章動ディスクエンジン

ダケイン章動ディスクエンジンの動作

ナットエイティングディスクエンジン（ディスクエンジンとも呼ばれる）は、基本的に1つの可動部品とクランクシャフトへの直接駆動部で構成される内燃機関です。1993年に特許を取得したこのエンジンは、従来の内燃機関とはいくつかの点で異なり、19世紀に開発された同様の蒸気エンジンに大きく影響を受けた、円形の揺動またはウォブリングナットエイティング運動を採用しています。これは、スワッシュプレートエンジンのスワッシュプレートの非回転部分の動きに似ています。

手術

基本的な構成では、エンジンの中核は回転しない章動ディスクで、そのハブの中心は Z 字型のシャフトの中央に取り付けられています。シャフトの両端が回転し、ディスクが章動運動します (軸の周りを回転せずに揺動運動します)。ディスクの円周の動きは球の一部分を表します。ディスク領域の一部は吸気と圧縮に使用され、一部はセンター ケーシングに対するシールに使用され、残りの部分は膨張と排気に使用されます。圧縮された空気は外部のアキュムレータに取り込まれ、次に外部の燃焼室に取り込まれ、その後ディスクのパワー サイドに取り込まれます。外部燃焼室により、小型エンジンでディーゼル燃料を使用できるため、無人航空機の推進やその他の用途に独自の機能を備えています。章動エンジンの大きな利点の 1 つは、出力ストロークのオーバーラップです。

動力は出力軸（クランクシャフト）に直接伝達されるため、従来のピストンエンジンに不可欠な複雑なリンケージ（ピストンの直線運動を回転出力運動に変換する機構）は完全に不要になります。ディスクが回転しないため、シール速度は同等の内燃機関ピストンエンジンよりも低くなります。しかし、シール全長がかなり長くなるため、この利点が相殺される可能性があります。

ディスクはハウジング内で揺動し、最もシンプルな構成では、一枚のディスクの半分（片方のローブ）が吸気／圧縮機能を果たし、もう片方のローブが動力／排気機能を果たします。ディスクローブは、圧縮容積と膨張容積を等しく設定することも、圧縮容積を膨張容積より大きくしたり小さくしたりすることもできます。つまり、エンジンは自己過給（スーパーチャージャーを参照）することも、ミラーサイクル／アトキンソンサイクルとして動作させることもできます。

特許と生産履歴

1993年、イリノイ州のレナード・マイヤーは「ニューテーティング内燃ディスクエンジン」に関する特許5,251,594号を取得した。[ 1 ]マイヤー・ニューテーティングエンジンは、従来の往復ピストンエンジンよりも高い出力密度を持ち、ガソリン、重質燃料、水素など様々な燃料で作動する新型内燃エンジンである。この特許は、20世紀の米国における様々なニューテーティングエンジンに言及しているが、先行技術文献には、後述するオリジナルのデイケインエンジンについては全く言及されていない。166年前の油圧式先行エンジンとの類似性は顕著であり、主な違いはディスクが完全に平坦ではなく、わずかに凸状になっていることである。

マイヤーニューテーションディスクエンジンの動作と可能性の詳細は、T.アレクサンダー教授（T.コラキアニティス名義）とその同僚によって説明されている。[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]

試作機1台が短時間自力で走行し、そのパワーウェイトレシオは現在の一般的な4ストロークエンジンと同等であった。開発者、米国陸軍研究所、NASAの技術評価報告書の著者らは、この新型エンジン（無人航空機用）の生産バージョンでは、パワーウェイトレシオが1.6馬力/ポンド（2.7kW/kg）に達する可能性があると主張している。[ 6 ]これは現在の自動車用量産エンジンよりわずかに優れているが[ 7 ]、グラウプナーG58 [ 8 ]やデザートエアDA150 [ 9 ]には遠く及ばない。

