Jak fungují motory s pouzdrem

Říjen 1945: Zastaralé dopravní letadlo Junkers JU 88 se stíhačkou Focke-Wulf FW 190 nahoře, na displeji britských a německých letadel v Royal Aircraft Establishment ve městě Farnborough v Anglii. Podívejte se na naši animaci toho, jak funguje motor rukávového ventilu. Fox Photos / Getty Images

Během druhé světové války vymysleli inženýři v nacistickém režimu některé z nejlepších a nejpokročilejších leteckých zbraní té doby. Jedno německé stíhací letadlo, Focke-Wulf Fw 190, na nějaký čas překonalo všechno, co mohli spojenci vložit do vzduchu.

Naštěstí pro spojence, inženýrství na jejich straně nakonec vyhodilo kyvadlo převahy vzduchu k jejich výhodě. Robustní, nekonvenční motor, o kterém mnoho lidí dnes pravděpodobně ani neslyšelo, pomohl neutralizovat Fw 190 a zbytek Luftwaffe. Svým způsobem motor pomohl spojencům přimět k vítězství [zdroj: Rickard].

Motor s rukávovým ventilem, který se používá jak v automobilech, tak v letadlech, poháněl rychlé britské bojovníky jako Hawker Typhoon a Hawker Tempest. Svou hrubou koňskou silou pomohli spojencům ovládat nebe, poskytovali vzdušnou podporu pozemním silám a nakonec vyhráli válku.

Ale co přesně je motor s pouzdrovým ventilem a co je s legračním jménem? A proč o nich dnes nevidíme ani neslyšíme mnoho?

Název motoru se získá podle tenkostěnné kovové objímky, která se během spalovacího procesu posouvá nahoru a dolů v každém válci. Obvykle se otvory v rukávu a ve válci, který je obsahuje, v předvídatelných intervalech zarovná, aby vytlačily výfukové plyny a nasávaly čerstvý vzduch..

Navzdory čestným záznamům o ozbrojených službách ztratilo komplexní nastavení rukávových ventilů to, co dnes používáme ve spalovacích motorech, ventily zdvihátek. V letounech samozřejmě proudové motory všech typů z velké části ustupovaly proudovým motorům.

Ale vydržte - zatím nezavírejte rukávový ventil jako zbytečnou historickou památku.

Alespoň jedna společnost se snaží uvést do provozu úctyhodný motor s pouzdrovým pouzdrem, ale s několika moderními zvraty.

Na několika následujících stránkách se podíváme na to, co způsobuje otáčení motoru s pouzdrovým ventilem. Rovněž prozkoumáme, proč upadla z laskavosti, spolu s důvody, proč je nyní vyvolána, více než století po svém vynálezu, sloužit v jiném druhu „boje“.

Tento obsah není na tomto zařízení kompatibilní.

Obsah

1. Technologie motorů s rukávovým ventilem
2. Hadice ventilů po zemi - použití v automobilových motorech
3. Letecké ventily s pouzdry - použití v leteckých motorech
4. Co bude dál?

Motor s rukávovým ventilem, který se objevuje stejně jako ve výšce průmyslového věku, vypadá jako mašinka, která by byla v románu steampunk přímo doma. Moderní inženýři se diví jeho chytrosti. A cluck-cluck ve své vysoké složitosti.

Takže jste byli varováni. Ve skutečnosti je to docela krásná věc, jakmile pochopíte, jak všechny tyto kousky spolupracují. Nyní si svlékněte rukávy, protože se chystáme klesnout a zašpinit se vnitřním fungováním motoru s pouzdrovým ventilem.

Tento motor má natolik, že téměř vzdoruje popisu. Ale zkusíme to. Motory s pouzdrovými ventily, stejně jako jejich protějšky pro zdvihový ventil, mohou mít mnoho různých konfigurací. Jedno takové uspořádání, motory s radiálním pouzdrovým ventilem používané v letadlech, vypadají trochu jako to, co byste mohli získat, kdyby měl robot Rock 'Em Sock' Em Robot dítě s "squiddie" strážcem z "The Matrix".

Abychom porozuměli tomu, co je motor s rukávovým ventilem a co dělá, mohlo by to nejprve pomoci pochopit, co to není. Nejedná se především o populární systém, se kterým je většina z nás známa, o motor s talířovými ventily. Poppet ventily jsou de facto standardem dnešních spalovacích motorů. S nimi se hubovité ventily pod napětím pružin otevírají a rytmicky uzavírají, aby kontrolovaly vstup a výstup paliv, vzduchu a odpadních výfukových plynů ve válci.

Na druhé straně pouzdrový ventil používá kluznou, někdy rotační objímku k řízení toho, kolik vzduchu a paliva se při každém stlačení stlačí. Základní předpoklad zapalování paliva a vzduchu k pohonu sady pístů a otáčení klikového hřídele je stejný jako u jiných spalovacích motorů..

Tady je další zřetelný rys rukávových ventilů. U konstrukcí, kde se pouzdro otáčí, jsou porty, které jsou do něj nastříhány, zarovnány buď s sacími nebo výfukovými otvory ve válci, v závislosti na tom, která část zdvihu probíhá. V každém pouzdru se pohybuje píst nahoru a dolů, i když se pouzdro posouvá dopředu a dozadu. Pohyb pouzdra je poháněn ozubenými koly spojenými s klikovým hřídelem.

Poškrábání hlavy stále na tom, co se přesně děje? Zde jsou kroky:

• Kompresní tah: píst se blíží k horní úvrati, všechny otvory válce jsou uzavřeny a zapalovací svíčka vystřelí a zapálí směs paliva a vzduchu
• Spalovací zdvih: zapalování tlačí píst zpět dolů do válce; jak píst jde do dolní úvrati, vložka (nebo pouzdro) se posune, aby vyrovnal své výřezové otvory s výfukovými otvory válce
• Výfuk: výfukový plyn je vypuzován, jakmile se píst vrací nahoru; výfukové otvory se uzavírají
• Příjem: objímka se otáčí jiným způsobem a odhaluje otvory pro přívod vzduchu; píst klesá a nasává čerstvý vzduch; objímka se posune, aby uzavřela sací port pro další vypalovací úder a poté se celý proces opakuje

Teď to vynásobte několika válci a hodte do klikového hřídele, aby se otáčely, a vy sami máte motor s rukávovým ventilem.!

Pokud to zní komplikovaně, je to proto, že je. Jedním z hlavních klepů proti těmto motorům bylo, že byly tak složité. Dává to však trochu větší smysl, když vidíte celý proces v akci. Podívejte se na video na této stránce pro lepší vizualizaci.

Zapněte si víření: Hadice ventilů a objemová účinnost

Tak proč by někdo chtěl opice kolem s tak složitým motorem? Koneckonců, byli proslulí žízní po mazacím oleji; a nebrali laskavě nečistoty, jako je drť. Odpověď je, že nabízejí výhodu objemové účinnosti. Jinými slovy, jsou mnohem lepší než běžné motory pro nasávání vzduchu do a ze spalovací komory. Také uspořádání portů poskytuje lepší charakteristiky víření. To je technik, protože vytvářejí turbulentní vzduch, což způsobuje efektivnější spalování směsi vzduchu a paliva [zdroj: Raymond].

Kolem roku 1901 koupil Charles Yale Knight rodák z Indiany tříkolový automobil Knox, aby mohl reportovat a publikovat svůj zemědělský deník na středozápadě USA. Ale našel řev vytvořený ventily automobilu jako vážnou bolest v uších. Udělal to, co by udělal jakýkoli sebevědomý podnikatel se zkušenostmi v průmyslových strojích: sám se rozhodl postavit lepší motor.

S podporou bohatého podporovatele vyvíjel a rozsáhle testoval prototypy. V roce 1906 udělal dostatečný pokrok, aby na Chicago Auto Show odhalil své čtyřválcové 40ti koňské auto „Silent Knight“.

Motor rytíře představoval ne jeden, ale dva rukávy na válec, s vnitřním rukávem klouzat uvnitř vnější. Píst zase zasunul do vnitřního pouzdra. Rytíř, věrný svému jménu, byl působivě tichý. Přestože se Knightův motor ukázal jako lepší než hlasité a křehké poppetové ventily své doby, americké automobilky mu dávaly studené rameno, zpočátku.

Rytíř a jeho finanční dobrodinec L.B. Kilbourne si vedl mnohem lépe v zámoří. Po nějakém zdokonalení designu, motor Knight našel jeho cestu na Daimler auta v Anglii (nebýt zmatený s Daimler-Benz).

Silent Knight byl hitem, a brzy další výrobci chtěli v akci rukávu ventilu - včetně automobilky ve Spojených státech. Willys auta a lehké kamiony, Daimler, a Mercedes-Benz, mezi ostatními, používal Knight rukávový ventil ventil [zdroj: Wells].

Avšak ve dvacátých letech minulého století se konstrukce rukávových ventilů posunula za Knightovu konfiguraci rukávů. Konstrukce s jednoduchým rukávem, včetně Burt-McCollum, byly lehčí, méně složité a méně nákladné na stavbu, a proto výhodnější než výrobci. S další úpravou od výrobců motorů, jako jsou Bristol a Rolls-Royce, by se dokonce dostali na oblohu.

