Бесшатунный ДВС. Отключение цилиндра.

Со времени опубликования статьи о самодельном автомобиле (1) многое изменилось. Машины стали безопаснее, удобнее (в широком смысле) в эксплуатации. Большой выбор, полный привод по желанию.

Внедрены в серию новые типы аккумуляторов, мощные, но небольшие электромоторы, мотор-колёса, мотор-генераторы, автоматические коробки передач (АКП), турбины для наддува воздуха, лебёдки и др. Появились хорошие (но дорогие) электромобили и экономичные гибриды. В обычной машине трогание с места и разгон отдают стартёру. Кроме использования двигателя строго в оптимальном режиме (гибриды) исследован комплекс мер по повышению экономичности. Получено её увеличение вдвое.

Самодельщики освоили большие (в 3 раза больше обычных) колёса. Создали ряд 4, 6, 8 колёсных плавающих снегоходов-болотоходов. Это находки для хозяйственного освоения заваленных снегом, болотистых, заброшенных в глуши громадных территорий. Недавно построен завод по производству 6 колёсного Бурлака. Машина — целый дом на 14 человек (спальня, кухня, душ). Понятно, что это экспедиционная машина. А что крестьянину? Ожидаю трансформеры с мотор-колёсами разных размеров, серийной линейки таких колёс, универсальной подвески для них (возможно, торсионной), мотор-генераторов и т. п. Особо упомяну о плавающих прицепах с мотор-колёсами. Прицеп (имея лёгкий кузов) возьмёт больше груза, чем автомобиль. А двухзвенные военные гусеничные тягачи показали лучшую проходимость, чем одиночки.

Гибрид — сильный конкурент обычному автомобилю, но не лишён недостатков. Сама идея строгой оптимизации в сложных условиях России сомнительна. Напрашивается введение в гибрид дополнительно хотя бы форсированного режима. Например, турбирование. Несовершенна и схема работы гибрида. Мощный мотор-генератор быстро заряжает батарею аккумуляторов, питающую мотор-колёса, и выключается. Но частые включения вредны, потому что в начале работы мотор плохо смазывается. Для уменьшения частоты включений мотора батарея должна быть достаточно ёмкой (2). Логичнее отключать цилиндры мотора, дающие избыточную мощность. И не нужна батарея аккумуляторов.

Бесшатунный ДВС.

Для меня зацепкой в решении этой задачи явилось возвратное движение поршня, при котором он плавно останавливается в крайних положениях. Тут его можно остановить, отключив этим цилиндр. Я решил использовать шток, заменив им шатун, и восстановить старую паровозную схему: цилиндр (3), шток, шатун, колесо паровоза. От колеса оставил диск, эксцентрично сидящий на валу. Шарнир шатуна своим кольцом охватывает диск-эксцентрик и вращает вал мотора. Если соединить, посадить шарнир штока на скользящее по эксцентрику кольцо, то всё будет работать, но (кроме того) появится возможность использовать одно кольцо для нескольких цилиндров, расположенных вокруг него. Тут ошибка. Правильно не одно кольцо, а один эксцентрик. Поэтому дальше текст этого абзаца изменён. Но изменения незначительны потому, что идея и конфигурация мотора остались прежними. Бесшатунный ДВС получается плоским. Возложим парирование поперечных нагрузок на шток (толстый и жёсткий, в прочной втулке). Поперечное перемещение штока относительно цилиндра под действием этих нагрузок должно быть (с запасом) меньше зазора между цилиндром и поршнем (он заполнен уплотнительными кольцами поршня).

Отключение цилиндра.

Для отключения цилиндра соединения штока с шарниром, находящимся на кольце эксцентрика, и с втулкой цилиндра, из которой шток выходит, сделаны разъёмными — на защёлках штока и втулки соответственно. Пружинки защёлок взводит и ослабляет реле, находящееся на втулке цилиндра. Отключение цилиндра происходит так. При движении поршня к верхней мёртвой точке (ВМТ) реле взводит защёлку втулки и ослабляет защёлку штока. Вблизи мёртвой точки защёлка втулки срабатывает и при прохождении этой точки шток встаёт на упор, а освобождённый шарнир штока отходит. При подключении цилиндра последовательность действий повторяется, но реле взводит защёлку штока и ослабляет защёлку втулки. Защёлка штока не нужна если при работе шток всегда давит на шарнир. Для сохранения ориентации шарнира штока после отключения цилиндра внутри штока сделан стержень (ещё один шток), постоянно соединённый с шарниром штока и выдвигающийся за ним из штока при отключении цилиндра. Основной поперечной нагрузкой стержня является сила трения между кольцом и эксцентриком, которая во время отключённого цилиндра измеряется в граммах.

