Изобретение относится к области машиностроения, а именно двигателестроению, и может быть использовано в качестве двигателя внутреннего сгорания. Бесшатунный ДВС содержит корпус с гильзой, имеющей продувочные и выпускные окна и поршни со шлицевыми втулками, скользящими по шлицевым валам, на которых укреплены шестерни, взаимодействующие с шестернями синхронизирующего вала. По меньшей мере четыре передаточных механизма, каждый из которых состоит из втулки, укрепленной в корпусе двигателя, в которой размещена подпружиненная поворотная колодка (пята), имеющая два гнезда конической формы с находящимися в них телами вращения. Для каждого поршня передаточные механизмы размещены по-одному диаметрально противоположно друг другу в корпусе двигателя, и в процессе работы ДВС тела вращения перекатываются по бесконечным синусоидальным канавкам, выполненным на боковых поверхностях поршней, а колодки (пяты) при этом совершают колебательные движения вокруг своих осей в соответствии с наклоном канавок к осям поршней . Такая конструкция обеспечивает низкую механическую напряженность деталей ЦПГ двигателя, высокую плавность и безударность работы и устойчивость поршня, а также высокую надежность и значительный моторесурс ДВС. 4 ил.
Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению.
Известны конструкции бесшатунных двигателей внутреннего сгорания, например двигатель Баландина, двигатель Ванкеля. Двигатель Баландина (Баландин С. С. Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания. - М.: Машиностроение, 1972) содержит по меньшей мере цилиндр, поршень, шток, камеру сгорания, коленчатый вал. В двигателе Баландина преобразование возвратно-поступательного движения во вращательное осуществляется при помощи коленчатого вала специальной конструкции. Двигатель Ванкеля (Орлин А.С. и др. Двигатель внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. - М.: Машиностроение, 1990, с.223) содержит корпус, ротор, камеру сгорания, источник воспламенения, выходной вал. В системе двигателя усилие от действия газов передается непосредственно вращающемуся ротору, а от ротора к выходному валу. Наиболее близкой к предлагаемому двигателю является конструкция бесшатунного двигателя внутреннего сгорания с вращающимися поршнями по патенту Российской Федерации N 2057948, кл. F 01 B 9/08. Бесшатунный двигатель внутреннего сгорания содержит размещенные в корпусе гильзу цилиндра с продувочными и выпускными окнами, поршень, камеру сгорания, форсунку и передаточный механизм с телами вращения, взаимодействующий с одним из элементов цилиндропоршневой группы, содержащим на поверхности пазы, причем поршень установлен на валу, несущем шестерню, взаимодействующую с шестерней выходного вала. Недостатками такого двигателя являются: конструктивная и технологическая сложность и трудоемкость изготовления основных деталей двигателя и, в первую очередь, гильзы цилиндра с криволинейным пазом на ее внутренней поверхности и деталей передаточного механизма; высокая стоимость изготовления основных деталей двигателя вследствие их конструктивной сложности; высокая стоимость и трудоемкость эксплуатации, технического обслуживания и ремонта двигателя; сравнительно низкие мощностные, экономические, экологические и массогабаритные показатели. Изобретение решает задачу существенного улучшения конструкции, улучшения эксплуатационных (мощностных, экономических, экологических и массогабаритных) показателей и характеристик двигателя, повышение технологичности, снижение стоимости и трудоемкости изготовления деталей двигателя, а также его технического обслуживания и ремонта. Это достигается тем, что в бесшатунном двигателе внутреннего сгорания, содержащем размещенные в корпусе гильзу цилиндра с продувочными и выпускными окнами, поршень, камеру сгорания, форсунку и передаточный механизм с телами вращения, взаимодействующий с одним из элементов цилиндропоршневой группы, содержащим на поверхности пазы, поршень установлен на валу, несущем шестерню, взаимодействующую с шестерней выходного вала, а каждый из передаточных механизмов, которых в корпусе установлено по меньшей мере четыре, выполнен в виде втулки, в которой установлена подпружиненная поворотная колодка (пята), имеющая на своей полке гнезда конической формы, в которых установлены тела вращения, взаимодействующие с пазами поршня, выполненными бесконечными и криволинейными, а поршень установлен на шлицевом валу. На фиг.1 представлен схематический разрез бесшатунного двигателя на примере одноцилиндровой конструкции с противоположно движущимися поршнями; на фиг. 2 представлен схематический разрез деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ) двигателя при нулевом угле наклона канавки; на фиг. 3 - то же при максимальном угле наклона канавки; на фиг. 5 а), б), в) условно показано взаимное положение тел вращения в колодке и канавки