軸流エンジン

軸流エンジン(バレル エンジンまたはZ クランク エンジンとも呼ばれる) は、ピストンが出力シャフトの周囲に配置され、その軸がシャフトと平行になっている往復エンジンの一種です。バレルとは、シリンダー グループの円筒形 (ピストンが中央のクランクシャフトの周囲に均等に配置され、クランクシャフトの軸と平行に並んでいるため) を指し、Z クランクとは、クランクシャフトの形状を指します。

カムエンジンと同様に、軸流エンジンはスワッシュプレートまたはウォブルプレートを使用してピストン運動を回転に変換できます。ウォブルプレートはスワッシュプレートに似ており、ピストンがプレートを順番に押し下げて横方向のモーメントを与え、それが回転運動に変換されます。この運動は、コンパクトディスクをボールベアリングの中心に配置し、円周上の連続的な場所で押し下げることでシミュレートできます。違いは、ウォブルプレートが章動するのに対し、スワッシュプレートは回転することです。^[1]代替設計のランドカムエンジンでは、プレートを1つまたは複数の正弦波カム面に置き換えます。円筒形の「バレル」内に取り付けられたシャフトと平行に取り付けられたベーンは上下に自由にスライドし、波状のカムに乗ります。ローター、ステーター壁、ベーンによって形成されたセグメントが燃焼室を構成します。実際には、これらのスペースは軸流エンジンのシリンダーと同じ目的を果たし、波状のカム面はピストンの面として機能します。他の点では、この形式は通常の内燃サイクルに従いますが、燃焼ガスがカム表面に直接力を与え、1回以上のデトネーションのタイミングによって回転力に変換されます。この設計では、従来の「バレル」エンジンの複数の往復ピストン、ボールジョイント、スワッシュプレートが不要になりますが、摺動面と回転面によって提供される効果的な密閉に大きく依存します。^[2]

アキシャル設計の主な利点は、シリンダーが出力/クランクシャフトの周りに平行に配置されていることです。これは、シャフトに対して直角にシリンダーが配置されているラジアルエンジンや直列エンジンとは対照的です。その結果、非常にコンパクトな円筒形エンジンとなり、エンジンの動作中に圧縮比を変えることができます。スワッシュプレートエンジンでは、ピストンロッドがシャフトと平行に保たれ、過度の摩耗を引き起こすピストンの横力をほぼ完全に排除できます。従来のエンジンで最も問題となるベアリングの1つである、従来のコネクティングロッドの小端ベアリングが排除されます。

軸流エンジンを通常のエンジン動作速度で実用化するのは困難ですが、非常にコンパクトなサイズ（約 6 インチ (150 mm) の立方体）でありながら、約 7000 rpm で約 40 馬力を発揮するカム エンジンがテストされており、軽量の航空用途に便利です。軽量で機械的にシンプルな（ローターと 12 個の軸流ベーンで 24 個の燃焼室を形成する、主要な可動部品がはるかに少ない）エンジンは、耐用年数が限られているにもかかわらず、小型無人航空機に明らかに応用できます。

1911年、ロサンゼルスのマコンバー・ロータリー・エンジン社は、マサチューセッツ州オールストンのエイビス・エンジン社が製造した初の軸流内燃機関の1つを販売した。4ストローク空冷ユニットで、7つのシリンダーと、ウォブルプレートの角度、つまりピストンストロークの長さを変えることで変化する可変圧縮比を備えていた。^[3]エンドケーシングを除いてエンジン全体が回転するため、「ロータリーエンジン」と呼ばれた。

点火は、カム ギアから直接駆動されるボッシュの マグネトーによって行われました。高電圧電流は、フロント ベアリング ケースの固定電極に送られ、そこから1 ⁄ 16インチ (1.6 mm) 以内を通過すると、シリンダー ヘッドのスパーク プラグに火花が飛び散ります。マコンバーの文献によると、「過熱しないことが保証されています」。

このエンジンは 150 ～ 1,500 rpm で作動できると主張されていました。通常の 1,000 rpm の速度では、50 馬力を発揮したと報告されています。重量は 230 ポンド (100 kg)、長さは 28 インチ (710 mm)、直径は 19 インチ (480 mm) でした。

