Делаем бесшатунный мотор Баландина

Электродвигатель – это другой класс машин, и в данном случае сравнение двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя некорректно.

Такое сравнение нужно проводить применительно к конкретным условиям. Тип и назначение устройства, на котором будет применяться тот или иной вид двигателя. Например, электродвигатель уместен на электросамокате, квадракоптере, и плохо для этих целей подойдёт двигатель внутреннего сгорания. А, например, для вертолёта серьёзного полётного веса электродвигатель не подходит – слишком много будут весить аккумуляторы, и малое будет время полёта, если вообще такой вертолёт поднимется в воздух.

В тоже время можно подумать о «привязном» вертолёте с электродвигателем, которому питание будет подаваться с земли. А вертолёт, освободившись от веса аккумуляторов, возможно, сможет использоваться как кран в каких-то случаях. Тут нужны другие исследования и расчёты. Но они уже не связаны с двигателем внутреннего сгорания. Разве только двигатель внутреннего сгорания, спаренный с электрогенератором, будет с земли подавать по кабелю энергию на электровертолёт.

Но это всё нужно считать, и эта работа вне нашей темы.

Причин основных две.

— Первая. В этом не было особой нужды. «Ручное» черчение и расчёты имеют некоторые преимущества перед «электронным». При ручном вычерчивании лучше чувствуется сам предмет «вычерчивания». Он лучше понимается, возникают варианты и т.д.

— Вторая – более прозаическая. Для работы в таких программах нужен достаточно мощный компьютер, обучение, навык работы. На это всё элементарно не хватает личных денег. Ведь кроме этого идут большие расходы на приобретение материалов, инструмента и т.д. В условиях жесточайшего дефицита средств «электронные» упражнения уже выглядят не как помощь, а как ненужные игрушки, на которые просто не хватает денег, и без которых спокойно можно обойтись.

И когда делаешь своими руками детали, то тут получается полное 3D-моделирование.

Правильно! Двухтактный двигатель с внешним смесеобразованием, в котором цилиндр продувается горючей смесью, не может быть экономичным по определению. У него примерно 60% топлива вместе с продувочной порцией вылетает в выхлопную трубу. Какая тут экономичность и экологичность? Поэтому все двухтактные двигатели (кроме простейших и маломощных) продуваются чистым воздухом и имеют впрыск непосредственно в цилиндр из форсунок под большим давлением.

Раздельная подача воздуха и топлива в цилиндр решает проблему экономичности полностью. Многие двухтактные двигатели имеют экономичность даже более высокую, чем четырёхтактные.

В нашем двигателе предусмотрено введение топлива в цилиндр двигателя как в дизеле, близко к верхней мёртвой точке. С одним отличием. В обычном дизеле топливо вводится в цилиндр через форсунку в жидком виде, что сопровождается задержкой самовоспламенения топлива. Оно должно испариться, смешаться с воздухом цилиндра двигателя, нагреться до температуры самовоспламенения и сгореть. На этот процесс требуется время, и в течение этого времени поршень должен находиться в верхней мёртвой точке. На практике это приводит к снижению оборотов, чтобы поршень находился в районе верхней мёртвой точки достаточное время.

В нашем двигателе в верхней мёртвой точке (близко к ней) в цилиндр впрыскивается топливо в газообразном состоянии с температурой (600-700 градусов), это много выше температуры нужной для самовоспламенения топлива. Воздух в цилиндре в это время сжат как в дизеле и тоже имеет высокую температуру, поэтому задержка самовоспламенения практически отсутствует. И двигатель может развивать большие обороты, что позволяет форсировать двигатель по оборотам. Этому способствует и то, что в бесшатунном двигателе отсутствует боковое давление поршня на стенки цилиндра.

На устройство для газификации получен патент.

Схема кинематики бесшатунного механизма полностью исключает вибрацию. Двигатель полностью уравновешен (как турбина или электромотор).

Дело в том, что один шток, на концах которого прикреплены поршни, движется строго по синусоидальному закону (чистая синусоида). Второй шток, точная копия первого, также движется по синусоидальному закону. Оси цилиндров, в которых движутся поршни со штоками, развёрнуты друг относительно друга на 90 градусов. Поэтому и синусоиды сдвинуты по фазе друг относительно друга так же на 90 градусов. Сложение этих двух синусоид даёт один вектор, неизменный по величине и вращающийся в ту же сторону, что и коленчатый вал. Это и позволяет легко его уравновесить простым противовесом на щеках коленчатого вала.

