Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Стволовый двигатель Almen A-4

Осевые двигатели (иногда называемые цилиндрическими или Z-кривошипными двигателями ) представляют собой тип поршневого двигателя с поршнями, расположенными вокруг выходного вала, причем их оси параллельны валу. Ствол относится к цилиндрической форме группы цилиндров (результат того, что поршни равномерно разнесены вокруг центрального коленчатого вала и выровнены параллельно оси коленчатого вала), в то время как Z-образный кривошип указывает на форму коленчатого вала.

Ключевым преимуществом осевой конструкции является то, что цилиндры расположены параллельно вокруг выходного / коленчатого вала, в отличие от радиальных и рядных двигателей, причем 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 наклонной шайбой штоки поршней остаются параллельными валу, и боковые силы поршня, вызывающие чрезмерный износ, могут быть почти полностью устранены. Подшипник малого конца традиционного шатуна, один из самых проблемных подшипников в традиционном двигателе, устранен.

В альтернативной конструкции, кулачковый двигатель Rand , пластина заменяется одним или несколькими синусоидальнымикулачковые поверхности. Лопатки, установленные параллельно валу, установленному внутри цилиндрической «бочки», могут свободно скользить вверх и вниз по извилистому кулачку, сегментам, образованным ротором, стенками статора и лопатками, составляющими камеры сгорания. Фактически эти пространства служат той же цели, что и цилиндры осевого двигателя, а извилистая поверхность кулачка действует как поверхность поршней. В другом отношении эта форма соответствует нормальным циклам внутреннего сгорания, но с горящим газом, непосредственно передающим силу на поверхность кулачка, преобразуемую во вращательную силу путем синхронизации одного или нескольких детонаций. Эта конструкция исключает наличие множества возвратно-поступательных поршней, шаровых шарниров и наклонной шайбы обычного цилиндрического двигателя, но в значительной степени зависит от эффективного уплотнения, обеспечиваемого скользящими и вращающимися поверхностями. [1]

В любой форме осевой или «цилиндрический» двигатель может быть получен как кулачковый двигатель, либо двигатель с наклонной шайбой, либо двигатель с качающейся шайбой .

( Качающаяся шайба похожа на качающуюся шайбу тем , что поршни последовательно нажимают на тарелку, передавая поперечный момент, который преобразуется во вращательное движение. Это движение можно смоделировать, поместив компакт-диск на шарикоподшипник на ее центр и нажав на прогрессивных местах вокруг своей окружности. разница заключается в том, что в то время как колебание пластины nutates , качающейся-пластина поворачивается. [1] )

Несмотря на то, что осевые двигатели сложно реализовать на типичных рабочих оборотах двигателя, были испытаны некоторые кулачковые двигатели, которые имеют чрезвычайно компактный размер (приблизительно шесть дюймов (150 мм) куб), но вырабатывают примерно сорок лошадиных сил при 7000 об / мин, что полезно для легких воздушных судов. Приложения. Привлекательность легких и механически простых (гораздо меньше основных движущихся частей в виде ротора плюс двенадцать осевых лопастей, образующих двадцать четыре камеры сгорания) двигателей, даже с ограниченным сроком службы, очевидно, применима для небольших беспилотных летательных аппаратов. (Такая конструкция якобы была испытана на NAVAIR PSEF в 2003 году.)

История [ править ]

Макомбер [ править ]

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

В 1911 году Macomber Rotary Engine Company из Лос-Анджелеса выпустила на рынок один из первых осевых двигателей внутреннего сгорания, произведенных Avis Engine Company из Олстона, Массачусетс . Четырехтактный агрегат с воздушным охлаждением, он имел семь цилиндров и переменную степень сжатия, изменяемую за счет изменения угла качающейся шайбы и, следовательно, длины хода поршня. [2] Он был назван «роторным двигателем», потому что весь двигатель вращался, кроме концевых кожухов.

Зажигание осуществлялось от магнето Bosch, приводимого непосредственно от кулачковых шестерен. Затем ток высокого напряжения подавался на неподвижный электрод на корпусе переднего подшипника, от которого искры переходили к свечам зажигания в головках цилиндров, когда они проходили в пределах 1/16 дюйма (1,5 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 скорости 1000 об / мин он развивал 50 л.с. Он весил 230 фунтов (100 кг), имел длину 28 дюймов (710 мм) и диаметр 19 дюймов (480 мм).

