Введение
Осевой двигатель (иногда называемый двигателем с бочкой или двигателем с Z-образным коленвалом) – это тип двигателя внутреннего сгорания с поршнями, расположенными вокруг выходного вала, оси которых параллельны валу. Термин "бочка" относится к цилиндрической форме группы цилиндров (результат равномерного расположения поршней вокруг центрального коленвала и их выравнивания параллельно оси коленвала), а "Z-образный коленвал" указывает на форму коленвала. Как и кулачковый двигатель, осевой двигатель может использовать либо наклонную шайбу, либо шайбу качательного типа для преобразования движения поршня во вращение. Шайба качательного типа аналогична наклонной шайбе, в том, что поршни последовательно нажимают на шайбу, создавая поперечный момент, который преобразуется во вращательное движение. Это движение можно смоделировать, поместив компакт-диск на шарикоподшипник в его центре и нажимая вниз в прогрессирующих точках по окружности. Разница заключается в том, что шайба качательного типа совершает нутацию, а наклонная шайба вращается. Альтернативная конструкция, двигатель с кулачком Рэнда, заменяет шайбу одной или несколькими синусоидальными кулачковыми поверхностями. Внутри цилиндрической "бочки" установлены параллельно валу лопасти, которые могут свободно скользить вверх и вниз, перемещаясь по извилистому кулачку. Сегменты, образованные стенками ротора и статора, а также лопастями, образуют камеры сгорания. По сути, эти пространства выполняют ту же функцию, что и цилиндры осевого двигателя, а извилистая кулачковая поверхность действует как поверхность поршня. В остальном эта конструкция следует нормальным циклам внутреннего сгорания, но сгорание газа непосредственно воздействует на кулачковую поверхность, преобразуясь во вращательную силу путем синхронизации одного или нескольких взрывов. Эта конструкция устраняет множество возвратно-поступательных поршней, шаровые шарниры и наклонную шайбу обычного двигателя "бочкового" типа, но критически зависит от эффективного уплотнения, обеспечиваемого скользящими и вращающимися поверхностями. Ключевым преимуществом осевой конструкции является то, что цилиндры расположены параллельно выходному/коленчатому валу, в отличие от радиальных и рядных двигателей, в которых цилиндры расположены 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 штанги остаются параллельными валу, и боковые силы поршня, вызывающие чрезмерный износ, могут быть практически полностью устранены. Малый конец шатуна, один из самых проблемных подшипников в традиционном двигателе, исключается. Хотя осевые двигатели сложно сделать практически применимыми при типичных оборотах двигателя, некоторые кулачковые двигатели были испытаны и предлагают чрезвычайно компактный размер (приблизительно куб со стороной 150 мм), при этом развивая около сорока лошадиных сил при 7000 об/мин, что полезно для легких летательных аппаратов. Привлекательность легких и механически простых двигателей (намного меньше основных движущихся частей, в виде ротора плюс двенадцать осевых лопастей, образующих двадцать четыре камеры сгорания), даже с ограниченным сроком службы, очевидна для небольших беспилотных летательных аппаратов.
Макомбер
В 1911 году компания Macomber Rotary Engine Company из Лос-Анджелеса представила на рынок один из первых осевых двигателей внутреннего сгорания, изготовленный компанией Avis Engine Company из Олстона, штат Массачусетс. Этот четырехтактный, воздушно-охлаждаемый двигатель имел семь цилиндров и переменную степень сжатия, регулируемую изменением угла наклонной пластины и, следовательно, длины хода поршня. Он назывался "роторным двигателем", поскольку вращался целиком, за исключением концевых корпусов. Зажигание осуществлялось с помощью магнито Bosch, приводимого в действие непосредственно от кулачкового вала. Высоковольтный ток подавался на неподвижный электрод на переднем подшипниковом корпусе, откуда искры перескакивали на свечи зажигания в головках цилиндров по мере их прохождения мимо него. Согласно рекламным материалам Macomber, двигатель "гарантированно не перегревался". Утверждалось, что двигатель мог работать в диапазоне от 150 до 1500 об/мин. При нормальной скорости 1000 об/мин он, по сообщениям, развивал мощность 50 л.с. Его вес составлял , а длина была , диаметр – . В мае 1911 года пионер авиации Чарльз Фрэнсис Уолш совершил полет на самолете, оснащенном двигателем Macomber, под названием "Walsh Silver Dart".
Статакс
В 1913 году компания Statax Motor из Цюриха, Швейцария, представила конструкцию двигателя 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 Statax Engine Company, планируя выпустить 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. По всей видимости, был произведен только двигатель мощностью 40 л.с., который был установлен на самолет Caudron G. II для участия в британском воздушном дерби 1914 года, но был снят с соревнований до начала полета. В 1922 году Хансен представил полностью алюминиевую версию этой конструкции, однако неясно, производилась ли она серийно. Значительно улучшенные версии были представлены немецким подразделением Statax в 1929 году, выдавая мощность 42 л.с. в новой версии с рукавными клапанами, известной как 29B. Гринвуд и Реймонд из Сан-Франциско приобрели патентные права для США, Канады и Японии и планировали разработку 5-цилиндрового двигателя мощностью 100 л.с. и 9-цилиндрового двигателя мощностью 350 л.с.
