Двигатель с нутирующим диском

Двигатель с нутирующим диском (также иногда называемый дисковым двигателем ) представляет собой внутреннего сгорания двигатель , состоящий в основном из одной движущейся части и прямого привода на коленчатый вал . Первоначально запатентованный в 1993 году, он отличается от более ранних двигателей внутреннего сгорания по ряду характеристик и использует круговое покачивание или раскачивание, вращающееся движение , в значительной степени заимствованное из аналогичных паровых двигателей, разработанных в 19 веке, и аналогично движению обычных двигателей внутреннего сгорания. вращающаяся часть автомата перекоса на двигателе с автоматом перекоса .

Операция

В базовой конфигурации ядро двигателя представляет собой вращающийся невращающийся диск, центр ступицы которого установлен посередине Z-образного вала. Два конца вала вращаются , в то время как диск « нутирует » (совершает покачивающееся движение, не вращаясь вокруг своей оси). диска Движение окружности описывает часть сферы . Часть площади диска используется для впуска и сжатия , часть используется для уплотнения центрального корпуса, а оставшаяся часть используется для расширения и выпуска . Сжатый воздух подается во внешний аккумулятор , а затем во внешнюю камеру сгорания, прежде чем он поступит на силовую сторону диска. Внешняя камера сгорания позволяет двигателю использовать дизельное топливо при небольших размерах, что дает ему уникальные возможности для приведения в движение беспилотных летательных аппаратов и других применений. Одним из существенных преимуществ нутирующего двигателя является перекрытие рабочих тактов.

Мощность передается непосредственно на выходной вал ( коленчатый вал ), что полностью устраняет необходимость в сложных соединениях, необходимых в обычном поршневом двигателе (для преобразования линейного движения поршня во вращательное выходное движение). Поскольку диск не вращается, скорость уплотнения ниже, чем в эквивалентном поршневом двигателе внутреннего сгорания. Однако общая длина уплотнения довольно велика, что может свести на нет это преимущество.

Диск колеблется внутри корпуса, и в самой простой версии половина диска (одна лопасть) выполняет функцию впуска/сжатия, а другая часть выполняет функцию мощности/выпуска. Доли диска могут быть сконфигурированы так, чтобы иметь равные объемы сжатия и расширения или иметь объем сжатия больше или меньше объема расширения. Это означает, что двигатель может иметь самонаддув (см. «Нагнетатель» ) или работать по циклу Миллера / Аткинсона .

Патенты и история производства

Патент США № 5 251 594 был выдан Леонарду Мейеру из Иллинойса в 1993 году на «двигатель внутреннего сгорания с вращающимся диском». ^[1] Нутирующий двигатель Мейера — это новый тип двигателя внутреннего сгорания с более высокой удельной мощностью, чем у обычных поршневых двигателей, который может работать на различных видах топлива, включая бензин, тяжелое топливо и водород. В патенте содержались ссылки на различные нутирующие двигатели 20-го века в Соединенных Штатах, но вообще не упоминалось об оригинальном двигателе Дакейна, описанном ниже, в его предшествующем уровне техники. Сходство со своим 166-летним гидравлическим предшественником поразительно очевидно, главное изменение заключается в том, что диск не совсем плоский, а слегка выпуклый.

Детали работы и потенциал двигателя Мейера с нутирующим диском были описаны профессором Т. Александером (публикуется как Т. Коракианитис) и его сотрудниками. ^[2]^[3]^[4]^[5]

Единственный прототип некоторое время эксплуатировался собственным ходом, имея соотношение мощности к весу, равное показателям типичных нынешних четырехтактных двигателей. утверждают Авторы отчета о технической оценке разработчика/ Исследовательской лаборатории армии США / НАСА , что серийная версия нового двигателя (для применения в БПЛА) может обеспечить удельную мощность 1,6 л.с./фунт или 2,7 кВт/ч. кг. ^[6] Это немного лучше, чем современные автомобильные двигатели. ^[7] но далеко не Graupner G58 ^[8] или Desert Air DA 150. ^[9]

Компания McMasters, ранее возглавляемая успешным американским предпринимателем Гарольдом МакМастером , также разрабатывает нутирующий двигатель, сжигающий смесь чистого водорода и чистого кислорода , который, по ее утверждениям, будет давать 200 л.с., но весит лишь одну десятую от веса, производимого бензином/воздухом. автомобильные двигатели той же мощности. На данный момент компания МакМастерс утверждает, что потратила на ее разработку 10 миллионов долларов. Планируется также разработать версию «размером с банку кофе», которую можно будет встроить непосредственно в ступицы колес, полностью исключив традиционную трансмиссию. Эта концепция была впервые реализована в британском Leyland Mini Moke. ^{[ нужна ссылка ]} но в то время этому серьезно препятствовало отсутствие надежной синхронизации, которая сейчас стала более распространенной из-за повсеместного распространения миниатюрных встроенных современных компьютерных чипов . McMasters также планирует версию с бензиновым двигателем, которая, как утверждается, обеспечивает существенно более чистую работу, чем традиционные двигатели. ^[10]

История

Гидравлический дисковый двигатель Dakeyne

В 1820-х годах владельцы мельниц Эдвард и Джеймс Декейн из Дарли-Дейл , Дербишир , спроектировали и сконструировали гидравлический двигатель ( водяной двигатель ), известный как «Безумный лев», основанный на тех же принципах, чтобы использовать энергию высокого давления. вода доступна рядом с их мельницей. Об их двигателе мало что известно, кроме несколько неясного описания, сопровождающего патент, который был выдан в 1830 году. Его основные отливки были изготовлены на литейном заводе Морли-Парк недалеко от Хиджа , он весил 7 тонн и развивал мощность 35 лошадиных сил при напоре 96 лошадиных сил. футов воды. Фрэнк Никсон в своей книге «Промышленная археология Дербишира» (1969) прокомментировал: «Самой поразительной характеристикой этой гениальной машины, возможно, являются трудности, с которыми сталкиваются те, кто пытается ее описать; патентообладателям и Стивену Гловеру удалось лишь создать описания монументальных непонятность». ^[11]

Более крупная модель была построена для осушения свинцовых шахт в Альпорте недалеко от Юлгрива , и впоследствии другие люди построили множество паровых версий.

Дэвис и Тейлор

Первыми, кто разработал паровые дисковые двигатели на основе конструкции Дакейнсов, были Джордж Дэвис и Генри Тейлор, которые запатентовали свой двигатель в 1836 году. Он был оснащен клапанами для контроля поступления пара, а также отличался от версии Дакейнса тем, что ось двигателя была горизонтальной, а кожух двигателя вращался вокруг диска, противоположно исходному. В течение следующих восьми лет последовало еще больше патентов, главным образом, на расширение возможностей работы и улучшение герметизации двигателя.

В 1836 году Дэвис и Тейлор предоставили права на производство двигателя Фардону и Госседжу, владельцам соляных заводов. В то же время Дэвис работал над буксиром с дисковым двигателем, приводящим в движение гребное колесо на корме. К 1838 году на соляных заводах, перекачивающих рассол, использовался двигатель мощностью 5 л.с.

В 1839 году Дэвис, Тейлор, Фардон и Госсейдж передали права на производство двигателя компании Birmingham Patent Disc Engine. В качестве суперинтенданта компании Генри Дэвис отвечал за все проектирование и производство, а Госсейдж был директором. В феврале 1841 года Совет сообщил, что 26 двигателей были построены, дополнительные двигатели общей мощностью 260 лошадиных сил находились в стадии разработки, а всего было заказано 500 лошадиных сил. Они могли делать двигатели мощностью от 5 до 30 лошадиных сил и в настоящее время изготавливали двигатели для железнодорожного вагона. В статье во французском журнале 1841 года сообщалось, что двигатель мощностью 12 л.с. использовался в течение шести месяцев в качестве намоточного двигателя на шахте Корбинс-Холл в Дадли , который мог поднять груз массой 1 тонну на 180 футов за 1 минуту. Дисковые двигатели стоят от 96 фунтов стерлингов за машину мощностью 8 л.с. до 300 фунтов стерлингов за модель мощностью 30 л.с.

