Противопоршневые двигатели: история и конструкция.

Введение

Двигатель внутреннего сгорания, использующий диски для сжатия топлива в одном цилиндре, – горизонтально оппозитные двигатели. Оппозитный поршневый двигатель – это поршневой двигатель, в котором каждый цилиндр имеет поршень с обоих концов и не имеет головки цилиндра. Бензиновые и дизельные оппозитные поршневые двигатели в основном использовались в крупномасштабных областях применения, таких как корабли, военные танки и промышленные предприятия. Современные производители оппозитных поршневых двигателей включают Cummins, Achates Power и Fairbanks Morse Defense (FMDefense).

1880-е - 1930-е годы

Одним из первых двигателей с противоположно расположенными поршнями был дифференциальный двигатель Аткинсона 1882 года, который совершает рабочий ход на каждом обороте коленчатого вала (по сравнению с каждым вторым оборотом для современного двигателя цикла Отто), но не имел коммерческого успеха. В 1898 году двухтактный двигатель Oechelhäuser с противоположно расположенными поршнями был установлен на металлургическом заводе Hoerde. Эта конструкция двигателя также производилась по лицензии компаниями, включая Deutsche Kraftgas Gesellschaft в Германии и William Beardmore & Sons в Соединенном Королевстве. В 1901 году в Канзас-Сити производились бензиновые двигатели, работающие на газе и бензине. Ранний автомобильный двигатель с противоположно расположенными поршнями был произведен французской компанией Gobron Brillié около 1900 года. В апреле 1904 года автомобиль Gobron Brillié с двигателем с противоположно расположенными поршнями стал первым автомобилем, превысившим скорость 150 км/ч, установив "Мировой рекорд скорости". 17 июля 1904 года автомобиль Gobron Brillié стал первым, кто превысил скорость на пролетном километре. Двигатель использовал один коленчатый вал на одном конце цилиндров и крестовую головку для противоположного поршня. Еще одним ранним автомобильным двигателем с противоположно расположенными поршнями был двигатель шотландского автомобиля Arrol Johnston, который, по всей видимости, впервые был установлен на их 10-сильном бакборде примерно в 1900 году. Двигатель был подробно описан и проиллюстрирован в отчете об их 12-15-сильном автомобиле, представленном на Олимпийском автосалоне 1905 года. Двигатель был четырехтактным, с двумя цилиндрами (с противоположно расположенными поршнями в каждом), с коленчатым валом под ними и поршнями, соединенными рычагами с двумя кривошипами коленчатого вала. Первый дизельный двигатель с противоположно расположенными поршнями был прототипом, построенным на Коломенском локомотивном заводе в России. Его конструктор, Раймонд А. Кореево, запатентовал двигатель во Франции 6 ноября 1907 года и демонстрировал его на международных выставках, но он не был запущен в производство. В конструкции Коломенского завода использовалась типичная схема с двумя коленчатыми валами, соединенными зубчатой передачей. В 1914 году балансированный двухтактный мотоциклетный двигатель Simpson's был еще одним двигателем с противоположно расположенными поршнями, использующим один коленчатый вал под центром цилиндров, с обоими поршнями, соединенными рычагами. Этот двигатель имел конструкцию с компрессией в картере, при которой один поршень использовался для открытия впускного канала, а другой – для открытия выпускного канала. Преимуществом этой конструкции было отсутствие дефлекторных коронок на поршнях, которые использовались в большинстве двухтактных двигателей того времени. Doxford Engine Works в Великобритании строила большие двигатели с противоположно расположенными поршнями для морского применения, при этом первый двигатель Doxford был установлен на судне в 1921 году. Этот дизельный двигатель использовал один коленчатый вал на одном конце цилиндров и крестовую головку для противоположного поршня. После Первой мировой войны эти двигатели производились в нескольких моделях, таких как серии P и J, с мощностью до 1980 года. К более поздним дизельным двигателям с противоположно расположенными поршнями относится авиационный двигатель Junkers Jumo 205 1932 года постройки в Германии, который имел два коленчатых вала и не использовал конструкцию, аналогичную двигателям Gobron Brillié 1900–1922 годов.

One of the first opposed piston engines was the 1882 Atkinson differential engine, which has a power stroke on every rotation of the crankshaft (compared with every second rotation for the contemporary Otto cycle engine), but it was not a commercial success. In 1898, an Oechelhäuser two stroke opposed piston engine producing was installed at the Hoerde ironworks. This design of engine was also produced under licence by manufacturers including Deutsche Kraftgas Gesellschaft in Germany and William Beardmore & Sons in the United Kingdom. In 1901, the Kansas City Lightning Balanced Gas and Gasoline Engines were gasoline engines producing
An early opposed piston car engine was produced by the French company Gobron Brillié around 1900. In April 1904, a Gobron Brillié car powered by the opposed piston engine was the first car ever to exceed 150 km/h with a "World's Record Speed" of On 17 July 1904, the Gobron Brillié car became the first to exceed for the flying kilometre. The engine used a single crankshaft at one end of the cylinders and a crosshead for the opposing piston. Another early opposed piston car engine was in the Scottish Arrol Johnston car, which appears to have been first installed in their 10 hp buckboard c1900. The engine was described and illustrated in some detail in the account of their 12 15 hp car exhibited at the 1905 Olympia Motor Show. The engine was a 4 stroke with two cylinders (with opposed pistons in each) with the crankshaft underneath and the pistons connected by lever arms to the two throw crankshaft. The first diesel engine with opposed pistons was a prototype built at Kolomna Locomotive Works in Russia. The designer, Raymond A. Koreyvo, patented the engine in France on 6 November 1907 and displayed the engine at international exhibitions, but it did not reach production. The Kolomna design used a typical layout of two crankshafts connected by gearing. In 1914, the Simpson's Balanced Two Stroke motorcycle engine was another opposed piston engine using a single crankshaft beneath the centre of the cylinders with both pistons connected by levers. This engine was a crankcase compression design, with one piston used to uncover the transfer port, and the other to open the exhaust port. The advantage of this design was to avoid the deflector crowns for pistons used by most two stroke engines at that time. Doxford Engine Works in the United Kingdom built large opposed piston engines for marine use, with the first Doxford engine being installed in a ship in 1921. This diesel engine used a single crankshaft at one end of the cylinders and a crosshead for the opposing piston. After World War I, these engines were produced in a number of models, such as the P and J series, with outputs as high as Production of Doxford engines in the UK ceased in 1980. Later opposed piston diesel engines include the 1932 Junkers Jumo 205 aircraft engine built in Germany, which had two crankshafts, not using a design similar to the 1900–1922 Gobron Brillié engines.