Этот теоретический момент подтверждается практикой постройки двигателей С.С. Баландина, других авторов (первые постройки двигателей по бесшатунной схеме отмечены ещё в конце 19 – начале 20 века).

Этот момент подтверждается и постройкой макетов, созданных А.А. Зверевым. Пятый образец запускался на стенде «горячим» запуском, шестой и седьмой прокручивались от электродвигателя на оборотах 1500 об/мин – вибрации как таковые отсутствуют.

Вопросы смазки БМБ решаются так же как в обычном двигателе – смазка всех поверхностей идёт под давлением.

Для нашего двигателя выбрана широко распространённая, особенно в авиации, смазка с «сухим картером», при которой масло после смазки деталей из картера откачивается вторым насосом. Это обычное решение для двигателей внутреннего сгорания. Полость картера и цилиндров разобщена уплотнениями штоков, и потому масло в цилиндр не попадает.

Здесь дело не в названиях, а в самом принципе преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала.

В обычном КШД поршень сочленяется через поршневой палец с деталью, которая передаёт движение поршня на коленчатый вал. Её-то и называют «шатуном», потому что головка шатуна, что расположена на поршне, движется строго возвратно-поступательно, а та часть, что охватывает шейку коленчатого вала, совершает движение по кругу, вместе с шейкой коленвала («раскачивается», «шатается»). Отсюда и название пошло – «шатун».

В «бесшатунной» схеме поршень двигателя «насажен» на деталь-посредник между поршнем и коленчатым валом «мёртво» – без каких-либо шарниров в виде поршневого пальца, например. И двигается строго параллельно «сам себе». Такие детали в технике принято называть «шток». А поскольку устранение «шатающейся» детали для двигателя имеет решающее значение, то для подчёркивания этого обстоятельства и назвали двигатель «бесшатунным». Вероятно, можно придумать другое название, например, «штоковый» двигатель. Но как-то не звучит. А название «бесшатунный поршневой двигатель» в технике прижилось.

Дело в данном случае не в терминах, а в понимании кинематики.

Наш двигатель – это двигатель С.С. Баландина. Хотя у построенных двигателей С.С. Баландина схема с синхронизирующими шестернями и синхронизирующим валом. Да, в нашем двигателе шестерни отсутствуют, и принята схема с эксцентриком. Для двигателей относительно малой мощности, в диапазоне мощностей в районе 50-200 л.с. или чуть больше, схема с эксцентриком оптимальна.

Но это всё равно схема С.С. Баландина. Он такой вариант рассматривает в своей монографии «Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания».

Так что мы не претендуем на оригинальность самой схемы – она известна. Названием «Бесшатунный мотор Баландина» мы отдаём дань памяти этому выдающемуся конструктору.

Действительно, сейчас многие государства озабочены экологией на самом высшем уровне. И если бы для ДВС была достойная альтернатива, его бы уже выбросили на свалку истории, как это произошло с паровыми машинами.

И все же ДВС пока еще является оптимальным решением во многих сферах жизни людей. И для него существует три основных направления приближения к повышенным экологическим требованиям:
1) Повышение экономичности ДВС (снижение «прожорливости» его лошадиных сил). Чем меньше тратится топлива на получение той же мощности, тем меньше, при прочих равных условиях, выбросов вредных веществ в атмосферу.
2) Улучшение процесса сгорания и другие методы совершенствования рабочего процесса двигателя.
3) Создание новых видов топлива.
Есть ещё такие способы снижения вредности выбросов, как «дожигатели», «гибридизация» силовых установок и другие, но они уже «вне двигателя».

Наша разработка даёт усовершенствования по всем трём направлениям:
1) Повышение экономичности за счет дизельного процесса, который сам по себе более экономичный, нежели у двигателя с внешним смесеобразованием и искровым зажиганием.
2) Применяется особый дизельный процесс, отличающийся от «классического» тем, что топливо в цилиндр вводится не напрямую через форсунку (при этом оно не успевает в полной мере подготовиться к сгоранию, и часть топлива просто не догорает, из-за чего бывает «чёрный» выхлоп), а поступает в цилиндр в газообразном состоянии, то есть предварительно газифицируется и по этой причине сгорает плавно и полностью.
3) Новые виды топлива. За счёт газификации топлива эффективно могут применяться любые виды топлива от газа до флотского мазута и сырой очищенной нефти включительно.

И подчеркнём особо: в нашей разработке в топливо не требуется добавлять какие-либо добавки типа тетраэтилсвинца. Значительно снижается содержание оксидов азота в выхлопных газах.

Таким образом, наша разработка позволяет значительно улучшить состояние воздушного бассейна.