Аксиальный двигатель внутреннего сгорания патенты. Аксиальный двигатель внутреннего сгорания Г.Л.Ф

Проект аксиального двигателя внутреннего сгорания конструкции Г.И. Смоллбоуна никого не заинтересовал и остался в виде набора чертежей. Тем не менее, идея не пропала. Вскоре появились аналогичные проекты, оказавшиеся более успешными. В конце первого десятилетия прошлого века тематикой аксиальных двигателей занялся американский инженер У.Г. Макомбер. Благодаря удачной конструкции и рвению своего создателя новый аксиальный двигатель даже дошел до серийного производства и использования на практике.

Уолтер Гленн Макомбер с детства проявлял интерес к инженерному делу. К примеру, в 14 лет он из подручных материалов собрал простейший паровой двигатель, который, однако, развивал достаточно высокую для самоделки мощность. В дальнейшем Макомбер предложил несколько других изобретений, пригодных для использования в различных сферах. В конце первого десятилетия XX века изобретатель занялся созданием аксиального двигателя внутреннего сгорания. Макомбер видел ситуацию в области двигателестроения и, по-видимому, желал принять участие в развитии конструкций моторов.

Общая схема двигателя Макомбера

В 1909 году У.Г. Макомбер подготовил комплект чертежей и собрался патентовать свое изобретение. Кроме того, он основал собственную фирму, которая в дальнейшем должна была заниматься производством новых двигателей. Мастерские компании Macomber Rotary Engine Company расположились в Лос-Анджелесе. Планировалось освоить сборку новых моторов, и, в перспективе, заключить контракты на их поставку таких изделий производителям автомобильной или авиационной техники.

По некоторым данным, первая заявка на патент была подана Макомбером в 1909 году. Тем не менее, в большинстве материалов по этой теме фигурируют более поздние документы. К примеру, одна из заявок была подана в апреле 1911 года и привела к получению патента в октябре 1912-го. Кроме того, усовершенствованный вариант аксиального двигателя был запатентован в 1916 году. Таким образом, У.Г. Макомбер заботился о своих изобретениях, постоянно подавая заявки на патентование усовершенствованных версий нового двигателя.

Несмотря на добавление или изменение различных деталей, аксиальные двигатели Макомбера в целом имели схожую архитектуру. Дорабатывались различные узлы, но компоновка, количество цилиндров, способ управления мощностью и т.д. оставались одинаковыми. Изобретатель предложил использовать блок из семи цилиндров с воздушным охлаждением. Двигатель был построен по аксиальной схеме с вращающимся блоком цилиндров. Макомбер посчитал, что такая система позволит улучшить охлаждение цилиндров за счет постоянного обдува без использования дополнительных вентиляторов.

Чертежи из патента 1912 г. Изображения Theoldmotor.com

Конструкция аксиального двигателя Макомбера условно разделялась на две основные части: картер с шайбовым механизмом и блок цилиндров. Кроме того, в составе двигателя присутствовали некоторые другие агрегаты, закрепленные на основных узлах. За счет ряда оригинальных предложений автору проекта удалось значительно уменьшить размеры двигателя в сравнении с иными моторами того времени.

Аксиальный двигатель Макомбера оснащался семью цилиндрами, расположенными в одном блоке, параллельно с валом. Для лучшего охлаждения на внешней поверхности цилиндров предусматривалось оребрение. Такие «радиаторы» и постоянное вращение блока цилиндров, как ожидалось, должны были обеспечивать приемлемое охлаждение. Внутри цилиндров помещались поршни с шарнирно закрепленными шатунами. Применение шарниров было связано с оригинальной системой регулировки мощности двигателя путем изменения полного и рабочего объема цилиндра, а также степени сжатия.

Система впуска и выхлопа размещалась на головной части цилиндра. Для упрощения их конструкции Макомбер предложил использовать для подачи бензовоздушной смеси полый вал двигателя. Цилиндры соединялись с валом при помощи трубок, по которым происходила раздача смеси. Выхлоп производился через патрубки в окружающее пространство. На ранней версии двигателя общий выхлопной коллектор не предусматривался.

Попеременное открытие впускного и выхлопного клапана должно было осуществляться за счет специального механизма. Подпружиненные клапаны крепились в верхней части цилиндра, над ними имелось качающееся коромысло. На валу предусматривался кулачок сложной формы, который во время вращения должен был поднимать или опускать ближайший конец коромысла клапанов. При нажатии на коромысло утапливался впускной клапан, при подъеме – выхлопной.

При помощи шатунов поршни цилиндров были связаны с шайбовым механизмом. Основной деталью последнего была планшайба сложной формы. На шарнире, расположенном на продольной оси двигателя, крепилось опорное кольцо с подшипником для маховика с креплениями для шатунов. Во время работы двигателя шатуны должны были проворачивать и качать маховик. За счет жесткого закрепления некоторых деталей вращался не только маховик, но и блок цилиндров.

