Бесшатунный двигатель своими руками

Обновлено: 06.07.2024

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

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.

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.

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.

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.

Двигатели без коленвала — новая эра в автомобилестроении

Двигатель без коленвала

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.

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.

Бесшатунный двигатель Баландина

Данный мотор известен тем, что в нем отсутствуют шатуны. Преобразование возвратно-поступательного движения поршней в цилиндрах происходит благодаря использованию в конструкции специального эксцентрического механизма.

Общее устройство бесшатунного двигателя предполагает наличие следующих деталей:

специальный поршневой шток
коленвал особой конструкции
подшипник кривошипа и кривошип
вал для отбора мощности
поршень
ползун штока
цилиндр

В таком ДВС вместо шатунов были использованы поршневые штоки, которые жестко прикреплены к поршням (в обычном агрегате для соединения используется поршневой палец). Указанные штоки, как и привычные шатуны, охватывают шейки коленвала.

Отсутствие боковых усилий позволяет снизить допуски применительно к размерам поршня. Двигатель становится более производительным, экономичным, возрастает ресурс. Также следует отметить компактность такого ДВС и сниженный вес. Однако главным минусом всей конструкции можно считать крайне высокие требования касательно общей точности изготовления указанного эксцентрика.

Труба Франка Штельзера

Максимальная мощность FPLA составляет 40 кВт (55 лошадок) при среднем потреблении топлива 140 г на 1кВтч. По эффективности двигатель не уступает водородным топливным ячейкам — термический КПД генератора при использовании в качестве топлива водорода и степени сжатия 30:1 достигает 65%. На пропане чуть меньше — 56%. Помимо этих двух газов FPLA с аппетитом переваривает солярку, бензин, этанол, спирт и даже отработанное растительное масло.

Однако ничто не дается малой кровью. Если проблема превращения тепловой энергии в электрическую Ван Блариганом решена успешно, то управление капризным поршнем стало серьезной головной болью. Верхняя мертвая точка траектории зависит от степени сжатия и скорости сгорания топливного заряда. Фактически торможение поршня происходит за счет создания критического давления в камере и последующего самопроизвольного возгорания смеси. В обычном ДВС каждый последующий цикл является аналогом предыдущего благодаря жестким механическим связям между поршнями и коленвалом. В FPLA же длительность тактов и верхняя мертвая точка — плавающие величины. Малейшая неточность в дозировке топливного заряда или нестабильность режима сгорания вызывают остановку поршня или удар в одну из боковых стенок.

Зеленый и плоский Двигатель Ecomotors отличается не только скромными габаритами и массой. Внешне плоский агрегат напоминает оппозитные моторы Subaru и Porsche, которые дают особые компоновочные преимущества в виде низкого центра тяжести и линии капота. Это означает, что автомобиль будет не только динамичным, но и хорошо управляемым.

Ван Блариган более оптимистичен, чем его коллеги по цеху. Он утверждает, что управление положением поршня может быть надежно обеспечено посредством той же пары — статор и магнитная оболочка поршня. Более того, он считает, что полноценный прототип генератора с настроенной системой управления и КПД не менее 50% будет готов уже к концу 2010 года. Косвенное подтверждение прогресса в этом проекте — засекречивание в 2009 году многих аспектов деятельности группы Ван Бларигана.

У кого шатун длиннее Значительная часть потерь на трение в обычных ДВС приходится на повороты шатуна относительно поршня. Короткие шатуны поворачиваются на больший угол, нежели длинные. В OPOC очень длинные и сравнительно тяжелые шатуны, которые снижают потери на трение. Уникальная конструкция шатунов OPOC не требует использования поршневых пальцев для внутренних поршней. Вместо них применяются радиальные вогнутые гнезда большого диаметра, внутри которых скользит головка шатуна. Теоретически такая конструкция узла позволяет сделать шатун длиннее обычного на 67%. В обычном ДВС серьезные потери на трение возникают в нагруженных подшипниках коленвала во время рабочего такта. В OPOC этой проблемы не существует вовсе — линейные разнонаправленные нагрузки на внутренний и внешний поршни полностью компенсируют друг друга. Поэтому вместо пяти опорных подшипников коленвала для OPOC требуется лишь два.