Рэнсомс из Ипсвича (который позже стал известными сельскохозяйственными инженерами Рэнсомсом и Симсом ) представил в 1841 году портативный паровой двигатель на Королевской выставке в Ливерпуле , оснащенный дисковым двигателем BPDE мощностью 5 л.с.

К 1840 году лодка «Эксперимент» , оснащенная двигателем Дэвиса, использовалась для испытаний гребных винтов, а в 1842 году Дэвис установил дисковый двигатель и дисковый насос на баржу по каналу, что он продемонстрировал, осушив полмили канала Стоурбридж. был установлен двигатель мощностью 5 HMS Geyser В том же году на одну из лодок л.с. Однако испытания на Темзе и над директорами канала Гранд-Джанкшен не убедили ни Адмиралтейство, ни владельцев канала.

Тем не менее, интерес к использованию энергии пара на каналах рос, а небольшая ширина лодок по каналам очень благоприятствовала дисковым двигателям. Дэвис увидел свою возможность и в 1843 году построил канальный буксир с железным корпусом и двигателем BPDE мощностью 16 л.с. Чтобы минимизировать размыв, он установил четыре гребных винта, расположенных вдоль вала по длине лодки и заключенных в трубу ниже ватерлинии. Было два таких двигательных агрегата, расположенных рядом, всего 8 винтов. Это сработало достаточно хорошо, чтобы убедить директоров соединительного канала Бирмингема и Ливерпуля заказать шесть буксиров, которые могли буксировать до шестнадцати барж в день с разумной скоростью. Ежедневно из портов Элсмир и Вулвергемптон отправлялся состав из шести-восьми барж, перевозящих в среднем 100 тонн. К сожалению, никто не предусмотрел, как баржевый состав будет проходить через шлюзы и мелководья. Каждое такое препятствие означало, что поезд приходилось отцеплять, а баржи индивидуально обслуживать или буксировать лошадьми через препятствие, прежде чем поезд снова собирали на другой стороне. Это свело на нет преимущества буксира и поезда, и в 1845 году директора канала вывели буксиры из эксплуатации.

В 1844 году BPDE распалась. ^[12] На продажу было выставлено оборудование мастерской, различные готовые двигатели и незавершенное производство. Во время судебного разбирательства в 1851 году после банкротства двух основных инвесторов BPDE было сказано, что дисковый двигатель не принес прибыли и что полагаться на него как на реализуемый актив «было абсурдно».

Бишопп

Конкурентом Дэвиса и Тейлора был бывший инженер локомотивов Джордж Дэниел Бишоп , который поручил Donkin & Co построить свой первый двигатель в 1840 году, а патент был выдан в 1845 году. Партнеры Барнард Уильям Фейри и Брайан Донкин-младший запатентовали улучшения базовой конструкции. ; Донкин работал с Бишоппом над его оригинальным двигателем, а Фэри был сотрудником Донкинса.

Двигатель Бишопа был встречен некоторой скептицизмом со стороны отраслевой прессы, когда он был выпущен на рынок. Но Бишоп решил вернуться к исходной конструкции Dakeynes, в которой ярмо принимало на себя большую часть динамических сил и значительно снижало нагрузку на подшипники и уплотнения. В случае утечки уплотнения можно было регулировать. Кроме того, двигатели Бишопа производились компаниями с признанными инженерными возможностями, а не осуществляли собственное производство; Как и двигатели Донкина, некоторые из его первых двигателей были построены компанией Joseph Whitworth & Co из Манчестера. Другой инжиниринговой компанией с очень хорошей репутацией была G. Rennie and Son of London, которая была настолько убеждена в потенциале двигателя, что в 1849 году наняла Бишопа в качестве мастера работ, ответственного за дисковый двигатель.

К 1849 году несколько двигателей Бишопа были проданы, и один с большим успехом использовался для работы печатных станков газеты «Таймс» , а другой, произведенный Дж. Ренни и сыном, использовался для привода в движение железной канонерской лодки HMS Minx . Двигатель «Таймс» был построен Уитвортом и был показан на Великой выставке 1851 года, где он работал плавно и тихо и впечатлял всех, кто его видел.

