Аксиальный двигатель (иногда называемый двигателем с бочкообразным кривошипом или двигателем с Z-образным кривошипом ) — это тип поршневого двигателя с поршнями, расположенными вокруг выходного вала, при этом их оси параллельны валу. Термин «бочка» относится к цилиндрической форме группы цилиндров (результат равномерного расположения поршней вокруг центрального коленчатого вала и их выравнивания параллельно оси коленчатого вала), в то время как термин «Z-образный кривошип» относится к форме коленчатого вала.
Как кулачковый двигатель , осевой двигатель может использовать либо наклонную пластину , либо качающуюся пластину для преобразования движения поршня во вращение. Качающаяся пластина похожа на наклонную пластину, в которой поршни последовательно нажимают на пластину, сообщая боковой момент, который преобразуется во вращательное движение. Это движение можно смоделировать, поместив компакт-диск на шарикоподшипник в его центре и нажимая вниз в последовательных местах по его окружности. Разница в том, что в то время как качающаяся пластина совершает нутационное движение, наклонная пластина вращается. [1] Альтернативная конструкция, двигатель кулачка Rand, заменяет пластину одной или несколькими синусоидальными кулачковыми поверхностями. Лопасти, установленные параллельно валу, установленному внутри цилиндрического «бочки», которые могут свободно скользить вверх и вниз, перемещаются по извилистому кулачку, сегменты, образованные ротором, стенками статора и лопатками, составляют камеры сгорания. По сути, эти пространства выполняют ту же функцию, что и цилиндры осевого двигателя, а волнистая поверхность кулачка действует как поверхность поршней. В остальном эта форма следует нормальным циклам внутреннего сгорания, но с горящим газом, который напрямую передает силу на поверхность кулачка, преобразуемую во вращательную силу путем синхронизации одной или нескольких детонаций. Такая конструкция исключает множественные возвратно-поступательные поршни, шаровые шарниры и наклонную шайбу обычного «бочки» двигателя, но в решающей степени зависит от эффективного уплотнения, обеспечиваемого скользящими и вращающимися поверхностями. [2]
Ключевым преимуществом осевой конструкции является то, что цилиндры расположены параллельно вокруг выходного/коленчатого вала в отличие от радиальных и рядных двигателей , оба типа которых 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 наклонной шайбой 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.
В то время как осевые двигатели сложно реализовать на типичных рабочих скоростях двигателя, были испытаны некоторые кулачковые двигатели, которые предлагают чрезвычайно компактный размер (приблизительно шестидюймовый (150 мм) куб), но при этом производят около сорока лошадиных сил при 7000 об/мин, что полезно для легких воздушных применений. Привлекательность легких и механически простых (гораздо меньше основных движущихся частей в виде ротора плюс двенадцать осевых лопаток, образующих двадцать четыре камеры сгорания) двигателей, даже с конечным сроком службы, имеет очевидное применение для небольших беспилотных летательных аппаратов.
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 двигатель с воздушным охлаждением имел семь цилиндров и переменную степень сжатия, которая изменялась путем изменения угла наклонной шайбы и, следовательно, длины хода поршня. [3] Его называли «роторным двигателем», потому что весь двигатель вращался отдельно от концевых кожухов.
Зажигание обеспечивалось магнето Bosch, напрямую приводимым в действие кулачковыми шестернями. Затем ток высокого напряжения подавался на неподвижный электрод на корпусе переднего подшипника, с которого искры перескакивали на свечи зажигания в головках цилиндров, проходя на расстоянии 1 ⁄ 16 дюйма (1,6 мм) от него. Согласно литературе Макомбера, он «гарантировал отсутствие перегрева».
Двигатель, как утверждалось, мог работать на скорости от 150 до 1500 об/мин. При нормальной скорости 1000 об/мин он, как сообщается, развивал 50 л.с. Он весил 230 фунтов (100 кг) и имел длину 28 дюймов (710 мм) и диаметр 19 дюймов (480 мм).
Пионер авиации Чарльз Фрэнсис Уолш в мае 1911 года поднял в воздух самолет, оснащенный двигателем Макомбера, «Серебряный дротик Уолша». [4]
В 1913 году Statax-Motor из Цюриха , Швейцария, представила конструкцию двигателя с наклонной шайбой. Был произведен только один прототип, который в настоящее время хранится в Музее науки в Лондоне . В 1914 году компания переехала в Лондон, чтобы стать 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. [5]
Похоже, что когда-либо производилась только конструкция мощностью 40 л. с., которая была установлена на Caudron G.II для британского воздушного дерби 1914 года , но была снята с производства перед полетом. Hansen представила 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, производя 42 л. с. в новой версии с золотниковым клапаном, известной как 29B . Greenwood and Raymond из Сан-Франциско приобрели патентные права для США, Канады и Японии и спланировали 5-цилиндровый двигатель мощностью 100 л. с. и 9-цилиндровый двигатель мощностью 350 л. с.