Почему мы хотим избавиться от коленчатого вала

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

Бесшатунный двигатель Баландина

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.

Двигатель Фролова — мотор без шатунов и коленвала

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.

В этом двигателе нет коленвала

Я – изобретатель

В его роду были церковнослужители. Один из предков, Владимир Павлович Ляховский, получил даже царскую грамоту за просвещение детей бедноты в Самарской губернии, где был священником. И любознательность у Евгения Сергеевича, как он уверен, в крови – передалась по наследству.

…После школы Женя пошёл в железнодорожное училище. Вскоре его отобрали в группу мастеров, где он учился на кузнеца. И так успешно, что окончил училище с пятым разрядом, который не каждый кузнец имел на производстве.

Тяга к учёбе была у него всегда. И к изобретательству – тоже. Уже через год Евгений поступил в техникум. И там его конструктивные мысли нашли конкретный выход: он сделал своими руками авиамодельный двигатель внутреннего сгорания и аэросани. На испытание толпа собралась, как на митинг. А вскоре Женя стал разъезжать на аэросанях по своим надобностям.

Будучи ещё студентом, Ляховский стал заведующим отделом производственного обучения. Так высоко оценило руководство его мастеровитость и смекалку.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Бесшатунный двухтактный двигатель с противоположно расположенными в одном цилиндре двумя поршнями двойного действия, с двумя коленчатыми валами, кинематически связанными между собой одной парой шестерен, в котором коленчатый вал и поршень соединены звеном связи, размещенным в пазу поршня и охватывающим шатунную шейку коленчатого вала, при этом ориентированные к друг другу днища поршней образуют камеру сгорания, противоположные днища — продувочную часть, отличающийся тем, что паз в поршне для размещения звена связи выполнен наклонным, под углом 80 o к оси поршня, а диаметр продувочных частей каждого цилиндра в 1,2 — 1,3 раза больше, чем диаметр его рабочей части.

Для тех, кто активно интересуется различными изобретениями, доработками и инновациями в сфере двигателестроения, следует обратить внимание на двигатель Ибадуллаева, а также на двигатель без коленчатого вала.

Если в первом случае речь идет о значительном увеличении степени сжатия и получении большой мощности без увеличения рабочего объема, то во втором следует понимать снижение механических потерь и рост КПД, расхода горючего, степени вибраций, общего веса ДВС и т.д. Давайте остановимся на моторе без коленвала более подробно.

Мотор без коленчатого вала: преимущества и сложности реализации

Итак, главной задачей и назначением любого ДВС является преобразование энергии, полученной от сгорания топлива, в механическую работу. Если просто, топливо сгорает в закрытом объеме, газы оказывают давление на поршень, через кривошипно-шатунный механизм возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное.

В результате создается крутящий момент двигателя, который передается через трансмиссию на колеса автомобиля. Примечательно то, что хотя с момента создания первых моторов и их внедрения в широкие массы прошло уже более 100 лет, общая конструкция ДВС не изменилась.

Даже с учетом того, что современные двигатели получили высокоточные развитые системы электронного впрыска и управления, стало возможным изменять фазы газораспределения и т.д., хорошо известный КШМ продолжает лежать в основе силового агрегата на бензине, дизтопливе или газе.

При этом постоянно ведутся работы, чтобы мотор мог работать без коленвала. Дело в том, что привычный кривошипно-шатунный механизм не лишен целого ряда определенных минусов. Именно по этой причине инженеры стремятся избавиться от этого узла.

Дело в том, что работа КШМ связана с неизбежным создание трения и значительных боковых усилий, которые приводят к износу стенок цилиндров. В результате зеркало цилиндра повреждается, разрушаются поршневые кольца и т.д. Что касается потерь на трение, общий КПД двигателя заметно снижается.

Также двигатель с коленвалом сложно обслуживать, так как снятие коленвала без снятия двигателя на многих авто крайне сложно реализовать. Вполне очевидно, что если исключить указанные недостатки, двигатель станет более производительным, увеличится моторесурс.

Для решения задачи конструкторы предлагают разные подходы, однако на практике качественно реализовать большинство решений попросту не удается. Наибольшего внимания в данной области сегодня заслуживает двигатель Баландина и двигатель Фролова. Давайте остановимся на механизмах без шатунов и коленвала более подробно.

