Cum funcționează motoarele cu supapă cu mânecă

Octombrie 1945: Un avion de transport Junkers JU 88 învechit cu un luptător Focke-Wulf FW 190 deasupra, pe un afișaj de aeronave britanice și germane la Royal Aircraft Establishment din Farnborough, Anglia. Aruncați o privire la animația noastră despre cum funcționează motorul cu supapă cu mânecă. Fotografii Fox / Getty Images

În timpul celui de-al Doilea Război Mondial, inginerii din regimul nazist au conceput unele dintre cele mai bune și mai avansate arme aeriene ale epocii. Un avion de luptă german, Focke-Wulf Fw 190, a depășit o perioadă peste tot ceea ce Aliații ar putea pune în aer.

Din fericire pentru Aliați, inginerii de partea lor au schimbat în cele din urmă pendulul superiorității aerului în avantajul lor. Un motor accidentat, neconvențional, despre care mulți oameni astăzi, probabil, nu au auzit niciodată despre a ajutat la neutralizarea Fw 190 și a restului Luftwaffe. În felul său, un motor a ajutat la propulsarea Aliaților către victorie [sursa: Rickard].

Motorul cu supapă cu mânecă, care a fost utilizat atât pentru automobile, cât și pentru avioane, a pus în mișcare avioane de vânătoare britanice, cum ar fi Typhoon Hawker și Hawker Tempest. Cu puterea lor brută, au ajutat Aliații să controleze cerul, să ofere sprijin aerian forțelor terestre și să câștige în cele din urmă războiul..

Dar care este exact un motor cu supapă cu mânecă și ce este cu numele amuzant? Și de ce nu vedem sau auzim multe despre ei astăzi?

Motorul își primește numele de la manșonul metalic cu pereți subțiri care alunecă în sus și în jos în interiorul fiecărui cilindru în timpul procesului de ardere. În mod obișnuit, găurile din mânecă și din cilindrul care îl conține se aliniază la intervale previzibile pentru a expulza gazele de evacuare și a aspira în aer curat.

În ciuda înregistrării sale onorabile de servicii armate, instalarea complexă a supapelor cu mânecă a pierdut față de ceea ce folosim astăzi în motoarele cu combustie internă, robinetele cu robinet. Desigur, în avioane, centralele de toate tipurile acționate cu piston au dat în mare parte motoarelor cu jet.

Dar țineți - nu aruncați valva manșonului ca o relicvă istorică inutilă.

Cel puțin o companie încearcă să readucă în acțiune venerabilul motor cu supapă cu manșon, dar cu câteva răsuciri moderne.

În următoarele pagini, vom arunca o privire asupra a ceea ce face ca motorul cu supapă să se întoarcă. De asemenea, vom examina de ce a căzut în favoarea, împreună cu motivele pentru care este apelat acum, la mai bine de un secol după invenția sa, pentru a servi într-un alt tip de „luptă”.

Acest conținut nu este compatibil pe acest dispozitiv.

cuprins

1. Tehnologia motorului cu supapă cu mânecă
2. Supape cu mânecă pe uscat - Utilizare la motoarele automobilelor
3. Robinetele cu manșon după aer - se utilizează în motoare cu avioane
4. Ce urmeaza?

Sosind așa cum s-a întâmplat în timpul înălțimii epocii industriale, motorul cu supapă cu mânecă arată ca o contracție care ar fi chiar acasă într-un roman steampunk. Inginerii moderni se minunează de istețimea sa. Și cluck-cluck la complexitatea sa ridicată.

Deci, acolo, ai fost avertizat. De fapt, este un lucru destul de frumos odată ce ai înțeles cum lucrează toate acele piese. Acum ridicați-vă mânecile, pentru că suntem pe cale să ne coborâm și să ne murdărim cu funcționarea interioară a unui motor cu supapă cu mânecă.