Пионер-летчик Чарльз Фрэнсис Уолш в мае 1911 года управлял самолетом "Уолш Сильвер Дарт" с двигателем Макомбера. [3]

Statax [ править ]

В 1913 году компания Statax-Motor из Цюриха , Швейцария, представила двигатель с наклонной шайбой . Был изготовлен только один прототип, который в настоящее время хранится в Музее науки в Лондоне . В 1914 году компания переехала в Лондон и стала называться Statax Engine Company и планировала выпустить серию роторных двигателей ; 3-цилиндровый 10 л.с., 5-цилиндровый 40 л.с., 7-цилиндровый 80 л.с. и 10-цилиндровый 100 л.с. [4]

Похоже, что когда-либо производилась только конструкция мощностью 40 л.с., которая была установлена ​​на Caudron G.II для британского Aerial Derby 1914 года, но была снята с производства перед полетом. Хансен представил полностью алюминиевую версию этой конструкции в 1922 году, но неясно, производили ли они ее в любом количестве. В 1929 году немецкое подразделение Statax представило значительно улучшенные версии, которые производили 42 л.с. в новой версии с гидрораспределителями, известной как 29B . Гринвуд и Раймонд из Сан-Франциско приобрели патентные права на США, Канаду и Японию и запланировали 5-цилиндровый двигатель мощностью 100 л.с. и 9-цилиндровый двигатель мощностью 350 л.с.

Мичелл [ править ]

В 1917 году Энтони Мичелл получил патенты на свой двигатель с наклонной шайбой. Его уникальной особенностью было средство передачи нагрузки с поршней на наклонную шайбу, достигнутое с помощью наклонных скользящих башмаков по масляной пленке. Еще одним нововведением Мичелла был его 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 Company в Фицрое (Австралия) и произвел рабочие прототипы насосов, компрессоров, автомобильных двигателей и авиационных двигателей, основанных на одной и той же базовой конструкции. [5]

Дизайнер двигателя Фил Ирвинг работал на Crankless Engine Company до его времени в HRD .

Ряд компаний получили лицензию на производство конструкции Мичелла. Самой успешной из них была британская компания Waller and Son, производившая газовые ускорители. [6]

Самым большим бесшумным двигателем Michell был XB-4070, дизельный авиационный двигатель, построенный для ВМС США. [7] Состоящий из 18 поршней, он имел мощность 2000 лошадиных сил и весил 2150 фунтов.

Джон О. Алмен [ править ]

Экспериментальные цилиндрические двигатели для использования в самолетах были построены и испытаны американцем Джоном О. Алменом из Сиэтла, штат Вашингтон, в начале 1920-х годов, а к середине 1920-х годов - Almen A-4 с водяным охлаждением (18 цилиндров, две группы по девять горизонтально в каждой). против) прошел приемочные испытания ВВС 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 выходной мощности, и, таким образом, предлагал лучшие возможности обтекаемости. Он был рассчитан на 425 лошадиных сил (317 кВт) и весил всего 749 фунтов (340 кг), что давало соотношение мощности и веса лучше, чем 1: 2, что являлось значительным достижением дизайна в то время. [8]

Ираклион Альфаро [ править ]

Гераклио Альфаро Фурнье был испанским летчиком, которого в 18 лет посвятил в рыцари король Испании Альфонсо XIII за разработку, строительство и управление первым самолетом Испании. [9] Он разработал цилиндрический двигатель для использования в самолетах, который позже был произведен Индийской компанией по производству мотоциклов под названием Alfaro . Это был идеальный пример конструкции «все во всём», так как она включала систему золотниковых клапанов на основе вращающейся головки блока цилиндров, конструкцию, которая никогда не производилась ни на одном двигателе. Позже он был доработан для использования в вертолете Doman.Стивен Дюпон, сын президента Indian Motorcycle Company, который был одним из студентов Альфаро в Массачусетском технологическом институте . [10]

Бристоль [ править ]

Bristol Осевая двигателя с середины 1930-х годов был разработан Чарльз Бенджамин Редрап для Бристоль Трамваи и Carriage Company ; это был 7-литровый 9-цилиндровый двигатель с качающейся шайбой. Первоначально он был задуман как силовой агрегат для автобусов, возможно, потому, что его компактный формат позволял устанавливать его под полом транспортного средства. Двигатель имел единственный 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. [11]

Wooler [ править ]

Возможно, наиболее усовершенствованным из них был британский двигатель Wooler с качающейся пластиной 1947 года. Этот 6-цилиндровый двигатель был разработан Джоном Вулером, более известным как конструктор двигателей для мотоциклов, для использования в самолетах. Он был похож на осевой двигатель Bristol, но имел две качающиеся пластины, которые приводились в движение 12 противоположными поршнями в 6 цилиндрах. Двигатель часто неправильно называют двигателем с наклонной шайбой. [12] Единственный экземпляр хранится в галерее самолетов Музея науки в Лондоне.

HLF Trebert [ править ]

Некоторые небольшие цилиндрические двигатели были произведены заводом HLF Trebert Engine Works в Рочестере, штат Нью-Йорк, для использования на море.

Настоящий день [ править ]

Dyna-Cam [ править ]

Двигатель Dyna-Cam изначально был разработан братьями Блейзер, двумя американскими инженерами из автомобильной промышленности эпохи латуни, которые работали на Студебеккер в 1916 году. Они продали права Карлу Херрманну, главному инженеру Студебекера, который разработал эту концепцию над многими. лет, в конечном итоге получив патент США 2237989 в 1941 году. [13] Он имеет 6 двусторонних поршней, работающих в 6 цилиндрах, а его 12 камер сгорания срабатывают при каждом обороте приводного вала. Поршни приводят в движение кулачок синусоидальной формы, 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 вместе с сыном Деннисом основал Dyna-Cam Engine Corp. Затем сын Эдварда Деннис и дочь Пэт помогли установить двигатель на самолет Piper Arrow . С 1987 по 1991 год двигатель налетал около 700 часов. Самый продолжительный срок их службы двигатель проработал почти 4000 часов до капитального ремонта. Примерно в 1993 году компания Dyna-Cam открыла центр исследований и разработок и получила множество различных наград от НАСА, ВМС США, Корпуса морской пехоты США, Энергетической комиссии Калифорнии, Района управления качеством воздуха [ необходимы пояснения ]и Лос-Анджелесский региональный технологический альянс за различные варианты одного и того же двигателя Dyna-Cam. Около 40 прототипов двигателей было построено Herrmann Group, а еще 25 построено Dyna-Cam Group с тех пор, как они приобрели двигатель и открыли свой цех. Новый патент был выдан Деннису Палмеру и Эдварду Палмеру, сначала в 1985 году, а затем еще несколько 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 . [14] Компания Axial Vector полностью изменила дизайн кулачкового двигателя. Новый двигатель Axial Vector, как и многие другие в этом списке, страдает от проблемы «положить все», в том числе 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 использовались непроверенные керамические материалы, и он фактически летал в самолете, а также приводил в действие 20-футовый (6,1 м) ) Лыжный катер "Элиминатор" более четырех лет.

Covaxe [ править ]

Компания Covaxe Limited из Соединенного Королевства (до 2017 года известная как FairDiesel Limited) разрабатывает двухтактные дизельные двигатели с оппозитным поршневым цилиндром, в которых используются несинусоидальные кулачки, для промышленного применения и использования в авиации. Их конструкция двигателей варьируется от 2-цилиндрового с диаметром цилиндра 80 мм до 32-цилиндрового с диаметром цилиндра 160 мм. [15]

Duke Engines [ править ]

Новозеландская компания Duke Engines, основанная в 1993 году, создала несколько различных двигателей и установила один в автомобиле в 1999 году. Двигатель работает на платформе 5-цилиндрового, 3-литрового, 4-тактного двигателя внутреннего сгорания с уникальным осевым расположением двигателя. третье поколение. Благодаря бесклапанной конструкции двигатель Duke теряет меньше энергии между рабочими тактами. [16] 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 тестировался в компании MAHLE Powertrain в Великобритании и США; Результаты испытаний показывают, что он может работать на разных видах топлива. [17]Преимущества двигателя Duke в виде легкости и компактности должны сделать эту конструкцию идеальной для двигателей мотоциклов; и эти преимущества могут сделать силовую установку пригодной и для легких самолетов. [18] (Имеется мало данных о плавности работы двигателя Duke; главный вал имеет большой противовес).

Модуль цилиндрической энергии [ править ]

Цилиндрический энергетический модуль (CEM) - это синусоидальный двигатель с наклонной шайбой, который также может использоваться в качестве автономного насоса с питанием от внешнего источника. Вращающийся узел ротора с наклонной шайбой перемещается вперед и назад с помощью приводных штифтов поршня, которые следуют по неподвижной синусоидальной кулачковой дорожке, которая окружает узел ротора. [ необходима цитата ]

Приложения [ править ]

  • Наиболее известное применение - торпеды , где желательна цилиндрическая форма. Современная торпеда Mark 48 оснащена двигателем с наклонной шайбой мощностью 500 л.с. и насосно-струйным движителем. Он заправлен топливом Otto fuel II , монотопливом, который не требует подачи кислорода и может развивать торпеду со скоростью до 65 узлов (120 км / ч) (74,56 миль в час). [19]
  • Другие области применения включают пневматические и гидравлические двигатели, гидростатические трансмиссии, такие как Honda Hondamatic CVT , [20] и насосы кондиционеров . [21] Кроме того, в некоторых двигателях Стирлинга используется наклонная шайба , например , в двигателе STM 4-120 компании Stirling Thermal Motors. [22]