Возвратно-поступательное движение поршней преобразовывалось во вращение главного вала в соответствии с принципом работы механизма «планшайба-стержни». При этом, однако, с валом был жестко связан не качающийся маховик, а блок цилиндров. Таким образом, роль планшайбы в двигателе Макомбера фактически играли цилиндры. Тем не менее, как показала практика, подобная архитектура двигателя не оказывала серьезного влияния на его характеристики.

Большой интерес представляет система регулировки мощности и других параметров двигателя. Предполагалось, что новый мотор сможет работать в определенном диапазоне оборотов, мощности и крутящего момента. Для этого в его конструкцию был введен механизм изменения объема цилиндра. Примечательно, что на чертежах в патенте 1916 года подобные детали отсутствуют. Вероятно, было решено отказаться от специальных механизмов ввиду появления более совершенных коробок передач.

На главной раме двигателя или мотораме автомобиля/самолета предлагалось жестко крепить только картер шайбового механизма и систему изменения объема цилиндров. Блок цилиндров при этом связывался с последней. При необходимости водитель или пилот должен был сдвигать специальный рычаг. При этом две зубчатые передачи (в некоторых вариантах проекта – одна) должны были сводить друг к другу или разводить в стороны блок цилиндров и маховик шайбового механизма. За счет этого можно было изменить рабочий объем цилиндра, степень сжатия смеси и другие параметры. При разведении цилиндров и маховика в стороны мощность двигателя падала, при сведении – росла.

Аэроплан Ч. Уолша в полете, май 1911 г. Фото Cynthiashidesertblog.blogspot.ru

По чертежам, подававшимся вместе с заявкой на патент, был выполнен аксиальный двигатель Macomber Model A. Этот мотор предлагался для использования на автомобилях и самолетах. Следует отметить, что предложенный двигатель был интересен в первую очередь именно как силовая установка для летательных аппаратов. Он имел сравнительно малый вес и небольшие габариты при достаточно высокой мощности. При определенных обстоятельствах двигатель Макомбера вполне мог стать реальной альтернативой звездообразным ротативным двигателям того времени.

В рекламном буклете двигателя Model A сообщалось, что он развивает мощность до 50-60 л.с. при 800-1400 оборотах в минуту. Семь цилиндров двигателя имели внутренний диаметр 4,25 дюйма. Максимальный ход поршней составлял 4,25 дюйма. При необходимости последний мог изменяться. Отмечались крайняя простота клапанного механизма цилиндров, отсутствие движущихся деталей в системе подачи смазки и другие особенности конструкции. Также в качестве преимущества представлялись малые габариты и вес. Максимальный диаметр двигателя составлял 19 дюймов (48,25 см), длина – 34 дюйма (86,36 см), а масса с дополнительным оборудованием не превышала 250 фунтов (113,4 кг). Для установки воздушного винта имелся вал длиной 6 дюймов (15,24 см).

Фирма Macomber Rotary Engine Company планировала собирать новые двигатели под заказ. Цена одного комплекта составляла 2 тыс. долларов. При заказе моторов покупателю следовало внести четверть стоимости контракта. Остальная сумма передавалась производителю после сдачи заказа.

Объемы производства двигателей Model A неизвестны. По разным данным, было собрано не более нескольких десятков таких изделий. Известно, что, как минимум, один подобный двигатель использовался в авиации. В мае 1911 года американский пионер авиации Чарльз Уолш поднял в воздух очередной свой самолет, оснащенный двигателем Макомбера. Иные случаи использования подобных моторов на практике неизвестны.

В 1914 году У.Г. Макомбер занялся продвижением двигателя своей конструкции в автомобильной сфере. Уже в 1915-м появился первый автомобиль с аксиальным двигателем. Опытный образец имел классическую для машин того времени компоновку со сравнительно длинным моторным отсеком и сиденьями, расположенными над задней осью. При этом особая конструкция двигателя позволила заметно сократить размеры капота и придать ему характерную форму.

Первый автомобиль с двигателем Макомбера, 1915 г. Фото Cynthiashidesertblog.blogspot.ru

В дальнейшем Компания Macomber Rotary Engine разработала и предложила потенциальным покупателям несколько вариантов автомобиля с аксиальным двигателем. Дальнейшее совершенствование конструкции мотора позволило повысить характеристики без заметного роста габаритов. Более того, удалось даже сократить размеры двигателя. Так, в 1916 году был предложен автомобиль с нехарактерно небольшим моторным отсеком. При сохранении традиционных для того времени обводов капот вмещал двигатель необходимой мощности.