先駆的な飛行家チャールズ・フランシス・ウォルシュは、 1911年5月にマコンバーエンジンを搭載した航空機「ウォルシュ・シルバー・ダート」を飛行した。^[4]

1913年、スイスのチューリッヒにあるスタタックス・モーター社がスワッシュプレートエンジンの設計を発表しました。プロトタイプは1台のみ製造され、現在はロンドンの科学博物館に所蔵されています。1914年に同社はロンドンに移転してスタタックス・エンジン社となり、3気筒10馬力、5気筒40馬力、7気筒80馬力、10気筒100馬力のロータリーエンジンのシリーズを発表する計画を立てました。 ^[5]

実際に生産されたのは40馬力の設計のみのようで、1914年のイギリスのエアリアルダービー用のコードロンG.IIに搭載されたが、飛行前に撤退した。ハンセンは1922年にこの設計の全アルミニウムバージョンを発表したが、大量に生産されたかどうかは明らかではない。1929年にはスタタックスのドイツ部門によって大幅に改良されたバージョンが発表され、29Bとして知られる新しいスリーブバルブバージョンで42馬力を生産した。サンフランシスコのグリーンウッドとレイモンドは米国、カナダ、日本での特許権を取得し、5気筒100馬力と9気筒350馬力を計画した。

1917 年、アンソニー ミッシェルはスワッシュプレート エンジン設計の特許を取得しました。このエンジンのユニークな特徴は、オイル膜の上で滑る傾斜スリッパ パッドを使用して、ピストンからスワッシュプレートに負荷を伝達する方法です。ミッシェルのもう 1 つの革新は、部品の質量と動きを含む機械設計の数学的分析です。これにより、エンジンはあらゆる速度で完璧な動的バランスを保ちました。

1920年にミッシェルはフィッツロイ（オーストラリア）にクランクレスエンジン社を設立し、同じ基本設計に基づいたポンプ、コンプレッサー、自動車エンジン、航空エンジンの実用的なプロトタイプを製造しました。^[6]

エンジン設計者の フィル・アーヴィングは、HRDに入社する前はクランクレス・エンジン・カンパニーに勤務していました。

多くの企業がミッシェルの設計による製造ライセンスを取得しました。その中で最も成功したのは、ガスブースターを製造していたイギリスのウォーラー・アンド・サン社でした。^[7]

ミシェル社が開発した最大のクランクレスエンジンは、アメリカ海軍向けに製造されたディーゼル航空機エンジンXB-4070でした。^[8] 18個のピストンで構成され、定格出力は2000馬力、重量は2150ポンドでした。

航空機用の実験的なバレルエンジンは、 1920年代初頭にワシントン州シアトルのアメリカ人ジョン・O・アルメンによって製造され、テストされ、1920年代半ばまでに水冷式のアルメンA-4（18気筒、9気筒ずつ2組、水平対向）がアメリカ陸軍航空隊の受け入れテストに合格した。しかし、限られた資金と陸軍航空隊が空冷星型エンジンにますます重点を置くようになったため、生産には至らなかったと言われている。A-4は、同等の出力の水冷エンジンよりも前面面積がはるかに小さく、そのためより流線型にすることが可能だった。定格出力は425馬力（317kW）で、重量はわずか749ポンド（340kg）で、出力対重量比は1：2を超え、当時としてはかなりの設計上の成果であった。^[9]

ヘラクリオ・アルファロ・フルニエはスペインの飛行士で、スペイン初の飛行機の設計、製造、飛行の功績により、18歳でスペイン国王アルフォンソ13世からナイトの称号を授けられた。 ^[10]彼は航空機用のバレルエンジンを開発し、後にインディアン・モーターサイクル・マニュファクチャリング・カンパニーがアルファロとして生産した。このエンジンは「すべてを投入した」設計の完璧な例で、回転シリンダーヘッドに基づくスリーブバルブシステムを含んでいたが、この設計はどのエンジンにも採用されることはなかった。後にインディアン・モーターサイクル・カンパニーの社長の息子で、マサチューセッツ工科大学でアルファロの教え子だったスティーブン・デュポンによってドーマン・ヘリコプター用にさらに開発が進められた。^[11]

1930年代半ばのブリストル アキシャル エンジンは、チャールズ ベンジャミン レドルップがブリストル トラムウェイズ アンド キャリッジ カンパニー向けに設計した、7 リッター、9 気筒、ワブル プレート タイプのエンジンです。当初はバスの動力装置として考案されましたが、おそらくコンパクトな形状のため車両の床下に取り付けることができるためだったのでしょう。エンジンには吸気と排気を制御するロータリー バルブが 1 つありました。1930 年代後半にはブリストルのバスでいくつかの派生型が使用され、エンジンは RR1 から RR4 までいくつかのバージョンを経て、2900 rpm で 145 馬力の出力がありました。開発は 1936 年にブリストルの経営陣の交代に伴い中止されました。^[12]

おそらく最も洗練された設計は、1947年のイギリスのウーラー・ワブルプレートエンジンだろう。この6気筒エンジンは、オートバイのエンジン設計者としてよく知られているジョン・ウーラーによって航空機用に設計された。ブリストルの軸流エンジンに似ていたが、2枚のワブルプレートを持ち、6気筒の12個の対向ピストンで駆動されていた。このエンジンはしばしば誤ってスワッシュプレートエンジンと呼ばれる。^[13]ロンドンの科学博物館の飛行機ギャラリーに1例が保存されている。

いくつかの小型バレルエンジンは、ニューヨーク州ロチェスターのHLFトレバートエンジン工場^[14]によって船舶用に製造されました。

ダイナカムエンジンは、もともと1916年にスチュードベーカー に勤務していた、真鍮時代の自動車産業で活躍した2人のアメリカ人エンジニア、ブレイザー兄弟の設計に由来する。彼らはその権利をスチュードベーカーのエンジニアリング責任者であるカール・ヘルマンに売却し、ヘルマンは長年にわたってこの概念を開発し、最終的に1941年に米国特許2237989を取得した。^[15]このエンジンには6つのシリンダーで動作する6つの両端ピストンがあり、12の燃焼室はドライブシャフトが1回転するたびに点火される。ピストンは、スワッシュプレートやウォブルプレートではなく、正弦波状のカムを駆動するため、この名前が付けられた。

1961年、80歳のとき、ハーマンは従業員の一人であるエドワード・パーマーに権利を売却し、エドワードは息子のデニスと共にダイナカムエンジン社を設立しました。エドワードの息子デニスと娘のパットは、パイパーアロー飛行機へのエンジンの搭載を手伝いました。エンジンは1987年から1991年にかけて約700時間飛行しました。彼らのエンジンの中で最も寿命が長かったものは、オーバーホールされるまでに約4000時間稼働しました。ダイナカムは1993年頃に研究開発施設を開設し、同じダイナカムエンジンのさまざまなバリエーションでNASA、米国海軍、米国海兵隊、カリフォルニア州エネルギー委員会、大気質管理地区^{[説明が必要]}、ロサンゼルス地域技術連盟からさまざまな賞を受賞しました。約40台のプロトタイプエンジンがハーマングループによって製造され、エンジンを取得して工場を開設して以来、ダイナカムグループによってさらに25台が製造されました。新しい特許がデニス・パーマーとエドワード・パーマーに付与された。最初は1985年、その後デニス・パーマーには2000年頃にさらにいくつかの特許が付与された。2003年、ダイナカムエンジン社の資産はエアロマリン社に買収され、同社は社名をアキシャルベクターエンジン社に変更した。^[16]その後、アキシャルベクター社はカムエンジンを完全に再設計した。アキシャルベクター社の新しいエンジンは、このリストにある他の多くのエンジンと同様に、圧電バルブと点火装置、ピストンリングのないセラミックシリンダーライナー、その他さまざまな先進機能など、「すべてを投入する」という問題を抱えている。ダイナカムエンジンは従来のバルブ、ピストンリング、アクセサリを使用し、実証されていないセラミック材料がなく、実際に航空機で飛行し、4年以上にわたって20フィート（6.1メートル）の「エリミネーター」スキーボートに動力を与えていたため、オリジナルのハーマンエンジンやダイナカムエンジンとの類似性はほとんどない。

イギリスの会社Covaxe Limited（2017年まではFairDiesel Limitedとして知られていた）は、非正弦波カムを使用する2ストロークディーゼル対向ピストンバレルエンジンを産業用途と航空用途向けに設計しています。同社のエンジン設計は、2気筒、80 mmボアから32気筒、160 mmボアまで多岐にわたります。^[17]

1993年に設立されたニュージーランドの企業、デューク・エンジンズは、数種類の異なるエンジンを開発し、1999年にその1つを自動車に搭載した。このエンジンは、独自の軸配置を備えた5気筒、3リッター、4ストローク内燃エンジン・プラットフォームで動作し、これは第3世代となる。バルブレス設計のため、デューク・エンジンは、動力行程間でのエネルギー損失が少ない。^[18]デュークのエンジンの現在のプロトタイプは、従来の内燃エンジンの特性と一致していると主張しているが、部品が少なく、30%軽量である。これは、より効率的なエンジン開発の方向に向かっている。開発中、デュークは英国と米国のマーレ・パワートレインでテストされており、テスト結果では、多燃料機能があることが示されている。 ^[19]デューク・エンジンの軽量でコンパクトな利点により、この設計はオートバイのエンジンに最適となるはずであり、これらの利点により、このパワープラントは軽飛行機にも適している可能性がある。^[20]（デュークエンジンがスムーズであるかどうかについてはデータが少ない。メインシャフトには大きなカウンターウェイトが取り付けられている）。

古典的なスペイン製の設計、反対方向に作動する平行ピストン、正弦波スワッシュプレート、2023年に2つのバージョン、車サイズで液体冷却のプロトタイプ、およびドローンや大型航空機モデルを対象とした空冷4気筒、125 cc、22 HP、4.5 kgユニット、試作段階。^[21]

円筒形エネルギーモジュール (CEM) は、外部電源で駆動するスタンドアロン ポンプとしても使用できる正弦波スワッシュプレート エンジンです。回転するスワッシュプレート ローター アセンブリは、ローター アセンブリを取り囲む静止した正弦波カム トラックに沿って動くピストン ドライブ ピンの助けを借りて前後に動きます。 ^{[引用が必要]}

CEMはアメリカの発明家エディ・ポールによって設計され、もともとは消防ポンプ用に設計された。後に自動車用に改造され、2005年に実現しなかったデューセンバーグ・トルペ・クーペ・プロジェクトで使用される予定だった。クーペの動力装置として、CEMは軸を中心に回転し、燃料を吸い込んで自己潤滑性を提供し、ガソリンでもディーゼルでも作動することができた。また、従来のエンジンの1/6の熱しか発生しないとされており、空冷で十分であることを意味する。^{[22] [23]}

米国のDevize Motors社は現在、対向ピストンを採用した新型エンジンを開発中である。^[24]

• 最もよく知られている用途は魚雷であり、円筒形が望ましい。現代のマーク48魚雷は、ポンプジェット推進装置に接続された500馬力のスワッシュプレートエンジンで駆動されている。燃料はオットー燃料IIで、酸素供給を必要とせず、最大65ノット（120 km/h）（74.56 mph）で魚雷を推進できるモノプロペラントである。 ^[25]
• その他の用途としては、空気圧モーターや油圧モーター、ホンダのホンダマチックCVTなどの油圧トランスミッション^[26]、エアコンポンプ^[27]などがある。また、一部のスターリングエンジンではスワッシュプレート配置が使用されており、例えばスターリングサーマルモーターズのSTM 4-120エンジンなどである。^[28]

^[29]

• アキシャルピストンポンプ

• McLanahan, J. Craig (1998-09-28)。「バレル航空機エンジン - 歴史的異常現象か、それとも革新の妨げか?」世界航空会議および博覧会、1998 年 9 月。ペンシルベニア州ウォーレンデール: SAE International。doi :10.2514/6.1998-5597。
• McCutcheon, Kimble D. 「The Almen A-4 Barrel Engine」(PDF) 。航空機エンジン歴史協会。2008年 8 月 20 日のオリジナル(PDF)からアーカイブ。2008年 6 月 29 日閲覧。

• バレルエンジン - パート2 飛行 1941年12月