Двигатель с нутационным диском (иногда также называемый дисковым двигателем ) — это двигатель внутреннего сгорания , состоящий в основном из одной подвижной части и прямого привода на коленчатый вал . Первоначально запатентованный в 1993 году, он отличается от более ранних двигателей внутреннего сгорания рядом особенностей и использует круговое качательное или виляющее нутационное движение , во многом заимствованное из аналогичных паровых двигателей, разработанных в 19 веке, и похожее на движение невращающейся части наклонной шайбы в двигателе с наклонной шайбой .
В своей базовой конфигурации ядро двигателя представляет собой нутирующий невращающийся диск, центр ступицы которого установлен в середине Z-образного вала. Два конца вала вращаются , в то время как диск «нутируется» (выполняет колебательное движение без вращения вокруг своей оси). Движение окружности диска описывает часть сферы . Часть площади диска используется для впуска и сжатия , часть используется для уплотнения относительно центрального корпуса, а оставшаяся часть используется для расширения и выпуска . Сжатый воздух поступает 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 в двигателях малых размеров, что дает ему уникальные возможности для движения беспилотных летательных аппаратов и других применений. Одним из существенных преимуществ нутирующего двигателя является перекрытие рабочих ходов.
Мощность передается непосредственно на выходной вал ( коленчатый вал ), что полностью устраняет необходимость в сложных связях, необходимых в обычном поршневом двигателе (для преобразования линейного движения поршня во вращательное выходное движение). Поскольку диск не вращается, скорости уплотнения ниже, чем в эквивалентном поршневом двигателе IC. Однако общая длина уплотнения довольно велика, что может свести на нет это преимущество.
Диск качается внутри корпуса, и в простейшем варианте половина одного диска (один выступ) выполняет функцию впуска/сжатия, а другой выступ выполняет функцию мощности/выпуска. Выступы диска могут быть сконфигурированы так, чтобы иметь равные объемы сжатия и расширения или чтобы объем сжатия был больше или меньше объема расширения. Это означает, что двигатель может быть самонаддувным (см. нагнетатель ) или работать по циклу Миллера / циклу Аткинсона .
Патент США номер 5,251,594 был выдан Леонарду Мейеру из Иллинойса в 1993 году на «дисковый двигатель внутреннего сгорания с нутирующим движением». [1] Двигатель Мейера с нутирующим движением — это новый тип двигателя внутреннего сгорания с более высокой плотностью мощности, чем обычные поршневые двигатели с возвратно-поступательным движением, который может работать на различных видах топлива, включая бензин, тяжелое топливо и водород. В патенте упоминаются различные двигатели с нутирующим движением 20-го века в Соединенных Штатах, но нет никаких ссылок на оригинальный двигатель Дейкейна, описанный ниже, в его предшествующем уровне техники. Сходство с его 166-летним гидравлическим предшественником поразительно очевидно, главное изменение заключается в том, что диск не полностью плоский, а слегка выпуклый.
Подробности работы и потенциальные возможности двигателя Мейера с вращающимся диском были описаны профессором Т. Александером (публикуется как Т. Коракианитис) и его коллегами. [2] [3] [4] [5]
Один прототип некоторое время работал на собственной тяге, с соотношением мощности к весу, равным типичным для современных четырехтактных двигателей. Авторы отчета о технической оценке разработчика/ Исследовательской лаборатории армии США / НАСА утверждают , что производственная версия нового двигателя (для применения в БПЛА) может обеспечить соотношение мощности к весу 1,6 л.с./фунт или 2,7 кВт/кг. [6] Это немного лучше, чем у современных автомобильных двигателей [7] , но далеко не так, как у Graupner G58 [8] или Desert Air DA 150. [9]
