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 могли поднять в воздух союзники.
К счастью для союзников, техника на их стороне в конце концов склонила 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 [источник:Рикард].
Втулочно-клапанный двигатель, который использовался как в автомобилях, так и в самолетах, приводил в действие скоростные британские истребители, такие как Hawker Typhoon и Hawker Tempest. Благодаря своей грубой лошадиной силе 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, совпадают с предсказуемыми интервалами, 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, тарельчатым 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 пытается 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 «борьбе» другого рода.
Содержание
Появившись, как это было в разгар индустриальной эпохи, 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.
Так вот, вас предупредили. На самом деле, это довольно красивая вещь, когда вы понимаете, как все эти части работают вместе. Теперь засучите рукава, потому что мы собираемся разобраться с внутренней работой двигателя с золотниковым клапаном.
В этом двигателе так много всего происходит, 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. При них грибовидные клапаны под натяжением пружин ритмично открываются и закрываются, контролируя поступление и выход топлива, воздуха и отработанных выхлопных газов в цилиндр.
Рукавный клапан, с другой стороны, использует скользящую, иногда вращающуюся втулку, 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 особенность 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, собственно, происходит? Вот шаги:
Теперь умножьте это на несколько цилиндров и добавьте коленчатый вал, чтобы они вращались, и вы получите двигатель с золотниковым клапаном!
Если это звучит сложно, ну, это потому, что это так. 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 вихревой поток:золотниковые клапаны и объемная эффективностьТак зачем кому-то возиться с таким сложным двигателем? 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 сделано инженерно, потому что они создают турбулентный воздух, в результате чего смесь воздуха и топлива сгорает более эффективно [источник:Рэймонд].
Родившийся в Индиане Чарльз Йель Найт купил трехколесный автомобиль Knox примерно в 1901 году, чтобы он мог сообщать и 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 «Бесшумный рыцарь» 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 использоваться в автомобилях Daimler в Англии (не путать с Daimler-Benz).
Silent Knight стал хитом, и вскоре другие производители захотели использовать золотниковый клапан, включая автопроизводителей в Соединенных Штатах. Автомобили и легкие грузовики Willys, Daimler и Mercedes-Benz, среди прочих, использовали двигатель Knight с золотниковым клапаном [источник:Wells].
Однако к 1920-м годам конструкция золотникового клапана вышла за рамки конфигурации 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. После дальнейших модификаций таких производителей двигателей, как Bristol и Rolls-Royce, они могли бы даже подняться в небо.
Гарри Р. Рикардо (позже «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 сказал:
«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… очень грубые попытки проектирования и производства, чем из чего-либо еще" [источник:Кембриджский университет].
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 самым заметным вкладом в годы Второй мировой войны была работа над улучшением двигателя с золотниковым клапаном.
В 1920-х годах Рикардо предположил, что авиационный двигатель с золотниковым клапаном 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 обстрелам от превосходящего немецкого Focke-Wulf Fw 190. поймать их на малой высоте после того, как они сбросили бомбы.
Поступивший на вооружение в 1942 году Hawker Typhoon с клапанным двигателем изменил ситуацию. Приводимый в движение двигателем Napier Sabre мощностью 2180 лошадиных сил, "Тиффи" имел дополнительную подвижность, что означало, что он мог не только сбивать быстрых нарушителей Люфтваффе, но и мог нести бомбы. Позже 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 [источник:Рикард].
Несмотря на образцовый военный послужной список клапанно-поршневых двигателей, предрешение было предрешено:реактивные двигатели будут доминировать в гражданской и военной авиации с послевоенных лет.
Наследие Найта, Рикардо и других не исчезнет полностью — энтузиасты двигателей будут увековечивать память о двигателе с золотниковым 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.
Итак, был ли двигатель с золотниковым клапаном эволюционным тупиком по мере развития 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 внутреннего сгорания очень практичными. Электричество практически исчезло из массового автомобилестроения, пока экологические проблемы не вернули его из могилы на рубеже веков.
И так же, точно так же могло разворачиваться дело и с дремлющим клапанно-поршневым двигателем. Как говорится, "старое снова становится новым".
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 КПД на 30-50% по сравнению с существующими двигателями внутреннего сгорания [источник:Pinnacle Engines].
«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 говорит, что не беспокоится о том, что электромобили сделают их 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, компания Pinnacle заявляет, что ее переосмысленный клапан-втулка является хорошей «промежуточной технологией», пока электричество не станет более доступным для всех.
Компания Pinnacle, получившая несколько миллионов долларов венчурного капитала, заявила, что заключает лицензионное соглашение с азиатским производителем автомобилей и ожидает, что производство начнется в 2013 году.
Как большой фанат военной авиации, я слышал о двигателях с золотниковыми клапанами еще 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 воспользовался силой 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. Или это могло быть просто потому, что им не хватало достижений в материаловедении и точности автоматизированного проектирования, которыми мы наслаждаемся сегодня, они просто опередили свое время.
Как работает прокладка в моей машине?
Как работают дизельные двигатели. Часть 3
Сколько стоит новый движок? [5 движков для рассмотрения]
Что такое HEMI? Как это работает?
Как работает автомобильный термостат? (и как это проверить)