Осевой двигатель

Экспериментальный осевой двигатель Almen A-4 1920-х годов (18-цилиндровый с водяным охлаждением, 317 кВт и 340 кг)

Осевой двигатель (иногда известный как цилиндрический двигатель или двигатель с Z-образным кривошипом ) представляет собой тип поршневого двигателя с поршнями, расположенными вокруг выходного вала, причем их оси параллельны валу. Цилиндрическая форма группы цилиндров (в результате того, что поршни расположены равномерно вокруг центрального коленчатого вала и выровнены параллельно оси коленчатого вала), тогда как Z-образный кривошип намекает на форму коленчатого вала.

В качестве кулачкового двигателя осевой двигатель может использовать либо автомат перекоса , либо качающуюся пластину для перевода движения поршня во вращение. Качающаяся пластина похожа на автомат перекоса в том, что поршни последовательно нажимают на пластину, создавая боковой момент, который преобразуется во вращательное движение. Это движение можно смоделировать, поместив компакт-диск на шарикоподшипник в его центре и надавив в последовательных местах по его окружности. Разница в том, что пока качающаяся пластина вращается , автомат перекоса вращается. Альтернативная конструкция, кулачковый двигатель Rand , заменяет пластину одной или несколькими синусоидальными кулачковыми поверхностями. Лопасти, установленные параллельно валу, установленному внутри цилиндрической «бочки», могут свободно скользить вверх и вниз по извилистому кулачку, сегменты которого образованы ротором, стенками статора и лопастями, образующими камеры сгорания. По сути, эти пространства служат той же цели, что и цилиндры осевого двигателя, а извилистая поверхность кулачка действует как лицевая поверхность поршней. В другом отношении эта форма повторяет обычные циклы внутреннего сгорания, но при этом горящий газ непосредственно передает силу на поверхность кулачка, преобразуемую во вращательную силу за счет синхронизации одного или нескольких взрывов. В этой конструкции отсутствуют многочисленные возвратно-поступательные поршни, шаровые шарниры и автомат перекоса, как в обычном «цилиндрическом» двигателе, но в решающей степени зависит от эффективного уплотнения, обеспечиваемого скользящими и вращающимися поверхностями.

Ключевым преимуществом осевой конструкции является то, что цилиндры расположены параллельно вокруг выходного/кривошипного вала, в отличие от радиальных и рядных двигателей , оба типа имеют цилиндры под прямым углом к ​​валу. В результате это очень компактный цилиндрический двигатель, позволяющий изменять степень сжатия двигателя во время работы. В двигателе с автоматом перекоса поршневые штоки остаются параллельными валу, и боковые силы поршня, вызывающие чрезмерный износ, могут быть практически полностью устранены. Подшипник малой головки традиционного шатуна, один из самых проблемных подшипников в традиционном двигателе, устранен.

Хотя осевые двигатели сложно реализовать на типичных рабочих скоростях двигателя, были протестированы некоторые кулачковые двигатели, которые имеют чрезвычайно компактный размер (приблизительно шестидюймовый (150 мм) куб), но при этом производят около сорока лошадиных сил при частоте вращения около 7000 об / мин, что полезно для легких воздушных судов. приложения. Привлечение легких и механически простых (гораздо меньшее количество основных движущихся частей в виде ротора плюс двенадцать осевых лопаток, образующих двадцать четыре камеры сгорания) двигателей, даже с ограниченным сроком службы, имеет очевидное применение для небольших беспилотных летательных аппаратов.

История

Макомбер

Анимация автомата перекоса. Обратите внимание, что автомат перекоса прикреплен к валу и вращается вместе с ним.

В 1911 году компания Macomber Rotary Engine Company из Лос-Анджелеса выпустила на рынок один из первых осевых двигателей внутреннего сгорания, произведенный компанией Avis Engine Company из Олстона, штат Массачусетс . Четырехтактный агрегат с воздушным охлаждением, он имел семь цилиндров и переменную степень сжатия, изменявшуюся за счет изменения угла качающейся пластины и, следовательно, длины хода поршня. Его называли «роторным двигателем», потому что весь двигатель вращался, кроме концевых кожухов.

Зажигание осуществлялось Bosch магнето , приводившимся непосредственно от кулачковых шестерен. Затем ток высокого напряжения подавался на неподвижный электрод на корпусе переднего подшипника, от которого искры перескакивали к свечам зажигания в головках цилиндров, проходя внутри. На расстоянии 1 ⁄ дюйма (1,6 мм) от него. Согласно литературе Макомбера, он «гарантированно не перегревался».

Утверждалось, что двигатель может работать со скоростью от 150 до 1500 об / мин. Сообщается, что при нормальной частоте вращения 1000 об/мин он развивал мощность 50 л.с. Он весил 230 фунтов (100 кг), имел длину 28 дюймов (710 мм) и диаметр 19 дюймов (480 мм).

Пионер-авиатор Чарльз Фрэнсис Уолш в мае 1911 года управлял самолетом с двигателем Макомбера, «Серебряным дротиком Уолша».

Он не мог

В 1913 году компания Statax-Motor из Цюриха , Швейцария, представила конструкцию двигателя с автоматом перекоса. Был изготовлен только один прототип, который в настоящее время хранится в Музее науки в Лондоне . В 1914 году компания переехала в Лондон и стала Statax Engine Company и планировала представить серию роторных двигателей ; 3-цилиндровый мощностью 10 л.с., 5-цилиндровый мощностью 40 л.с., 7-цилиндровый мощностью 80 л.с. и 10-цилиндровый мощностью 100 л.с.

Похоже, что когда-либо производилась только модель мощностью 40 л.с., которая была установлена ​​на Caudron G.II для британского воздушного дерби 1914 года , но была снята перед полетом. Хансен представил полностью алюминиевую версию этой конструкции в 1922 году, но неясно, производили ли они ее в каком-либо количестве. Значительно улучшенные версии были представлены немецким подразделением Statax в 1929 году и производили 42 л.с. в новой версии с золотниковым клапаном, известной как 29B . Гринвуд и Раймонд из Сан-Франциско приобрели патентные права для США, Канады и Японии и запланировали создание 5-цилиндрового двигателя мощностью 100 л.с. и 9-цилиндрового двигателя мощностью 350 л.с.

Мичелл

В 1917 году Энтони Мичелл получил патент на конструкцию двигателя с автоматом перекоса. Его уникальной особенностью был способ передачи нагрузки от поршней на автомат перекоса, достигаемый с помощью наклонных башмаков, скользящих по масляной пленке. Еще одним нововведением Мичелла стал математический анализ механической конструкции, включая массу и движение компонентов, так что его двигатели находились в идеальном динамическом балансе на всех скоростях.

В 1920 году Мичелл основал компанию Crankless Engines в Фицрое (Австралия) и производил рабочие прототипы насосов, компрессоров, автомобильных и авиационных двигателей, основанных на одной и той же базовой конструкции.

Конструктор двигателей Фил Ирвинг до прихода в HRD работал в компании Crankless Engine Company .

Ряд компаний получили лицензию на производство конструкции Мичелла. Самой успешной из них была британская компания Waller and Son, производившая газовые ускорители.

Самым большим бескривошипным двигателем Michell был XB-4070, дизельный авиационный двигатель, построенный для ВМС США. Состоящий из 18 поршней, он имел мощность 2000 лошадиных сил и весил 2150 фунтов.

Джон О. Алмен

Экспериментальные бочковые двигатели для самолетов были построены и испытаны американцем Джоном О. Алменом из Сиэтла, штат Вашингтон , в начале 1920-х годов, а к середине 1920-х годов - Альмен А-4 с водяным охлаждением (18 цилиндров, две группы по девять горизонтально в каждой). против) прошел приемочные испытания в Воздушном корпусе армии США . Однако в производство он так и не поступил, как сообщается, из-за ограниченности средств и растущего внимания ВВС к радиальным двигателям с воздушным охлаждением . А-4 имел гораздо меньшую лобовую площадь, чем двигатели с водяным охлаждением сопоставимой мощности, и тем самым предлагал лучшие возможности обтекаемости. Он имел мощность 425 л.с. (317 кВт) и весил всего 749 фунтов (340 кг), что обеспечивало соотношение мощности и веса лучше 1:2, что было значительным достижением конструкции на то время.

Ираклион Альфаро

Ираклион Альфаро Фурнье был испанским летчиком, который был посвящен в рыцари в возрасте 18 лет королем Испании Альфонсо XIII за проектирование, постройку и управление первым самолетом Испании. Он разработал бочковый двигатель для использования в самолетах, который позже был произведен Индийской компанией по производству мотоциклов под названием Alfaro . Это был прекрасный пример конструкции «все включено», поскольку она включала систему золотниковых клапанов на основе вращающейся головки блока цилиндров - конструкцию, которая никогда не поступала в производство ни на одном двигателе. Позже он был доработан для использования в вертолете Doman Стивеном Дюпоном, сыном президента Индийской мотоциклетной компании, который был одним из студентов Альфаро в Массачусетском технологическом институте .

Бристоль

Бристольский осевой двигатель середины 1930-х годов был разработан Чарльзом Бенджамином Редрупом для Бристольской трамвайной и вагонной компании ; это был 7-литровый 9-цилиндровый двигатель с качающимися дисками. Первоначально он был задуман как силовой агрегат для автобусов, возможно, потому, что его компактный формат позволял устанавливать его под полом автомобиля. Двигатель имел один поворотный клапан для управления впуском и выпуском. Несколько вариантов использовались в автобусах Бристоля в конце 1930-х годов, двигатель имел несколько версий от RR1 до RR4, мощность которых составляла 145 л.с. при 2900 об/мин. Разработка была остановлена ​​в 1936 году после смены руководства бристольской компании.

Вулер

Пожалуй, самой изысканной из конструкций был британский двигатель Wooler с качающимися пластинами 1947 года. Этот 6-цилиндровый двигатель был разработан Джоном Вулером, более известным как конструктор мотоциклетных двигателей, для использования в самолетах. Он был похож на осевой двигатель Bristol, но имел два качающихся диска, приводимых в движение 12 противоположными поршнями в 6 цилиндрах. Двигатель часто ошибочно называют двигателем с автоматом перекоса. Единственный экземпляр хранится в Галерее самолетов Музея науки в Лондоне.

HLF Треберт

Некоторые небольшие бочковые двигатели были произведены HLF Trebert Engine Works. Рочестера , штат Нью-Йорк, для использования в морских целях.

Сегодняшний день

Дайна-Кам

Двигатель Dyna-Cam изначально был разработан братьями Блейзер, двумя американскими инженерами автомобильной промышленности эпохи латуни , которые работали на «Студебеккер» в 1916 году. лет, в конечном итоге получив патент США 2237989 в 1941 году. Он имеет 6 двусторонних поршней, работающих в 6 цилиндрах, а 12 камер сгорания запускаются при каждом обороте приводного вала. Поршни приводят в движение кулачок синусоидальной формы, а не автомат перекоса или качающийся диск, отсюда и его название.

В 1961 году, в возрасте 80 лет, Херрманн продал права одному из своих сотрудников, Эдварду Палмеру, который основал Dyna-Cam Engine Corp. вместе с сыном Деннисом. Сын Эдварда Деннис и дочь Пэт затем помогли установить двигатель на самолет Piper Arrow . С 1987 по 1991 год двигатель налетал около 700 часов. Самый долговечный двигатель до капитального ремонта проработал около 4000 часов. Dyna-Cam открыла центр исследований и разработок примерно в 1993 году и получила множество различных наград от НАСА, ВМС США, Корпуса морской пехоты США, Комиссии по энергетике Калифорнии, Округа управления качеством воздуха, и Региональный технологический альянс Лос-Анджелеса для различных вариантов одного и того же двигателя Dyna-Cam. Около 40 прототипов двигателей были построены Herrmann Group и еще 25 построены Dyna-Cam Group с момента приобретения двигателя и открытия своего цеха. Новый патент был выдан Деннису Палмеру и Эдварду Палмеру, сначала в 1985 году, а затем еще несколько примерно в 2000 году Деннису Палмеру. В 2003 году активы Dyna-Cam Engine Corporation были приобретены Aero-Marine Corporation, которая сменила название на Axial Vector Engine Corporation . Затем компания Axial Vector полностью изменила конструкцию кулачкового двигателя. Новый двигатель Axial Vector, как и многие другие в этом списке, страдает от проблемы «вставлено все», включая пьезоэлектрические клапаны и зажигание, керамические гильзы цилиндров без поршневых колец и множество других дополнительных функций. Он мало похож на оригинальные двигатели Herrmann и Dyna-Cam, поскольку в двигателе Dyna-Cam использовались обычные клапаны, поршневые кольца, аксессуары, не было непроверенных керамических материалов, и он фактически летал на самолете, а также приводил в движение 20-футовый (6,1 м) двигатель. «Элиминатор» ) Лыжный катер более четырех лет.

Ковакс

Компания Covaxe Limited из Соединенного Королевства (до 2017 года известная как FairDiesel Limited) разрабатывает двухтактные дизельные двигатели с оппозитными поршнями, в которых используются несинусоидальные кулачки, для промышленного применения и авиации. Конструкции двигателей варьируются от 2-цилиндровых с диаметром цилиндра 80 мм до 32-цилиндровых с диаметром цилиндра 160 мм.

Дюк Двигатели

Новозеландская компания Duke Engines, основанная в 1993 году, создала несколько различных двигателей и установила один на автомобиль в 1999 году. Двигатель оснащен 5-цилиндровым, 3-литровым, 4-тактным двигателем внутреннего сгорания с его уникальным осевым расположением, которое находится в его третье поколение. Благодаря бесклапанной конструкции двигатель Duke теряет меньше энергии между рабочими тактами. Текущие прототипы двигателей Duke утверждают, что они соответствуют характеристикам обычных двигателей внутреннего сгорания, но содержат меньше деталей и на 30% легче. Это идет в направлении разработки более эффективного двигателя. В ходе разработки Duke прошел испытания в MAHLE Powertrain в Великобритании и США; Результаты испытаний показывают, что он может работать на нескольких видах топлива. Преимущества двигателя Duke, заключающиеся в легкости и компактности, должны сделать эту конструкцию идеальной для двигателей мотоциклов; и эти преимущества могут сделать силовую установку подходящей и для легких самолетов. (Данных о том, плавный ли двигатель Duke, мало; к первичному валу прикреплен большой противовес).

ИННдвигатель

Классическая испанская конструкция, параллельные поршни, работающие навстречу, синусоидальный автомат перекоса, в 2023 году две версии, размером с автомобиль, с жидкостным охлаждением, как прототип, и четырехцилиндровый двигатель с воздушным охлаждением, 125 куб.см, 22 л.с., 4,5 кг. подразделение, предназначенное для дронов и крупных авиамоделей, находится на стадии подготовки к производству.

Цилиндрический энергетический модуль

Цилиндрический энергетический модуль (CEM) представляет собой двигатель с синусоидальной наклонной шайбой, который также можно использовать в качестве автономного насоса с питанием от внешнего источника. Вращающийся узел ротора с автоматом перекоса перемещается вперед и назад с помощью приводных пальцев поршня, которые следуют по неподвижной синусоидальной кулачковой дорожке, окружающей узел ротора.

Девайз Моторс

Американская компания Devize Motors в настоящее время разрабатывает новый двигатель с оппозитными поршнями.

Приложения

• Наиболее известное применение - торпеды , где желательна цилиндрическая форма. Современная торпеда Mark 48 оснащена двигателем автомата перекоса мощностью 500 л.с. с насосно-реактивным движителем. Он питается топливом Otto II , монотопливом , который не требует подачи кислорода и может развивать торпеду со скоростью до 65 узлов (120 км/ч) (74,56 миль в час).
• Другие области применения включают пневматические и гидравлические двигатели, гидростатические трансмиссии, такие как Honda от Hondamatic CVT , и кондиционера . насосы Кроме того, в некоторых двигателях Стирлинга используется устройство перекоса, например , в двигателе STM 4-120 компании Stirling Thermal Motors.

См. также

• Аксиально-поршневой насос

Ссылки

• Макланахан, Дж. Крейг (28 сентября 1998 г.). «Бочковые авиационные двигатели - историческая аномалия или заблокированные инновации?». Всемирный авиационный конгресс и выставка, сентябрь 1998 г. Уоррендейл, Пенсильвания: SAE International. дои : 10.2514/6.1998-5597 .
• Маккатчеон, Кимбл Д. «Бочковый двигатель Almen A-4» (PDF) . Историческое общество авиационных двигателей. Архивировано из оригинала (PDF) 20 августа 2008 г. Проверено 29 июня 2008 г.

Внешние ссылки

• Бочковой двигатель. Часть 2. Полет, декабрь 1941 г.