1940-е годы по настоящее время

Дизельный двигатель Fairbanks Morse 38 8 1/8, первоначально разработанный в Германии в 1930-х годах, использовался на подводных лодках США в 1940-х и 1950-х годах, а также на судах с 1930-х годов по настоящее время. Он также применялся в локомотивах с 1944 года. Последняя (на ноябрь 2021 года) версия Fairbanks Morse 38 8 1/8 известна как FM 38D 8 1/8 Diesel и Dual Fuel. Этот двухтактный двигатель с оппозитным расположением поршней сохраняет конструкцию повышенной прочности и имеет расчетный срок службы более 40 лет, но теперь появилась дополнительная возможность сжигания двух видов топлива (газообразного и жидкого) с автоматическим переключением на дизельное топливо при истощении запасов газа. Трехцилиндровые дизельные двигатели Commer TS3, выпущенные в 1954 году, имеют один коленчатый вал под центром цилиндров, к которому при помощи рычагов подключены оба поршня. Также в 1954 году был представлен двигатель Napier Deltic для военных судов. Он использует три коленчатых вала, по одному в каждом углу, для формирования трех рядов цилиндров с двойными поршнями, расположенных в форме равностороннего треугольника. Двигатель Deltic использовался в локомотивах British Rail Class 55 и British Rail Class 23, а также для привода быстроходных патрульных катеров и тральщиков Королевского флота. Начиная с 1962 года, Гиббс пригласил Mack Trucks принять участие в проектировании супернасоса FDNY и сопутствующего тендера. Компания DeLaval Turbine получила заказ на разработку многоступенчатого центробежного насоса с дизельным двигателем Napier Deltic T18 37C для привода насосов. В 1959 году был представлен шестицилиндровый дизельный двигатель Leyland L60. L60 производился в Великобритании для использования в танке Chieftain. Volvo подала заявку на патент в 2017 году. Diesel Air Dair 100 – двухцилиндровый дизельный авиационный двигатель, разработанный и производимый компанией Diesel Air Ltd из Олни, графство Бэкингемшир, для использования в дирижаблях, самодельных самолетах и легких самолетах. В июле 2021 года компания Cummins получила контракт на 87 миллионов долларов от армии США на завершение разработки Advanced Combat Engine (ACE) – модульного и масштабируемого дизельного двигателя, использующего технологию оппозитного расположения поршней.

The Fairbanks Morse 38 8 1/8 diesel engine, originally designed in Germany in the 1930s, was used in U. S. submarines in the 1940s and 1950s, and in boats from the 1930s present. It was also used in locomotives from 1944. The latest (November 2021) version of the Fairbanks Morse 38 8 1/8 is known as the FM 38D 8 1/8 Diesel and Dual Fuel. This two stroke opposed piston engine retains the same extra heavy duty design and has a rated in service lifespan of more than 40 years, but now the optional capability of burning dual fuels (gaseous and liquid fuels, with automatic switchover to full diesel if the gas supply runs out) is available. The Commer TS3 three cylinder diesel truck engines, released in 1954, have a single crankshaft beneath the centre of the cylinders with both pistons connected by levers. Also released in 1954 was the Napier Deltic engine for military boats. It uses three crankshafts, one at each corner, to form the three banks of double ended cylinders arranged in an equilateral triangle. The Deltic engine was used in British Rail Class 55 and British Rail Class 23 locomotives and to power fast patrol boats and Royal Navy mine sweepers. Beginning in 1962, Gibbs invited Mack Trucks to take part in designing FDNY’s super pumper and its companion tender. DeLaval Turbine was commissioned to design a multistage centrifugal pump with a Napier Deltic T18 37C diesel to power the pumps. In 1959, the Leyland L60 six cylinder diesel engine was introduced. The L60 was produced in the United Kingdom for use in the Chieftain tank. Volvo filed for a patent in 2017. The Diesel Air Dair 100 is a two cylinder diesel aircraft engine, designed and produced by Diesel Air Ltd of Olney, Buckinghamshire for use in airships, home built kitplanes, and light aircraft. In July 2021, Cummins was awarded an $87M contract by the United States Army to complete the development of the Advanced Combat Engine (ACE), a modular and scalable diesel engine solution that uses opposed piston technology.

Мотор с свободными поршнями

Вариантом конструкции с противоположно расположенными поршнями является свободнопоршневой двигатель, впервые запатентованный в 1934 году. Свободнопоршневые двигатели не имеют коленчатого вала, а возврат поршней после каждого рабочего хода осуществляется за счет сжатия и расширения воздуха в отдельном цилиндре. Первоначально они применялись в качестве воздушных компрессоров или газогенераторов для газовых турбин.