Бесшатунный двигатель Баландина

Общее устройство бесшатунного двигателя предполагает наличие следующих деталей:

специальный поршневой шток
коленвал особой конструкции
подшипник кривошипа и кривошип
вал для отбора мощности
поршень
ползун штока
цилиндр

Также на штоках с обеих сторон подшипника изготовлены ползуны. Эти ползуны скользят по специальным направляющим в картере мотора. В результате данная конструкция позволяет избавить поршень и стенки цилиндра от бокового усилия. Фактически, в такой схеме реализации поршень можно считать обычной обоймой для поршневых колец, уплотняющих зазор между цилиндром и поршнем.

Двигатель Фролова: мотор без шатунов и коленвала

Основным принципом В. Фролова, который был положен в основу его разработок, является то, что коленчатый вал является далекой от совершенства деталью. По этой причине талантливый инженер детально изучил конструкцию двигателя Баландина, после чего предложил ряд собственных доработок.

С учетом того, что недостатком бесшатунного мотора Баландина оставались повышенные требования к точности изготовления эксцентрика, на начальном этапе Фролов существенно модернизировал данный узел преобразования. Однако далее был признан факт, что полностью избавиться от недостатков схемы мотора Баландина крайне сложно.

Рекомендуем также прочитать статью о том, что такое двигатель FSI. Из этой статьи вы узнаете, какие особенности имеют двигатели данного типа, а также какие плюсы и минусы имеет указанный мотор.

При этом Фролов не остановился на достигнутом, а также не оставил мысль избавиться от коленвала. Дальнейшие поиски надежных и эффективных механизмов преобразования привели к тому, что изобретатель обратил внимание на механизм ткацкого станка.

В результате был создан сегментно-роторный мотор, в основу которого были положены как заимствованные и доработанные, так и собственные идеи. Полученный двигатель не имеет коленвала, вместо данной детали используется механизм, который по принципу действия и своему устройству похож на шарнир разных угловых скоростей. Такое устройство более известно под названием шарнир Гука.

Вращающиеся детали в таком двигателе Фролова работают благодаря использованию подшипников качения. Что касается смазочной системы, моторное масло подается под крышки клапанов, затем стекает, осуществляя смазку и отвод лишнего тепла. Чтобы масло хорошо охлаждалось, перед двигателем также отдельно установлен масляный радиатор.

Что в итоге

Как видно, даже с учетом сложности реализации, инженеры и конструкторы все равно продолжают искать способы для повышения общей надежности двигателей, увеличения их КПД, снижения расхода топлива.

Рекомендуем также прочитать статью о том, что такое двигатель GDI. Из этой статьи вы узнаете об особенностях конструкции, а также о преимуществах и недостатках моторов данного типа.

Также следует добавить, что западные производители также вплотную занимаются данным вопросом. Например, известная японская корпопрация Toyota также предложила свой вариант двигателя без коленвала. Хотя такой агрегат больше похож на электрический генератор, все равно его можно считать одной из версий ДВС.

С учетом вышесказанного становится понятно, что еще рано говорить об окончании эволюции двигателей внутреннего сгорания. Другими словами, не следует исключать возможность появления бесшатунных моторов, а также агрегатов без коленчатого вала на серийных транспортных средствах.

Какой срок службы двигателя является нормой для современных моторов. Почему не осталось двигателей "миллионников". Как увеличить ресурс современного ДВС.

Линейка дизельных двигателей CRDi Hyundai/KIA: сильные и слабые стороны моторов данного типа, особенности эксплуатации, ремонта и обслуживания.

Моторы линейки TSI. Конструктивные особенности, преимущества и недостатки. Модификации с одним и двумя нагнетателями. Рекомендации по эксплуатации.

Двигатель семейства FSI: отличия, особенности, плюсы и минусы силового агрегата данного типа. Распространенные проблемы двигателей FSI, обслуживание мотора.

Конструктивные особенности двигателей GDI с непосредственным впрыском от моторов с распределенным впрыском топлива. Режимы работы, неисправности GDI.

Дизельный мотор TDI. Отличительные особенности двигателя данного типа. Преимущества и недостатки, ресурс, особенности турбонаддува. советы по эксплуатации.

Читайте также: