В этом двигателе нет коленвала

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…

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».

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

Просмотров: 15 932

Как зарождался современный ДВС?

Если сравнивать автомобиль с организмом человека, то именно движок будет выполнять роль сердца. Без него эксплуатация транспортного средства попросту невозможна. Само слово мотор в переводе с латыни означает приводить в движение. И если в двух словах, то это устройство отвечает за преобразование энергии от сгорания топлива в механическую, без которой автомобиль не заведется.

Мотор автомобиля

Впервые о подобном агрегате услышали в далеком 1801 году, а благодарить за это изобретение следует французского инженера Филиппа Лебона. А вот создателем образцов, наиболее близких по строению к современным моторам, считают немецкого инженера-самоучку Николауса Отто. О его достижениях мир узнал спустя более 70 лет, в 1877 году.

Французский инженер Филипп Лебон

За пять лет до этого Брайтон попытался воплотить в жизнь силовой агрегат, который будет работать на керосине, предыдущие устройства функционировали за счет газа. Попытка оказалась неудачной. Но в 1882 году жизнь получил новый агрегат, работающий на жидком топливе – бензине. И благодарить за его появление на свет человечество обязано немецкого конструктора, инженера и промышленника Готтлиба Даймлера.

Почему мы хотим избавиться от коленчатого вала?

Более двухсот лет прошло с момента появления первого силового агрегата, и с тех пор многое изменилось. Появились различные модификации, теперь они работают на бензине, солярке, газе, но неизменной осталась функция и роль мотора в строении авто. Однако значительный скачок приходится именно на наш век. Сегодня зарождаются новые технологии, и уже есть разработки двигателей без коленвала. Но как может мотор работать без этого узла?

Двигатель без коленвала

Если разобраться, традиционный кривошипно-шатунный механизм имеет ряд недостатков. Например, во время его работы создается очень сильное боковое усилие на стенки цилиндра. Это приводит к преждевременному износу поршня. Еще подобное усилие значительно увеличивает потери на трение, а значит, страдает КПД. Чтобы исключить этот недостаток, нужен механизм, в котором шатун будет совершать только возвратно-поступательные движения. А вот угловые качения следует полностью устранить. Сейчас можно найти множество разработок подобных агрегатов. Некоторые из них имеют право на существование, другие никуда не годятся.

Кривошипно-шатунный механизм

Основой многих изобретений выступает бесшатунный двигатель Баландина. Его работа заключается в преобразовании возвратно-поступательных движений благодаря специальному эксцентрическому механизму, к которому предъявляются очень высокие требования, что и мешает сделать мотор доступным.
На сегодняшний день у инженеров получилось создать рабочий и прошедший все испытания двигатель, в котором уменьшили количество подшипников коленвала. Это двухпоршневые конструкции. И скорее всего в ближайшие годы этот образец будет пущен в массовое производство. Это, конечно, не воплотило мечту миллионов в реальность, но существенно приблизило нас к ней. А пока что ДВС без коленвала остается навязчивой идеей, и поиски решений продолжаются.

Как видит работу мотора без коленвала Баландин?

Рассмотрим основные элементы и принцип работы таких чудо-агрегатов. Идеально гладкий поршень, на поверхности которого нанесена специальная волнообразная выемка, насаживается на вал. Сюда фиксируется и золотник. Его крепят посредством болтового соединения. Сверху поршня надевается гильза. Вся конструкция помещается в корпус. В его верхней части предусмотрена специальная выемка, куда и устанавливается ролик, а затем она закрывается крышкой на болтах.

Имеется головка, в которую вставляется свеча зажигания. С боковой стороны устанавливается глушитель, который тоже фиксируется посредством четырех длинных болтов. С противоположного торца от головки устанавливается система зажигания и соединяется со свечей посредством тонких трубок. А рядом сбоку крепится карбюратор.

Свечи зажигания для мотора Баландин

Если желаете более наглядно ознакомиться с принципом работы двигателя без коленвала, видео с подробной схемой мы разместили чуть ниже, а сейчас опишем этот процесс в общих чертах. Поршень делает возвратно-поступательные движения. Вал и поршень имеют сквозные отверстия, расположенные в одной плоскости. В них вставляется цилиндр, благодаря которому обеспечивается жесткое соединение. Поэтому при вращении вала вокруг своей оси такие манипуляции испытывает и прикрепленная к нему деталь.

Топливо поступает из бензобака в карбюратор, где распыляется через специальный клапан и перемешивается с воздухом. Когда поршень движется в сторону головки, открывается впускное окно и топливно-воздушная смесь поступает в подпоршневое пространство. Затем окно закрывается, а горючее сжимается вследствие изменения движения детали в противоположную сторону. В это время открывается продувочное окно, и смесь поступает в камеру сгорания, где опять происходит ее сжатие, обусловленное движением поршня.

Поршни двигателя без коленвала

Когда поршень находится в крайнем положении, в камере возникает огромное давление и горючее воспламеняется. Этот мини-взрыв толкает поршень в противоположную сторону. Пройдя немного, он открывает канал, через который отработанные газы покидают камеру сгорания. И этот процесс циклично повторяется на протяжении всей работы движка.

Технически подкованным людям при просмотре видеодемонстрации наверняка бросаются в глаза некоторые слабые места такой разработки. И конструкторы продолжают искать пути к повышению надежности и устойчивости такого механизма. Анализ крупных салонов последнего десятилетия показывает, что гиганты автопрома усердно трудятся над совершенствованием мотора. Поэтому есть надежда, что двигатели внутреннего сгорания без коленвала совсем скоро получат реализуемую и надежную конструкцию и автопарк всего мира существенно изменится.