Сейчас на слуху удельная мощность 100 лс на литр объёма цилиндров. Уже советский мотоцикл ИЖ Планета-Спорт с одним цилиндром 250 куб. см (это объём стакана) имел мощность 23 лс. 4 — 6 таких маленьких цилиндров бесшатунного ДВС дадут 100 — 150 лс, что типично для легковушки. Представьте 7 богатырей (или одну семью), едущих по своим владениям на плавающем снегоходе-болотоходе (с двумя такими мотор-генераторами, форсажной турбиной и лебёдкой) на четырёх (почти) двухметровых мотор-колёсах. Да ещё с плавающим прицепом на таких колёсах. Мощь!

1. Напомню основное. Предлагается использовать детали от мотоцикла как более лёгкие и приспособленные для ремонта в поле. Проколотую шину несложно починить (заменить камеру). Жёсткость подвески колёс и клиренс легко увеличить добавлением амортизаторов. Два мотора придают надёжность. Машина получается лёгкой (500 кг), но вместительной (7 человек или 500 кг груза). Опыт самодельщиков показывает, что лёгкую машину по грязи хорошо тянут грунтозацепы. Они гребут и в воде. - машина плавает. Зимой передние колёса ставят на лыжи (давление на снег 50 г/кв. см как у аэросаней). Перед задними колёсами крепят ножи, которые разрезают и раздвигают снег, и колёса встают на грунт. Проходимость ограничена допустимой толщиной снега. Чтобы её увеличить надо просто удлинить вилки задних колёс.

2. Реально размеры батареи аккумуляторов и АКП (которой на гибриде нет) сопоставимы.

3. Паровозный цилиндр двухстороннего действия (тяни-толкай) со штоком является хорошим примером. Для двухтактного ДВС это идеал, потому что в подпоршневом пространстве (картере) остался только шток и ничто не мешает сжать топливную смесь с запасом, достаточным для быстрой продувки камеры сгорания даже в форсированном режиме работы. Без поперечных нагрузок трение минимально. В ДВС это трение разрезных уплотнительных колец поршня (там давление несколько г/кв. см) о стенки цилиндра будет незначительно. Смазывать цилиндр не нужно. Частые включения цилиндру не страшны.

В двухтактном ДВС картер соединён с выходом карбюратора клапаном, срабатывающим от разности давлений. Он впускает топливную смесь в катер, но не выпускает её обратно. При использовании клапанно-щелевой схемы продувки цилиндра (эта самая хорошая схема обеспечивает КПД мотора 50%, см. Википедию) над поршнем в торце цилиндра рядом со свечой зажигания есть выпускной клапан, соединяющий камеру сгорания с глушителем. Нормально он заперт (пружинкой). Для отпирания он соединён тросиком с поршнем (это моё предположение, но для объяснения работы продувки сгодится). В конце рабочего хода тросик натягивается, тянет за клапан и он открывается. В нижней части цилиндра (по всей его окружности около торца картера) есть выпускные окна. Снаружи они закрыты кожухом, внутри которого топливная смесь переходит из картера в камеру сгорания когда поршень находится ниже верхней границы окон. Если давление смеси в картере во время всасывания близко к атмосферному, то давление сжатой смеси больше атмосферного примерно во столько раз во сколько объём цилиндра больше объёма внутри кожуха.

Для общего образования приведу описание работы двухтактного ДВС. В начале рабочего хода поршень находится вблизи ВМТ, свеча зажигания поджигает сжатую им топливную смесь и поршень идёт вниз, одновременно сжимая в картере всосанную раньше свежую порцию смеси. Когда поршень опускается в нижнюю часть цилиндра открывается выпускной клапан и рабочий ход сменяется выхлопом. Поршень опускается ниже, открываются выпускные окна и начинается фаза продувки когда свежая смесь из картера вытесняет отработанные газы в глушитель. Поршень проходит свою нижнюю точку и поднимается вверх. Закрываются выпускные окна, затем выпускной клапан. Начинается сжатие смеси в камере сгорания и всасывание свежей порции из карбюратора в картер. Поршень доходит до ВМТ и всё повторяется.