Jak działają silniki z zaworem tulejowym

Październik 1945: Przestarzały samolot transportowy Junkers JU 88 z myśliwcem Focke-Wulf FW 190 na górze, na pokazie brytyjskich i niemieckich samolotów w Royal Aircraft Establishment w Farnborough w Anglii. Obejrzyj naszą animację pokazującą, jak działa silnik z zaworem tulejowym. Fox Photos / Getty Images

Podczas II wojny światowej inżynierowie nazistowskiego reżimu opracowali jedne z najlepszych i najbardziej zaawansowanych uzbrojenia powietrznego tamtej epoki. Jeden niemiecki myśliwiec, Focke-Wulf Fw 190, przez pewien czas przewyższał wszystko, co alianci mogli umieścić w powietrzu.

Na szczęście dla aliantów inżynieria po ich stronie ostatecznie przekręciła wahadło przewagi powietrznej na swoją korzyść. Wytrzymały, niekonwencjonalny silnik, o którym wielu ludzi prawdopodobnie nigdy nie słyszało, pomógł zneutralizować Fw 190 i resztę Luftwaffe. Na swój sposób silnik pomógł popchnąć aliantów do zwycięstwa [źródło: Rickard].

Silnik z zaworem tulejowym, który był używany zarówno w samochodach, jak i samolotach, napędzał szybkie brytyjskie myśliwce, takie jak Hawker Typhoon i Hawker Tempest. Swoimi brutalnymi koniami mechanicznymi pomogli aliantom kontrolować niebo, zapewnić wsparcie powietrzne siłom lądowym i ostatecznie wygrać wojnę.

Ale czym właściwie jest silnik z zaworem tulejowym i co to za śmieszna nazwa? I dlaczego dziś nie widzimy ich ani nie słyszymy dużo o nich?

Nazwa silnika pochodzi od cienkościennej, metalowej tulei, która przesuwa się w górę iw dół w każdym cylindrze podczas procesu spalania. Zazwyczaj otwory w tulei i cylindrze, w którym się on znajduje, ustawiają się w przewidywalnych odstępach czasu, aby odprowadzać spaliny i zasysać świeże powietrze..

Pomimo zaszczytnych osiągnięć w służbie zbrojnej, złożona konfiguracja zaworów tulejowych przegrała z tym, czego używamy obecnie w silnikach spalinowych, czyli zaworami popychacza. Oczywiście w samolotach silniki napędzane tłokami wszystkich typów w dużej mierze ustąpiły miejsca silnikom odrzutowym.

Ale poczekaj - nie odrzucaj jeszcze zaworu mankietowego jako bezużytecznego historycznego reliktu.

Przynajmniej jedna firma stara się przywrócić do działania czcigodny silnik z zaworami tulejowymi, ale z kilkoma nowoczesnymi zwrotami akcji.

Na kilku następnych stronach przyjrzymy się, co powoduje, że silnik z zaworem tulejowym obraca się. Zbadamy również, dlaczego wypadł z łask, wraz z powodami, dla których obecnie, ponad sto lat po jego wynalezieniu, jest powołany do służby w innej „walce”.

Ta treść nie jest kompatybilna na tym urządzeniu.

Zawartość

1. Technologia silnika z zaworem tulejowym
2. Zawory tulejowe na lądzie - zastosowanie w silnikach samochodowych
3. Zawory tulejowe w powietrzu - zastosowanie w silnikach samolotów
4. Co dalej?

Przybywając tak, jak to miało miejsce w szczytowym okresie epoki industrialnej, silnik z zaworem tulejowym wygląda jak urządzenie, które byłoby jak w domu w powieści steampunkowej. Współcześni inżynierowie zachwycają się jego sprytem. I gdakać przy jego wysokiej złożoności.

Więc tam, zostałeś ostrzeżony. Właściwie to całkiem piękna rzecz, kiedy zrozumiesz, jak te wszystkie elementy ze sobą współpracują. A teraz zakasaj rękawy, bo zaraz zepsujemy się i zabrudzimy wewnętrznym działaniem silnika z zaworem tulejowym.

W tym silniku dzieje się tak dużo, że prawie nie da się tego opisać. Ale spróbujemy. Silniki z zaworami tulejowymi, podobnie jak ich odpowiedniki z zaworami popychaczowymi, mogą występować w wielu różnych konfiguracjach. Jeden z takich układów, silniki z zaworami promieniowymi, stosowane w samolotach, wygląda trochę tak, jak można by dostać, gdyby robot Rock 'Em Sock' Em miał dziecko z wartownikiem „kałamarnicy” z „Matrixa”.

Aby zrozumieć, czym jest i czym jest silnik z zaworem tulejowym, warto najpierw zrozumieć, czym nie jest. Nie jest to przede wszystkim popularny system, który większość z nas zna, silnik z zaworem grzybkowym. Zawory grzybkowe są de facto standardem we współczesnych silnikach spalinowych. Dzięki nim zawory w kształcie grzybka pod napięciem sprężyn otwierają się i zamykają rytmicznie, aby kontrolować wejście i wyjście paliwa, powietrza i spalin w cylindrze.

Z drugiej strony, zawór tulejowy wykorzystuje przesuwną, czasami obracającą się tuleję, aby kontrolować, ile powietrza i paliwa zostaje zdetonowane przy każdym suwie sprężania. Podstawowa przesłanka zapłonu paliwa i powietrza do napędzania zespołu tłoków i obracania wałem korbowym jest taka sama jak w przypadku innych silników spalinowych.

Oto kolejna wyraźna cecha zaworów tulejowych. W konstrukcjach, w których tuleja obraca się, wycięte w niej porty są wyrównane z otworami wlotowymi lub wylotowymi w cylindrze, w zależności od tego, jaka część skoku ma miejsce. Tłok porusza się w górę iw dół w każdej tulei, nawet gdy tuleja przesuwa się tam iz powrotem. Ruch tulei jest napędzany przez koła zębate połączone z wałem korbowym.

Ciągle drapiąc się po głowie, co dokładnie się dzieje? Oto kroki:

• Skok kompresji: tłok zbliża się do górnego martwego położenia, wszystkie otwory cylindra są zamknięte, a świeca zapłonowa odpala i zapala mieszankę paliwowo-powietrzną
• Skok spalania: zapłon zmusza tłok z powrotem do cylindra; gdy tłok przechodzi do dolnego martwego położenia, tuleja (lub tuleja) przesuwa się, aby wyrównać swoje wycięte otwory z otworami wydechowymi cylindra
• Skok wydechowy: spaliny są wydalane, gdy tłok podnosi się; porty wydechowe zamykają się
• Skok dolotowy: rękaw obraca się w drugą stronę, odsłaniając otwory wlotu powietrza; tłok opada, wciągając świeże powietrze; tuleja przesuwa się, aby zamknąć otwór wlotowy dla następnego skoku wypalania, a następnie cały proces się powtarza

Teraz pomnóż to przez kilka cylindrów i wrzuć wał korbowy, aby się obracały, i masz silnik z zaworem tulejowym!

Jeśli brzmi to skomplikowanie, to dlatego, że tak jest. Jednym z głównych uderzeń w te silniki było to, że były one tak złożone. Ma to jednak nieco większy sens, gdy widzisz cały proces w akcji. Obejrzyj wideo na tej stronie, aby lepiej je zwizualizować.

Włącz wirowanie: zawory tulejowe i sprawność wolumetryczna

Dlaczego więc ktoś miałby chcieć się bawić z tak skomplikowanym silnikiem? W końcu notorycznie pragnęli oleju smarowego; i nie lubili nieczystości, takich jak piasek. Odpowiedź jest taka, że ​​oferują one zaletę sprawności objętościowej. Innymi słowy, są znacznie lepsze niż zwykłe silniki pod względem dostarczania powietrza do iz komory spalania. Również rozmieszczenie portów zapewnia lepszą charakterystykę wirowania. To inżynierowie, ponieważ wytwarzają turbulentne powietrze, powodując wydajniejsze spalanie mieszanki powietrza i paliwa [źródło: Raymond].

Urodzony w Indianie Charles Yale Knight kupił trzykołowy samochód Knox około 1901 roku, aby móc raportować i publikować swój dziennik rolniczy na środkowym zachodzie Stanów Zjednoczonych. Ale stukot wytwarzany przez zawory samochodu uznał za poważny ból w uszach. Zrobił więc to, co zrobiłby każdy szanujący się przedsiębiorca z doświadczeniem w maszynach przemysłowych: postanowił sam zbudować lepszy silnik..

Przy wsparciu bogatego sponsora opracował i szeroko przetestował prototypy. Do 1906 r. Dokonał wystarczających postępów, aby zaprezentować swój czterocylindrowy, 40-konny samochód „Silent Knight” na Chicago Auto Show.

Silnik Knight miał nie jedną, ale dwie tuleje na cylinder, z tuleją wewnętrzną przesuwającą się po zewnętrznej. Tłok z kolei wsunął się do tulei wewnętrznej. Rycerz, zgodnie ze swoim pseudonimem, był imponująco cichy. Mimo że silnik Knight okazał się lepszy od głośnych i delikatnych zaworów grzybkowych swoich czasów, amerykańscy producenci samochodów początkowo dali mu zimne ramię..

Knight i jego dobroczyńca finansowy L.B. Kilbourne radziło sobie znacznie lepiej za granicą. Po pewnych udoskonaleniach konstrukcji silnik Knight znalazł się w samochodach Daimlera w Anglii (nie mylić z Daimler-Benz).

Cichy rycerz był hitem i wkrótce inni producenci zaczęli poszukiwać działania zaworu tulejowego - w tym producenci samochodów w Stanach Zjednoczonych. Samochody osobowe i lekkie ciężarówki Willysa, Daimler i Mercedes-Benz, między innymi, stosowały silnik z zaworem tulejowym Knight [źródło: Wells].

Jednak w latach dwudziestych XX wieku konstrukcja zaworu tulejowego wyszła poza konfigurację Knighta typu rękaw w rękawie. Konstrukcje z jedną tuleją, w tym Burt-McCollum, były lżejsze, mniej złożone i tańsze w budowie, a zatem preferowane przez producentów. Dzięki dalszym modyfikacjom producentów silników, takich jak Bristol i Rolls-Royce, wzbiliby się nawet w przestworza.

1940: Personel naziemny przygotowuje się do załadowania bomb na Hawker Typhoon. Fox Photos / Getty Images

Harry R. Ricardo (późniejszy „Sir” Harry Ricardo), urodzony w Londynie w 1885 roku, nie czekał z rozpoczęciem studiów inżynierskich do college'u. Obserwował i pochłaniał kolanami miejscowego mechanika jako młody chłopiec i wracał do domu z warsztatu mechanika, aby zastosować swoją nową wiedzę w budowie silników. Później powiedział:

„Jako dziecko zawsze fascynowały mnie silniki i generalnie mechanizmy, a przede wszystkim wielka tajemnica, w jaki sposób takie rzeczy faktycznie powstają… patrząc wstecz, myślę, że nauczyłem się więcej o rzeczywistej wartości z tych wczesnych i bardzo prymitywnych próby projektowania i produkcji niż z czegokolwiek innego ”[źródło: University of Cambridge].

Ricardo, w wieku dorosłym pracującego inżyniera, był nieuleczalnym wybrednym. Oprócz ulepszania silników w czołgach, które pomogły przełamać impas I wojny światowej, prowadził przełomowe badania nad przypisywaniem liczby oktanowej różnym gatunkom paliwa..

Być może jego najbardziej znaczącym wkładem w lata II wojny światowej była jego praca nad ulepszeniem silnika z zaworem tulejowym.

Ricardo wysunął teorię w latach dwudziestych XX wieku, że silnik samolotu z zaworem tulejowym może generować większą moc niż porównywalny silnik z popychaczem, ponieważ może generować wyższy stopień sprężania.

Okazało się, że do 1941 r. Brytyjskie samoloty, w tym główny samolot myśliwski Supermarine Spitfire, uderzały w niemiecki czołg Focke-Wulf Fw 190. Fw 190 również niemal bezkarnie przeprowadzały ataki naziemne na instalacje aliantów, ponieważ nic nie mogło. złapać ich na małej wysokości po zrzuceniu bomb.

Hawker Typhoon z silnikiem zaworowym, który wszedł do służby w 1942 roku, zmienił to. Napierający silnikiem Napier Sabre o mocy 2180 koni mechanicznych, „Tiffy” mógł nie tylko zestrzelić szybkich intruzów Luftwaffe, ale także przenosić bomby. W późniejszym okresie wojny tajfuny wyposażone w bomby i rakiety okazały się kluczowe we wspieraniu alianckich sił lądowych, które zacisnęły pętlę na nazistach i zakończyły wojnę w Europie [źródło: Rickard].

Pomimo wzorowego wojskowego rekordu silnika z zaworem tulejowym, napis był na ścianie: silniki odrzutowe zdominują lotnictwo komercyjne i wojskowe od powojennych lat do przodu.

Dziedzictwo Knighta, Ricardo i innych nie zniknie całkowicie - entuzjaści silników będą upamiętniać silnik z zaworem tulejowym w modelach własnoręcznie zbudowanych i na stronach internetowych w następnych dziesięcioleciach. Niektóre modele samolotów latających wykorzystują miniaturowe silniki z zaworami tulejowymi. Można sobie wyobrazić, że technologia może odrodzić się na niektórych z największych i najszybciej rozwijających się rynków motoryzacyjnych na świecie.

Tak więc silnik z zaworem tulejowym był ewolucyjnym ślepym zaułkiem, jeśli chodzi o postęp spalania wewnętrznego?

Ujmijmy to w ten sposób. Podobnie jak Hollywood lubi poddawać recyklingowi stare koncepcje i nadawać im nowy wymiar, gdy zaczyna brakować nowych pomysłów, tak samo robi przemysł samochodowy. Być może pamiętacie, że samochody elektryczne były wielką sprawą, zanim (jak na ironię) elektryczny rozrusznik sprawił, że samochody spalinowe były bardzo praktyczne. Elektryka prawie zniknęła z głównego nurtu motoryzacji, dopóki troski o środowisko nie sprowadziły ich z grobu na przełomie XIX i XX wieku.

I tak, podobnie, sprawa mogłaby się rozwinąć przy drzemiącym silniku z zaworem tulejowym. Jak to się mówi, „co stare jest znowu nowe”.

Firma Pinnacle Technologies z siedzibą w San Carlos w Kalifornii liczy na stłumiony popyt na czysty i tani transport w Azji, aby wykorzystać swoją nowoczesną interpretację zaworu tulejowego. Nowy silnik oparty jest na tym, co firma opisuje jako czterosuwowy, o zapłonie iskrowym (SI), o konstrukcji przeciwtłokowej, z zaworem tulejowym.

Założyciel Pinnacle, Monty Cleeves, mówi, że jego opatentowany silnik może zapewnić 30-50-procentową poprawę wydajności w porównaniu z obecnymi silnikami spalinowymi [źródło: Pinnacle Engines].

„Ta technologia silnika zapewnia oszczędność paliwa i emisję CO2 hybrydy za cenę, na którą może sobie pozwolić cały świat” - powiedział Cleeves w wydanym przez firmę oświadczeniu

Pinnacle twierdzi, że nie martwi się, że pojazdy elektryczne w najbliższym czasie staną się przestarzałe. Zamiast tego uważa, że ​​istnieje duża szansa na obsługę szybko rozwijających się rynków, takich jak Indie i Chiny. Zarówno one, jak i inne kraje rozwijające się chcą ograniczyć emisje gazów cieplarnianych, poprawiając jednocześnie standard życia swoich obywateli poprzez posiadanie pojazdów silnikowych. Ponieważ pojazdy elektryczne i hybrydy wciąż mają znaczną przewagę cenową, Pinnacle twierdzi, że przeprojektowany zawór tulejowy jest dobrą „technologią pomostową”, dopóki elektryczność nie stanie się bardziej dostępna dla wszystkich.

Firma Pinnacle, która otrzymała kilka milionów dolarów kapitału podwyższonego ryzyka, poinformowała, że ​​dąży do zawarcia umowy licencyjnej z azjatyckim producentem samochodów i spodziewa się, że produkcja rozpocznie się w 2013 r..

Uwaga autora: Jak działają silniki z zaworem tulejowym

Jako wielki maniak samolotów wojskowych słyszałem przed tym zadaniem o silnikach z zaworami tulejowymi. Ale to był zakres tego. Biorąc pod uwagę ich status w historii przypisów, zawsze myślałem o nich jedynie abstrakcyjnie. W przeciwieństwie do silnika z zaworem grzybkowym, który można studiować na własnym podjeździe, te „rzeczy z zaworami tulejowymi” były dla mnie tylko zapomnianą, choć osobliwą technologią, jak lokomotywy parowe. Kiedy więc skorzystałem z mocy Interwebów, aby zobaczyć je w akcji, natychmiast uderzył mnie podziw i podziw. W jaki sposób ludzie 100 lat temu wymyślili wszystkie niezbędne kąty, tolerancje, wyważenia i inne elementy, aby ożywić te niewiarygodnie złożone maszyny? Fakt, że przedsiębiorcy chcą dziś tchnąć nowe życie w tę koncepcję, wiele mówi o geniuszu i wizji tych oryginalnych pionierów. Można argumentować, że oryginalne, dwudziestowieczne silniki z zaworami tulejowymi były „przeprojektowane” - to znaczy były zbyt skomplikowane dla własnego dobra. A może po prostu brakowało postępu w materiałoznawstwie i precyzji projektowania wspomaganego komputerowo, którą cieszymy się dzisiaj, po prostu wyprzedzali swoje czasy.

Powiązane artykuły

• Car Smarts: Silniki
• Jak działają silniki samochodowe
• Jak działa silnik cykliczny Atkinsona
• Jak działa silnik Graala
• Jak działają silniki Stirlinga
• Współczynnik kompresji i liczba oktanowa: co musisz wiedzieć
• Jak działają samoloty

Źródła

• Fehrenbacher, Katie. „The Green Overdrive Show: super wydajny silnik”. GigaOm.com. 18 stycznia 2012 r. (21 lutego 2012 r.) Http://gigaom.com/cleantech/the-green-overdrive-show-a-super-efficient-engine-video/
• Hodgson, Lee. „Krótka historia silników promieniowych”. Agelessengines.com. (18 lutego 2012) http://www.agelessengines.com/history.htm
• Silniki Pinnacle. "Technologia." (16 lutego 2012) http://pinnacle-engines.com/technology.html
• Raymond, Robert J. „Porównanie samolotowych silników tłokowych z tuleją i zaworem grzybkowym”. Enginehistory.org. Kwiecień 2005. (20 lutego 2012) http://www.enginehistory.org/members/articles/Sleeve.pdf
• Rickard, J. „Hawker Typhoon”. Historyofwar.org. 30 kwietnia 2007. (15 lutego 2012) http://www.historyofwar.org/articles/weapons_hawker_typhoon.html
• Roush, Wade. „Pinnacle wygląda poza Detroit jako rynek dla swojego silnika o przeciwnych tłokach”. Xconomy. 4 października 2011 r. (14 lutego 2012 r.) Http://www.xconomy.com/san-francisco/2011/10/04/pinnacle-looks-beyond-detroit-as-the-market-for-its -opposed-piston-engine /? single_page = true
• Smith, Sam. „10 najbardziej niezwykłych silników wszechczasów”. Samochód i kierowca. Październik 2010. (16 lutego 2011) http://www.caranddriver.com/features/the-10-most-unusual-engines-of-all-time-feature
• Wydział Inżynierii Uniwersytetu Cambridge. „Sir Harry Ricardo, F.R.s. - pionier lub silnik spalinowy”. (12 lutego 2012) http://www-g.eng.cam.ac.uk/125/achievements/ricardo/#9.%20SLEEVE
• Wells, Jerry. „Pioneer Sleeve Valve Engine”. Enginehistory.org. (17 lutego 2012) http://www.enginehistory.org/pioneering_sleeve_valve.shtml
• YouTube.com. „Animacja promieniowa zaworu tulejowego Bristol Hercules”. 8 kwietnia 2009 r. (16 lutego 2012 r.) Http://www.youtube.com/watch?v=_vrvep_YOio
• YouTube.com. "Silnik zaworu rękawa bractwa, działanie tulei." 20 sierpnia 2010 r. (17 lutego 2012 r.) Http://www.youtube.com/watch?feature=endscreen&v=sPd6VJQeSYw&NR=1