при различных положениях поршня. Бесшатунный ДВС содержит корпус 1 с гильзой цилиндра 2, в которой выполнены продувочные 3 и выпускные 4 окна, поршни 5, скользящие по шлицевым валам 6 и взаимодействующие с передаточными механизмами 7; шестерни 8, закрепленные на валах 6, взаимодействующие с шестернями 9 синхронизирующего (выходного) вала 10. Отбор мощности может быть осуществлен с любого конца вала 10. Особенностью двигателя является наличие по меньшей мере четырех передаточных механизмов 7, конструкция каждого из которых содержит следующие основные элементы: 11 - втулка, 12 - колодка, 13 - тела вращения, 14 - опорный диск, 15 - пружина, 16 - бесконечный криволинейный паз. Передаточные механизмы 7 размещены в корпусе 1 бесшатунного ДВС и взаимодействуют с бесконечными криволинейными пазами 16 поршней 5. Двигатель работает следующим образом. В процессе сгорания и расширения газы, находящиеся в цилиндре 2, заставляют поршень 5 двигаться от ВМТ к НМТ. При этом поршни 5 посредством бесконечных синусоидальных 16 на боковых поверхностях взаимодействуют с передаточными механизмами 7, укрепленными в корпусе 1 двигателя. Вследствие перекатывания тел вращения 13 передаточных устройств 7 по пазам 16 поршней 5 поступательное движение последних преобразуется во вращательное, которое через шлицевые втулки, скользящие по шлицевым валам 6, и шестерни 8 передается на выходной вал 10 двигателя. Перемещение поршней 5 от наружной мертвой точки (НМТ) к внутренней мертвой точке (ВМТ) осуществляется при помощи маховика (не показан). Такая конструкция ДВС обеспечивает значительное снижение механической напряженности деталей ЦПГ вследствие двукратного увеличения числа элементов конструкции, воспринимающих нагрузку (шариков), а также соответствующего увеличения площадей поверхностей контакта соприкасающихся деталей, как следствие п.1 возможность применения общепринятых в двигателестроении материалов ЦПГ без ухудшения технологичности и удорожания конструкции ДВС, высокую плавность движения поршня, его повышенную устойчивость в колодках (пятах), а также отсутствие в процессе работы двигателя ударных нагрузок, вибраций, неустойчивости работы, перекосов и смещений поршня, улучшение условий смазки ЦПГ вследствие высокой плавности и безударности ее работы, а также повышение топливной экономичности двигателя, повышение надежности работы и моторесурса двигателя. Бесшатунный ДВС может быть использован в машинах и механизмах наземного транспорта, а также для привода электрогенераторов, насосов, компрессоров и других промышленных и бытовых потребителей.www.findpatent.ru
Expert говорит: Двигатели Баландина. 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 1948mdash;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 laquo;Бесшатунные двигатели внутреннего сгоранияraquo; С. С. Баландина сконцентрировано все наиболее важное об этих необыкновенных моторах.
В 1968 г. журнал laquo;Изобретатель и рационализаторraquo; № 4 опубликовал статью под заголовком laquo;Существенно новый двигательraquo;, где речь шла о laquo;бесшатунном механизме для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательноеraquo; (а. с. № 164756). Его авторmdash;молодой севастопольский изобретатель Е. И. Лев. Статья заканчивалась словами: laquo;…хочется, чтобы двигатель построили, опробовали в делеraquo;. А через полгода стало известно о существовании авторского свидетельства № 118471, выданного в 1957 г. С. Баландину на laquo;двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмомraquo;.
В обеих формулировках присутствует слово laquo;бесшатунныйraquo;. Но что стоит за этим словом? Без тщательных экспериментов ответить трудно. Двигатель, который сконструировал Е. И. Лев, пока так и не построен mdash; подвела технологическая база. Зато работы С. Баландина позволяют смело сказать: за ключевым в обоих авторских свидетельствах словом laquo;бесшатунныйraquo; скрывались необычные двигатели ближайшего будущего.
questione.ru
Традиционный кривошипно-шатунный механизм поршневых двигателей внутреннего сгорания при работе создает боковое усилие на стенку цилиндра. Чтобы предупредить связанный с этим повышенный износ поршней, приходится придавать им конусную форму, а их юбкам эллипсность. Кроме того, боковая нагрузка на стенку цилиндра увеличивает потери на трение, то есть приводит к уменьшению механического КПД двигателя. Исключить ее можно, применив такой механизм, в котором шатун двигался бы только возвратно-поступательно, не совершая угловых качаний относительно поршневого пальца.
К реализации этой идеи приступил С. Баландин. Он предложил применить сначала для паровой машины, а затем поршневого авиационного двигателя «точное прямило» — механизм, давно известный в теории механизмов и машин. Каков же его принцип действия? Двигатель Баландина 1.jpg
Рис. 1. Частный случай гипоциклоиды.