Конкурентоспособный бесшатунный ДВС конструкции Иванова

Патентное ведомство страны приняло решение на выдачу петербургскому изобретателю Александру Михайловичу Иванову патента за №2022118 на бесшатунный двигатель оригинальной конструкции («Бюлл.» №20; 30.10.94).
Изобретенный Ивановым двигатель выгодно отличается от широко известного бесшатунного двигателя по а.с. СССР №118471 С. С. Баландина. Можно напомнить, что опытную партию двигателей Баландина еще в 1989 г. принял технический совет АвтоЗИЛа, но внедрению его в производство как раз и помешало появление бесшатунного двигателя Иванова. Дело в том, что новый двигатель был свободен от тех существенных недостатков, которые были присущи двигателю по а.с. №118471, так как по существу Баландину удалось только перенести трение поршня о зеркало цилиндра на боковое трение поршневого штока.
В новом бесшатунном двигателе нет линейных направляющих для поршневых штоков (крейцкопфного механизма), без которых двигатель Баландина работать не мог (см. книгу «Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания», «Машиностроение», 1972 г.).

Очень важно, что отсутствие крейцкопфного механизма для поршневых штоков создает предпосылки для создания керамического (адиабатного) двигателя, так как в цилиндрах нет перекидки поршня от одной стенки к другой и благодаря гармоническому линейному колебанию кривошипных шеек в корпусе отсутствует боковой прижим поршней к зеркалу цилиндров. Иначе говоря, керамика не работает на изгиб и растяжение. В конструкции японского керамического двигателя фирмы «Кето серамик», широко разрекламированного, демонстрировавшегося по телевидению и на ряде выставок, не было решения этой проблемы. Механизм перемещения поршней оставался его слабым местом и неудивительно, что он быстро вышел из строя — практически сразу после показа его в 1988 г.
Информация об изображении
Рис. 1. Продольный разрез по оси втулки Теперь появилась возможность выполнения решения, принятого на 41-м внеочередном заседании стран — членов СЭВ: обеспечить разработку керамического двигателя внутреннего сгорания до 2000 года. Сейчас эту задачу можно выполнить при наличии уже тех материалов, которые имеются — разработаны в разных странах, если на два оппозитно расположенных цилиндра использовать один поршень плунжерного типа из керамики или металлокерамики.
На схеме (рис. 1) показана сущность рассматриваемого изобретения на примере двухцилиндрового двигателя, хотя число цилиндров может быть и другим.
В корпусе 1 смонтирована свободно вращающаяся цилиндрическая втулка 2, несущая вал 3 с кривошипом 4. Вал 3 жестко связан с «малым» зубчатым колесом 6, находящимся во внутреннем зацеплении с «большим» неподвижным колесом 7, жестко связанным с корпусом 1. Шейка кривошипа 4 шарнирно связана с двухпоршневым штоком 8 или плунжером. Втулка 2 жестко связана с валом 5, выполняющим роль выходного звена (или входного, при использовании изобретения в варианте компрессора или насоса). На схеме (рис. 2) показан вид механизма с торцевой стороны.
Информация об изображении
Рис. 2. Вид с торцевой стороны Работает двухцилиндровый двигатель следующим образом.
Под действием давления газов на один из поршней шток 8 перемещается вдоль оси цилиндров, вращая вал 3 согласованно со втулкой 2 в корпусе 1. Эта согласованность обеспечивается путем обкатки зубчатым колесом 6 внутренней поверхности колеса 7. Вследствие того, что эксцентриситет отверстия во втулке 2 под вал 3 равен плечу кривошип ной шейки 4, шток 8 будет совершать возвратно-поступательное движение строго прямолинейно вдоль оси двух цилиндров по гармоническому закону — синусоидально. За два оборота вала 3 втулка 2 сделает один оборот. При этом, если плечо кривошипной шейки на валу 3 будет 10 мм, то линейный ход поршней (или плунжера) будет равен 40 мм.
В зубчатом механизме должно соблюдаться следующее условие: внутреннее колесо 6 не должно быть меньше половины диаметра наружного колеса 7, жестко связанного с корпусом 1. Однако с целью разгрузки зубчатых колес от реактивного давления целесообразно диаметр внутреннего колеса 6 делать даже больше половины диаметра наружного колеса 7.
На рис. 2 хорошо видно, что отношение плеча кривошипной шейки 4 к радиусу зубчатого колеса 7 создает условия для изготовления зубчатого колеса 6 не из металла, так как мощность снимается не с вала 3, а с вала 5, жестко связанного с втулкой 2, число оборотов которой в корпусе 1 в два раза меньше, чем вала 3.
Для любителей технического творчества, решивших сделать такой бес шатунный двигатель, нет необходимости начинать с нуля. Достаточно купить готовые или взять старые цилиндры и другие части, а сделать своими силами только механизм преобразования возвратно-поступательно го движения поршней (плунжера) во вращательное движение выходного вала 5. Так начинал и автор изобретения по патенту №2022118 — Александр Михайлович Иванов.
Что касается правовой стороны вопроса, то автор разрешает изготовлять без лицензии на продажу с коммерческой целью не больше 10000 (десяти тысяч) двигателей.

Рубрики: Мотоспорт

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *