Hvordan motorer med ermet ventil

Oktober 1945: Et foreldet Junkers JU 88-transportfly med en Focke-Wulf FW 190-jagerfly på toppen, ved en visning av britiske og tyske fly på Royal Aircraft Etablissement i Farnborough, England. Ta en titt på animasjonen vår om hvordan hylseventilmotoren fungerer. Fox Photos / Getty Images

Under andre verdenskrig utviklet ingeniører innen naziregimet noen av tidenes beste og mest avanserte luftvåpen. Et tysk jagerfly, Focke-Wulf Fw 190, overgikk for en tid bedre enn de allierte kunne sette i luften.

Heldigvis for de allierte svingte engineering på deres side etter hvert luftoverlegenhetspendelen til deres fordel. En robust, ukonvensjonell motor som mange i dag sannsynligvis aldri en gang har hørt om bidro til å nøytralisere Fw 190 og resten av Luftwaffe. På sin egen måte hjalp en motor med å drive de allierte til seier [kilde: Rickard].

Ermeventilmotoren, som har blitt brukt på både biler og fly, drev raske britiske jagerfly som Hawker Typhoon og Hawker Tempest. Med sine brute hestekrefter hjalp de de allierte med å kontrollere himmelen, ga luftstøtte til bakkestyrker og til slutt vinne krigen.

Men hva er egentlig en hylseventilmotor, og hva er det med det morsomme navnet? Og hvorfor får vi ikke se eller høre mye om dem i dag?

Motoren får navnet fra den tynnveggede metallhylsen som glir opp og ned i hver sylinder under forbrenningsprosessen. Vanligvis huller i hylsen og i sylinderen som inneholder den på linje med forutsigbare intervaller for å utvise avgasser og suge inn frisk luft.

Til tross for sin ærefulle væpnede tjenesterrekord, mistet det komplette hylseventiloppsettet det vi bruker i forbrenningsmotorer i dag, tappeventiler. I fly ga naturligvis stempeldrevne kraftverk av alle typer i stor grad plass for jetmotorer.

Men hold på - ikke avskjed ermeventilen som en ubrukelig historisk relikvie ennå.

Minst ett selskap søker å bringe den ærverdige hylseventilmotoren tilbake i handling, men med noen få moderne vendinger.

I løpet av de neste sidene tar vi en titt på hva som får muffeventilmotoren til å snu. Vi vil også undersøke hvorfor det falt ut av fordel, sammen med årsakene til at det blir kalt opp nå, mer enn et århundre etter oppfinnelsen, for å tjene i en annen type "kamp".

Dette innholdet er ikke kompatibelt på denne enheten.

innhold

1. Ermet ventil Teknologi
2. Ermeventiler til land - Bruk i bilmotorer
3. Ermeventiler med fly - Bruk i flymotorer
4. Hva blir det neste?

Når hylsen-ventilmotoren kom som den gjorde i høyden av den industrielle tidsalderen, ser den ut som en kontrast som ville være hjemme i en steampunk-roman. Moderne ingeniører beundrer sin dyktighet. Og kløe på sin høye kompleksitet.

Så der har du blitt advart. Egentlig er det en ganske vakker ting når du først har forstått hvordan alle disse brikkene fungerer sammen. Nå rull opp ermene, for vi er i ferd med å bli skitne og skitne av de indre virkningene til en ermet-ventilmotor.

Denne motoren har så mye på gang at den nesten trosser beskrivelsen. Men vi får prøve. Ermeventilmotorer, i likhet med tappeventilens motstykker, kan komme i mange forskjellige konfigurasjoner. Et slikt arrangement, de radielle hylseventilmotorene som brukes på fly, ligner litt på hva du kan få hvis en Rock 'Em Sock' Em Robot hadde en baby med en "squiddie" -vakt fra "The Matrix."

For å forstå hva en hylseventilmotor er og gjøre, kan det hjelpe å først forstå hva den ikke er. Det er ikke først og fremst det populære systemet de fleste av oss er kjent med, en klappventilmotor. Poppetventiler er de facto standard på dagens forbrenningsmotorer. Med seg åpner og lukkes soppformede ventiler under fjærspenningen rytmisk for å kontrollere inn- og utkjøring av drivstoff, luft og avfallsgasser i sylinderen.

En hylseventil bruker derimot en glidende, noen ganger roterende hylse for å kontrollere hvor mye luft og drivstoff som blir detonert med hvert kompresjonsslag. Den grunnleggende forutsetningen for å tenne drivstoff og luft for å drive et sett med stempler og vri en veivaksel er den samme som med andre forbrenningsmotorer.

Her er et annet tydelig trekk ved ermeventiler. På design der hylsen roterer, porter portene som er kuttet i den, enten med inntaksportene eller eksosportene i sylinderen, avhengig av hvilken del av stryket som foregår. Et stempel beveger seg opp og ned i hver erme, selv når hylsen glir frem og tilbake. Ermerebevegelsen drives av tannhjul koblet til veivakselen.

Skrapes hodet fremdeles på hva, nøyaktig, som skjer? Her er trinnene:

• Kompresjonsslag: stempelet nærmer seg topp-død-sentrum, alle sylinderens porter er lukket, og tennpluggen fyrer og tenner drivstoff / luftblandingen
• Forbrenningslag: tenning tvinger stempelet ned i sylinderen; når stempelet går til bunndød sentrum, forskyves foringen (eller hylsen) for å samkjøre utklippsåpningene med sylinderens eksosåpninger
• Eksosstrøk: avgass blir utvist når stempelet kommer opp igjen; eksosportene stenger
• Inntakslag: hylsen roterer den andre veien, slik at luftinntaksportene blir utsatt; stempelet synker ned, trekker inn frisk luft; hylsen forskyves for å lukke inntaksporten for neste skytslag og deretter gjentas hele prosessen

Multipliser nå det med flere sylindere, og kast i en veivaksel for at de skal rotere, så har du deg en ermeventilmotor!

Hvis det høres komplisert ut, vel, det er fordi det er det. En av de viktigste bankene mot disse motorene var at de var så sammensatte. Det er imidlertid litt mer fornuftig når du ser hele prosessen i aksjon. Sjekk ut videoen på denne siden for å visualisere den bedre.

Få din virvel på: ermeventiler og volumetrisk effektivitet

Så hvorfor skulle noen ønske å monke seg rundt med en motor som er så komplisert? De var jo beryktet tørst etter smøreolje; og de tok ikke med seg urenheter som korn. Svaret er at de tilbyr fordelen med volumetrisk effektivitet. Med andre ord, de er mye bedre enn vanlige motorer med å få luft inn og ut av forbrenningskammeret. Anordningen av portene gir også bedre virvelegenskaper. Det er ingeniør ese for, de skaper turbulent luft, og får luft- og drivstoffblandingen til å brenne mer effektivt [kilde: Raymond].

Indiana-fødte Charles Yale Knight kjøpte en trehjulet Knox-bil rundt 1901 slik at han kunne rapportere og publisere gårdsdagbok i USA Midtvesten. Men han fant at skravlingen som ble laget av bilens ventiler, var en alvorlig smerte i ørene. Så han gjorde det enhver selvrespekt-gründer med bakgrunn i industrimaskiner ville gjøre: Han bestemte seg for å bygge en bedre motor selv.

Med en velstående støtte, utviklet han og testet omfattende prototyper. I 1906 hadde han gjort nok fremgang for å avsløre sin 4-sylindrede, 40 hestekrefter "Silent Knight" -bil på Chicago Auto Show.

Riddermotoren inneholdt ikke en, men to ermer per sylinder, med den indre hylsen glidende innenfor det ytre. Stempelet gled på sin side inni den indre hylsen. Ridderen, tro mot sin moniker, var imponerende stille. Selv om Knight-motoren viste seg overlegen i forhold til de høye og skjøre klappventilene på dagen, ga amerikanske bilprodusenter den kalde skulderen.

Ridder og hans økonomiske velgjører L.B. Kilbourne klarte seg betydelig bedre utenlands. Etter noen forbedringer i designet fant Knight-motoren veien inn på Daimler-biler i England (ikke for å forveksle med Daimler-Benz).

The Silent Knight var en hit, og snart ønsket andre produsenter seg inn på hylseventilaksjonen - inkludert bilprodusenter i USA. Willys biler og lette lastebiler, Daimler, og Mercedes-Benz, blant andre, benyttet seg av riddermuffventilen (kilde: Wells).

På 1920-tallet hadde imidlertid design av hylseventiler gått utover Knights ermer-innenfor-en-erme-konfigurasjon. Enkelt-ermet design, inkludert Burt-McCollum, var lettere, mindre komplekse og rimeligere å bygge, og derfor foretrukket for produsenter. Med ytterligere modifisering fra motorprodusenter som Bristol og Rolls-Royce, ville de til og med ta himmelen.