при обкатке одной окружности внутри другой, имеющей вдвое больший радиус, точки А и В малой окружности перемещаются по взаимно перпендикулярным прямым.
Если катить без скольжения внутри большой окружности малую, то любая точка последней опишет за один цикл взаимных перемещений звездообразную криволинейную фигуру — гипоциклоиду. При соотношении диаметров окружностей 1 : 2 фигура превращается в две взаимно перпендикулярные прямые линии. Это явление было известно еще Копернику. Приложить созданный на его основе механизм к двигателю внутреннего сгорания пытались в 1908 году Бюрль во Франции и Бухерер в Германии, но неудачно.
Двигатель Баландина 2.jpg
Рис. 2. Принцип гипоциклического перемещения точек окружности в приложении к механизму, преобразующему возвратно - поступательное движение поршней во вращательное (обозначения точек те же, что на предыдущем рис.).
Двигатель Баландина 3.jpg
Рис. 3. Кинематическая схема бесшатунного двигателя.
Баландин, всесторонне исследовав проблему, нашел свое решение. Оно базировалось на частном принципе гипоциклического движения. Схема взаимного перемещения элементов предложенного им механизма (кинематическая схема) была применена в бесшатунном двигателе. Инженерное воплощение эти изобретения получили в опытном двигателе ОМБ, где были использованы цилиндры, их головки и поршни от пятицилиндрового авиационного мотора М—НА. По сравнению с ним звездообразный четырехцилиндровый бесшатунный двигатель мощнее на 33% и на 84% меньше в площади поперечного сечения. Но самый главный результат — благодаря сокращению потерь на трение между поршнем и цилиндром механический КПД повысился с 0,86 до 0,95, вырос моторесурс. С применением бесшатунного механизма цилиндро-поршневая группа перестала лимитировать надежность и долговечность мотора.
Двигатель Баландина 4.jpg
Рис. 4. Принципиальное устройство бесшатунного двигателя:
1 — поршневой шток
2 - коленчатый вал
3 — подшипник кривошипа
4 - кривошип
5 — вал отбора мощности
6 - поршень
7 — ползун штока
8 - цилиндр
После завершения экспериментов с ОМБ был построен и испытан ряд других опытных двигателей, работавших по принципиально той же схеме. В них функции шатунов выполняют поршневые штоки 1, жестко (а не через поршневые пальцы) связанные с поршнями 6 и, подобно шатунам, охватывающие шейки коленчатого вала 2. На каждом штоке по обеим сторонам подшипника выполнены ползуны (для упрощения на рисунках не показаны), которые скользят по направляющим в картере, полностью разгружая поршень и цилиндр от боковых усилий. В результате поршень превращается просто в обойму для поршневых колец, которые герметизируют стык «поршень — цилиндр». Поэтому допуски на размеры поршня могут быть менее жесткими. На рисунке показана четырехцилиндровая секция бесшатунного двигателя, но возможны конструкций с восемью цилиндрами, двенадцатью, шестнадцатью и т. д. Угол между цилиндрами 8 из-за особенностей кинематической схемы допустим любой, кроме 0 и 180°, так как невозможно получить конструкции, где цилиндры расположены в один ряд или оппозитно. Во всяком случае, нет препятствий для создания низкого компактного мотора с крестообразным, Х-образным или V-образным расположением цилиндров.
Коленчатый вал 2 бесшатунного двигателя вращается на подшипниках 3, смонтированных в кривошипах 4. Они через зубчатые венцы на их щеках передают крутящий момент на шестерни так называемого синхронизирующего вала 5, который может служить и для съема мощности.
Двигатель Баландина 5.jpg Рис. 5. Компоновка бесшатунного двигателя одинарного действия
1 — поршневой шток
2 - коленчатый вал
3 — подшипник кривошипа
4 - кривошип
5 — вал отбора мощности
6 - поршень
7 — ползун штока
8 - цилиндр
Типичная компоновка четырехцилиндрового бесшатунного двигателя одинарного действия приведена на рис. Здесь можно видеть ползуны 7 штока, выполненные заодно со штоком. 1 поршни 6.
Двигатель Баландина 6.jpg
Рис. 6. Компоновка цилиндра бесшатунного двигателя двойного действия
Отсутствие угловых колебаний штока относительно поршня открывает возможность создания двигателя двойного действия. В этом случае рабочий процесс идет по обе стороны поршня, что позволяет снять почти вдвое большую мощность.
Двигатель Баландина 7.jpg
Рис. 7. Сравнение поперечного габарита двигателей двойного действия — обычного и бесшатунного (выделен красным), слева при одинаковых диаметре цилиндра и ходе поршня, справа — при одинаковой мощности.
Кстати, для того чтобы создать возможность для двустороннего рабочего процесса, в поршневых паровых машинах и судовых двигателях внутреннего сгорания применяют так называемый крейцкопфный кривошипно-шатунный механизм. Однако при такой конструкции резко увеличиваются габарит и масса двигателя. Сопоставление поперечного габарита V-образных поршневых двигателей внутреннего сгорания двойного действия крейцкопфного и бесшатунного типа показывает значительные преимущества последнего.
Последний из опытных бесшатунных двигателей С. Баландина, восьмицилиндровый ОМ—127РН двойного действия развивал мощность 3500 л. с. (2576 кВт). Он имел систему впрыска топлива и турбонаддув.
Удельные параметры ОМ—127РН: мощность — 146 л. с/л, расход топлива при максимальной мощности — 200 г/л.с. в час, масса — 0,6 кг/л. с. Суммируя достоинства бесшатунного двигателя, можно отметить, что по сравнению с рядом поршневых двигателей внутреннего сгорания и газовыми турбинами он компактнее, менее металлоемок. Для изготовления многих его деталей пригодны действующие технология и оборудование моторостроительных производств в автомобильной промышленности.
Все эксперименты и исследования по бесшатунным двигателям велись в свое время специалистами авиамоторостроения. Серийно для нужд авиации он, однако, не выпускался, поскольку пригоден только для винтовых машин, время которых прошло. Развитие же идей С. Баландина применительно к автомобильным двигателям представляет интерес. Так, на одном из наших автомобильных заводов группой конструкторов под руководством Р. Розова был разработан проект бесшатунного двигателя с Х-обравным расположением цилиндров. Ближайшее будущее, видимо, покажет, насколько реальны перспективы применения бесшатунного двигателя на автомобиле в условиях массового производства.
С. Баландин работал в авиационной промышленности, спроектировал и построил несколько образцов авиамоторов по бесшатунной схеме, и эти работы были долгое время (до конца шестидесятых) засекречены. Информации об этих двигателях немного до сих пор. Некоторые сохранились до наших дней в качестве экспонатов музея авиационной техники, что в подмосковном городе Монино. В свое время эти разработки окружала завеса секретности, и с тех пор немалая часть техдокументации, отчетов об испытаниях, переписки либо уничтожена, либо канула в безвестность. Мало известно и о современных проектах. Впрочем, любые конструкторские бюро очень неохотно делятся информацией о своих экспериментальных разработках, не увидевших производства. Это естественно, и такой подход характерен для всех КБ во всем мире.
Конструкторы ирбитского мотоциклетного завода занимались «бесшатунником». Опытный образец был построен, но до испытаний на стенде дело не дошло, — не удавалось провернуть рабочий вал двигателя.
Баландин в своей книге «Бесшатунные поршневые двигатели внутреннего сгорания» (М., Машиностроение, 1972) приводит разрез бесшатунного автомобильного двигателя. Как удалось узнать, его спроектировала небольшая конструкторская группа одного из автомобильных заводов страны. Это был ее первый мотор, и он так и остался на бумаге. Изучение книги Баландина и разных публикаций, пропагандировавших идею «бесшатунника», наводило на мысль, что ранее подобная схема никем не применялась. Однако в сборнике «Новые конструкции автомобилей и их отдельных механизмов» (М., Гострансиздат, 1931), составленном А. Коростелиным, есть описание сходного по схеме двигателя. О нем говорилось, что разработан он автомобильным институтом в Англии и, самое удивительное, что первая партия этих двигателей только что поступила в опытную эксплуатацию. По-видимому, новое это и в самом деле хорошо забытое старое.
w1.integrarium.ru
Нетрадиционные двигатели
Поршневой двигатель внутреннего сгорания известен более столетия, и с 1886 года он применяется на автомобилях. Его принципиальное решение было найдено в 1867 году немецкими инженерами Н. Отто и Э. Лангеном. Оно оказалось достаточно удачным, чтобы обеспечить этому типу двигателя лидирующее положение, которое он сохраняет в автомобильной промышленности и сегодня.
Но изобретатели многих стран за прошедшее столетие неустанно пытались создать иной двигатель, который мог бы по важнейшим показателям превзойти поршневой двигатель внутреннего сгорания.
Бесшатунный двигатель с. баландина. Преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращательное осуществляет механизм, основанный на кинематике «точного прямила». Два поршня жестко соединены штоком, действующим на коленчатый вал, который вращается в кривошипах с зубчатыми венцами.