В 1853 году у Ренни был куплен дисковый двигатель диаметром 13 дюймов для приведения в движение 55-футовой русской канонерской лодки, которая развивала скорость 7 узлов (13 км/ч; 8,1 миль в час). ^[13]

В то время преимущества дискового двигателя были перечислены в 1855 году журналом The Mechanics' Magazine следующим образом: ^[13]

Он весил вдвое меньше обычного парового двигателя эквивалентной мощности.
Он имел преимущества роторных паровых двигателей без их неудобств.
Он был экономнее по топливу: целых 18%
Он был способен развивать более высокие обороты без необходимости в передаче.
Он был пригоден для использования под высоким давлением.

Дисковые двигатели в конечном итоге вышли из употребления из-за конкуренции со стороны современных высокоскоростных паровых двигателей, которые были небольшими и легкими и могли предлагать такие функции, как компаундирование. Кроме того, обычные двигатели не требовали такой же точности изготовления, как дисковые двигатели, и утечка пара не была проблемой.

Счетчики воды

Счетчик с нутирующим диском, в котором используется та же геометрия и концепция, что и в оригинальном двигателе Dakeynes, ^[14]^[15] вероятно, является наиболее широко используемым расходомером в мире, и утверждается, что более половины счетчиков воды, установленных в жилых помещениях в США и Европе, относятся к этому типу. Используемый в течение 150 лет, он, по сути, представляет собой дисковый двигатель Dakeyne и, скорее всего, был разработан Фэри и Донкином, которые упомянули «измеритель жидкости» в своем патенте на дисковый двигатель 1850 года, выданном в 1850 году. К 1859 году они производились компанией Buffalo Meter Company. Буффало , штат Нью-Йорк .

См. также

Гидравлический дисковый двигатель Dakeyne

Ссылки

^ Патент США № 5 251 594 , Мейер, Леонард, «Нутирующий двигатель внутреннего сгорания», выдан 12 октября 1993 г.
^ Коракианитис, Т.; Мейер, Л.; Борута, М.; Маккормик, HE (апрель 2004 г.). «Введение и прогнозирование характеристик двигателя с нутирующим диском». Журнал техники газовых турбин и энергетики . 126 (2): 294–99. дои : 10.1115/1.1635394 .
^ Коракианитис, Т.; Мейер, Л.; Борута, М.; Маккормик, HE (июль 2004 г.). «Однодисковое нутирующее исполнение двигателя для беспилотных летательных аппаратов». Журнал техники газовых турбин и энергетики . 126 (3): 475–81. дои : 10.1115/1.1496770 .
^ Коракианитис, Т.; Мейер, Л.; Борута, М.; Маккормик, HE (июль 2004 г.). «Альтернативные конфигурации двигателя с несколькими нутирующими дисками для различных применений». Журнал техники газовых турбин и энергетики . 126 (3): 482–88. дои : 10.1115/1.1688770 .
^ Коракианитис, Т.; Мейер, Л.; Борута, М.; Джеровсек, Дж.; Мейтнер, Польша (октябрь 2009 г.). «Производительность двигателя с одним нутирующим диском в диапазоне мощностей от 2 до 500 кВт». Прикладная энергетика . 86 (10): 2213–21. doi : 10.1016/j.apenergy.2009.01.006 .
^ Нутирующий двигатель — отчет о ходе работы прототипа двигателя и результаты испытаний (Питер Л. Мейтнер, Исследовательская лаборатория армии США, Исследовательский центр Гленна, Кливленд, Огайо), (Майк Борута и Джек Джеровсек, KINETIC/BEI LLC, Саут-Элгин, Иллинойс) NASA/TM—2006-214342 ARL-MR-0641 ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЛАБОРАТОРИЯ АРМИИ США, рис. 6.
^ Дизайнер спортивных автомобилей
^ «Двухтактные двигатели для БПЛА: информация собрана BML» . Архивировано из оригинала 1 марта 2009 г. Проверено 31 декабря 2007 г.
^ «Самолет пустыни» . Архивировано из оригинала 17 сентября 2007 г. Проверено 31 декабря 2007 г.
^ Макмастер Мотор
^ Никсон, Фрэнк (1969). Промышленная археология Дербишира . Дэвид и Чарльз. п. 102.
^ Берн, Роберт Скотт (1857). Паровая машина . Лондон: Уорд и Лок. стр. 108–109.
^ Jump up to: ^а ^б Журнал «Механика» . Лондон: Робертсон, Бруман и компания, 1855. стр. 267–268 .
^ Ниагарские метры: рисунок нутирующего диска
^ Hersey Meters - Дисковый водомер прямого вытеснения серии 400

