Двигатель Гуськова—Улыбина: принцип работы на механизме Чебышева

Борьба с трением в двигателестроении. Создатели бесшатунных силовых агрегатов первостепенной задачей ставят устранение трения поршня о стенку цилиндра. На эту паразитную силу приходится порядка половины всех механических потерь в традиционном двигателе внутреннего сгорания. Достичь этой цели можно различными путями, и одним из таких революционных решений стал двигатель Гуськова—Улыбина. Данная разработка воронежских изобретателей Г. Г. Гуськова и Н. Н. Улыбина, защищенная авторским свидетельством № 323562, использует для этого классический механизм П. Л. Чебышева.

Принцип действия и механизм Чебышева. В этом двигателе традиционный кривошипно-шатунный механизм заменен на одну из кинематических схем, разработанных гениальным русским математиком П. Л. Чебышевым. Созданный столетие назад, этот механизм открывает для поршневых ДВС новые горизонты. По мнению авторов проекта, исключение главного источника трения позволяет резко повысить рабочие обороты и моторесурс, на 50% улучшить экономичность и упростить общую конструкцию. Это достигается за счет уникальной траектории движения поршня.

Траектория поршня и отсутствие боковых сил. Ключевой особенностью механизма Чебышева является обеспечение приближенно прямолинейного движения поршня. Для конкретной конструкции двигателя, изображенной на рис. 10, отклонение от идеальной прямой значительно меньше общепринятых эксплуатационных зазоров в паре «поршень–цилиндр». Помимо высокой степени прямолинейности, механизм обладает еще одним критически важным достоинством – он полностью исключает возникновение прижимающих боковых сил на поршнях. Эти силы, являющиеся главным источником трения, в данной конструкции воспринимаются отдельным дополнительным шатуном.

Рис. 10. Двигатель Г. Г. Гуськова и Н. Н. Улыбина: 1 – кривошип (радиус кривошипа в трое меньше чем в обычных двигателях ); 2 - главный шатун; 3 – дополнительный шатун; 4 - поршень

Преимущества и высокооборотность конструкции. Потери на трение в дополнительном шатуне не превышают 5–6%, что теоретически допускает увеличение рабочих оборотов до 10 000 в минуту и более. Такая высокая оборотность позволяет авторам пойти на радикальное решение – отказаться от традиционных поршневых колец. Вместо них применяется более совершенное лабиринтное уплотнение, что хорошо видно на схеме рис. 10. Подобные решения уже нашли применение в высокооборотных двигателях для мотоциклов и авиамоделей.

Лабиринтное уплотнение и экологические преимущества. Лабиринтное уплотнение демонстрирует наивысшую эффективность при работе всухую. Это позволяет либо полностью исключить смазку цилиндров, либо минимизировать ее расход. Потенциальные задиры предотвращаются за счет применения специальных материалов, например, прографичивания направляющих поясков поршней. Отсутствие моторного масла в камере сгорания напрямую приводит к значительному снижению дымности выхлопа. Этот фактор становится особенно актуальным в свете ужесточающихся мировых требований экологических стандартов.

Система зажигания и сгорание топлива. Еще одной инновационной особенностью разработки является возможность реализации компрессионного зажигания. Высокая степень сжатия, достигающая значения 30, обеспечивает в конце такта сжатия температуру, достаточную для мгновенного самовоспламенения сильно обедненной топливно-воздушной смеси во всем объеме. Такой подход гарантирует ее полное и эффективное сгорание, что напрямую повышает экономичность двигателя. Однако данный метод требует обеспечения переменной степени сжатия.

Податливость механизма и регулировка сжатия. Применение компрессионного зажигания требует изменения степени сжатия по мере прогрева двигателя. Многие предыдущие попытки изобретателей потерпели неудачу из-за ненадежности вводимых в конструкцию «эластичных» элементов, не выдерживавших высоких температур и нагрузок. Расчеты авторов показали, что механизм Чебышева обладает собственной врожденной податливостью. Это свойство позволяет получить псевдопеременную степень сжатия без введения дополнительных деталей, так как двигатель автоматически адаптируется к изменяющимся условиям работы.

Экологичность и практическая реализация. Комбинация таких факторов, как полнота сгорания обедненной смеси и отсутствие смазки в цилиндрах, приводит к существенному снижению концентрации вредных веществ в выхлопных газах. Перспективная разработка вызвала интерес у специалистов ведущих отраслевых институтов. В 1975 году в НАМИ (Научный автомоторный институт) было завершено изготовление полноценного опытного образца для проведения всесторонних испытаний. Это свидетельствует о высоком потенциале, который профессиональное сообщество увидело в данной 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.