Какие же это показатели? Прежде всего, так называемый эффективный кпд; он характеризует, какая часть теплоты, содержавшаяся в израсходованном топливе, преобразована в механическую работу. Для карбюраторного двигателя внутреннего сгорания он равен 0,31, а для дизеля — 0,39. Иными словами, эффективный кпд характеризует экономичность двигателя. Не менее важны удельные показатели: удельная масса (кг/л. с.) и удельный занимаемый объем (л. с./м3), которые свидетельствуют о легкости и компактности конструкции. Важное значение имеет и способность двигателя приспособляться к изменениям нагрузки, а также простота устройства, трудоемкость изготовления, уровень шума, содержание токсичных веществ в продуктах сгорания.
При всех положительных сторонах той или иной концепции силовой установки период от начала теоретических разработок до внедрения в серийное производство занимает подчас очень много времени. Так, несмотря на непрерывную работу, немецкому изобретателю Ф. Ванкелю, создателю роторно-поршневого двигателя, потребовалось 30 лет, чтобы довести свой проект до промышленного образца. Кстати, почти три десятка лет ушло на то, чтобы внедрить дизель на автомобиле серийного производства («Бенц», 1923 г.).
Роторно-поршневой двигатель Ф. Ванкеля. Трехгранный ротор совершает планетарное движение вокруг эксцентрикового вала. Изменяющийся объем трех полостей, образованных стенками ротора и внутренней полости картера, позволяет осуществить рабочий цикл теплового двигателя с расширением газов.
Причина столь значительной задержки не в техническом консерватизме, а в необходимости всесторонне отработать новую конструкцию, создать необходимые для ее массового производства технологию и материалы.
Здесь мы расскажем лишь о некоторых типах нетрадиционных двигателей, которые реально доказали свою жизнеспособность.
«Нсу-Спайдер» (Германия). Первый в мире (1964 г.) серийный легковой автомобиль с роторно-поршневым силовым агрегатом. Двигатель односекционный с водяным охлаждением; установлен сзади. Рабочий объем — 498 см3. Мощность — 54 л. с. (40 кВт) при 5000 об/мин. Длина машины — 3,58 м. Масса в снаряженном состоянии — 0,68 т. Число мест — 2. Скорость — 150 км/ч.
Один из самых существенных недостатков поршневого двигателя внутреннего сгорания — довольно громоздкий кривошипно-шатунный механизм, с работой которого связаны и основные потери на трение.
Уже в начале нашего века делались попытки вовсе избавиться от такого механизма. С тех пор было предложено немало хитроумных конструкций для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала двигателя.
«Мазда-РХ7» (Япония). Роторно-поршневые двигатели сегодня серийно устанавливаются только на машины этой марки, выпускаемые фирмой «Тойо Когйо». Рабочий объем двигателя — 2292 см3. Мощность — 130 л. с. (95 кВт) при 7000 об/мин. Длина машины — 4,27 м. Масса в снаряженном состоянии — 1,1 т. Число мест — 2 +2. Скорость — 200 км/ч.
Удачное решение задачи нашел инженер С. Баландин. В сороковых — пятидесятых годах он спроектировал и построил образцы авиамоторов, где шток, соединяющий поршни с преобразующим механизмом, не совершал угловых качаний.
Такая бесшатунная конструкция (см. рисунок), хотя и была несколько сложнее традиционного кривошипно-шатунного механизма, обеспечивала меньшие потери на трение и занимала меньший объем.
Надо сказать, что аналогичный по устройству двигатель испытывался в конце двадцатых годов в Англии. Но заслуга Баландина в том, что он увидел новые возможности бесшатунного преобразующего механизма. Поскольку шток в нем не качается относительно поршня, то можно по другую сторону поршня также поместить камеру сгорания с несложным уплотнением проходящего через ее крышку штока. Такое решение позволяет почти вдвое увеличить мощность при неизменном габарите. Но, в свою очередь, двусторонний рабочий процесс означает необходимость устройства по обе стороны поршня (для двух камер сгорания) газораспределительного механизма с соответствующим усложнением, а, следовательно, и удорожанием конструкции. Видимо, такой двигатель наиболее перспективен для машин, где решающее значение имеют высокая мощность, малые масса и габарит (гоночные автомобили, самолеты, танки), а трудоемкость и себестоимость — второстепенное.
Газовая двухвальная турбина. Газы из камеры сгорания направляются на два рабочих колеса турбины, связанных каждое с самостоятельными валами. С левого отбирается мощность к колесам автомобиля, от правого — приводится в действие центробежный компрессор. Нагнетаемый им воздух попадает в камеру сгорания через теплообменник, где подогревается отработавшими газами.
Последний из бесшатунных авиамоторов Баландина, построенный в начале 50-х годов (ОМ-127РН, двойного действия с впрыском топлива и турбонаддувом), имел очень высокие для своего времени основные показатели: эффективный кпд около 0,34, удельная мощность 146 л. с./л, удельная масса — 0,6 кг/л. с. и по ним был близок к лучшим автомобильным гоночным двигателям.
Что же касается автомобильных вариантов бесшатунных двигателей, то пока работы в этом направлении ограничиваются стадией проектирования.
«Ровер-Т1» (Англия). Первый в мире (1950 г.) опытный автомобиль с газотурбинной силовой установкой. В задней части серийного легкового «Ровер-75» смонтирована двухвальная турбина без теплообменника. Мощность — 100 л. с. (74 кВт) при 50 000 об/мин. Длина машины — 4,54 м. Масса в снаряженном состоянии — 1,4 т. Число мест — 2. Скорость — 137 км/ч.
В роторно-поршневых двигателях, которые устанавливаются на серийных автомобилях с 1964 года, функции поршня выполняет трехгранный ротор. Необходимое перемещение ротора в корпусе относительно эксцентрикового вала обеспечивает планетарно-шестеренчатый согласующий механизм (см. рисунок).
Роторно-поршневой двигатель, при равной с поршневым мощности, компактнее (занимает на 30 % меньший объем), легче его (на 10—15%), лучше уравновешен и имеет меньше деталей. Но при этом уступал поршневому по долговечности, надежности уплотнения рабочих полостей, расходовал больше топлива, а его отработавшие газы содержали больше токсичных веществ. Теперь, после многолетней доводки, эти недостатки удалось устранить.
Паровая поршневая машина. Пар попеременно подается то по одну, то по другую сторону поршня. Его подача регулируется золотником, скользящим в парораспределительной коробке над цилиндром. Шток поршня уплотнен в цилиндре втулкой и соединен с довольно громоздким крейцкопфным механизмом, преобразующим его возвратно-поступательное движение во вращательное.
И все же серийное производство автомобилей с роторно-поршневыми двигателями сегодня организовано только на одной японской фирме — «Тойо Когйо». За полтора десятка лет она выпустила свыше миллиона таких машин. Более двадцати других заводов строят и испытывают опытные образцы таких двигателей. Среди них Волжский автомобильный завод, который в 1982 году на выставке НТТМ-82 экспонировал автомобиль ВАЗ-21018 с опытным двигателем ВАЗ-311 мощностью 70 л. с.
Помимо конструкции Ф. Ванкеля, известны многочисленные (десятки тысяч патентов) роторно-поршневые двигатели других изобретателей (Г. Брэдшоу, Г. Ружицкого, Э. Кауэртца, Р. Сейрича и других). Однако объективные причины не позволили им выйти из стадии экспериментов — чаще всего из-за недостаточного технического совершенства, высокой себестоимости и отсутствия технологической преемственности с традиционными моторами.
«Сентинель-DG-6» (Англия). Трехосный самосвал (1928 г.) с водотрубным вертикальным котлом и горизонтальной паровой машиной двойного действия. Мощность двигателя — 60 л. с. (44 кВт) при 660 об/мин. Длина машины — 8,0 м. Масса в снаряженном состоянии — 10,5 т. Грузоподъемность — 10 т. Скорость — 15 км/ч.
Газотурбинная силовая установка при равной мощности легче и компактней поршневого двигателя внутреннего сгорания, хорошо уравновешена. Отработавшие газы менее токсичны. Газовая турбина в силу особенностей своих тяговых характеристик может работать на автомобиле без коробки передач. Технология производства газовой турбины давно освоена авиационной промышленностью. В чем же тогда заключается то «но», которое, несмотря на ведущиеся более 30 лет эксперименты с газотурбинными автомобилями, не дает им попасть на конвейер?
Главное «но» — низкая по сравнению с поршневыми двигателями внутреннего сгорания экономичность и маленький эффективный кпд. Кроме того, газотурбинные двигатели довольно дороги в производстве, и сегодня их можно встретить только на экспериментальных машинах.
Тепловоздушный двигатель Р. Стирлинга. Два поршня (верхний — вытесни тельный, нижний — рабочий) соединены с кривошипным механизмом концентричными штоками. Находящийся в полостях под и над вытеснительным поршнем газ, попеременно нагреваясь в головке цилиндра от горелки, проходит через теплообменник и охладитель и обратно. Циклическое изменение его температуры сопровождается изменением объема и соответствующим ему перемещением поршней.
Двигатели внешнего сгорания, в частности паровые машины, применялись на автомобилях вплоть до 1931 года. Они работали на угле, мазуте, дровах. Среди их достоинств — долговечность, высокая плавность работы, хорошие тяговые характеристики, позволяющие обойтись без коробки передач. Главные недостатки: низкий кпд и значительная масса силовой установки.
Опытные разработки последних лет (в частности американца Б. Лира и Других) позволили создать установки с полной конденсацией воды (замкнутый цикл), найти рецепты парообразующих жидкостей с более выгодными, чем вода, показателями. И все же на серийное производство паровых автомобилей за последние годы не решился ни один завод.
«Форд-Торино» (США). В 1972 г. опытный двигатель Стирлинга, изготовленный голландской фирмой «Филипс», испытывался на этой машине. Мощность двигателя — 172 л. с. (127 нВт). Длина машины — 5,27 м. Масса в снаряженном состоянии — 1,9 т. Число мест — 5. Скорость — 200 км/ч.
К двигателям внешнего сгорания относится и так называемый тепловоздушный двигатель, идея которого была предложена еще в 1816 году Р. Стирлингом. Рабочим телом в нем служат находящийся под давлением гелий или водород, попеременно охлаждаемый и нагреваемый. Такой двигатель в принципе прост (см. рисунок), расходует топлива меньше, чем поршневые двигатели внутреннего сгорания, не выделяет при работе газов, содержащих вредные вещества, и имеет высокий эффективный кпд (0,38). Но внедрению двигателя Стирлинга в массовое производство препятствуют серьезные трудности. По сравнению с поршневыми двигателями внутреннего сгорания он очень громоздок и тяжел, медленно набирает обороты. Кроме того, в нем технически сложно обеспечить уплотнение рабочих полостей.
Электромобилям предрекали большое будущее. Но до сих пор не удалось преодолеть главный их недостаток: значительную массу аккумуляторов, малую мощность батарей и длительность их зарядки. Поэтому сфера применения колесных транспортных машин с электродвигателями ограничена пока троллейбусами, получающими питание через контактную сеть, и электромобилями, главным образом развозными, источником питания для которых служат аккумуляторы.
«Романов» (Россия). Электрический омнибус построен И. В. Романовым в 1901 г. Восемь аккумуляторов обеспечивали запас хода 60 км. Мощность двух электродвигателей — 6 л. с. (4 кВт). Масса в снаряженном состоянии — 1,6 т. Число мест — 17. Скорость — 11 км/ч.
Особняком среди нетрадиционных двигателей стоит керамический. По конструкции он не отличается от обычного четырехтактного двигателя внутреннего сгорания. Однако его важнейшие детали выполнены из керамики—материала, выдерживающего температуры, почти в полтора раза более высокие, чем металл. Поэтому керамическому двигателю не нужна система охлаждения и, следовательно, нет потерь тепла, связанных с ее работой. В результате открывается возможность создать двигатель, работающий по так называемому адиабатическому циклу, что сулит значительное сокращение расхода топлива. Пока эти работы, ведущиеся японскими и американскими специалистами, не вышли из поисковой стадии.
Хотя в экспериментах с различными нетрадиционными двигателями по-прежнему нет недостатка, доминирующее положение на автомобиле, как уже отмечалось, сохраняет и, видимо, будет долго сохранять поршневой четырехтактный двигатель внутреннего сгорания.
Мировая автомобильная промышленность ежегодно выпускает около 30 миллионов легковых машин с такими двигателями. Добавим к ним грузовики, автобусы, тракторы, сельскохозяйственные и строительные машины, часть мотоциклов и судов. Их производством заняты тысячи заводов, стоимость оборудования и оснастки. которых выражается астрономическими цифрами. Ломка этой устоявшейся производственной структуры даже при наличии альтернативной конструкции, превосходящей во всех отношениях традиционный мотор, не может по экономическим соображениям произойти скачком. Переход всегда будет проходить плавно, как показывает пример роторно-поршневого двигателя. Вот почему сегодня на 400 миллионах автомобилей нашей планеты разнообразие двигателей по принципу работы меньше, чем на заре автомобилизации.
pandia.ru
Двигатели Баландина. 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 1948mdash;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 laquo;Бесшатунные двигатели внутреннего сгоранияraquo; С. С. Баландина сконцентрировано все наиболее важное об этих необыкновенных моторах.
В 1968 г. журнал laquo;Изобретатель и рационализаторraquo; № 4 опубликовал статью под заголовком laquo;Существенно новый двигательraquo;, где речь шла о laquo;бесшатунном механизме для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательноеraquo; (а. с. № 164756). Его авторmdash;молодой севастопольский изобретатель Е. И. Лев. Статья заканчивалась словами: laquo;…хочется, чтобы двигатель построили, опробовали в делеraquo;. А через полгода стало известно о существовании авторского свидетельства № 118471, выданного в 1957 г. С. Баландину на laquo;двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмомraquo;.
В обеих формулировках присутствует слово laquo;бесшатунныйraquo;. Но что стоит за этим словом? Без тщательных экспериментов ответить трудно. Двигатель, который сконструировал Е. И. Лев, пока так и не построен mdash; подвела технологическая база. Зато работы С. Баландина позволяют смело сказать: за ключевым в обоих авторских свидетельствах словом laquo;бесшатунныйraquo; скрывались необычные двигатели ближайшего будущего.
qalib.net
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) с механическим КПД 95% практически не имеет вредных выхлопных газов и способен при расходе топлива три литра на 100 км развивать мощность 300 л. с. А общий КПД чудо-двигателя, работающего на бензине, составляет порядка 60%. Это кажется невероятным, ведь КПД массовых автомобильных бензиновых ДВС не превышает 25%, дизельных — 40%. Этот проект — реально работающий прототип, собранный в «подвале» небольшого мебельного завода. Новые технологии, примененные в этом движке, запатентованы в России, США и даже в Японии. Все попытки зарубежных компаний купить эти разработки патриотом-кулибиным были отвергнуты, хотя предлагались суммы, в 20 раз превышающие стоимость всего его бизнеса. Представляется, что этот проект может создать серьезную конкуренцию электромобилю.
Создатель двигателя оказался автором более 50 патентов, в том числе международных. Александр Николаевич Сергеев — разработчик оригинальной технологии сварки роторов для производства аммиака, источников питания сварочной дуги, аэродинамических спойлеров для вазовских автомобилей и еще более 50 изделий, до сих пор применяющихся в шести отраслях промышленности. Свой первый патент на изобретение Сергеев получил, еще будучи студентом, в 1970-х, и был удостоен почетного тогда звания «Молодой ученый года», а через три года, поступив на работу инженером на завод «Азотреммаш» (ныне часть холдинга «Тольяттиазот» — крупнейшего в мире производителя азота), произвел технологическую революцию в отрасли. Разработанная им технология сварки рабочих колес центробежных компрессоров позволила увеличить ресурс работы этих агрегатов в несколько раз и отказаться от поставок аналогичных устройств из США.
Крупнейший китайский производитель аккумуляторов и батарей готов вложиться в разработки уральского малого бизнеса
Людмила Колбина
— Мы впервые в мире сделали цельносварной ротор, — объясняет Александр. — Это основной в производстве аммиака узел — узел сжатия газа до давления свыше 300 атмосфер при гиперзвуковых окружных скоростях рабочих колес компрессоров. По теме сварки магнитоуправляемой дугой у меня порядка пятнадцати авторских. Если вкратце, там, по сути, было сделано открытие по влиянию электромагнитного поля на электропроводность и теплопроводность.
Наработки в области сварки, созданные в рамках химпрома, пригодились в других отраслях. Сергеевым был разработан сварочный трансформатор, по своим характеристикам превышающий те, что продавались на рынке, при этом его стоимость была на 30% ниже, а площадь занимаемого пространства сократилось в пять раз. В 1980-х годах изобретатель хотел предложить свои разработки начальству, однако в стране грянула перестройка, началось кооперативное движение; Сергеев ушел с завода и, прихватив с собой костяк своей команды, организовал предприятие, выпускающее промышленное сварочное оборудование.
— Я пришел в госбанк, сказал, что мы хотим кооператив организовать.
Механический КПД предлагаемого двигателя в 95% достигается за счет использования кинематической схемы бесшатунного механизма (механизма Баландина), при которой значительно уменьшаются потери на преодоление сил трения за счет исключения бокового давления поршня на стенки рабочего цилиндра. У лучших ДВС с кривошипно-шатунным механизмом механический КПД остается на уровне 90%.
Топливная эффективность двигателя Александра Сергеева достигает 98% за счет организации нового запатентованного процесса смесеобразования и сжигания топлива, обеспечивающего полное сжигание топлива в рабочем цилиндре.
Термодинамический КПД предлагаемой разработки составляет 60–65% за счет организации работы бензинового двигателя в двухтактном цикле с полным наполнением рабочего цилиндра атмосферным воздухом на всех режимах его работы, при степени сжатия ε = 14÷20 без детонации.
Разработанный двигатель устойчиво работает в двухтактном цикле с двойной продувкой, в режимах холостого хода и частичной нагрузки (основные режимы работы двигателя в городском режиме и движении по трассе, что составляет ≈80÷85% работы ДВС), то есть один ход рабочий, следующий продувочный, что идеально готовит рабочий цилиндр к следующему рабочему циклу. Это позволяет дополнительно уменьшить расход топлива и обеспечить оптимальный температурный режим работы двигателя, что также способствует повышению теплового (термодинамического) КПД двигателя.
Принципиальное устройство бесшатунного двигателя
expert.ru
