Во время Второй мировой войны инженеры нацистского режима разработали одни из лучших и самых передовых воздушных вооружений той эпохи. Один немецкий истребитель, Focke-Wulf Fw 190, на какое-то время превзошел все, что союзники могли поднять в воздух.
К счастью для союзников, инженерное дело на их стороне в конце концов склонило маятник превосходства в воздухе в их пользу. Прочный, нетрадиционный двигатель, о котором многие люди сегодня, вероятно, даже никогда не слышали, помог нейтрализовать Fw 190 и остальную часть Люфтваффе. По-своему двигатель помог союзникам победить.
Гильзоклапанный двигатель, который использовался как в автомобилях, так и в самолетах, приводил в действие скоростные британские истребители, такие как Hawker Typhoon и Hawker Tempest. С их грубой лошадиной силой они помогли союзникам контролировать небо, оказывать поддержку с воздуха наземным войскам и в конечном итоге выиграть войну.
Но что такое золотниковый двигатель и что за смешное название? И почему мы мало видим и слышим о них сегодня?
Двигатель получил свое название от тонкостенной металлической втулки, которая скользит вверх и вниз внутри каждого цилиндра в процессе сгорания. Как правило, отверстия в гильзе и в цилиндре, содержащем ее, совмещаются через предсказуемые промежутки времени, чтобы выпускать выхлопные газы и всасывать свежий воздух.
Несмотря на свой почетный послужной список в вооруженных силах, сложная конструкция золотникового клапана уступила тому, что мы используем сегодня в двигателях внутреннего сгорания, толкательным клапанам. В самолетах, конечно, поршневые силовые установки всех типов в значительной степени уступили место реактивным двигателям.
Но подождите, пока не считайте золотник бесполезным историческим пережитком.
По крайней мере, одна компания стремится вернуть в действие почтенный двигатель с золотниковым клапаном, но с некоторыми современными изменениями.
На следующих нескольких страницах мы рассмотрим, что заставляет вращаться двигатель с золотниковым клапаном. Мы также рассмотрим, почему он потерял популярность, а также причины, по которым его призывают сейчас, более чем через столетие после его изобретения, для участия в иной «борьбе».
Технология двигателя с золотниковым клапаном
Появившийся в разгар индустриальной эры, двигатель с золотниковым клапаном выглядит как хитроумное изобретение, которое было бы уместно в романе в стиле стимпанк. Современные инженеры восхищаются его изобретательностью. И куда-то куда-то на его высокую сложность.
Итак, вас предупредили. На самом деле, это довольно красивая вещь, когда вы понимаете, как все эти части работают вместе. А теперь засучите рукава, потому что мы собираемся разобраться с внутренней работой двигателя с клапаном.
В этом движке так много всего, что это почти не поддается описанию. Но мы попробуем. Двигатели с золотниковым клапаном, как и их аналоги с толкательным клапаном, могут иметь множество различных конфигураций. Одно из таких устройств, двигатели с радиальным клапаном, используемые в самолетах, немного похоже на то, что вы могли бы получить, если бы у робота Rock 'Em Sock 'Em родился ребенок со стражем-кальмаром из «Матрицы».
Чтобы понять, что такое двигатель с золотниковым клапаном и что он делает, может помочь сначала понять, чем он не является. Это, в первую очередь, не популярная система, с которой знакомо большинство из нас, двигатель с тарельчатым клапаном. Тарельчатые клапаны являются стандартом де-факто для современных двигателей внутреннего сгорания. С ними грибовидные клапаны под натяжением пружин ритмично открываются и закрываются, контролируя поступление и выход топлива, воздуха и отработанных выхлопных газов в цилиндр.
В золотниковом клапане, с другой стороны, используется скользящая, а иногда и вращающаяся втулка, чтобы контролировать, сколько воздуха и топлива детонирует при каждом такте сжатия. Основная предпосылка воспламенения топлива и воздуха для привода набора поршней и вращения коленчатого вала такая же, как и в других двигателях внутреннего сгорания.
Вот еще одна отличительная черта золотниковых клапанов. В конструкциях, в которых втулка вращается, вырезанные в ней отверстия совпадают либо с впускными, либо с выпускными отверстиями в цилиндре, в зависимости от того, какая часть хода происходит. Поршень движется вверх и вниз внутри каждой втулки, даже когда втулка скользит вперед и назад. Движение втулки приводится в движение шестернями, соединенными с коленчатым валом.