Внешние ссылки

Патентный документ от USPTO
Шумный лев - история дискового двигателя Dakeyne
Описание двигателя - Корнельский университет (требуется подписка) и ссылки на три иллюстрации, одна из журнала The Mechanics Magazine, 1833 г.
статья о: Контракт Лена Мейера и Baker Engineering Inc. на разработку двигателя
Статья на инженерном телевидении
Анимация 1 McMaster Engine
Анимация 2. McMaster Engine

История

Вигфулл, Фил. «Буйный лев: история дискового двигателя Дакейн» . Архивировано из оригинала 9 февраля 2012 г.
Изобретатели - Шумный лев, объект наследия Пикленда
Гидравлический двигатель Dakeyne, автор Фил Вигфулл в Wayback Machine (архивировано 1 июля 2007 г.)
Братья Дакейн. Терстон, «История развития паровой машины».

Технические отчеты

[1] Патент США № 5 251 594 , Мейер, Леонард, «Нутирующий двигатель внутреннего сгорания», выдан 12 октября 1993 г.

[2] Коракианитис, Т.; Мейер, Л.; Борута, М.; Маккормик, HE (апрель 2004 г.). «Введение и прогнозирование характеристик двигателя с нутирующим диском». Журнал техники газовых турбин и энергетики . 126 (2): 294–99. дои : 10.1115/1.1635394 .

[3] Коракианитис, Т.; Мейер, Л.; Борута, М.; Маккормик, HE (июль 2004 г.). «Однодисковое нутирующее исполнение двигателя для беспилотных летательных аппаратов». Журнал техники газовых турбин и энергетики . 126 (3): 475–81. дои : 10.1115/1.1496770 .

[4] Коракианитис, Т.; Мейер, Л.; Борута, М.; Маккормик, HE (июль 2004 г.). «Альтернативные конфигурации двигателя с несколькими нутирующими дисками для различных применений». Журнал техники газовых турбин и энергетики . 126 (3): 482–88. дои : 10.1115/1.1688770 .

[5] Коракианитис, Т.; Мейер, Л.; Борута, М.; Джеровсек, Дж.; Мейтнер, Польша (октябрь 2009 г.). «Производительность двигателя с одним нутирующим диском в диапазоне мощностей от 2 до 500 кВт». Прикладная энергетика . 86 (10): 2213–21. doi : 10.1016/j.apenergy.2009.01.006 .

[6] Нутирующий двигатель — отчет о ходе работы прототипа двигателя и результаты испытаний (Питер Л. Мейтнер, Исследовательская лаборатория армии США, Исследовательский центр Гленна, Кливленд, Огайо), (Майк Борута и Джек Джеровсек, KINETIC/BEI LLC, Саут-Элгин, Иллинойс) NASA/TM—2006-214342 ARL-MR-0641 ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЛАБОРАТОРИЯ АРМИИ США, рис. 6.

[7] Дизайнер спортивных автомобилей

[8] «Двухтактные двигатели для БПЛА: информация собрана BML» . Архивировано из оригинала 1 марта 2009 г. Проверено 31 декабря 2007 г.

[9] «Самолет пустыни» . Архивировано из оригинала 17 сентября 2007 г. Проверено 31 декабря 2007 г.

[10] Макмастер Мотор

[11] Никсон, Фрэнк (1969). Промышленная археология Дербишира . Дэвид и Чарльз. п. 102.

[12] Берн, Роберт Скотт (1857). Паровая машина . Лондон: Уорд и Лок. стр. 108–109.

[tmm-13] Jump up to: ^а ^б Журнал «Механика» . Лондон: Робертсон, Бруман и компания, 1855. стр. 267–268 .

[14] Ниагарские метры: рисунок нутирующего диска

[15] Hersey Meters - Дисковый водомер прямого вытеснения серии 400

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]