Мы привыкли к стандартной концепции автомобильного двигателя внутреннего сгорания с блоком цилиндров, шатунно-поршневой группой (ШПГ) и валами, но было немало попыток её пересмотреть. Например, Ванкель создал роторный агрегат, технологию которого затем стремилась массово внедрить Mazda, а на ЗИЛе когда-то решили отказаться от классических шатунов. Идея была очень интересной, собранные прототипы показывали достойные результаты, однако до серийного производства моторов дело так и не дошло. Давайте разбираться, почему так произошло.
Статья будет интересной? Не забудьте поставить "палец вверх" и подписаться на канал!
А зачем он был нужен?
Несмотря на свою распространённость, классический автомобильный ДВС имеет ряд серьёзных недостатков:
- Большие потери на трение. При движении шатун постоянно прижимает поршень к стенке цилиндра разными сторонами, что приводит к дополнительному расходу энергии и износу.
- Лишний вес. Длинные качающиеся шатуны требуют большого расстояния от коленвала до поршня.
- Вибрации и шумность при работе. Качение ШПГ провоцирует инерционные силы.
В конце 1970-х годов на ЗИЛе решили пересмотреть концепцию двигателя и использовать опыт из авиационной отрасли. Важную роль в этом сыграл конструктор Сергей Степанович Баландин.
Ещё в 1930-х годах Баландин начал разработку авиационных двигателей бесшатунного типа. Венцом его идей стал агрегат под названием ОМ-127РН. Это был бесшатунный поршневой двигатель, выдающий 3 500 лошадиных сил. Однако разработки Баландина так и не получили серийного применения в авиации. Во многом это было связано с активным распространением реактивных двигателей, из-за чего разработки в области мощных поршневых моторов для самолётов перестали быть актуальными.
Легче, мощнее, надёжнее
В 1972 году Баландин выпустил книгу "Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания", где изложил свои идеи и опыт. Тогда к разработкам отечественного конструктора решили вернуться на ЗИЛе. В те годы Сергею Степановичу уже было больше 70 лет, но он стал главным научным консультантом проекта по созданию бесшатунного автомобильного двигателя. Разработка получила название "БД-1800", где "БД" означало "бесшатунный двигатель", а 1800 – объём агрегата в кубических сантиметрах.
Конструктивно это был четырёхцилиндровый бензиновый оппозитный двигатель, в котором не предусмотрены привычные шатуны. Вместо них устанавливался жёсткий шток, связанный с поршнями, и специальный кривошипно-кулисный механизм.
Такое соединение позволило добиться линейности при работе двигателя, которая минимизирует потери на трение и износ юбки поршня. Фактически с блоком цилиндров контактировали только компрессионные и маслосъёмные кольца. В результате механический КПД двигателя Баландина был примерно на 10% выше стандартного автомобильного ДВС тех лет, а вибрации сведены к минимуму. Благодаря очень короткому блоку цилиндров масса агрегата была на 30-40% меньше по сравнению с обычными моторами аналогичной мощности.
Предполагалось, что изначально БД-1800 будут устанавливать на легковые автомобили. Несколько экземпляров агрегата собрали для проведения испытаний, но дальнейшего хода идея так и не получила.
Оказалось, что технологии тех лет не позволяли дёшево выпустить двигатель подобного типа. Если обычный мотор предусматривал достаточно широкие допуски по геометрическим погрешностям и тепловому расширению, то БД-1800 разительно отличался. Для правильной работы бесшатунного двигателя зазоры должны измеряться в микронах, ведь даже малейшее отклонение приводило к разрушению кривошипно-кулисного механизма из-за люфта или заклиниванию при нагреве.
Кроме того, БД-1800 был очень требователен к характеристикам и состоянию моторного масла. Вся нагрузка от расширения газов в нём приходилась на сухари кривошипно-кулисного механизма, что требовало подачи смазки под высоким давлением. При высоких нагрузках моторное масло тех лет не всегда могло обеспечить достаточную толщину масляной плёнки.
Тем не менее в будущем эту проблему могли решить, а себестоимость постройки высокотехнологичных агрегатов не играла ключевой роли. Однако в дело вмешались внешние факторы, из-за которых ЗИЛу пришлось отказаться от всех амбициозных проектов и начать борьбу за существование.
В современном мире идеи Баландина получили определённое применение. Схожую концепцию используют в свободнопоршневых линейных генераторах, производимых для автономного питания серверного оборудования. Некоторые конструкторские бюро, специализирующиеся на малой авиации, тоже развивают разработки известного инженера.