Acest motor se întâmplă atât de mult încât aproape sfidează descrierea. Dar vom încerca. Motoarele cu supapă cu manșon, la fel ca omologii lor cu robinet, pot avea diferite configurații. Un astfel de aranjament, motoarele cu mânecă radială folosite la avioane, arată cam cum ar fi dacă un robot „Em Sock” Em Robot ar avea un copil cu o centinelă „squiddie” de la „The Matrix”.

Pentru a înțelege ce este și face un motor cu supapă cu manșon, ar putea ajuta mai întâi să înțelegeți ce nu este. Nu este, în primul rând, sistemul popular cu care ne este cunoscut majoritatea dintre noi, un motor cu ventil cu poppet. Ventilele poppet sunt standardul de facto al motoarelor cu ardere internă de astăzi. Cu ele, robinetele în formă de ciupercă sub tensiunea arcurilor se deschid și se închid ritmic pentru a controla intrarea și ieșirea de combustibil, aer și gaze reziduale evacuate în cilindru.

Pe de altă parte, o supapă cu mânecă folosește un manșon glisant, uneori rotativ, pentru a controla cât de mult aer și combustibil sunt detonate cu fiecare cursă de compresie. Premisa de bază a aprinderii combustibilului și a aerului pentru a conduce un set de pistoane și a roti un arbore cotit este aceeași ca și în cazul altor motoare cu ardere internă.

Iată o altă caracteristică distinctă a supapelor cu mânecă. La modelele în care manșeta se rotește, porturile care sunt tăiate în ea se aliniază fie cu porturile de admisie, fie cu orificiile de evacuare din cilindru, în funcție de ce parte a cursei are loc. Un piston se mișcă în sus și în jos în interiorul fiecărui manșon, chiar dacă manșonul alunecă înainte și înapoi. Mișcarea manșonului este antrenată de angrenaje conectate la arborele cotit.

Râzâindu-vă capul tot ce are loc, mai exact? Iată pașii:

• AVC de compresie: pistonul se apropie de centrul de sus, toate porturile cilindrului sunt închise și bujia se aprinde și aprinde amestecul de combustibil / aer
• Cursa de combustie: aprinderea forțează pistonul înapoi în jos în cilindru; pe măsură ce pistonul se îndreaptă spre centrul mort-jos, căptușeala (sau manșonul) se schimbă pentru a alinia orificiile de decupaj cu orificiile de evacuare ale cilindrului
• Cursa de evacuare: gazul de evacuare este expulzat pe măsură ce pistonul revine; porturile de evacuare se închid
• Accident vascular cerebral: manșonul se rotește invers, expunând porturile de intrare a aerului; pistonul coboară, trăgând în aer curat; manșeta se schimbă pentru a închide portul de admisie pentru următoarea cursă de tragere și apoi se repetă întregul proces

Înmulțiți-l acum cu mai mulți cilindri și aruncați-o într-un arbore cotit pentru ca aceștia să se rotească și aveți singur un motor cu supapă!

Dacă sună complicat, ei bine, asta se întâmplă. Una dintre principalele lovituri împotriva acestor motoare a fost aceea că erau atât de complexe. Cu toate acestea, este puțin mai sensibil când vedeți întregul proces în acțiune. Consultați videoclipul de pe această pagină pentru a-l vizualiza mai bine.

Vă rog să vă rotiți: valve manșon și eficiență volumetrică

Deci de ce ar vrea cineva să se uite cu un motor atât de complicat? La urma urmei, aveau notorietate de sete de ulei lubrifiant; și nu s-au ocupat cu drag de impuritățile, cum ar fi granulația. Răspunsul este că oferă avantajul eficienței volumetrice. Cu alte cuvinte, sunt mult mai buni decât motoarele obișnuite la intrarea aerului în și din camera de ardere. De asemenea, amenajarea porturilor oferă caracteristici mai bune de vârtej. Acesta este un inginer, pentru că creează aer turbulent, ceea ce face ca aerul și combustibilul să ardă mai eficient [sursa: Raymond].

Charles Yale Knight, originar din Indiana, a achiziționat un automobil Knox cu trei roți în jurul anului 1901, astfel încât să poată raporta și publica jurnalul fermei sale în Midwest-ul american. Dar a constatat că zgomotul creat de supapele mașinii este o durere serioasă la urechi. Așa că a făcut ceea ce ar face orice antreprenor cu respectare de sine stătător în mașini industriale: El și-a propus să construiască el însuși un motor mai bun.

Cu ajutorul unui bogat sprijin al dezvoltatorului, el a dezvoltat și testat pe scară largă prototipuri. Până în 1906, făcuse progrese suficiente pentru a-și dezvălui mașina „Silent Knight” de 4 cilindri, 40 de cai putere, la Salonul Auto de la Chicago.

Motorul Knight nu a prezentat unul, ci două mâneci pe cilindru, cu mâneca interioară alunecând în exterior. Pistonul, la rândul său, a alunecat în interiorul manșonului interior. Cavalerul, fidel monicerului său, era impresionant de liniștit. Chiar dacă motorul Knight s-a dovedit superior valorilor de poppet puternice și fragile din zilele sale, producătorii auto din SUA i-au dat umărul rece, inițial.

Cavalerul și binefăcătorul său financiar L.B. Kilbourne a ieșit considerabil mai bine peste mări. După câteva rafinări ale proiectării, motorul Knight și-a găsit drum pe mașinile Daimler din Anglia (nu trebuie confundat cu Daimler-Benz).

Silent Knight a fost un succes, iar în curând alți producători au dorit să acționeze acțiunile supapelor de mânecă - inclusiv producătorii auto din Statele Unite. Mașinile Willys și camioanele ușoare, Daimler și Mercedes-Benz, printre altele, au folosit motorul ventilului cu manșon Knight [sursa: Wells].

Cu toate acestea, până în anii 1920, designul robinetului manșonului a avansat dincolo de configurația manșonului în interiorul manșonului Knight. Modelele cu mânecă simplă, inclusiv Burt-McCollum, au fost mai ușoare, mai puțin complexe și mai puțin costisitoare de construit și, prin urmare, preferabile producătorilor. Odată cu modificările ulterioare ale producătorilor de motoare, cum ar fi Bristol și Rolls-Royce, s-ar duce chiar la cer.

1940: Personalul de la sol se pregătește să încarce un bombon Hawker cu bombe. Fotografii Fox / Getty Images

Harry R. Ricardo (mai târziu „Sir” Harry Ricardo), născut la Londra în 1885, nu a așteptat până la facultate pentru a începe studiile sale de inginerie. El a observat și s-a absorbit la genunchiul unui mașinist local ca un băiat tânăr și ar pleca acasă de la atelierul mașiniștilor pentru a-și aplica noile cunoștințe în construirea motoarelor. El avea să spună mai târziu:

„În copilărie, am fost întotdeauna fascinat de motoare și mișcări mecanice, în general, și, mai ales, de marele mister cu privire la modul în care se făceau astfel de lucruri ... privind în urmă, cred că am învățat mai mult din valoarea reală din aceste timpuri și foarte crude încercări de proiectare și fabricare decât de la orice altceva "[sursa: Universitatea din Cambridge].

Ricardo, la maturitatea sa de inginer, a fost un angajator incurabil. În plus față de reglarea motoarelor pe tancuri care au ajutat la spargerea impasului din Primul Război Mondial, a condus cercetările de ultimă oră în ceea ce privește atribuirea de rating de octan la diferite grade de combustibil..

Poate că cea mai notabilă contribuție a sa din anii celui de-al doilea război mondial a fost munca sa pentru îmbunătățirea motorului cu supapă cu mânecă.

În anii 1920, Ricardo a spus că un motor cu avion cu supapă cu mânecă ar putea genera o putere mai mare decât un motor cu robinet comprimat, deoarece ar putea genera un raport de compresie mai mare.

Astfel, s-a dovedit că, până în 1941, aeronavele britanice, inclusiv avionul de luptă Supermarine Spitfire, au preluat o lovitură din partea superiorului german al companiei Focke-Wulf 190. Fw 190 a lansat, de asemenea, raiduri de atac la sol asupra instalațiilor aliate, cu imunitate aproape, deoarece nimic nu putea prinde-i la altitudine mică după ce au aruncat bombele.

Hawker Typhoon cu motor cu manșon, intrat în serviciu în 1942, a schimbat asta. Propulsat de un motor Napier Saber de 2.180 de cai putere, "Tiffy" este un avans suplimentar, însemnând că nu numai că ar putea doborî interlopurile rapide Luftwaffe, dar poate transporta și bombe. Mai târziu, în război, Typhoon-urile echipate cu rachete s-ar dovedi esențiale în sprijinirea forțelor terestre aliate, în timp ce întăreau zgomotul asupra naziștilor și încheiau războiul în Europa [sursa: Rickard].

În ciuda exemplificării militare exemplare a motorului cu supapă cu manșon, scrierea era pe perete: motoarele cu jet ar domina aviația comercială și militară din anii postbelici înainte.

Moștenirea lui Knight, Ricardo și alții nu ar dispărea complet - pasionații de motoare ar memora motorul cu supapă cu manșon cu modele construite acasă și pe site-uri web în deceniile următoare. Unele avioane cu model zburător folosesc motoare cu supape cu mânecă. Și este de conceput că tehnologia ar putea experimenta o reapariție pe unele dintre cele mai mari și cu cea mai rapidă creștere a piețelor auto din lume.

Deci, a fost motorul cu supapă cu manșon un capăt evolutiv, în măsura avansului combustiei interne?

Să o spunem așa. La fel ca Hollywood-ul îi place să recicleze concepte vechi și să le sprijine atunci când se bazează pe idei noi, la fel și industria auto. S-ar putea să vă amintiți că mașinile electrice au fost o afacere importantă, înainte ca (ironic) demarorul electric să facă mașinile cu ardere internă extrem de practice. Electricii au dispărut destul de mult de la motorizarea mainstream până când preocupările de mediu i-au readus din mormânt aproape de sfârșitul secolului.

Și astfel, în mod similar, s-ar putea ca cazul să se desfășoare cu motorul cu supapă cu manșon care se apleacă. După cum se spune, „ce este vechi este din nou”.

Pinnacle Technologies, din San Carlos, din California, mizează pe cererea îndepărtată pentru transportul curat și ieftin în Asia pentru a înțelege interpretarea modernă a supapei cu mânecă. Un nou motor se bazează pe ceea ce compania descrie ca o arhitectură cu patru timpi, cu aprindere prin scânteie (SI), cu piston opus, arhitectură cu supapă.

Fondatorul Pinnacle, Monty Cleeves, spune că motorul său patentat poate oferi o îmbunătățire a eficienței de la 30-50 la sută față de motoarele cu ardere internă actuală [sursa: Pinnacle Engines].

"Această tehnologie a motorului asigură economia de combustibil și emisiile de CO2 ale unui hibrid la un preț pe care îl poate permite întreaga lume", a spus Cleeves într-un comunicat emis de companie

Pinnacle spune că nu este îngrijorat de faptul că vehiculele electrice fac ca tehnologia sa să fie învechită în curând. În schimb, consideră că există o mare oportunitate de a servi piețe cu creștere rapidă, precum India și China. Aceștia și alte țări în curs de dezvoltare doresc să reducă emisiile de gaze cu efect de seră, îmbunătățind în același timp nivelul de trai al cetățenilor lor, prin proprietatea autovehiculelor. Întrucât vehiculele electrice și hibrizii mai poartă o primă semnificativă la prețuri, Pinnacle spune că supapa sa de revizuire cu manșon este o „tehnologie punte” bună până când electricele devin mai accesibile pentru toată lumea.

Pinnacle, care a primit mai multe milioane de dolari în capital de risc, a declarat că urmărește un acord de licență cu un producător auto auto din Asia și se așteaptă ca producția să înceapă în 2013.