Компания McMasters, ранее возглавляемая успешным американским предпринимателем Гарольдом Макмастером , также разрабатывает двигатель с нутационным двигателем, работающий на смеси чистого водорода и чистого кислорода , который, по ее утверждениям, будет выдавать 200 л. с., но весить всего одну десятую часть от автомобильных двигателей на бензине/воздухе с такой же мощностью. На данный момент компания McMasters утверждает, что потратила 10 миллионов долларов на его разработку. Также планируется разработать версию «размером с кофейную банку», которую можно будет встроить непосредственно в ступицы колес, полностью исключив традиционную трансмиссию. Эта концепция была впервые опробована в British Leyland Mini Moke [ требуется ссылка ], но в то время была серьезно затруднена отсутствием надежной синхронизации, которая сейчас более распространена из-за повсеместного использования миниатюрных встроенных современных компьютерных чипов . McMasters также планирует версию с бензиновым двигателем, которая, как утверждается, обеспечивает существенно более чистую работу, чем традиционные двигатели. [10]
В 1820-х годах владельцы мельницы Эдвард и Джеймс Дейкейн из Дарли-Дейла , Дербишир , спроектировали и построили гидравлический двигатель ( водяной двигатель ), известный как «The Romping Lion», основанный на тех же принципах, чтобы использовать воду под высоким давлением, имеющуюся около их мельницы. Мало что известно об их двигателе, кроме несколько неясного описания, сопровождающего патент, который был выдан в 1830 году. Его основные отливки были сделаны на литейном заводе Morley Park около Хеджа , и он весил 7 тонн и вырабатывал 35 лошадиных сил при напоре воды в 96 футов. Фрэнк Никсон в своей книге «Промышленная археология Дербишира» (1969) прокомментировал, что «самой поразительной характеристикой этой гениальной машины, возможно, является трудность, с которой сталкиваются те, кто пытается ее описать; патентообладатели и Стивен Гловер преуспели только в создании описаний монументальной непостижимости». [11]
Более крупная модель была построена для осушения свинцовых рудников в Олпорте около Юлгрива , а впоследствии другими людьми было построено множество паровых версий.
Первыми, кто разработал паровые дисковые двигатели на основе конструкции Дейкейна, были Джордж Дэвис и Генри Тейлор, которые запатентовали свой двигатель в 1836 году. Он был оснащен клапанами для управления впуском пара и также отличался от версии Дейкейна тем, что ось двигателя была горизонтальной, а корпус двигателя вращался вокруг диска, в противоположность оригиналу. В течение следующих восьми лет последовало еще больше патентов, в основном вводящих экспансивную работу и улучшающих герметичность двигателя.
В 1836 году Дэвис и Тейлор предоставили права на производство двигателя Фардону и Госсаджу, владельцам солеварни. В то же время Дэвис работал над канальным буксиром с дисковым двигателем, приводящим в движение гребное колесо на корме. К 1838 году на солеварне использовался двигатель мощностью 5 л. с. для перекачки рассола.
В 1839 году Дэвис, Тейлор, Фардон и Госсаж передали права на производство двигателя компании Birmingham Patent Disc Engine. Как суперинтендант компании, Генри Дэвис отвечал за все проектирование и производство, в то время как Госсаж был директором. В феврале 1841 года совет сообщил, что 26 двигателей были завершены, в процессе находились еще двигатели общей мощностью 260 лошадиных сил, и в общей сложности было заказано 500 лошадиных сил. Они могли производить двигатели мощностью от 5 до 30 лошадиных сил и в настоящее время делали двигатели для железнодорожного вагона. Статья во французском журнале 1841 года сообщала, что двигатель мощностью 12 л. с. использовался в течение шести месяцев в качестве подъемного двигателя на шахте Корбинс-Холл в Дадли , который мог поднимать груз в 1 тонну на 180 футов за 1 минуту. Дисковые двигатели стоили от 96 фунтов стерлингов за машину мощностью 8 л. с. до 300 фунтов стерлингов за модель мощностью 30 л. с.
В 1841 году на Королевской выставке в Ливерпуле Рэнсомс и Симс из Ипсвича (впоследствии известные инженеры-агрономы Рэнсомс и Симс) представили переносную паровую машину , работавшую на дисковом двигателе BPDE мощностью 5 л. с.
К 1840 году канальная лодка The Experiment , приводимая в движение двигателем Дэвиса, использовалась для испытания гребного винта, а в 1842 году Дэвис установил дисковый двигатель и дисковый насос на барже для канала, которую он продемонстрировал, осушив полмили канала Стаурбридж. В том же году двигатель мощностью 5 л. с. был установлен на одном из пинасов HMS Geyser . Однако испытания на Темзе и для директоров канала Гранд-Джанкшен не убедили ни Адмиралтейство, ни владельцев канала.