В 1917 году Энтони Мичелл получил патенты на конструкцию своего двигателя с наклонной шайбой. Его уникальной особенностью был способ передачи нагрузки от поршней к наклонной шайбе, достигаемый с помощью наклонных скользящих по масляной пленке скользящих по ней башмаков. Еще одним нововведением Мичелла был его математический анализ механической конструкции, включая массу и движение компонентов, так что его двигатели находились в идеальном динамическом равновесии на всех скоростях.
В 1920 году Мичелл основал компанию Crankless Engines Company в Фицрое (Австралия) и выпустил рабочие прототипы насосов, компрессоров, автомобильных и авиационных двигателей, все на основе одной и той же базовой конструкции. [6]
Конструктор двигателей Фил Ирвинг до прихода в HRD работал в компании Crankless Engine Company .
Ряд компаний получили лицензию на производство конструкции Мичелла. Наиболее успешной из них была британская компания Waller and Son, которая производила газовые ускорители. [7]
Самым большим бескривошипным двигателем Michell был XB-4070, дизельный авиационный двигатель, построенный для ВМС США. [8] Он состоял из 18 поршней, имел мощность 2000 лошадиных сил и весил 2150 фунтов.
Экспериментальные бочкообразные двигатели для использования в авиации были построены и испытаны американцем Джоном О. Алменом из Сиэтла, штат Вашингтон , в начале 1920-х годов, и к середине 1920-х годов водяное охлаждение Almen A-4 (18 цилиндров, две группы по девять цилиндров в каждой, горизонтально-оппозитные) прошло приемочные испытания в Армейском воздушном корпусе США . Однако он так и не был запущен в производство, как сообщается, из-за ограниченных средств и растущего внимания Воздушного корпуса к радиальным двигателям с воздушным охлаждением . У A-4 была гораздо меньшая лобовая площадь, чем у двигателей с водяным охлаждением сопоставимой выходной мощности, и, таким образом, предлагались лучшие возможности обтекаемости. Он имел мощность 425 л. с. (317 кВт) и весил всего 749 фунтов (340 кг), таким образом, обеспечивая соотношение мощности к весу лучше, чем 1:2, что было значительным конструкторским достижением того времени. [9]
Гераклио Альфаро Фурнье был испанским летчиком, который был посвящен в рыцари в возрасте 18 лет королем Испании Альфонсо XIII за проектирование, строительство и управление первым испанским самолетом. [10] Он разработал цилиндрический двигатель для использования в самолетах, который позже был произведен Indian Motocycle Manufacturing Company как Alfaro . Это был прекрасный пример конструкции «всё в одном», так как он включал в себя систему золотникового клапана, основанную на вращающейся головке цилиндра, конструкцию, которая никогда не была введена в производство ни для одного двигателя. Позднее он был доработан для использования в вертолете Домана Стивеном Дюпоном, сыном президента Indian Motorcycle Company, который был одним из студентов Альфаро в Массачусетском технологическом институте . [11]
Двигатель Bristol Axial Engine середины 1930-х годов был разработан Чарльзом Бенджамином Редрупом для компании Bristol Tramways and Carriage Company ; это был 7-литровый, 9-цилиндровый двигатель с качающимися пластинами. Первоначально он был задуман как силовой агрегат для автобусов, возможно, потому, что его компактный формат позволял устанавливать его под полом транспортного средства. Двигатель имел один поворотный клапан для управления впуском и выпуском. Несколько вариантов использовались в автобусах Bristol в конце 1930-х годов, двигатель прошел несколько версий от RR1 до RR4, которые имели выходную мощность 145 л. с. при 2900 об./мин. Разработка была остановлена в 1936 году после смены руководства в компании Bristol. [12]
Возможно, наиболее совершенным из проектов был двигатель British Wooler с качающейся шайбой 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 оппозитными поршнями в 6 цилиндрах. Двигатель часто неправильно называют двигателем с качающейся шайбой. [13] Единственный экземпляр сохранился в Галерее аэропланов Музея науки в Лондоне.
Некоторые двигатели малого объема производились на заводе HLF Trebert Engine Works [14] в Рочестере, штат Нью-Йорк, для использования на морских судах.