かつて成功を収めたアメリカの起業家ハロルド・マクマスター氏が率いていたマクマスターズ社も、純水素と純酸素の混合物を燃焼させるニューテーションモーターを開発している。同社によると、このモーターは200馬力を発揮するが、同じ出力のガソリン・空気混合型自動車エンジンのわずか10分の1の重量しかないという。マクマスターズ社はこれまでに開発に1,000万ドルを費やしたとしている。また、ホイールハブに直接組み込むことができ、従来のドライブトレインを完全に不要にする「コーヒー缶サイズ」のバージョンの開発も計画されている。このコンセプトはブリティッシュ・レイランド・ミニモークで初めて試みられたが、当時は信頼性の高い同期が欠如していたため、大きな障害となった。これは、今日では小型化された現代の組み込み型コンピュータチップのおかげで、より一般的になっている。マクマスターズ社はガソリン駆動バージョンも計画しており、従来のエンジンよりもはるかにクリーンな動作が可能だと主張している。[ 10 ]

歴史

Dakeyne油圧ディスクエンジン

1820年代、ダービーシャー州ダーリー・デールの工場主エドワード・デイケインとジェームズ・デイケインは、工場付近の高圧水を利用するため、同じ原理に基づいた「ロンピング・ライオン」として知られる水力エンジン（ウォーターエンジン）を設計・製作しました。このエンジンについては、1830年に取得した特許に付随するやや不明瞭な説明以外、ほとんど知られていません。主要な鋳物はヒージ近郊のモーリー・パーク鋳造所で製造され、重量は7トン、水頭96フィートで35馬力を出力しました。フランク・ニクソンは著書『ダービーシャーの産業考古学』（1969年）の中で、「この独創的な機械の最も顕著な特徴は、おそらくそれを説明しようとする人々が経験した困難さでしょう。特許権者とスティーブン・グローバーは、途方もなく理解しがたい説明しか生み出せませんでした」と述べています。[ 11 ]

より大きなモデルは、ユールグリーブ近くのアルポートの鉛鉱山の排水用に製造され、その後、他の人々によって多くの蒸気バージョンが製造されました。

デイヴィスとテイラー

デイケインズの設計を基に蒸気駆動ディスクエンジンを最初に開発した人物は、ジョージ・デイヴィスとヘンリー・テイラーで、1836年に特許を取得しました。このエンジンは蒸気の吸入量を制御するバルブを備え、また、デイケインズ版とは軸が水平で、エンジンのケーシングがディスクの周りを回転する点が異なり、これはオリジナルとは逆でした。その後8年間でさらに多くの特許が取得され、主に膨張作動方式の導入とエンジンの密閉性向上が図られました。

1836年、デイヴィスとテイラーは、製塩所の所有者であるファードンとゴセージにエンジンの製造権を与えました。当時、デイヴィスは船尾の外輪を駆動するディスクエンジンを搭載した運河タグボートの開発に携わっていました。1838年までに、5馬力のエンジンが製塩所で塩水を汲み上げるために使用されていました。

1839 年に、デイヴィス、テイラー、ファードン & ゴセージはエンジンの製造権をバーミンガム特許ディスク・エンジン会社に譲渡した。会社の監督者としてヘンリー・デイヴィスがデザインと製造のすべてに責任を持ち、ゴセージは取締役であった。1841 年 2 月に委員会は 26 台のエンジンが完成し、合計 260 馬力の更なるエンジンが製作中であり、合計 500 馬力が発注中であると報告した。彼らは 5 馬力から 30 馬力のエンジンを製造でき、現在は鉄道車両用のエンジンを製造中であった。1841 年のフランスの雑誌の記事では、12 馬力のエンジンがダドリーのコービンズ・ホール鉱山で 6 か月間巻き上げエンジンとして使用されており、1 分間に 1 トンの荷重を 180 フィート持ち上げることができたと報告している。ディスク・エンジンのコストは 8 馬力の機械で £96 から、30 馬力のモデルで £300 であった。

イプスウィッチのランサムズ (後に有名な農業技術者のランサムズとシムズとなる)は、1841 年にロイヤル リバプール ショーで、5 馬力の BPDE ディスク エンジンを搭載した ポータブル蒸気エンジンを展示しました。

1840年までに、デイヴィスエンジンを搭載した運河船「エクスペリメント号」がプロペラの試験に使用されていました。1842年には、デイヴィスは運河船にディスクエンジンとディスクポンプを搭載し、スタウアブリッジ運河を半マイル（約800メートル）排水して実証しました。同年、5馬力のエンジンがHMSガイザーのピネース（帆船）の1隻に搭載されました。しかし、テムズ川での試験やグランド・ジャンクション運河の理事向けの試験は、海軍本部や運河所有者の納得を得るには至りませんでした。

それでも、運河で蒸気動力を利用する関心は高まりつつあり、船幅の狭い運河船にはディスク エンジンが非常に有利でした。デイヴィスは好機と捉え、1843 年に 16 馬力の BPDE エンジンを搭載した鉄製の船体を持つ運河タグボートを建造しました。洗波を最小限にするため、船の長さと同じ軸に沿って間隔をあけて 4 つのプロペラを取り付け、水面下のチューブに収めました。これらの推進ユニットは 2 つ並んで配置され、合計 8 つのプロペラがありました。これは十分に機能し、バーミンガム アンド リバプール ジャンクション運河の理事を説得して、1 日に 16 隻もの艀を妥当な速度で曳航できるタグボートを 6 隻発注させました。実際に使用されていたのは、平均 100 トンを積載した 6 隻から 8 隻の艀からなる列が毎日エルズミア ポートとウルヴァーハンプトンを出発しました。残念ながら、艀列が運河の水門や浅瀬をどのように通過するかについては、誰も考慮していませんでした。こうした障害物が発生するたびに、列車は一旦切り離され、はしけをそれぞれ人力で、あるいは馬で曳いて障害物を通過し、反対側で再び列車を連結する必要がありました。これによりタグボートと列車のメリットが打ち消され、1845年に運河の管理者はタグボートの運行を停止しました。

1844年、BPDEは倒産した。[ 12 ]工場の設備、様々な完成エンジン、そして大量の仕掛品が売りに出された。1851年、BPDEの主要投資家2社の破産に続く訴訟手続きにおいて、ディスクエンジンは利益を生んでおらず、それを売却可能な資産として頼りにするのは「不合理」であるとされた。

ビショップ

デイヴィスとテイラーの競争相手には、元機関車技師のジョージ・ダニエル・ビショップがいた。ビショップは1840年にドンキン社に最初の機関車を製造させ、1845年に特許を取得した。共同経営者のバーナード・ウィリアム・ファリーとブライアン・ドンキン・ジュニアは、基本設計の改良について特許を取得した。ドンキンはビショップと協力してオリジナルの機関車を製造しており、ファリーはドンキンの従業員だった。

ビショップのエンジンが市場に投入されたとき、業界紙からは懐疑的な見方が寄せられました。しかしビショップは、ダケインズのオリジナル設計に立ち戻ることを選択しました。この設計では、ヨークが動的な力のほとんどを吸収し、ベアリングとシールへの負荷を大幅に軽減していました。万が一、漏れが発生した場合には、シールを調整できるようになっていました。さらにビショップは、自社で製造するのではなく、エンジニアリング能力の高い企業にエンジンの製造を依頼しました。ドンキンズ社だけでなく、彼の初期のエンジンのいくつかは、マンチェスターのジョセフ・ウィットワース社によって製造されました。非常に評判の高い別のエンジニアリング会社として、ロンドンのG. レニー・アンド・サン社が挙げられます。同社はこのエンジンの可能性を確信し、1849 年にビショップをディスク エンジン担当の工場長として採用しました。

1849年までに、ビショップ社製のエンジンが多数販売され、そのうちの1つはタイムズ紙の印刷機の動力として大成功を収め、G・レニー・アンド・サン社製のもう1つは鉄製砲艦HMSミンクスの動力として使用されました。タイムズ紙製のエンジンはホイットワース社によって製造され、 1851年の万国博覧会で展示されました。滑らかかつ静かに作動し、見る者を魅了しました。

1853年に直径13インチのディスクエンジンがレニー社から購入され、全長55フィートのロシアの砲艦の推進に使用され、7ノット（時速13km、時速8.1マイル）の速度で航行しました。[ 13 ]