До сих пор ломаете голову над тем, что именно происходит? Вот шаги:
- Такт сжатия: поршень приближается к верхней мертвой точке, все порты цилиндра закрыты, свеча зажигания воспламеняет топливно-воздушную смесь
- Такт сгорания: воспламенение заставляет поршень вернуться в цилиндр; по мере того, как поршень достигает нижней мертвой точки, гильза (или гильза) смещается, чтобы совместить свои вырезы с выпускными отверстиями цилиндра
- Такт выпуска: выхлопной газ выбрасывается, когда поршень возвращается вверх; выхлопные отверстия закрываются
- Впускной ход: втулка вращается в другую сторону, обнажая воздухозаборные отверстия; поршень опускается, втягивая свежий воздух; втулка смещается, чтобы закрыть впускное отверстие для следующего такта зажигания, а затем весь процесс повторяется
Теперь умножьте это на несколько цилиндров и добавьте коленчатый вал, чтобы они вращались, и вы получите двигатель с золотниковым клапаном!
Если это звучит сложно, значит, так оно и есть. Одним из главных недостатков этих двигателей была их сложность. Однако это имеет немного больше смысла, когда вы видите весь процесс в действии. Посмотрите видео на этой странице, чтобы лучше его представить.
Включите завихрение: обратные клапаны и объемная эффективность
Так зачем кому-то возиться с таким сложным движком? В конце концов, они были известны жаждой смазочного масла; и они не любили такие примеси, как песок. Ответ заключается в том, что они предлагают преимущество объемной эффективности. Другими словами, они намного лучше обычных двигателей подают воздух в камеру сгорания и из нее. Кроме того, расположение портов обеспечивает лучшие характеристики завихрения. Это инженерно, потому что они создают турбулентный воздух, в результате чего смесь воздуха и топлива сгорает более эффективно.
Втулочные клапаны наземного производства - использование в автомобильных двигателях
Уроженец Индианы Чарльз Йель Найт купил трехколесный автомобиль Knox примерно в 1901 году, чтобы публиковать свой фермерский журнал на Среднем Западе США. Но он обнаружил, что грохот, создаваемый клапанами автомобиля, вызывает серьезную боль в ушах. Поэтому он сделал то, что сделал бы любой уважающий себя предприниматель, имеющий опыт работы с промышленным оборудованием: он решил сам построить двигатель получше.
При поддержке богатого покровителя он разработал и тщательно протестировал прототипы. К 1906 году он добился достаточного прогресса, чтобы представить свой 4-цилиндровый 40-сильный автомобиль «Silent Knight» на Чикагском автосалоне.
Двигатель Knight имел не одну, а две гильзы на цилиндр, причем внутренняя гильза скользила внутри внешней. Поршень, в свою очередь, скользил внутрь внутренней втулки. Рыцарь, верный своему прозвищу, был впечатляюще тихим. Несмотря на то, что двигатель Knight оказался лучше громких и хрупких тарельчатых клапанов того времени, американские автопроизводители поначалу относились к нему холодно.
Найт и его финансовый благодетель Л. Б. Килбурн жил значительно лучше за границей. После некоторых усовершенствований конструкции двигатель Knight стал применяться в автомобилях Daimler в Англии (не путать с Daimler-Benz).
Молниеносный рыцарь стал хитом, и вскоре другие производители захотели принять участие в работе золотникового клапана, включая автопроизводителей в Соединенных Штатах. Автомобили и легкие грузовики Willys, Daimler и Mercedes-Benz, среди прочего, использовали двигатель Knight с клапаном.
Однако к 1920-м годам конструкция золотникового клапана вышла за рамки схемы Найта «рукав в рукаве». Конструкции с одним рукавом, включая Burt-McCollum, были легче, менее сложными и менее затратными в изготовлении, и поэтому предпочтительнее для производителей. С дальнейшими модификациями от производителей двигателей, таких как Bristol и Rolls-Royce, они могли бы даже подняться в небо.
Втулочные клапаны для воздуха - использование в авиационных двигателях
Гарри Р. Рикардо (впоследствии «сэр» Гарри Рикардо), родившийся в Лондоне в 1885 году, не стал дожидаться колледжа, чтобы начать свое инженерное образование. В детстве он наблюдал и впитывал на коленях местного слесаря и возвращался домой из мастерской, чтобы применить свои новые знания в создании двигателей. Позже он говорил:
" В детстве я всегда был очарован двигателями и механическими движениями в целом, и, прежде всего, великой тайной того, как на самом деле были сделаны такие вещи. Оглядываясь назад, я думаю, что узнал больше реальной ценности из этих ранних и очень грубые попытки проектирования и изготовления, чем из чего-либо еще».
Рикардо в зрелом возрасте работал инженером и был неисправимым отличником. Помимо настройки двигателей на танках, которые помогли выйти из тупика Первой мировой войны, он руководил новаторскими исследованиями по присвоению октанового числа различным сортам топлива.
Возможно, его наиболее заметным вкладом в годы Второй мировой войны была его работа по усовершенствованию двигателя с гильзовым клапаном.
Рикардо в 1920-х годах предположил, что авиационный двигатель с клапаном втулочного типа может генерировать большую мощность, чем сопоставимый двигатель с толкательным клапаном, потому что он может создавать более высокую степень сжатия.