Автомобиль Eagle-Macomber, 1916 г. Фото Theoldmotors.com

На автомобиле с уменьшенным капотом использовался новый вариант двигателя с пятью цилиндрами. Патент на такую версию мотора был получен в ноябре 1916 года. Автомобильный вариант двигателя имел пять цилиндров, расположенных вокруг центрального главного вала. Общее строение и принцип работы остались прежними, однако были доработаны некоторые отдельные элементы. К примеру, маховик закрепили на опорном кольце, теперь жестко соединенном с картером механизма. Также были изменены некоторые другие узлы.

Пятицилиндровый двигатель Макомбера

Пятицилиндровый аксиальный двигатель получил новый кожух-корпус. Все агрегаты помещались в корпус, состоявший из нескольких цилиндрических поверхностей разного диаметра. Кроме того, со стороны блока цилиндров на корпусе имелся раструб воздухозаборника. Во время работы через него должен был поступать воздух, используемый для охлаждения цилиндров. К выхлопным патрубкам цилиндров добавили трубки, расположенные параллельно продольной оси двигателя. По этим трубкам газы должны были поступать в специальный коллектор, расположенный вокруг шайбового механизма. Нагретый цилиндрами воздух и выхлопные газы в итоге попадали в изогнутый канал и выбрасывались через специальный патрубок.

Чертежи из патента 1916 г. Изображения Theoldmotor.com

Автомобили с аксиальными двигателями выпускались под маркой Eagle-Macomber. В силу разных причин они не пользовались большой популярностью и производились исключительно под заказ. По имеющимся данным, в общей сложности было построено не более полусотни машин «Игл-Макомбер», вскоре переданных заказчикам. Количество выпущенных моторов вряд ли сильно отличается от числа автомобилей.

Фирма Macomber Rotary Engine Company работала до 1918 года. Из-за низкого спроса на свою продукцию, как на автомобили, так и на двигатели, она была вынуждена свернуть производство. К этому времени массовые попытки разработать новый тип двигателя почти полностью прекратились. В автомобильной сфере свое место прочно заняли рядные двигатели, а в авиации закрепились звездообразные. В дальнейшем в двигателестроении наблюдались разные тенденции, но аксиальные двигатели так и не смогли получить широкого распространения. Не видя перспектив, У.Г. Макомбер оставил это направление и занялся более перспективными проектами.

По материалам сайтов:
http://douglas-self.com/
http://theoldmotor.com/
http://cynthiashidesertblog.blogspot.ru/
http://american-automobiles.com/
http://freepages.genealogy.rootsweb.ancestry.com/

Аксиальный ДВС Duke Engine

Мы привыкли к классическому дизайну двигателей внутреннего сгорания, который, по сути, существует уже целый век. Быстрое сгорание горючей смеси внутри цилиндра приводит к увеличению давления, которое толкает поршень. Тот, в свою очередь, через шатун и кривошип крутит вал.

Классический ДВС

Если мы хотим сделать двигатель помощнее, в первую очередь нужно увеличивать объём камеры сгорания. Увеличивая диаметр, мы увеличиваем вес поршней, что отрицательно сказывается на результате. Увеличивая длину, мы удлиняем и шатун, и увеличиваем весь двигатель в целом. Или же можно добавить цилиндров — что, естественно, также увеличивает результирующий объём двигателя.

С такими проблемами столкнулись инженеры ДВС для первых самолётов. Они, в конце концов, пришли к красивой схеме «звездообразного» двигателя, где поршни и цилиндры расположены по кругу относительно вала через равные углы. Такая система хорошо охлаждается потоком воздуха, но очень уж она габаритная. Поэтому поиски решений продолжались.

В 1911 году Macomber Rotary Engine Company из Лос-Анджелеса представила первый из аксиальных (осевых) ДВС . Их ещё называют «бочковыми», двигателями с качающейся (или косой) шайбой. Оригинальная схема позволяет разместить поршни и цилиндры вокруг основного вала и параллельно ему. Вращение вала происходит за счёт качающейся шайбы, на которую поочерёдно давят шатуны поршней.

У двигателя Макомбера было 7 цилиндров. Изготовитель утверждал, что двигатель был способен работать на скоростях от 150 до 1500 об/мин. При этом на 1000 об/мин он выдавал 50 л.с. Будучи изготовлен из доступных в то время материалов, он весил 100 кг и имел размеры 710×480 мм. Такой двигатель был установлен в самолёт авиатора-первопроходца Чарльза Фрэнсиса Уолша «Серебряный дротик Уолша».

Гениальный и слегка безумный инженер, изобретатель, конструктор и бизнесмен Джон Захария Делореан мечтал построить новую автомобильную империю в пику существующим, и сделать совершенно уникальный «автомобиль мечты». Все мы знаем машину DMC-12, которую называют просто DeLorean. Она не только стала звездой экрана в фильме «Назад в будущее», но и отличалась уникальными решениями во всём — начиная от алюминиевого кузова на плексигласовом каркасе и заканчивая дверями «крылья чайки». К сожалению, на фоне экономического кризиса производство машины не оправдало себя. А затем Делореан долго судился по подложному делу о наркотиках.

Но мало кто знает, что Делореан хотел дополнить уникальный внешний вид машины ещё и уникальным мотором — среди найденных после его смерти чертежей были и чертежи аксиального ДВС. Судя по его письмам, он задумал такой двигатель ещё в 1954 году, а всерьёз принялся за разработку в 1979-м. В двигателе Делореана было три поршня, и они располагались равносторонним треугольником вокруг вала. Но каждый поршень был двусторонним — каждый из концов поршня должен был работать в своём цилиндре.

Чертёж из тетради Делореана

По каким-то причинам рождение двигателя не состоялось — возможно, потому, что разработка автомобиля с нуля вышло достаточно сложным предприятием. На DMC-12 устанавливали 2,8-литровый двигатель V6 совместной разработки Peugeot, Renault и Volvo мощностью 130 л. с. Пытливый читатель может изучить сканы чертежей и заметок Делореана на этой странице .

Экзотический вариант аксиального двигателя - «двигатель Требента»

Тем не менее, такие двигатели не получили широкого распространения — в большой авиации постепенно состоялся переход на турбореактивные двигатели, а в автомобилях по сию пору используется схема, в которой вал перпендикулярен цилиндрам. Интересно только, почему такая схема не прижилась в мотоциклах, где компактность пришлась бы как раз кстати. По-видимому, они не смогли предложить какой-либо существенной выгоды по сравнению с привычным нам дизайном. Сейчас такие двигатели существуют, но устанавливаются в основном в торпедах — благодаря тому, как хорошо они вписываются в цилиндр.

Вариант под названием "Цилиндрический энергетический модуль " с двусторонними поршнями. Перпендикулярные штоки в поршнях описывают синусоиду, двигаясь по волнистой поверхности

Главная отличительная черта аксиального ДВС — компактность. Кроме того, в его возможности входит изменение степени сжатия (объёма камеры сгорания) просто путём изменения угла наклона шайбы. Шайба качается на валу благодаря сферическому подшипнику.

Однако новозеландская компания Duke Engines в 2013 году представила свой современный вариант аксиального ДВС. В их агрегате пять цилиндров, но всего лишь три форсунки для впрыска топлива и — ни одного клапана. Также интересной особенностью двигателя является тот факт, что вал и шайба вращаются в противоположных направлениях.

Внутри двигателя вращаются не только шайба и вал, но и набор цилиндров с поршнями. Благодаря этому удалось избавиться от системы клапанов — движущийся цилиндр в момент зажигания просто проходит мимо отверстия, куда впрыскивается топливо и где стоит свеча зажигания. На стадии выпуска цилиндр проходит мимо выпускного отверстия для газов.

Благодаря такой системе количество необходимых свечей и форсунок получается меньшим, чем количество цилиндров. А на один оборот приходится в сумме столько же рабочих ходов поршня, как у 6-цилиндрового двигателя обычного дизайна. При этом вес аксиального двигателя на 30% меньше.

Кроме того, инженеры из Duke Engines утверждают, что и степень сжатия их двигателя превосходит обычные аналоги и составляет 15:1 для 91-го бензина (у стандартных автомобильных ДВС этот показатель равен обычно 11:1). Все эти показатели могут привести к уменьшению расхода топлива, и, как следствие — к уменьшению вредного воздействия на окружающую среду (ну или к увеличению мощности двигателя — в зависимости от ваших целей).

Сейчас компания доводит двигатели до коммерческого применения. В наш век отработанных технологий, диверсификации, экономии на масштабе и т.п. сложно представить, как можно серьёзно повлиять на индустрию. В Duke Engines, по-видимому, это тоже представляют, поэтому намереваются предлагать свои двигатели для моторных лодок, генераторов и малой авиации.

Демострация малых вибраций двигателя Duke

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, а именно к роторным двигателям. Техническая задача, решаемая изобретением: повышение надежности работы конструкции, в частности снижение износа уплотнений лопаток. Двигатель включает крышки, между которыми установлен на оси ротор, в направляющих прорезях которого установлены лопатки. Лопатка имеет форму уплощенного цилиндра, а на ее боковой поверхности выполнены два тангенциальных паза, расположенные диаметрально противоположно. Крышки со стороны, обращенной к ротору, имеют кольцевые выемки, образующие кольцевой канал для прохождения рабочего тела, разделенный ротором. Кольцевой канал имеет в сечении, проходящем через ось, форму окружности с диаметром, соответствующим диаметру лопатки. Канал волнообразно изгибается по синусоиде симметрично относительно среднего сечения ротора, перпендикулярного оси. В крышках имеются окна для впуска воздуха и выпуска отработанных газов. В теле каждой крышки имеются соединенные с каналом камеры, в которых размещены топливные форсунки, а при необходимости калоризаторы. Уплотнительные кольца свободно установлены в пазах лопаток, выполненных на боковой поверхности их дисковых участков. 4 ил.

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, а именно к роторным двигателям. Известен роторно-поршневой двигатель Ванкеля [А.Ф.Крайнев. Словарь-справочник по механизмам. - М.: Машиностроение, 1987 г., стр. 40]. В двигателе трехгранный ротор размещен внутри цилиндрического корпуса, профиль которого выполнен по эпитрохоиде. Ротор установлен так, что он может вращаться на эксцентриковом валу и жестко соединен с зубчатым колесом, которое взаимодействует с неподвижным зубчатым колесом. Ротор с зубчатым колесом обкатывается по неподвижному колесу так, что его грани скользят по внутренней поверхности корпуса, отсекая переменные объемы камер внутреннего канала. При этом канал для прохождения рабочего тела образован между внутренней поверхностью корпуса и поверхностью ротора. Корпус снабжен окнами для подачи топливной смеси и выхода отработавших газов, а также соединенной с каналом камерой с установленной в ней свечой зажигания. Двигатель не имеет массивных деталей, совершающих возвратно-поступательное движение, благодаря чему повышается плавность хода, уменьшается уровень шума и вибрации при работе. Однако конструкция имеет недостатки, связанные с наличием зубчатых колес и эксцентрикового вала, что снижает надежность его работы. В качестве прототипа выбран роторный аксиальный двигатель [Заявка PCT 94/04794, МКИ F 01 C 1/344, опубл. 03.03.94]. Двигатель имеет корпус, внутри которого на оси вращения закреплен дисковый ротор с установленными в его прорезях лопатками. Корпус из двух соединенных между собой массивных крышек. В кольцевой выемке каждой крышки со стороны ротора установлена съемная вставка, формирующая конфигурацию канала для прохождения рабочего тела. Таким образом, можно считать, что каждя крышка выполнена составной. Это прием использован в прототипе для повышения технологичности изготовления массивной крышки с каналом заданной конфигурации, которая диктуется формой лопатки и законом ее осевого возвратно-поступательного перемещения. В прототипе используются лопатки в форме прямоугольных пластин, короткие стороны которых, обращенные к крышкам, имеют радиусное закругление. Соответствующую форму в поперечном сечении имеет кольцевой канал для прохождения рабочего тела, который разделен диском ротора на две равные по объему части. В направлении вдоль оси ротора канал волнообразно изгибается по периодическому закону, симметрично относительно среднего сечения ротора, перпендикулярного оси ротора. Волна в развертке на плоскости имеет форму трапеции. Крышки снабжены окнами для подачи воздуха и выхода отработавших газов, а также камерой, соединенной с каналом, в которой установлена топливная форсунка. Прототип, в отличие от приведенного выше аналога, имеет аксиальное расположение дискового ротора и полностью уравновешен, а потому более надежен в эксплуатации. Однако при работе двигателя лопатки испытывают значительные пиковые нагрузки, вследствие ступенчатых изгибов канала. Кроме того, сложная система неподвижных уплотнений на лопатке приводит к их неравномерному износу в процессе работы. Уплотнения, находящиеся на закруглениях лопатки изнашиваются существенно быстрее, чем на прямых поверхностях, что приводит к потере герметичности рабочих камер, а следовательно, к падению мощности или даже к поломке двигателя. В основу изобретения поставлена задача повышения надежности работы конструкции. Поставленная задача решается тем, что в роторном аксиальном двигателе, включающем корпус, состоящий из соединенных между собой двух крышек, между которыми установлен закрепленный на оси ротор, на периферийной части которого имеются направляющие прорези, ориентированные в радиальных плоскостях вдоль оси ротора, в которых установлены лопатки с обеспечением возможности их возвратно-поступательного движения в направлении, параллельном оси ротора, на внутренней поверхности каждой крышки выполнена кольцевая выемка такой конфигурации, что при соединении крышек образуется кольцевой канал для прохождения рабочего тела, канал имеет в сечении, проходящем через ось ротора форму по форме лопатки и волнообразно изгибается по периодическому закону, симметрично относительно среднего сечения ротора, перпендикулярного его оси, при этом лопатки снабжены уплотнительными элементами, периферийная часть ротора с установленными лопатками размещена внутри кольцевого канала, а каждая крышка снабжена окнами для подачи воздуха в кольцевой канал и выхода отработавших газов, а также камерой, соединенной с кольцевым каналом, в которой установлена топливная форсунка, согласно изобретению каждая лопатка имеет форму уплощенного цилиндра, на боковой поверхности которого имеются два тангенциальных паза, расположенных диаметрально противоположно, выполненных с обеспечением возможности размещения лопатки в направляющей прорези ротора, уплотнительные элементы установлены на боковой поверхности дисковых частей лопатки с обеспечением возможности их свободного перемещения по периметру дисковых частей лопатки, канал волнообразно изгибается по синусоиде. Изобретение иллюстрируется фигурами чертежей:

Фиг.1 - изометрия общего вида двигателя,

Фиг.2 - изометрия лопатки с уплотнительными элементами,

Фиг.3 - сечение А-А на фиг. 1 (по разъему крышки и ротора),

Фиг.4 - диаграмма рабочего процесса двигателя (развертка на плоскости кольцевого сечения по средней линии канала). Двигатель включает верхнюю крышку 1 и нижнюю крышку 2, соединенные болтами 3 через проставку 4. Ротор 5 закреплен на оси 6 с обеспечением возможности вращения на подшипниках 7. В направляющих прорезях ротора 5 на его периферийной части свободно установлены лопатки 8, имеющие форму уплощенного цилиндра. Крышки 1, 2 со стороны, обращенной к ротору 5, имеют кольцевые выемки 9, которые выполнены таким образом, что при сборе крышек в единую конструкцию образуется кольцевой канал 10 для прохождения рабочего тела, разделенный ротором 5. Кольцевой канал 10 имеет в сечении, проходящем через ось 6 форму окружности с диаметром, соответствующим диаметру лопатки. Кольцевой канал 10 волнообразно изгибается по синусоиде 11 симметрично относительно среднего сечения ротора 5, перпендикулярного оси 6. В крышках 1, 2 имеются окна 12 для впуска воздуха и окна 13 для выпуска отработанных газов. В теле каждой крышки имеются соединенные с каналом 10 камеры 14, в которых размещены топливные форсунки 15, а при необходимости калоризаторы (на фигурах не показаны). Лопатка 8 имеет на боковой поверхности два тангенциальных паза 16, расположенные диаметрально противоположно. Уплотнительные элементы - кольца 17 - могут быть свободно установлены в пазах, выполненных на боковой поверхности дисковых участков лопаток 8. Канал 10 делится ротором на две части, каждую из которых условно можно разделить на зоны: 18 - зона впуска воздуха, 19 - зона сжатия, 20 - зона рабочего хода, 21 - зона выпуска отработанных газов. При этом каждая рабочая зона верхней части канала сдвинута по отношению к аналогичной рабочей зоне нижней части канала на определенный угол. В случае, если "синусоида" канала имеет 2 периода, как показано на фиг. 4, то угол сдвига составляет 90 o . В двигателях с большей мощностью, а следовательно с большим диаметром ротора, целесообразно увеличивать количество периодов изгибов канала. В таком случае угол сдвига будет составлять меньшую величину. Двигатель работает следующим образом. В начальный момент пусковой механизм приводит во вращение ротор 5, и лопатки 8 начинают перемещаться по каналу 10. При этом в объем между соседними лопатками 8, находящимися в зоне 18 всасывается или нагнетается воздух через окно 12. Затем после прохождения окна обеими лопатками объем между ними уменьшается и происходит сжатие воздуха (зона 19). В зоне 20 рабочего хода из камеры 14 через форсунку 15 в сжатый воздух подается топливо, которое самовоспламеняется при высокой степени сжатия, либо поджигается при помощи калоризатора. Давление расширяющихся газов воздействует на лопатки 8 и вращают ротор 5. Отработанные газы выходят через окна 13 в зоне 21. В дальнейшем горение поддерживается непрерывной подачей топлива через форсунку 15. При работе двигателя лопатки 8 совершают сложное движение: возвратно-поступательное в прорезях ротора 5 и поступательное движение в кольцевом канале 10. Уплотнение рабочих камер между лопатками осуществляется кольцами 17. Ввиду того, что кольца установлены в пазах на лопатках свободно, они при движении лопаток проскальзывают по пазу, постоянно меняя свое положение, и следовательно, изнашиваются равномерно. Синусоидальная форма канала 10 обеспечивает плавность хода лопаток, что снижает их износ по сравнению с прототипом и повышает надежность работы. Заявляемый двигатель может работать по описанному циклу на любом жидком углеводородном топливе без изменения конструкции. В особых случаях, когда для достижения большой мощности двигателя диаметр лопатки существенно увеличивают, он может приближаться к критической величине. Чтобы этого избежать в крышках выполняют несколько концентрических каналов, а в роторе - несколько концентрических рядов прорезей с соответственным количеством установленных в них лопаток меньшего диаметра. Изобретение найдет промышленное применение в автомобилестроении, в авиастроении и может быть использовано в переносных энергоустановках.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Мы привыкли к классическому дизайну двигателей внутреннего сгорания, который, по сути, существует уже целый век. Быстрое сгорание горючей смеси внутри цилиндра приводит к увеличению давления, которое толкает поршень. Тот, в свою очередь, через шатун и кривошип крутит вал.

Классический ДВС

Если мы хотим сделать двигатель помощнее, в первую очередь нужно увеличивать объём камеры сгорания. Увеличивая диаметр, мы увеличиваем вес поршней, что отрицательно сказывается на результате. Увеличивая длину, мы удлиняем и шатун, и увеличиваем весь двигатель в целом. Или же можно добавить цилиндров - что, естественно, также увеличивает результирующий объём двигателя.

С такими проблемами столкнулись инженеры ДВС для первых самолётов. Они, в конце концов, пришли к красивой схеме «звездообразного» двигателя, где поршни и цилиндры расположены по кругу относительно вала через равные углы. Такая система хорошо охлаждается потоком воздуха, но очень уж она габаритная. Поэтому поиски решений продолжались.

В 1911 году Macomber Rotary Engine Company из Лос-Анджелеса представила первый из аксиальных (осевых) ДВС . Их ещё называют «бочковыми», двигателями с качающейся (или косой) шайбой. Оригинальная схема позволяет разместить поршни и цилиндры вокруг основного вала и параллельно ему. Вращение вала происходит за счёт качающейся шайбы, на которую поочерёдно давят шатуны поршней.
У двигателя Макомбера было 7 цилиндров. Изготовитель утверждал, что двигатель был способен работать на скоростях от 150 до 1500 об/мин. При этом на 1000 об/мин он выдавал 50 л.с. Будучи изготовлен из доступных в то время материалов, он весил 100 кг и имел размеры 710×480 мм. Такой двигатель был установлен в самолёт авиатора-первопроходца Чарльза Фрэнсиса Уолша «Серебряный дротик Уолша».

Не остались в стороне и советские инженеры . В 1916-м году появился двигатель конструкции А. А. Микулина и Б. С. Стечкина, а в 1924 г - двигатель Старостина. Об этих двигателях знают, пожалуй, только любители истории авиации. Известно, что детальные испытания, проведенные в 1924 г, выявили повышенные потери на трение и большие нагрузки на отдельные элементы таких двигателей.

В начале десятых годов прошлого века возникла новая тенденция в двигателестроении. Инженеры нескольких стран занялись созданием т.н. аксиальных двигателей внутреннего сгорания. Компоновка мотора с параллельным размещением цилиндров и главного вала позволяла уменьшить габариты конструкции с сохранением приемлемой мощности. Ввиду отсутствия устоявшихся альтернатив силовые установки этого класса представляли большой интерес и регулярно становились предметами новых патентов.

В 1911 году к работам по тематике аксиальных двигателей подключился американский конструктор Генри Л.Ф. Треберт. Работая в собственной мастерской в Рочестере (штат Нью-Йорк), он разработал свой вариант перспективного двигателя, который, в первую очередь, предназначался для самолетов. Предполагаемая сфера применения сказалась на основных требованиях к конструкции. Новый двигатель должен был иметь минимально возможные габариты и вес. Анализ перспектив различных идей и решений привел к уже известным выводам: одно из самых лучших соотношений размеров, веса и мощности дает аксиальная компоновка.

Общий вид двигателя

Проект Треберта был готов к осени 1911 года. В октябре инженер подал заявку в патентное бюро, но ее одобрения пришлось ждать несколько лет. Патент был выдан только в ноябре 1917 года – через шесть лет после подачи документов. Тем не менее, конструктор получил все необходимые документы, которые, в частности, позволили ему остаться в как создателю интересного проекта.

Г.Л.Ф. Треберт решил строить новый авиационный двигатель по аксиальной схеме с воздушным охлаждением цилиндров. С целью улучшения охлаждения, подобно другим разработкам того времени, новый мотор планировалось делать ротативным с поворачивающимся блоков цилиндров. Кроме того, автор проекта предложил использовать новый механизм преобразования движения цилиндров во вращение вала. Предыдущие аксиальные двигатели для этого использовали шайбовый механизм. В проекте Треберта для этих целей предлагалось использовать коническую зубчатую передачу.

Основной деталью двигателя Треберта был цилиндрический картер, состоящий из крупной «банки» и крышки с болтовым соединением. Внутри картера размещался основной механизм. Поскольку двигатель был ротативным, на донной части картера предусматривались жесткие крепления для вала, на котором должен был устанавливаться воздушный винт. Кроме того, внутри картера предусматривались подшипники для главного вала, который предлагалось жестко закреплять на мотораме самолета.

В крышке предусматривались отверстия для установки литых цилиндров. Известно о существовании двух вариантов двигателя Треберта. В первом применялись четыре цилиндра, во втором – шесть. Патент 1917 года был выдан на шестицилиндровый двигатель. Следует отметить, количество цилиндров не сказывалось на общей компоновке двигателя и влияло только на размещение конкретных агрегатов. Общая структура двигателя и принцип его работы не зависели от числа цилиндров.

Чертеж из патента

Внутри цилиндров размещались поршни с шатунами. Ввиду использования сравнительно простого механизма передачи Треберт использовал качающееся крепление шатунов, которые могли двигаться только в одной плоскости. В верхней части цилиндра предусматривался патрубок для подачи бензовоздушной смеси от карбюратора. Патрубок имел Г-образную форму и своим верхним концом соприкасался со специальным полым барабаном на главном валу двигателя. В стенке барабана предусматривалось окно для подачи смеси. При вращении подвижного блока двигателя впускные патрубки последовательно соединялись с окном барабана и подавали смесь в цилиндр. Кроме того, имелись клапаны для сброса выхлопных газов. Отдельный выхлопной коллектор не предусматривался, газы выбрасывались через патрубок цилиндра. Зажигание производилось свечами, соединенными с магнето. Последнее, согласно патенту, размещалось рядом с валом воздушного винта.

Более ранние аксиальные двигатели Смоллбоуна и Макомбера имели в своем составе механизм «планшайба-стержни». Такая система обеспечивала требуемые характеристики, но была сложной с точки зрения конструкции, эксплуатации и обслуживания. Генри Л.Ф. Треберт предложил использовать для тех же целей коническую зубчатую передачу. На жестко закрепленном главном валу размещалось зубчатое колесо, которое отвечало за поворот всей конструкции двигателя. С ним контактировали 4 или 6 зубчатых колес (по числу цилиндров) меньшего диаметра. Эти шестерни были связаны с кривошипами и шатунами поршней.

Общая схема механизмов (без цилиндров и картера)

Во время работы двигателя поршни, двигаясь вниз и вверх относительно цилиндра, через шатуны и кривошипы должны были вращать малые шестерни. Последние, находясь в сцеплении с жестко закрепленным главным зубчатым колесом, заставляли блок цилиндров и картер вращаться вокруг главного вала. Вместе с ними должен был вращаться и воздушный винт, жестко закрепленный на картере. За счет вращения предполагалось улучшить обдув головок цилиндров с целью более эффективного охлаждения.

Запатентованный вариант двигателя Треберта имел цилиндры с внутренним диаметром 3,75 дюйма (9,52 см) и ходом поршня длиной 4,25 дюйма (10,79 см). Общий рабочий объем двигателя составлял 282 куб. дюйма (4,62 л). В составе двигателя планировалось использовать карбюратор фирмы Panhard и магнето компании Mea. Предлагаемый двигатель, по расчетам, мог развивать мощность до 60 л.с.

Схема двигателя в сборе

Характерной особенностью аксиальных двигателей внутреннего сгорания являются сравнительно малые габариты и вес конструкции. Двигатель Треберта не стал исключением из этого правила. Он имел максимальный диаметр 15,5 дюйма (менее 40 см) и общую длину 22 дюйма (55,9 см). Общий вес двигателя со всеми агрегатами составлял 230 фунтов (менее 105 кг). Таким образом, удельная мощность составляла 1,75 л.с. на килограмм веса. Для авиационных двигателей того времени это было неплохим достижением.

Аксиальный авиационный двигатель конструкции Г.Л.Ф. Треберта стал предметом патента, выданного в ноябре 1917 года. Дальнейшая судьба проекта достоверно неизвестна. В некоторых источниках упоминается, что Треберт смог начать серийное производство изделий собственной разработки, но подробности этого отсутствуют. Дефицит информации позволяет предполагать, что двигатели Треберта не заинтересовали потенциальных покупателей. В противном случае история сохранила бы информацию об использовании таких моторов в качестве силовой установки каких-либо самолетов. Вероятно, ввиду позднего получения патента конструктор не успел представить свою разработку в то время, когда она была актуальна и представляла интерес. Как результат, двигатели, если и производились серийно, не имели большого успеха.

По материалам сайтов:
http://douglas-self.com/
http://mechanicalgalaxy.blogspot.ru/
http://gillcad3d.blogspot.ru/