Мишель
В 1917 году Энтони Мишель получил патенты на конструкцию своего двигателя с наклонной шайбой. Его уникальной особенностью являлся способ передачи нагрузки от поршней к наклонной шайбе, достигаемый за счет наклонных упоров, скользящих по масляной пленке. Еще одним новшеством Мишеля стал его математический анализ механической конструкции, включая массу и движение компонентов, благодаря чему его двигатели были идеально сбалансированы динамически на всех оборотах. В 1920 году Мишель основал компанию Crankless Engines Company в Фицрое (Австралия) и изготовил рабочие прототипы насосов, компрессоров, автомобильных и авиационных двигателей, все основанные на единой базовой конструкции. Конструктор двигателей Фил Ирвинг работал в компании Crankless Engine Company до перехода в HRD. Ряд компаний получили лицензию на производство конструкции Мишеля. Наиболее успешной из них оказалась британская компания Waller and Son, выпускавшая газовые усилители. Самым крупным двигателем Мишеля без кривошипно-шатунного механизма был XB 4070 – дизельный авиационный двигатель, построенный для ВМС США. Он состоял из 18 поршней, развивал мощность 2000 лошадиных сил и весил 2150 фунтов.
Джон О. Алмен
Экспериментальные двигатели барачного типа для использования в авиации были построены и испытаны американцем Джоном О. Алменом из Сиэтла, штат Вашингтон, в начале 1920-х годов, а к середине 1920-х годов жидкостно-охлаждаемый двигатель Almen A 4 (18 цилиндров, две группы по девять, расположенные горизонтально оппозитно) успешно прошел приемочные испытания Военно-воздушных сил армии США. Однако, он так и не был запущен в серийное производство, предположительно из-за недостатка финансирования и растущего интереса ВВС к радиальным двигателям воздушного охлаждения. A 4 имел значительно меньшую лобовую площадь, чем жидкостно-охлаждаемые двигатели сопоставимой мощности, что обеспечивало лучшие возможности для аэродинамической оптимизации. Его мощность составляла , а вес – всего , что давало соотношение мощности к весу лучше 1:2 – значительное конструкторское достижение для того времени.
Гераклио Альфаро
Гераклио Альфаро Фурнье был испанским летчиком, удостоенным рыцарского звания в 18 лет королем Испании Альфонсо XIII за проектирование, создание и испытательный полет первого самолета Испании. Он разработал рядный двигатель для авиации, который впоследствии был запущен в производство компанией Indian Motocycle Manufacturing Company под названием Alfaro. Это был яркий пример подхода "включить все возможное", поскольку в его конструкцию входила система рукавных клапанов, основанная на вращающейся головке цилиндра – решение, которое так и не было реализовано ни в одном серийном двигателе. Позже двигатель был доработан Стивеном Дюпоном, сыном президента Indian Motorcycle Company и бывшим студентом Альфаро в Массачусетском технологическом институте, для использования в вертолете Doman.
Бристоль
Бристольский осевой двигатель середины 1930-х годов был разработан Чарльзом Бенджамином Редрупом для Бристольской трамвайной и вагоностроительной компании; это был 7-литровый, 9-цилиндровый двигатель с качающейся тарелкой. Изначально он задумывался как силовой агрегат для автобусов, вероятно, из-за своего компактного исполнения, позволявшего устанавливать его под полом транспортного средства. Двигатель имел один вращающийся клапан для управления впуском и выпуском. В конце 1930-х годов несколько модификаций использовались в автобусах Bristol, двигатель претерпел несколько версий от RR1 до RR4, развивавших мощность 145 л.с. при 2900 об/мин. Разработка была прекращена в 1936 году после смены руководства в компании Bristol.
Шерстяные
Возможно, самым изысканным из представленных проектов был британский двигатель Wooler с качающимися пластинами 1947 года. Этот 6-цилиндровый двигатель был разработан Джоном Вулером, более известным как конструктор мотоциклетных двигателей, для авиационного применения. Он был схож с осевым двигателем Bristol, но имел две качающиеся пластины, приводимые в движение 12 встречно работающими поршнями в 6 цилиндрах. Двигатель часто ошибочно называют двигателем с наклонной пластиной. Единственный сохранившийся экземпляр находится в Галерее самолетов Музея науки в Лондоне.
Х. Л. Ф. Треберт
Некоторые небольшие двигатели цилиндрической формы производились компанией H. L. F. Trebert Engine Works в Рочестере, штат Нью-Йорк, для морского применения.
Дина-камера
Двигатель Dyna Cam изначально был разработан братьями Блейзер, двумя американскими инженерами автомобильной промышленности, работавшими в компании Studebaker в 1916 году. Они продали права Карлу Херрманну, руководителю инженерного отдела Studebaker, который в течение многих лет развивал эту концепцию и в конечном итоге получил патент США № 2237989 в 1941 году. В двигателе 6 двойных поршней, работающих в 6 цилиндрах, и его 12 камер сгорания воспламеняются при каждом обороте коленчатого вала. Поршни приводят в движение кулачок синусоидальной формы, в отличие от кулачковой шайбы или шатающейся пластины, отсюда и название. В 1961 году, в возрасте 80 лет, Херрманн продал права одному из своих сотрудников, Эдварду Палмеру, который вместе со своим сыном Деннисом основал Dyna Cam Engine Corp. Сын Эдварда, Деннис, и дочь Пэт помогли установить двигатель на самолет Piper Arrow. Двигатель эксплуатировался около 700 часов с 1987 по 1991 год. Самый долговечный двигатель проработал почти 4000 часов до капитального ремонта. Около 1993 года Dyna Cam открыла научно-исследовательский центр и получила множество наград от NASA, ВМС США, Корпуса морской пехоты США, Калифорнийской энергетической комиссии, Округа управления качеством воздуха и Лос-Анджелесского регионального технологического альянса за различные модификации двигателя Dyna Cam. Группа Херрманна построила около 40 прототипов двигателей, а группа Dyna Cam – еще 25 после приобретения двигателя и открытия мастерской. Новый патент был выдан Деннису Палмеру и Эдварду Палмеру в 1985 году, а затем еще несколько патентов Деннису Палмеру около 2000 года. В 2003 году активы Dyna Cam Engine Corporation были приобретены Aero Marine Corporation, которая сменила название на Axial Vector Engine Corporation. Axial Vector полностью перепроектировал двигатель с кулачковым механизмом. Новый двигатель Axial Vector, как и многие другие в этом списке, страдает от проблемы "напичкать всем", 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 традиционные клапаны, поршневые кольца, навесное оборудование, не содержал непроверенных керамических материалов и фактически летал на самолете, а также приводил в движение 6-метровую (20 футов) скоростную лодку "Eliminator" более четырех лет.
Ковакс
Компания Covaxe Limited из Соединенного Королевства (ранее известная как FairDiesel Limited до 2017 года) разрабатывает двухтактные дизельные двигатели с оппозитным расположением поршней, использующие кулачки несинусоидальной формы, для промышленных и авиационных целей. Диапазон конструкций двигателей простирается от 2-цилиндровых с диаметром цилиндра 80 мм до 32-цилиндровых с диаметром цилиндра 160 мм.
Дюк Моторс
Новозеландская компания Duke Engines, основанная в 1993 году, разработала несколько различных двигателей и установила один из них в автомобиль в 1999 году. Двигатель использует платформу 5-цилиндрового, 3-литрового, 4-тактного двигателя внутреннего сгорания с уникальной осевой компоновкой, представляющей собой третье поколение. Благодаря безклапанной конструкции, двигатель Duke теряет меньше энергии между рабочими тактами. Современные прототипы двигателей Duke заявляют о сопоставимых характеристиках с традиционными двигателями внутреннего сгорания, но при меньшем количестве деталей и на 30% меньшем весе. Это соответствует направлению разработки более эффективного двигателя. В процессе разработки двигатель Duke проходил испытания в MAHLE Powertrain в Великобритании и в США; результаты показали его способность работать на различных видах топлива. Легкость и компактность двигателя Duke делают эту конструкцию перспективной для мотоциклетных двигателей, а также могут сделать эту силовую установку подходящей для легких самолетов. (Данных о плавности работы двигателя Duke немного; к главному валу прикреплен значительный противовес).
Инженерная
Классическая испанская конструкция, с параллельными поршнями, работающими в противофазе, синусоидальной шайбой, в 2023 году представлена в двух вариантах: полноразмерный, с жидкостным охлаждением, в виде прототипа, и воздушный четырехцилиндровый двигатель объемом 125 куб. см, мощностью 22 л.с. и весом 4,5 кг, предназначенный для дронов и больших авиамоделей, находящийся на стадии предсерийного производства.
Цилиндрический энергетический модуль
Цилиндрический энергетический модуль (CEM) — это двигатель с волновым диском, который также может использоваться как автономный насос, приводимый в действие внешним источником. Вращающаяся роторная группа с волновым диском перемещается вперед и назад с помощью поршневых пальцев, которые следуют по неподвижной синусоидальной камере, охватывающей роторную группу.
Двигатели Devize
Американская компания Devize Motors в настоящее время разрабатывает новый двигатель с оппозитными поршнями.
Приложения
Наиболее известное применение – в торпедах, где предпочтительна цилиндрическая форма. Современная торпеда Mark 48 приводится в действие двигателем с наклонной шайбой мощностью 500 л.с., соединенным с насосно-реактивным движителем. В качестве топлива используется Otto fuel II – однокомпонентное топливо, не требующее подачи кислорода и способное разгонять торпеду до (74,56 миль/ч). Другие области применения включают пневматические и гидравлические двигатели, гидростатические трансмиссии, такие как вариатор Hondamatic CVT от Honda, и насосы для кондиционеров. Также некоторые двигатели Стирлинга используют конструкцию с наклонной шайбой, например, двигатель STM 4 120 от Stirling Thermal Motors.