Так получилось, что к 1941 году британская авиация, включая основной истребитель Supermarine Spitfire, подвергалась обстрелу от превосходящего немецкого Focke-Wulf Fw 190. Fw 190 также совершали налеты на объекты союзников с почти безнаказанность, так как ничто не могло застать их на малой высоте после того, как они сбросили бомбы.
Hawker Typhoon с клапанно-поршневым двигателем, поступивший на вооружение в 1942 году, изменил ситуацию. Приводимый в движение двигателем Napier Sabre мощностью 2 180 л. Позднее во время войны оснащенные бомбами и ракетами «Тайфуны» сыграли решающую роль в поддержке сухопутных войск союзников, когда они затягивали петлю на нацистах и заканчивали войну в Европе..
Несмотря на образцовый военный послужной список двигателей с золотниковым клапаном, надпись была на стене: реактивные двигатели будут доминировать в коммерческой и военной авиации с послевоенных лет.
Наследие Найта, Рикардо и других не исчезнет полностью - энтузиасты двигателей будут увековечивать память двигателя с гильзовым клапаном в самодельных моделях и на веб-сайтах в последующие десятилетия. В некоторых летающих моделях самолетов используются миниатюрные двигатели с золотниковым клапаном. И вполне возможно, что эта технология может возродиться на некоторых из крупнейших и наиболее быстрорастущих автомобильных рынков мира.
Что дальше?
Итак, был ли двигатель с золотниковым клапаном эволюционным тупиком, если говорить о прогрессе внутреннего сгорания?
Скажем так. Точно так же, как Голливуд любит перерабатывать старые концепции и придавать им свежий смысл, когда у него заканчиваются новые идеи, так же поступает и автомобильная промышленность. Как вы помните, электромобили имели большое значение до того, как (по иронии судьбы) электрический стартер сделал автомобили с двигателем внутреннего сгорания очень практичными. Электрика в значительной степени исчезла из автомобильного мейнстрима, пока экологические проблемы не вернули ее из могилы на рубеже веков.
И так, аналогично, могло разворачиваться дело с дремлющим гильзовым двигателем. Как говорится, «что старое, то снова новое».
Компания Pinnacle Technologies, расположенная в Сан-Карлосе, Калифорния, рассчитывает на неудовлетворенный спрос на экологически чистые и дешевые перевозки в Азии, чтобы раскупить свою современную интерпретацию золотникового клапана. Новый двигатель основан на том, что компания описывает как четырехтактный двигатель с искровым зажиганием (SI), оппозитным поршнем и золотниковым клапаном.
Основатель Pinnacle Монти Кливз говорит, что его запатентованный двигатель может повысить эффективность на 30-50% по сравнению с современными двигателями внутреннего сгорания.
«Эта технология двигателя обеспечивает экономию топлива и выбросы CO2 гибрида по цене, которую может себе позволить весь мир», - сказал Кливз в опубликованном компанией заявлении
Pinnacle заявляет, что ее не беспокоит то, что электромобили сделают ее технологию устаревшей в ближайшее время. Вместо этого она считает, что есть большие возможности для обслуживания быстрорастущих рынков, таких как Индия и Китай. Они и другие развивающиеся страны хотят сократить выбросы парниковых газов, одновременно повышая уровень жизни своих граждан за счет владения автомобилями. Поскольку электромобили и гибриды по-прежнему имеют значительную надбавку к цене, Pinnacle говорит, что их переосмысленная втулка-клапан является хорошей «промежуточной технологией», пока электричество не станет более доступным для всех..
Pinnacle, получившая несколько миллионов долларов венчурного капитала, заявила, что заключает лицензионное соглашение с азиатским производителем автомобилей и ожидает, что производство начнется в 2013 году.
Примечание автора. Как работают двигатели с золотниковым клапаном
Как большой специалист по военной авиации, я слышал о двигателях с клапанами скольжения до этого задания. Но это было примерно так. Учитывая их статус сноски в истории, я всегда думал о них просто абстрактно. В отличие от двигателя с тарельчатым клапаном, который вы можете изучить у себя на подъездной дорожке, эти «штучки с клапаном и втулкой» были для меня просто забытой, хотя и странной технологией, такой как паровозы. Поэтому, когда я прикоснулся к силе Интерсетей, чтобы увидеть их в действии, меня сразу же поразили благоговение и восхищение. Как люди 100 лет назад выяснили все необходимые углы, допуски, балансировку веса и многое другое, чтобы воплотить в жизнь эти невероятно сложные машины? Тот факт, что сегодня предприниматели стремятся вдохнуть новую жизнь в эту концепцию, красноречиво говорит о гении и дальновидности тех первопроходцев. Можно возразить, что первоначальные двигатели с золотниковым клапаном двадцатого века были «слишком сложными», то есть слишком сложными для их собственного блага. А может быть, просто им не хватало достижений в области материаловедения и точности автоматизированного проектирования, которыми мы наслаждаемся сегодня, и они просто опередили свое время.