: во Фролове жило неуемное желание воплотить идею в металле. Он построил не маленький движочек-игрушку, как было с мотором по «баландинскому» принципу, а полноразмерный силовой агрегат. Так появился на свет 4-цилинд-ровый 4-тактный V-образник. В качестве базовых деталей использовал головки цилиндров, цилиндры и поршни от «Запорожца», причем без особых доработок, разве что, в силу увеличившегося хода поршней, рабочий объем с 993 см3 возрос до 1100.

Так ведь уменьшился в размерах и картер (коленвала-то нет!), и двигатель в целом вышел в три раза легче(!) и в два раза компактнее (!) исходного мотора МеМЗ-966. Такой не грех установить на мотоцикл. Что и сделал.

Верхняя часть двигателя выполнена съемным блоком и установлена на картер кроссового двигателя ЧЗ-250 со сцеплением и КП. Чтобы демонтировать верх мотора, достаточно открутить всего четыре болта – 10 минут хлопот. Рама – от шоссейно-кольцевого «Ижа» с подвесками от «Чезета», бак – от «Явы». Мотор настолько компактен, что если посмотреть на аппарат сбоку, то он вписывается в габариты ижевского движка, а если смотреть сверху, то его не видно из-под бака. Силовому агрегату еще предстоит пережить доводку, а пока на нем установлены достаточно примитивные карбюраторы и контактное зажигание от «Жигуля»-»копейки».

Читайте также:  Программа для проверки дисковода на работоспособность

Благодаря возможности значительно поднять обороты выходного вала механизма преобразования с мотора «сняли» 89 л. с. при 8800 об/мин. Масса «чумовоза» – около 180 кг. Согласитесь, для байка с кубатурой 1100 весьма недурно: у большинства зарубежных «одноклассников» она переваливает за 220-240 кг.

Свой мотоцикл Фролов настойчиво называет «мотостендом». Кстати, построенный в 1885 году Готтлибом Даймлером первый мотоцикл тоже по сути был мотостендом – на нем немец-первооткрыватель отлаживал новый в то время поршневой двигатель Отто.

Секрет – в цилиндре

Своими фантастическими показателями мотор Фролова обязан именно тому, что в конструкции нет коленчатого вала. Вместо него используется рычажный механизм преобразования, напоминающий шарнир Гука. С виду все просто, но объяснить, как он работает, никому толком не удается -это надо видеть. Изобретатель охотно демонстрирует механизм в работе. Но секрет все же есть – он заключен в некоей цилиндрической детали, которая крепится к проставке, установленной между блоком цилиндров и низом мотора. Фролов называет этот узел демпфером, или уравнителем крутильных колебаний – на него изобретатель и оформил патент.

Со стороны цилиндров в демпфер входит палец, вращающийся рывками, а с другой выходит шестерня конической передачи, вращающаяся достаточно равномерно и без вибраций. Дальше все тривиально – вторая шестерня конической передачи сидит на валу сцепления.

Коническая передача позволяет располагать мотор относительно трансмиссии в каком угодно положении -и в этом еще одно преимущество двигателя. Он обладает повышенным моторесурсом – в силу того, что здесь нет подшипников скольжения, а значит, не требуется смазка под давлением. Кроме того, практически отсутствуют боковые силы воздействия на детали цилиндро-поршневой группы, нет мертвых точек и момента инерции деталей, механизма преобразования движения поршня во вращение вала.

Изобретатель утверждает – признаться, в это верится с трудом – что в его механизме можно во время езды плавно изменять хода поршня, вплоть до нулевых. А это открывает перспективы двигателей с совершенно новыми качествами.

Задания на завтра

Его не следует считать непризнанным самоучкой-неудачником. О результатах творчества Фролова писали в авторитетных журналах «Крылья Родины», «Изобретатель-рационализатор», «Наука и жизнь», «Моделист-конструктор», «ИР Украины», «Авиация общего назначения» и других. Наш изобретатель получил пять авторских свидетельств, подал еще пять заявок.

Сейчас Виталий Фролов работает консультантом в недавно созданном Николаевском политехническом институте на кафедре ДВС. У него есть почитатели, в меру возможностей они помогают Виталию. Совместно с соратниками он организовал компанию «Двигатели Фролова».

К нему приезжали конструкторы с Ижевского и Киевского мотозаводов. Ижевчан заинтересовал 2-тактный оппозит, киевлянам он пообещал разработать 4– и даже 8-цилиндровый двигатель для трайка «Днепр-300», более того, продемонстрировал макет с действующей кинематической схемой. Подписан договор с Харьковским автодорожным университетом о разработках в области новых экологически безопасных двигателей для городского транспорта, а также мотора, который мог бы приводить в движение скутер или мотоколяску в течение двух часов, и для него хватало бы горючего из маленького баллончика с газом. Понятно, что это будет двигатель совсем другого типа. К примеру, если современные моторы Фролова обладают удельной мощностью 100 г/л. с., то в перспективе, убеждает изобретатель, показатель можно довести до 10 г/л. с. Кое-какие наметки у него уже есть, но он не торопится приподнимать покров тайны.