Тем не менее, интерес к использованию паровой энергии на каналах рос, и небольшая ширина канальных судов очень благоприятствовала дисковым двигателям. Дэвис увидел свою возможность и построил канальный буксир с железным корпусом и двигателем BPDE мощностью 16 л. с. в 1843 году. Чтобы минимизировать волнение, он установил четыре гребных винта, расположенных вдоль вала по всей длине судна и заключенных в трубу ниже ватерлинии. Было два таких движителя бок о бок, всего 8 гребных винтов. Это работало достаточно хорошо, чтобы убедить директоров Бирмингемского и Ливерпульского соединительного канала заказать шесть буксиров, которые могли бы буксировать до шестнадцати барж в день с разумной скоростью. В ходе эксплуатации состав из шести-восьми барж выходил из порта Элсмир и Вулверхэмптона каждый день, перевозя в среднем 100 тонн. К сожалению, никто не учел, как состав барж должен был проходить через шлюзы канала и отмели. Каждое такое препятствие означало, что поезд приходилось расцеплять, а баржи по отдельности вручную или на лошадях протаскивать через препятствие, прежде чем поезд собирался на другой стороне. Это сводило на нет преимущества буксира и поезда, и в 1845 году директора канала вывели буксиры из эксплуатации.
В 1844 году BPDE рухнула. [12] Оборудование мастерской, различные готовые двигатели и объемы незавершенной работы были выставлены на продажу. Во время судебных разбирательств в 1851 году после банкротства двух основных инвесторов BPDE было заявлено, что дисковый двигатель не принес прибыли и что полагаться на него как на реализуемый актив «было абсурдно».
Конкурентом Дэвиса и Тейлора был бывший инженер-локомотивщик Джордж Дэниел Бишопп, который в 1840 году поручил компании Donkin & Co построить свой первый двигатель, а в 1845 году получил патент. Партнеры Барнард Уильям Фэри и Брайан Донкин-младший запатентовали усовершенствования базовой конструкции; Донкин работал с Бишоппом над своим оригинальным двигателем, а Фэри был сотрудником Донкинса.
Двигатель Бишоппа встретил некоторую скептическую реакцию в отраслевой прессе, когда он был выпущен на рынок. Но Бишопп решил вернуться к оригинальной конструкции Dakeynes, которая имела хомут, который принимал на себя большую часть динамических сил и значительно снижал нагрузку на подшипники и уплотнения. В случае любой утечки уплотнения можно было регулировать. Кроме того, Бишопп поручал производство своих двигателей компаниям с признанными инженерными возможностями, а не занимался собственным производством; как и Donkin's, некоторые из его первых двигателей были построены Joseph Whitworth & Co из Манчестера. Другой инжиниринговой компанией с очень хорошей репутацией была G. Rennie and Son из Лондона, которая была настолько убеждена в потенциале двигателя, что в 1849 году они наняли Бишоппа в качестве своего бригадира работ с особой ответственностью за дисковый двигатель.
К 1849 году было продано несколько двигателей Bishopp, и один из них с большим успехом использовался для работы печатных станков газеты Times , в то время как другой, произведенный G. Rennie and Son, использовался для питания железной канонерской лодки HMS Minx . Двигатель Times был построен Уитвортом и был показан на Большой выставке 1851 года , где он работал плавно и бесшумно и поражал всех, кто его видел.
В 1853 году у Ренни был приобретен 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/ч). [13]
В то время преимущества дискового двигателя были перечислены в журнале The Mechanics' Magazine в 1855 году следующим образом: [13]
Дисковые двигатели в конечном итоге вышли из употребления из-за конкуренции со стороны современных высокоскоростных паровых двигателей, которые были небольшими и легкими и могли предложить такие функции, как компаундирование. Кроме того, обычные двигатели не требовали такой же точности изготовления, как дисковые двигатели, и утечка пара не была проблемой.
Нутационно-дисковый расходомер, который использует ту же геометрию и концепцию, что и оригинальный двигатель 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 является дисковым двигателем Dakeyne и, скорее всего, был разработан Фэри и Донкиным, которые упомянули «измеритель жидкости» в своем патенте на дисковый двигатель 1850 года, выданном в 1850 году. К 1859 году их производила компания Buffalo Meter Company из Буффало, штат Нью-Йорк .