Двигатели Баландина: революция в поршневых двигателях

Сергей Степанович Баландин является создателем уникальных поршневых двигателей, разработка которых началась после Великой Отечественной войны. Его двигатели демонстрировали превосходство над всеми существовавшими в то время авиационными поршневыми двигателями по комплексу ключевых параметров. Они были значительно легче, мощнее, экономичнее, проще в производстве, надежнее и дешевле. К 1948 году было разработано и успешно испытано семь различных типов двигателей мощностью от 100 до 3200 лошадиных сил, что подтвердило жизнеспособность концепции.

Пиком развития этого направления стал период с 1948 по 1951 год, когда появился сверхмощный поршневой двигатель с мощностью 10000 л.с. Его удельные показатели были практически сопоставимы с параметрами современных ему турбореактивных двигателей. Мощность базовой ступени, состоявшей из четырех крестообразных цилиндров, была настолько велика, что инженеры рассматривали вопрос о ее снижении из-за отсутствия летательных аппаратов, требующих столь мощных силовых установок.

Первый же опытный образец двигателя Баландина продемонстрировал колоссальные преимущества новой схемы. При сравнении со звездообразным авиадвигателем М-11 он оказался в полтора раза мощнее и, что поразительно, в шесть раз долговечнее. Превосходство сохранялось и по всем остальным технико-экономическим показателям. Наиболее полно суть этих необычных моторов изложена в книге самого изобретателя «Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания», где каждая страница содержит революционные инженерные решения.

В 1968 году журнал «Изобретатель и рационализатор» опубликовал статью о «бесшатунном механизме для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное» за авторством севастопольского изобретателя Е. И. Лева (а.с. № 164756). Позже выяснилось, что приоритет в этой области принадлежал С. С. Баландину, получившему авторское свидетельство № 118471 еще в 1957 году. Хотя двигатель Лева (рис. 6) не был построен из-за технологических ограничений, работы Баландина доказали, что за термином «бесшатунный» скрывается будущее двигателестроения.

Рис. 6. Схема двигателя (конструктор Е. И. Лев): 1 — корпус; 2 — сдвоенные поршни; 3 — шток; 4 — ведущая шестерня; 5 — вторая пара поршней; 6 — цапфы; 7 — солнечная шестерня; 8 — ведомая шестерня

Принципиальная новизна механизма Баландина заключалась в уникальной конструкции коленчатого вала, условно разделенного на три части (рис. 7, а). Центральная коленчатая часть с уменьшенным вдвое радиусом шеек свободно вращалась внутри двух кривошипов. Поршни закреплялись на общем штоке, а в его центре располагалась направляющая – крейцкопф, аналогичный используемому в паровых машинах. Синхронизацию вращения кривошипов обеспечивал специальный синхронизирующий вал с зубчатыми передачами.

Рис. 7. Схема двигателя двойного действия С. С. Баландина (а), компоновка автомобильного варианта двигателя одинарного действия (б); S — ход поршня: 1 — коленчатый вал; 2 — кривошипы; 3 — шток; 4 — крейцкопф; 5 — синхронизирующий вал; 6 — шестерня зубчатой передачи

Отсутствие шатуна позволило реализовать эффективную систему охлаждения поршней. Мощный поток масла подавался через широкие каналы в крейцкопфе и внутри полого штока, что обеспечивало идеальный тепловой режим и возможность резкого форсирования двигателя. Благодаря крейцкопфу, скользящему по масляной пленке, износ поршней был минимальным, а износ шеек коленчатого вала снижался в 3–4 раза из-за передачи лишь разности сил противолежащих цилиндров.

Кардинальным преимуществом стала эффективность. Пониженные нагрузки на детали привели к трех- четырехкратному снижению потерь на трение. Механический КПД двигателей Баландина достигал невероятных 94%, в то время как в обычных ДВС на преодоление трения тратится 15–25% мощности. Литровая мощность первых же образцов превысила 100 л.с./л, что вдвое выше, чем у двигателя автомобиля «Жигули».

Особенностью схемы Баландина была возможность простой реализации двигателя двойного действия, где мощность увеличивалась ровно в два раза. В то время как в традиционных конструкциях для этого требовались громоздкие крейцкопфы, в бесшатунном двигателе достаточно было лишь немного удлинить штоки. Все сверхмощные двигатели Баландина, включая агрегат мощностью 14000 л.с. с весом всего 3,5 тонны (0,25 кг/л.с.), были двигателями двойного действия.

Для газораспределения в некоторых моделях использовались не клапаны, а золотники, позаимствованные из паровой техники, но в модернизированном, вращающемся исполнении. Это решение позволяло выдерживать высокие обороты, так как инерционные нагрузки не нарушали фазы газораспределения. Двигатели Баландина с золотниковым газораспределением опередили свое время на 20 лет, демонстрируя рекордную литровую мощность.

Ключевым параметром стала средняя скорость поршня, достигавшая у Баландина 80 м/с при 10–15 м/с у обычных двигателей. Высокий механический КПД позволял поднимать ее еще выше. В то время как эффективная мощность шатунных двигателей при скорости поршня свыше 30 м/с падала, бесшатунный механизм сохранял ее, обеспечивая в 5–10 раз большее значение. Осциллограммы вибрации самых мощных образцов показывали амплитуду всего 0,05–0,1 мм, что сопоставимо с турбинами.

Идеальная уравновешенность сохранялась при любом числе цилиндров, кратном четырем. Конструкция позволяла компоновать двигатели из базовых четырехцилиндровых блоков, как из кубиков. Экономичность также была выдающейся: удельный расход топлива был в среднем на 10% ниже. Благодаря отключению рядов цилиндров на частичных нагрузках, высокая экономичность сохранялась в диапазоне от 25% до 100% номинальной мощности.

Дополнительное снижение расхода топлива на 10% достигалось применением цикла с удлиненным расширением, что было невозможно в шатунных двигателях без значительного увеличения габаритов. Важным преимуществом была и стоимость: производство опытных образцов обходилось в 1,6 раза дешевле, чем серийных аналогов той же мощности, благодаря меньшему количеству деталей и технологичности конструкции.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: П. П. Лукин; Г. А. Гаспарян; В. Ф. Родионов; К. Ю. Чириков.

Источник: Конструирование и расчет автомобиля. Необычные двигатели.

Данные публикации будут полезны студентам автомобилестроительных и транспортных специальностей, начинающим инженерам-конструкторам и технологам автопрома, а также всем, кто интересуется глубоким пониманием процессов проектирования и компоновки современных автомобилей.