当時のディスクエンジンの利点は、1855年にメカニクスマガジンに次のように記載されていました。[ 13 ]

  • これは、同等の出力の従来の蒸気機関の半分ほどの重さであった。
  • ロータリー蒸気機関の利点を持ちながら、不便さはなかった
  • 燃料面では18%も経済的でした。
  • ギアを必要とせずにより高い回転数を実現できた
  • 高圧使用に適していた

ディスクエンジンは、小型軽量で複動などの機能を備えた近代的な高速蒸気エンジンとの競争により、最終的に廃れてしまいました。さらに、従来のエンジンはディスクエンジンほど精密な製造を必要としないため、蒸気漏れの問題もありませんでした。

水道メーター

デイケインのオリジナルエンジンと同じ形状とコンセプトを採用したナット式ディスクメーター[ 14 ] [ 15 ]は、おそらく世界で最も広く使用されている流量計であり、米国とヨーロッパの住宅に設置されている水道メーターの半数以上がこのタイプであると言われています。150年間使用されてきたこのメーターは、本質的にはデイケインのディスクエンジンであり、おそらくファレイとドンキンによって開発されました。彼らは1850年に取得したディスクエンジンの特許の中で「流体測定メーター」について言及しています。1859年までに、ニューヨーク州バッファローのバッファローメーター社によって製造されていました。

参照

参考文献

  1. ^米国特許第5,251,594号、マイヤー、レナード、「Nutating Internal Burning Engine」、1993年10月12日発行 
  2. ^ Korakianitis, T.; Meyer, L.; Boruta, M.; McCormick, HE (2004年4月). 「ニューテーションディスクエンジンの導入と性能予測」. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power . 126 (2): 294–99 . doi : 10.1115/1.1635394 .
  3. ^ Korakianitis, T.; Meyer, L.; Boruta, M.; McCormick, HE (2004年7月). 「無人航空機用ワンディスク・ナテーティングエンジンの性能」. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power . 126 (3): 475–81 . doi : 10.1115/1.1496770 .
  4. ^ Korakianitis, T.; Meyer, L.; Boruta, M.; McCormick, HE (2004年7月). 「多様な用途に対応するマルチナテーティングディスクエンジンの代替構成」. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power . 126 (3): 482–88 . doi : 10.1115/1.1688770 .
  5. ^ Korakianitis, T.; Meyer, L.; Boruta, M.; Jerovsek, J.; Meitner, PL (2009年10月). 「2～500kW出力範囲におけるシングル・ナテーティング・ディスク・エンジンの性能」. Applied Energy . 86 (10): 2213–21 . Bibcode : 2009ApEn...86.2213K . doi : 10.1016/j.apenergy.2009.01.006 .
  6. ^ニューテーティングエンジン - プロトタイプエンジン進捗報告書およびテスト結果、(Peter L. Meitner、米国陸軍研究所、グレン研究センター、オハイオ州クリーブランド)、(Mike Boruta および Jack Jerovsek、KINETIC/BEI LLC、イリノイ州サウスエルジン) NASA/TM—2006-214342 ARL–MR–0641 US ARMY RESEARCH LABORATORY、図 6。
  7. ^スポーツカーデザイナー
  8. ^ 「UAV用2ストロークエンジン：BMLが収集した情報」 。 2009年3月1日時点のオリジナルよりアーカイブ。2007年12月31日閲覧。
  9. ^ 「Desert Aircraft」 。 2007年9月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。2007年12月31日閲覧。
  10. ^マクマスターモーター
  11. ^ニクソン、フランク（1969年）『ダービーシャーの産業考古学』デイヴィッド＆チャールズ、102ページ。
  12. ^バーン、ロバート・スコット（1857年）『蒸気機関』ロンドン、ウォード・アンド・ロック社、pp.  108– 109。
  13. ^ a b『メカニクス・マガジン』ロンドン：ロバートソン・ブルーマン社、1855年、  267-268頁。
  14. ^ナイアガラ メーター: 章動ディスクの描画
  15. ^ハーシーメーター – 400シリーズ 容積式ディスク水道メーター
歴史
技術レポート
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