1940: Markpersonalet forbereder seg på å laste en Hawker Typhoon med bomber. Fox Photos / Getty Images

Harry R. Ricardo (senere "Sir" Harry Ricardo), født i London i 1885, ventet ikke til college for å begynne sine ingeniørstudier. Han observerte og absorberte ved kneet til en lokal maskinist som ung gutt, og ville dra hjem fra maskinistbutikken for å anvende sin nye kunnskap i bygging av motorer. Han vil senere si:

"Som barn ble jeg alltid fascinert av motorer og mekaniske bevegelser generelt, og fremfor alt, av det store mysteriet om hvordan slike ting faktisk ble gjort ... når jeg ser tilbake, tror jeg at jeg lærte mer av faktisk verdi fra disse tidlige og veldig grove forsøk på design og produksjon enn fra noe annet "[kilde: University of Cambridge].

Ricardo, i hans arbeidende ingeniør voksen alder, var en uhelbredelig overachiever. I tillegg til å finjustere motorene på stridsvogner som hjalp til med å bryte stalmen fra første verdenskrig, ledet han banebrytende forskning på å tildele oktanvurderinger til forskjellige drivstoffgrader.

Kanskje hans mest bemerkelsesverdige bidrag i andre verdenskrig år var hans arbeid med å gjøre hylseventilmotoren bedre.

Ricardo teoretiserte på 1920-tallet at en hylseventilflymotor kunne generere større hestekrefter enn en sammenlignbar tappeventilmotor fordi den kunne generere et høyere kompresjonsforhold.

Det viste seg at innen 1941 tok britiske fly inkludert bærebjelken Supermarine Spitfire jagerfly et dundrende slag fra Tysklands overordnede Focke-Wulf Fw 190. Fw 190-årene satte også igang angrep på allierte installasjoner med nærmest straffrihet, siden ingenting kunne fange dem i lav høyde etter at de la sine bomber.

Den ermerventilmotorerte Hawker Typhoon, som gikk inn i tjeneste i 1942, endret det. Drevet av en 2,180 hestekrefter Napier Saber-motor, betydde "Tiffys" ekstra komme-og-gå-det at den ikke bare kunne skyte ned raske Luftwaffe-interlopere, men den kunne også bære bomber. Senere i krigen ville bombe- og rakettutstyrte tyfoner vise seg å være sentrale i å støtte allierte bakkestyrker da de strammet stussen mot nazistene og avsluttet krigen i Europa [kilde: Rickard].

Til tross for ermeventilmotorens forbilledlige militære post, var forfatterskapet på veggen: jetmotorer ville dominere kommersiell og militær luftfart fra etterkrigstiden fremover..

Arven etter Knight, Ricardo og andre ville ikke helt gå bort - motorentusiaster ville minne minneventilmotoren med hjemmebygde modeller og på nettsteder i tiårene som fulgte. Noen flyvende modellfly bruker miniatyrhylse-ventilmotorer. Og det kan tenkes at teknologien kan oppleve en gjenoppblomstring i noen av verdens største og raskest voksende bilmarkeder.

Så var hylseventilmotoren en evolusjonær blindvei, så langt som forbrenningen?

La oss si det på denne måten. Akkurat som Hollywood liker å resirkulere gamle konsepter og legge et nytt snurr på dem når det går lite på nye ideer, så gjør også bilindustrien. Elektriske biler, kan du huske, var veldig mye før (ironisk nok) den elektriske starteren gjorde forbrenningsbiler svært praktiske. Elektrikk forsvant ganske mye fra mainstream-bilkjøring til miljøhensyn førte dem tilbake fra graven nær århundreskiftet.

Og på samme måte kan tilfelle utfolde seg med den slumrende hylseventilmotoren. Som det sies: "Det som er gammelt, er nytt igjen."

San Carlos, California-baserte Pinnacle Technologies, stoler på opphentet etterspørsel etter ren, billig transport i Asia for å fange opp sin moderne tolkning av hylseventilen. En ny motor er basert på det selskapet beskriver som en firetakts, gnisttenning (SI), motstående stempel, hylseventilarkitektur.

Pinnacle-grunnlegger Monty Cleeves sier at hans patenterte motor kan gi en effektivitetsforbedring på 30-50 prosent i forhold til nåværende forbrenningsmotorer [kilde: Pinnacle Engines].

"Denne motorteknologien gir drivstofføkonomi og CO2-utslipp av en hybrid til en pris som hele verden har råd til," sa Cleeves i en uttalelse fra selskapet

Pinnacle sier at den ikke er bekymret for at elektriske biler gjør teknologien foreldet når som helst. I stedet tror den at det er en stor mulighet til å betjene raskt voksende markeder som India og Kina. De og andre utviklingsland ønsker å dempe klimagassutslipp mens de forbedrer innbyggernes levestandard, gjennom eierskap til motorvogner. Siden elektriske kjøretøyer og hybrider fremdeles har en betydelig prispremie, sier Pinnacle at den gjenutsette hylseventilen er en god "broteknologi" til elektrisitet blir rimeligere for alle.

Pinnacle, som har mottatt flere millioner dollar i risikovillig kapital, sa at den forfulgte en lisensavtale med en asiatisk bilprodusent, og at den forventet at produksjonen skulle starte i 2013.

Forfatterens merknad: Slik fungerer motorer med ermet ventil

Som en stor nyk militærfly hadde jeg hørt om hylseventilmotorer før dette oppdraget. Men det handlet om omfanget av det. Gitt deres fotnote-i-historie status, hadde jeg alltid tenkt på dem bare i det abstrakte. I motsetning til en klappventilmotor som du kan studere i din egen innkjørsel, var disse "hylseventil-tingene" for meg bare en glemt, hvis eiendommelig teknologi, som damplokomotiver. Så da jeg trykket på interwebbenes kraft for å se dem i aksjon, ble jeg øyeblikkelig slått av ærefrykt og beundring. Hvordan fant folk ut for 100 år siden ut alle nødvendige vinkler, toleranser, vektbalanser og mer for å få disse utrolig komplekse maskinene til liv? Det faktum at gründere i dag ønsker å puste nytt liv i konseptet, taler bind om de originale pionerers geni og visjon. Man kan hevde at de originale, hylseventilmotorene fra det tjuende århundre var "overkonstruerte" - det vil si at de var for kompliserte til sitt eget beste. Eller det kan ganske enkelt være at de manglet fremskritt innen materialvitenskap og presisjonen med datastøttet design som vi liker i dag, bare var foran sin tid.

relaterte artikler

• Car Smarts: Motorer
• Hvordan bilmotorer fungerer
• Hvordan en Atkinson Cycle Engine fungerer
• Slik fungerer Grail Engine
• Hvordan virvlende motorer fungerer
• Kompressjonsforhold og oktanvurderinger: Det du trenger å vite
• Hvordan fly fungerer

kilder

• Fehrenbacher, Katie. "The Green Overdrive Show: En supereffektiv motor." GigaOm.com. 18. januar 2012. (21. februar 2012) http://gigaom.com/cleantech/the-green-overdrive-show-a-super-efficient-engine-video/
• Hodgson, Lee. "En kort historie om radiale motorer." Agelessengines.com. (18. februar 2012) http://www.agelessengines.com/history.htm
• Pinnacle-motorer. "Teknologi." (16. februar 2012) http://pinnacle-engines.com/technology.html
• Raymond, Robert J. "Comparison of Sleeve and Poppet-Valve Aircraft Piston Motors." Enginehistory.org. April 2005. (20. februar 2012) http://www.enginehistory.org/members/articles/Sleeve.pdf
• Rickard, J. "Hawker Typhoon." Historyofwar.org. 30. april 2007. (15. februar 2012) http://www.historyofwar.org/articles/weapons_hawker_typhoon.html
• Roush, Wade. "Pinnacle ser utover Detroit som markedet for sin motstående stempelmotor." Xconomy. 4. oktober 2011. (14. februar 2012) http://www.xconomy.com/san-francisco/2011/10/04/pinnacle-looks-beyond-detroit-as-the-market-for-its -opposed-stempelmotor /? single_page = true
• Smith, Sam. "De 10 mest uvanlige motorene gjennom tidene." Bil og sjåfør. Oktober 2010. (16. februar 2011) http://www.caranddriver.com/features/the-10-most-unusual-engines-of-all-time-feature
• University of Cambridge Department of Engineering. "Sir Harry Ricardo, F.R.s. - En pioner eller forbrenningsmotor." (12. februar 2012) http://www-g.eng.cam.ac.uk/125/achievements/ricardo/#9.%20SLEEVE
• Wells, Jerry. "Pioneer Sleeve Valve Engine." Enginehistory.org. (17. februar 2012) http://www.enginehistory.org/pioneering_sleeve_valve.shtml
• YouTube.com. "Bristol Hercules ermet ventil radial animasjon." 8. april 2009. (16. februar 2012) http://www.youtube.com/watch?v=_vrvep_YOio
• YouTube.com. "Brotherhood Sleeve Valve Engine, Sleeve operation." 20. august 2010. (17. februar 2012) http://www.youtube.com/watch?feature=endscreen&v=sPd6VJQeSYw&NR=1