См. Также [ править ]

  • Аксиально-поршневой насос

Примечания [ править ]

  1. ^ Я, Дуглас . «Осевые двигатели внутреннего сгорания» . Музей ретро-техники . Проверено 1 мая 2011 .
  2. ^ "Аэродвигатель Macomber" . Пилотфренд . Проверено 4 июля 2008 .
  3. ^ "Чарльз Ф. Уолш" . Earlyaviators.com . Проверено 4 июля 2008 .
  4. ^ Угол, Гленн Дейл (1921). Энциклопедия авиационных двигателей . Otterbein Press. п. 468 .
  5. ^ «Мичелл, Энтони Джордж Малдон (1870–1959)» . Австралийский биографический словарь . Национальный центр биографии Австралийского национального университета.
  6. ^ Дуглас Селф . «Осевые двигатели внутреннего сгорания» .
  7. ^ "Дизельный 9-цилиндровый двигатель SPECO XB-4070-2" .
  8. ^ "Информационные бюллетени> Almen A-4 Barrel" . Национальный музей ВВС США . Архивировано из оригинала на 2008-06-13 . Проверено 29 июня 2008 .
  9. ^ 1911 испанский пилот и MIT aeroengineer и его 1938 авиационный двигатель, модернизированный на сегодняшний день . DuPont. 2006. ISBN 0977713407.
  10. ^ Стивен, Дюпон (2006). Испанский пилот 1911 года, авиационный инженер Массачусетского технологического института и его авиадвигатель 1938 года . TEBA Group. ISBN 0-9777134-0-7.
  11. ^ Сетрайт, LJK (1975). Некоторые необычные двигатели . Публикации по машиностроению. ISBN 0-85298-208-9.
  12. ^ Смит, Гершель Х. (1981). Поршневые двигатели самолетов: от Manly Baltzer до Continental Tiara . Макгроу-Хилл. ISBN 0-07-058472-9.
  13. ↑ Herrmann, Karl L. (апрель 1941 г.). «Патент США № 2237989» . УСПО . Проверено 4 июля 2008 .
  14. ^ "Axial Vector Engine Corporation объявляет о разрешении судебного разбирательства по делу Dyna-Cam" . Корпорация Axial Vector Engine. 6 июля 2006 года архивации с оригинала на 2008-03-02 . Проверено 4 июля 2008 .
  15. ^ "Двухтактные дизельные двигатели для широкого применения" . FairDiesel Limited. 2006 . Проверено 7 июля 2008 .
  16. ^ "Невероятно компактный и легкий бесклапанный осевой двигатель Duke Engines" . newatlas.com . Проверено 7 октября 2016 .
  17. ^ "Четырехтактный" осевой "поршневой двигатель" . Duke Engines. 2013 . Проверено 23 июля 2013 .
  18. ^ "Duke Axial Prototype: Окончательный дизайн двигателя мотоцикла? | ДО СКОРОСТИ" . Мотоциклист . Проверено 7 октября 2016 .
  19. ^ Фридман, Норман (1997). Справочник Военно-морского института по мировым системам военно-морского вооружения, 1997–1998 гг . Издательство Военно-морского института. п. 694. ISBN 1-55750-268-4.
  20. ^ "Технические инновации CVT Honda для квадроциклов" . Внедорожная инженерия онлайн. Архивировано из оригинала на 2008-12-02 . Проверено 7 июля 2008 .
  21. ^ "Компрессоры с регулируемой наклонной шайбой" . Visteon Corporation. 2008. Архивировано из оригинала на 2008-07-18.
  22. ^ Уриэли, доктор Израиль (2007-12-02). «Конфигурации двигателя Стирлинга» . Проверено 7 июля 2008 .

Ссылки [ править ]

  • Макланахан, Дж. Крейг (28 сентября 1998 г.). «Бочковые авиадвигатели - историческая аномалия или загнанное в угол новшество?». World Aviation Congress & Exposition, сентябрь 1998 . Уоррендейл, Пенсильвания: SAE International.
  • Маккатчеон, Кимбл Д. "Бочковой двигатель Almen A-4" (PDF) . Историческое общество авиационных двигателей. Архивировано из оригинального (PDF) 20 августа 2008 года . Проверено 29 июня 2008 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Бочковой двигатель - полет, часть 2, декабрь 1941 г.