Двигатель Dyna-Cam изначально был разработан братьями Блейзер, двумя американскими инженерами в автомобильной промышленности эпохи латуни , которые работали на Studebaker в 1916 году. Они продали права Карлу Херрманну, руководителю инженерного отдела Studebaker, который разрабатывал концепцию в течение многих лет, в конечном итоге получив патент США 2237989 в 1941 году. [15] Он имеет 6 двухсторонних поршней, работающих в 6 цилиндрах, и его 12 камер сгорания зажигаются при каждом обороте приводного вала. Поршни приводят в действие синусоидальный кулачок, в отличие от наклонной шайбы или качающейся шайбы, 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 . Двигатель летал около 700 часов с 1987 по 1991 год. Их самый долговечный двигатель проработал около 4000 часов до капитального ремонта. Dyna-Cam открыла научно-исследовательский и опытно-конструкторский центр около 1993 года и выиграла множество различных наград от NASA, ВМС США, Корпуса морской пехоты США, Калифорнийской энергетической комиссии, Округа по управлению качеством воздуха, [ необходимо разъяснение ] и Лос-Анджелесского регионального технологического альянса за различные вариации одного и того же двигателя Dyna-Cam. Около 40 прототипов двигателей были построены Herrmann Group и еще 25 построены Dyna-Cam Group с тех пор, как они приобрели двигатель и открыли свой магазин. Новый патент был выдан Деннису Палмеру и Эдварду Палмеру, первый в 1985 году, а затем еще несколько около 2000 года Деннису Палмеру. В 2003 году активы Dyna-Cam Engine Corporation были приобретены Aero-Marine Corporation, которая сменила название на Axial Vector Engine Corporation. [16] Затем Axial Vector полностью перепроектировала кулачковый двигатель. Новый двигатель Axial Vector, как и многие другие в этом списке, страдает от проблемы «вставить все», включая пьезоэлектрические клапаны и зажигание, керамические гильзы цилиндров без поршневых колец и множество других передовых функций. Он мало похож на оригинальные двигатели Herrmann и Dyna-Cam, поскольку двигатель Dyna-Cam использовал обычные клапаны, поршневые кольца, принадлежности, не имел непроверенных керамических материалов и фактически летал на самолете, а также приводил в действие 20-футовую (6,1 м) лодку-лыжник «Eliminator» в течение четырех лет.
Компания из Великобритании Covaxe Limited (известная как FairDiesel Limited до 2017 года) разрабатывает двухтактные дизельные двигатели с оппозитным поршнем, которые используют несинусоидальные кулачки, для промышленного применения и использования в авиации. Их конструкции двигателей варьируются от 2-цилиндровых, диаметром 80 мм, до 32-цилиндровых, диаметром 160 мм. [17]
Новозеландская компания Duke Engines, основанная в 1993 году, создала несколько различных двигателей и установила один в автомобиль в 1999 году. Двигатель работает на платформе 5-цилиндрового, 3-литрового, 4-тактного двигателя внутреннего сгорания с его уникальным осевым расположением, которое находится в третьем поколении. Благодаря бесклапанной конструкции двигатель Duke теряет меньше энергии между рабочими тактами. [18] Текущие прототипы двигателей Duke утверждают, что соответствуют характеристикам обычных двигателей внутреннего сгорания, но с меньшим количеством деталей и на 30% легче. Это идет в направлении разработки более эффективного двигателя. Во время разработки Duke был испытан на заводе MAHLE Powertrain в Великобритании и в Соединенных Штатах; результаты испытаний показывают, что он может работать на нескольких видах топлива. [19] Преимущества двигателя Duke в виде легкости и компактности должны сделать эту конструкцию идеальной для двигателей мотоциклов; и эти преимущества могут сделать силовую установку подходящей также для легких самолетов. [20] (Мало данных о том, является ли двигатель Duke гладким; главный вал имеет большой прикрепленный противовес).
Классический дизайн испанской сборки, параллельные поршни, работающие в противофазе, синусоидальный наклонный диск, в 2023 году в двух версиях: размером с автомобиль, с жидкостным охлаждением, как прототип, и с воздушным охлаждением, четырехцилиндровый, 125 куб. см, 22 л. с., 4,5 кг, предназначенный для беспилотников и больших авиамоделей, находящийся на стадии подготовки к производству. [21]
Цилиндрический энергетический модуль (CEM) — это синусоидальный двигатель с наклонной шайбой, который также может использоваться как автономный насос, работающий от внешнего источника. Вращающийся роторный узел наклонной шайбы перемещается вперед и назад с помощью поршневых приводных штифтов, которые следуют за неподвижной синусоидальной дорожкой кулачка, которая окружает роторный узел. [ необходима цитата ]
CEM был разработан американским изобретателем Эдди Полом , изначально для использования в пожарных насосах . Позднее он был адаптирован для использования в автомобилях и планировался для использования в нереализованном проекте Duesenberg Torpedo Coupe в 2005 году. В качестве силовой установки для Coupe, CEM должен был вращаться на оси, всасывая топливо и обеспечивая самосмазку, и мог работать как на бензине, так и на дизельном топливе . Он также предположительно создавал бы только 1/6 тепла обычного двигателя, что означает, что воздушного охлаждения было бы достаточно. [22] [23]
Американская компания Devize Motors в настоящее время разрабатывает новый двигатель, использующий оппозитные поршни. [24]
[29]