1940: Pozemní personál se chystá naložit bomby Hawker Typhoon. Fox Photos / Getty Images

Harry R. Ricardo (později „Sir“ Harry Ricardo), narozený v Londýně v roce 1885, nečekal, až na vysokou školu zahájí inženýrské studium. Pozoroval a vstřebával se na kolena místního strojníka jako mladý chlapec a šel domů ze strojního obchodu, aby uplatnil své nové znalosti ve stavbě motorů. Později řekl:

"Jako dítě jsem byl vždy fascinován motory a mechanickými pohyby obecně, a především velkou záhadou, jak se takové věci skutečně vyráběly ... při pohledu zpět, myslím, že jsem se z těchto časných a velmi surových dozvěděl více skutečné hodnoty pokusy o design a výrobu než cokoli jiného “[zdroj: University of Cambridge].

Ricardo byl ve svém pracovním inženýrství dospělosti nevyléčitelným overachieverem. Kromě vyladění motorů na tancích, které pomohly prolomit patovou situaci první světové války, vedl průkopnický výzkum v přidělování oktanových hodnot různým druhům paliva..

Snad jeho nejpozoruhodnějším příspěvkem v letech druhé světové války byla jeho práce na zdokonalení motoru s rukávovým ventilem.

Ricardo teoretizoval ve dvacátých letech, že letadlový motor s rukávovým ventilem by mohl generovat větší výkon než srovnatelný motor s ventilovým zdvihátkem, protože by mohl generovat vyšší kompresní poměr.

Ukázalo se tak, že do roku 1941 britská letadla včetně hlavního bojového letounu Supermarine Spitfire bila bušení z německého nadřazeného Focke-Wulf Fw 190. Fw 190 také zahájila pozemní útoky na spojenecké instalace s téměř beztrestností, protože nic nemohlo chytit je v nízké nadmořské výšce poté, co shodili své bomby.

Hawker Typhoon, který vstoupil do služby v roce 1942, to změnil. Pohon motorem Napier Sabre s výkonem 2 180 koňských sil znamenal „Tiffyho“ rozběh a rozjíždění nejen to, že mohl sestřelit rychlé Luftwaffe interpretaře, ale mohl také nést bomby. Pozdnější ve válce, bomba a raketa-vybavené Typhoons by ukázal se stěžejní v podpoře spojenecké pozemní síly, zatímco oni zpřísnili smyčku nacistům a ukončili válku v Evropě [zdroj: Rickard].

Navzdory vzornému vojenskému záznamu motoru s rukávovým ventilem bylo psaní na zdi: proudové motory ovládly komerční a vojenské letectví od poválečných let dopředu.

Dědictví rytíře, Ricarda a dalších by úplně nezmizelo - nadšenci motorů by si v následujících desetiletích vzpomínali na rukávový ventil s domácími modely a na webových stránkách. Některá letadla létajícího modelu používají motory s miniaturními rukávovými ventily. A je myslitelné, že by technologie mohla zažít oživení na některých z největších a nejrychleji rostoucích automobilových trhů na světě.

Byl tedy motor s rukávovým ventilem evoluční slepá ulička, pokud jde o postup vnitřního spalování?

Řekněme to takto. Stejně jako Hollywood rád recykluje staré koncepty a dává jim novou rotaci, když docházejí nové nápady, stejně jako automobilový průmysl. Možná si vzpomínáte, že elektromobily byly před (ironicky) elektrickým startérem velmi praktické. Elektrika skoro zmizela z běžného motorismu, dokud je environmentální problémy nepřinesly zpět z hrobu na přelomu století.

Podobně by se mohl případ rozvinout u motoru spacího ventilu. Jak se říká, „to, co je staré, je znovu nové“.

Společnost Pinnacle Technologies se sídlem v Kalifornii počítá s požadavkem na zastavení poptávky po čisté a levné dopravě v Asii, aby vylepila svou moderní interpretaci rukávového ventilu. Nový motor je založen na tom, co společnost popisuje jako čtyřtaktní, zapalovací (SI), protiběžový píst.

Zakladatel Pinnacle Monty Cleeves říká, že jeho patentovaný motor může přinést 30 až 50 procentní zlepšení účinnosti oproti současným spalovacím motorům [zdroj: Pinnacle Engines].

