世界首款：国产无连杆发动机
OM-127RN无连杆电机的计算机概念图
机械学的杰作
究竟为什么要拆除发动机的连杆？目前这种内燃机已经有160多年的历史了，没有人打算改变其既定的设计。但情况并非一直如此。苏联人民委员部第二设计局的工程师谢尔盖·斯捷潘诺维奇·巴兰金…… 航空 20 世纪 30 年代，汽车工业进行了一场小型技术革命，取消了发动机的连杆。
曲轴机构本身各方面都很好，但它也有缺点。例如，连杆在运转过程中的侧向倾斜会将活塞压向气缸壁。这会导致磨损加剧——大家都知道，高里程数的发动机气缸会变成椭圆形，从而影响燃烧室的密封性。连杆的机械运动会产生寄生振动，需要特殊的平衡轴来补偿。带有连杆和曲轴的发动机体积庞大且重量沉重。由于沉重的连杆和活塞会产生很大的惯性载荷，在上下止点改变运动方向时，会产生巨大的拉伸载荷，从而限制发动机的最高转速。取消连杆可以消除大部分此类问题。
该理论的作者谢尔盖·巴兰金在他的书中写道：
无连杆机构使得即使尺寸小、转速高的发动机也能采用简单的设计，在气缸内进行双向工作，从而获得几乎翻倍的排量和总功率。
谢尔盖·斯捷潘诺维奇·巴兰金
Balandin OMB 无连杆发动机，功率根据不同版本为 80-140 马力。
什么是巴兰丁发动机，或者说无连杆内燃机？一方面，它很简单：两个相对的活塞通过一根活塞杆刚性连接。这种发动机可以配置成水平对置式或星型发动机。采用连杆设计的V型或直列式发动机是不可能的。由于没有连杆，发动机的结构重量显著减轻，作用在活塞上的横向力降至零，从而几乎消除了气缸裙部和缸壁的磨损。摩擦造成的总功率损失减少了数倍，效率提高，燃油经济性也更好。在其他条件相同的情况下，无连杆发动机的升功率更高，并且具有更高的转速潜力。无连杆发动机的一个显著优势是能够在气缸内实现双向燃烧。
双向工作工艺无杆电机连接设计
这是什么？它不应与二冲程发动机混淆。内燃机中的双作用燃烧（或使用双作用气缸）是一种工作原理，其特点是燃油-空气混合物的燃烧和气体膨胀分别发生在活塞的两侧，而不是像传统发动机那样只发生在活塞的顶部。这是一项非常显著的发动机改进，在其他条件相同的情况下，每升排量可大幅提高功率。例如，实验性的OM-127RN 8缸无连杆双作用内燃机可产生3200-3500马力。该发动机排量仅为22升，重量为2,1吨。在20世纪40年代，这些数据堪称破纪录。
未来（非）汽车
任何技术创新都面临着挑战，无连杆设计也不例外。例如，将扭矩从活塞传递到轴的机构制造起来非常复杂。目前已知的方案有三种：行星齿轮、偏心组件和滑块。与传统曲轴不同，这些机构对制造工艺的要求极高。制造公差非常小，这就带来了热膨胀的问题——如果受热不均，无连杆机构很容易卡死。此外，如何为高负荷的曲轴轴承、偏心轮和行星齿轮提供润滑也是一大难题。
在当时，无连杆发动机的维护极其困难——需要使用平衡设备进行调整。运行经验表明，在传统的曲柄机构中由活塞传递到气缸壁的横向力，在无连杆发动机中并不会消失，而是会传递到滑块、活塞杆导轨或齿轮上。这些部件的接触面积较小，承受着巨大的接触应力，导致快速磨损。维修如此复杂的部件需要机械师具备更高的技术水平。
无连杆内燃机中活塞向轴传递扭矩的基本方案
巴兰丁的构想无疑远远超前于时代。无连杆发动机的前景毋庸置疑。在1938年至1948年这段相对较短的时间内，在巴兰丁的领导下，一系列实验性无连杆发动机被研发、制造和测试，包括OMB、MB-4、MB-4b、MB-8、MB-8b、OM-127和OM-127RN，它们的设计和功率输出各不相同。航空领域原本是其主要应用方向——只有在航空领域，无连杆发动机的高成本和复杂性才能被容忍。然而，随着喷气推进系统的出现，巴兰丁的设计最终沦为一项技术奇观。
MK-127K发动机横截面图
“无连杆发动机的创造力”巅峰之作当属10世纪40年代末期诞生的巨型M-127K发动机。若非喷气式飞机时代的到来，它本会成为苏联航空兵的主力发动机。这款发动机的全称是M-127K X型增压000缸双作用无连杆发动机，功率高达14马力。不禁让人感叹：他们当时确实技艺精湛！它的排量为82升，重量却轻得惊人，仅为3450公斤，与如此强大的动力相比简直不可思议。在此基础上，人们还打造了一款更为强大的发动机：一台功率高达000马力的无连杆柴油发动机。
尽管无连杆飞机发动机最终被证明不可行，但这并未终结其研发。在全俄航空航天博物馆（VDNKh）的特种用途车库博物馆中，至今仍陈列着一台独特的展品——ZIL-BD-1800发动机。这台发动机自然是基于谢尔盖·巴兰金的构想而研发的。这一构想诞生于1979年末，当时工程师V.G. 季沙科夫向莫斯科汽车厂柴油机设计局的设计师们提议，研发一种全新的动力装置。这一概念引起了管理层的极大兴趣：ZIL设计与实验工作部（DEDW）的两位首席设计师——总设计师V.K. 科什金及其副手A.V. 布拉金——亲自监督了研发工作。
ZIL-BD-1800
从理论计算到实际金属制造，历时数年：首先，在1985年，制造了一台实验性的双缸对置发动机模型，以测试该机构的可行性。积累的经验使得到1989年能够组装两台全尺寸的四缸ZIL-BD-1800原型机。据报道，第二台原型机使用柴油燃料。该发动机采用紧凑的对置式结构和独特的运动学设计：曲轴进行复杂的双重旋转（绕自身轴线和曲轴轴线旋转）。活塞连杆组件的运动遵循严格的正弦曲线，消除了寄生的高阶惯性力，而线性滑动轴承的使用则完全消除了气缸和活塞上的横向摩擦力，从而保证了高效率和平稳运行。
由于精确的发动机数据并未公开，我们只能进行推测。如果将巴兰金的发动机规格推算到ZIL的研发中，那么这款1,8升发动机的功率可能超过110-120马力。发动机重量不超过70-80公斤。即使以今天的发动机技术来看，这些规格也相当出色，更何况是在20世纪80年代末。然而，ZIL-BD-1800最终只停留在实验阶段，最终被送进了博物馆。20世纪90年代的新俄罗斯对任何人都不留情面，无连杆发动机也不例外。
无连杆OMB的活塞杆和曲轴
巴兰金的理念在大规模生产中重现辉煌已不可能。将汽车和活塞式飞机改装成无连杆内燃机的成本过高，而收益却不足以吸引投资者。与此同时，现代制造工艺已经能够生产出质量和可靠性都达到可接受水平的发动机。国内的发动机爱好者们虽然很少，但他们在自家车库里有条不紊地演示着无连杆发动机的运行情况。巴兰金的发动机概念在无人机领域却意外地获得了应用价值。紧凑型的无连杆发动机几乎是中远程无人机的理想动力装置。谢尔盖·斯捷潘诺维奇对发动机研发的细微之处进行了详尽的描述，这显然值得借鉴——或者至少应该对将无连杆发动机引入无人机的可行性进行专家评估。
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