Nota autorului: Cum funcționează motoarele cu supapă cu mâner

Ca un mare geek de avioane militare, am auzit despre motoarele cu supapă cu mânecă înainte de această însărcinare. Dar asta a fost despre amploarea acesteia. Având în vedere statutul lor de notă de subsol în istorie, mă gândisem la ele doar la rezumat. Spre deosebire de un motor cu ventil cu poppet pe care îl poți studia în propriul drum, aceste „lucruri cu supapă cu mânecă” au fost pentru mine doar o tehnologie uitată, chiar și ciudată, precum locomotivele cu aburi. Așa că, când am atins puterea Interwebs pentru a le vedea în acțiune, am fost instantaneu atât de uimit, cât și de admirație. Cum și-au dat seama oamenii de acum 100 de ani toate unghiurile, toleranțele, balanțele de greutate și multe altele necesare pentru a aduce viața acestor mașini incredibil de complexe? Faptul că întreprinzătorii astăzi caută să inspire o nouă viață în concept vorbește despre volumul și viziunea acelor pionieri originali. Se poate argumenta că motoarele originale cu manșon din secolul al XX-lea erau „supra-proiectate” - adică erau prea complicate pentru binele lor. Sau pur și simplu ar putea fi faptul că, lipsite de progresele din știința materialelor și de precizia designului asistat de computer de care ne bucurăm astăzi, acestea au fost doar înainte de timpul lor.

Articole similare

• Car Smarts: Motoare
• Cum funcționează motoarele auto
• Cum funcționează un motor cu ciclu Atkinson
• Cum funcționează motorul Graal
• Cum funcționează motoarele Stirling
• Raportul de compresie și evaluările de octan: Ce trebuie să știți
• Cum funcționează avioanele

surse

• Fehrenbacher, Katie. "Spectacolul ecologic verde: un motor super eficient." GigaOm.com. 18 ianuarie 2012. (21 februarie 2012) http://gigaom.com/cleantech/the-green-overdrive-show-a-super-efficient-engine-video/
• Hodgson, Lee. „O scurtă istorie a motoarelor radiale”. Agelessengines.com. (18 februarie 2012) http://www.agelessengines.com/history.htm
• Motoare Pinnacle "Tehnologie." (16 februarie 2012) http://pinnacle-engines.com/technology.html
• Raymond, Robert J. "Comparația motoarelor cu piston pentru aeronave cu mânecă și poppet-valve." Enginehistory.org. Aprilie 2005. (20 februarie 2012) http://www.enginehistory.org/members/articles/Sleeve.pdf
• Rickard, J. „Hawker Typhoon”. Historyofwar.org. 30 aprilie 2007. (15 februarie 2012) http://www.historyofwar.org/articles/weapons_hawker_typhoon.html
• Roush, Wade. "Pinnacle arată dincolo de Detroit ca piață pentru motorul său cu piston opus." Xconomy. 4 octombrie 2011. (14 februarie 2012) http://www.xconomy.com/san-francisco/2011/10/04/pinnacle-looks-beyond-detroit-as-the-market-for-its -opposed-piston-motor /? single_page = true
• Smith, Sam. „Cele mai neobișnuite 10 motoare ale tuturor timpurilor”. Mașină și șofer. Octombrie 2010. (16 februarie 2011) http://www.caranddriver.com/features/the-10-most-unusual-engines-of-all-time-feature
• Universitatea din Cambridge Departamentul de Inginerie. "Sir Harry Ricardo, F.R.s. - Un pionier sau motorul cu ardere internă." (12 februarie 2012) http://www-g.eng.cam.ac.uk/125/achievements/ricardo/#9.%20SLEEVE
• Wells, Jerry. "Motor cu supapă cu mâner." Enginehistory.org. (17 februarie 2012) http://www.enginehistory.org/pioneering_sleeve_valve.shtml
• YouTube.com. "Animație radială cu manșon Bristol Hercules". 8 aprilie 2009. (16 februarie 2012) http://www.youtube.com/watch?v=_vrvep_YOio
• YouTube.com. "Motor cu supapă de frânare, funcționare manșon." 20 august 2010. (17 februarie 2012) http://www.youtube.com/watch?feature=endscreen&v=sPd6VJQeSYw&NR=1