„Tato technologie motoru poskytuje úsporu paliva a emise CO2 hybridu za cenu, kterou si může celý svět dovolit,“ uvedl Cleeves v prohlášení společnosti

Pinnacle říká, že si nedělá starosti s elektrickými vozidly, díky kterým bude její technologie v dohledné době zastaralá. Místo toho se domnívá, že existuje velká příležitost sloužit rychle rostoucím trhům, jako je Indie a Čína. Spolu s dalšími rozvojovými zeměmi chtějí vlastnictvím motorových vozidel omezit emise skleníkových plynů a zároveň zlepšit životní úroveň svých občanů. Vzhledem k tomu, že elektrická vozidla a hybridy stále vykazují významnou cenovou prémii, Pinnacle říká, že její přepracovaný rukávový ventil je dobrá „můstková technologie“, dokud nebude elektrika pro každého dostupnější..

Pinnacle, který získal rizikový kapitál v hodnotě několika milionů dolarů, uvedl, že uzavírá licenční dohodu s asijským výrobcem automobilů a očekává se, že výroba začne v roce 2013.

Poznámka autora: Jak fungují motory s rukávovým ventilem

Jako velký vojenský letoun jsem před tímto úkolem slyšel o rukávových ventilech. Ale to bylo o rozsahu toho. Vzhledem k jejich stavu v poznámce pod čarou jsem o nich vždycky uvažoval pouze abstraktně. Na rozdíl od motoru s talířovým ventilem, který můžete studovat ve své vlastní příjezdové cestě, byly tyto věci „rukávového ventilu“ pro mě jen zapomenutou, byť kuriózní technologií, jako jsou parní lokomotivy. Takže když jsem využil sílu Interwebů, abych je viděl v akci, byl jsem okamžitě zasažen úctou a obdivem. Jak lidé před 100 lety zjistili všechny potřebné úhly, tolerance, vyvážení hmotnosti a další, aby oživili tyto neuvěřitelně složité stroje? Skutečnost, že podnikatelé dnes hledají vdechnutí nového života konceptu, hovoří o genialitě a vizi původních průkopníků. Dalo by se namítnout, že původní motory s pouzdrovým ventilem z dvacátého století byly „přepracovány“ - to znamená, že byly příliš komplikované pro vlastní dobro. Nebo by to prostě mohlo být, že postrádající pokroky ve vědě o materiálech a přesnost designu podporovaného počítačem, který si dnes užíváme, byli jen před časem.

Související články

• Auto Smarts: Motory
• Jak fungují automobilové motory
• Jak funguje Atkinsonův cyklus motoru
• Jak funguje Grail Engine
• Jak fungují motory Stirling
• Hodnocení kompresního poměru a oktanu: Co potřebujete vědět
• Jak letadla fungují

Prameny

• Fehrenbacher, Katie. "The Green Overdrive Show: Super efektivní motor." GigaOm.com. 18. ledna 2012. (21. února 2012) http://gigaom.com/cleantech/the-green-overdrive-show-a-super-efficient-engine-video/
• Hodgson, Lee. "Stručná historie radiálních motorů." Agelessengines.com. (18. února 2012) http://www.agelessengines.com/history.htm
• Pinnacle Engines. "Technologie." (16. února 2012) http://pinnacle-engines.com/technology.html
• Raymond, Robert J. "Srovnání pístových motorů s pouzdry a pístovými ventily." Enginehistory.org. Duben 2005. (20. února 2012) http://www.enginehistory.org/members/articles/Sleeve.pdf
• Rickard, J. "Hawker Typhoon." Historyofwar.org. 30. dubna 2007. (15. února 2012) http://www.historyofwar.org/articles/weapons_hawker_typhoon.html
• Roush, Wade. "Pinnacle vypadá za Detroitem jako trh se svým opačným pístovým motorem." Xekonomie. 4. října 2011. (14. února 2012) http://www.xconomy.com/san-francisco/2011/10/04/pinnacle-looks-beyond-detroit-as-the-market-for-its -opposed-pístový motor /? single_page = true
• Smith, Sam. "10 nejneobvyklejších motorů všech dob." Auto a řidič. Říjen 2010 (16. února 2011) http://www.caranddriver.com/features/the-10-most-unusual-engines-of-all-time-feature
• University of Cambridge Katedra inženýrství. „Pane Harry Ricardo, F.R.s. - Pionýr nebo spalovací motor.“ (12. února 2012) http://www-g.eng.cam.ac.uk/125/achievements/ricardo/#9.%20SLEEVE
• Wells, Jerry. "Pioneer Sleeve Valve Engine." Enginehistory.org. (17. února 2012) http://www.enginehistory.org/pioneering_sleeve_valve.shtml
• YouTube.com. "Radiální animace rukávového ventilu Bristol Hercules." 8. dubna 2009. (16. února 2012) http://www.youtube.com/watch?v=_vrvep_YOio
• YouTube.com. "Bratrský motor s rukávovým ventilem, provoz rukávu." 20. srpna 2010. (17. února 2012) http://www.youtube.com/watch?feature=endscreen&v=sPd6VJQeSYw&NR=1