Алексей Бессалый, Иван Ксенофонтов (Москва), Владимир Тураев (Павлоград, Украина), журнал «Мото» 2004

Десятилетиями моторостроители стремились создать конструкцию д.в.с. без возвратно-поступательного движения – вроде роторно-поршневого двигателя Ванкеля. Или же сибирский роторный («Сибирский роторный», «Турбо», 2003, №10), где вместо поршней и вовсе лопасти…

Однако со временем пришло понимание, что дело не в возвратно-поступательном перемещении поршней [На самом деле поршни, возвратно-поступательно движущиеся в цилиндрах, не так уж и плохи: они образуют камеру сгорания довольно приличной конфигурации. Полусферическую, шатровую – с высоким термическим к.п.д. В отличие от никуда не годной серповидной у двигателя Ванкеля, которая и погубила блестящую, на первый взгляд, идею.] , а в недостатках древнего кривошипно-шатунного механизма. Надо каким-то образом избавляться от шатунов: наклоняясь к оси цилиндра, шатун создает мощную силу, прижимающую поршень к зеркалу (см. «Долгий путь к себе», «Турбо», 2002, №9). Немалые потери трения и износ – на ровном, как говорится, месте.

Читайте также:  Как правильно пишется слово триколор

Проекты бесшатунных д.в.с. известны много десятков лет – знаменитый двигатель Баландина и др. К сожалению, ни один не прижился в моторостроении – и не просто так; сложная и малонадежная конструкция всякий раз оказывалась неработоспособной в реальном времени. Что ж, конструкторская мысль не стоит на месте: познакомьтесь с проектом австралийских новаторов – под названием Revetec.

Принципиальная схема двигателя: ролики на штоках раздвигают 3-вершинные кулачки и заставляют их проворачиваться. И наоборот

Новый д.в.с. обходится не только без шатунов, но и без коленчатого вала; урезАть так урезать. Как видно, противолежащие поршни соединены штоком (не шатун, поскольку не качается, не наклоняется), а между ними размещен вал с 3-вершинными кулачками. Вернее, 2 соосных вала, вращающихся навстречу друг другу, – в том-то и прикол. Ролики на штоке работают по кулачкам и заставляют их проворачиваться; у Revetec оригинальный механизм называют Trilobe.

В принципе для работы двигателя достаточно одного-единственного вала, но тогда возникают все те же крайне неприятные боковые силы. А когда кулачков 2 – и они действуют в режиме контрротации, — то боковые силы как раз взаимно нейтрализуются. Чем-то напоминает 2-шатунную конструкцию Р. Бейндла (см. «Дизелек» — «Турбо», 2008, №3), хотя вместо 2-х параллельных коленвалов у Revetec 2 соосных – и без колен.

Ранняя конструкция с пространственными штоками, соединяющими противолежащие поршни

Представьте, работает. А поршни скользят в цилиндрах без трения! Австралийцы демонстрируют один агрегат за другим; последняя модель под обозначением X4v2 построена по «крестообразной» схеме. Здесь 4 поршня и 2 штока; ролики взаимодействуют с 4-я кулачками. При диаметре цилиндров и ходе поршней 108 х 65 мм («ультракороткоходная» архитектура) рабочий объем «четверки» равен 2382 миллилитрам. Главная сложность – в синхронизации контрвращения 2-х валов; приходится применять вспомогательные валы с зубчатыми парами. Тут не исключены вибрации и шум; впрочем, известны и другие способы согласования валов.

У X4v2 двойное зажигание (по 2 свечи на цилиндр) и простенький ГРМ со штангами и коромыслами: 2-клапанные головки цилиндров. По сведениям от Revetec, со степенью сжатия 9,5 бесшатунный двигатель развивает на стенде до 94 л.с. при 3600 мин -1 , наибольший крутящий момент – 202 Нм при 3 тыс. оборотов. Неплохо, а с 4-клапанным ГРМ тщательно доведенный двигатель покажет, наверное, гораздо большую отдачу, – скажем, 225 л.с. где-нибудь при 6500 мин -1 .

Продвинутая «крестообразная» конструкция с плоскими штоками

Поскольку кулачки 3-вершинные, то валы делают один оборот на 6 ходов поршней (в одну сторону). Небыстро, и скорость качения роликов по рабочим поверхностям кулачков, по-видимому, не слишком высока. Создатели бесшатунного двигателя подчеркивают его дополнительное преимущество: профиль кулачков задается более или менее свободно, и его нетрудно подобрать так, чтобы на рабочем ходе наивысшее давление газов приходилось на сравнительно круто спадающий участок. То, что специалисты называют leverage – плечо рычага. От плеча опять же зависят потери трения; судя по всему, у Revetec механический к.п.д. в общем и целом выше, чем у обычных поршневых двигателей. Что и требовалось доказать.

Плоские штоки (крестом) гораздо компактней

Вообще-то «крестообразный» X4v2 задуман для легкой авиации; отсюда кое-какие особенности его конструкции. Вместе с тем новаторы настаивают на его полной пригодности для автотранспорта, а для наглядности смонтировали бесшатунный мотор на шасси 3-колки. Якобы гоняет безо всяких, хоть и не аэроплан. Самодел X4v2 тянет на 130+ кг, но по оценкам его создателей, вес промышленного изделия нетрудно сократить килограммов до 105. Его габариты – 740х550х460 мм; вроде компактный агрегат. Принцип Revetec одинаково пригоден для двигателей с искровым зажиганием – и для дизелей. Для 4-тактного цикла – и для 2-тактного. Нет вопросов; интересно, а что скажут автомобилестроители?

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector