Під час Другої світової війни нацистські інженери створили деякі з найдосконаліших авіаційних озброєнь, які будь-коли бачив світ. Focke-Wulf Fw 190 був не просто ще одним винищувачем; протягом певного періоду він перевершував усе, що могли протиставити йому союзники. Він був швидким. Він був смертоносним. І він представляв серйозну проблему.
На щастя для країн антигітлерівської коаліції, інженерна думка зрештою повернула маятник на свій бік. Вони перемогли не за рахунок ефектніших бомб або швидших бомб. Вони перемогли завдяки двигуну, про який більшість людей сьогодні навіть не чули. Надійний, нестандартний силовий агрегат нейтралізував Люфтваффе. Тихим, але ефективним чином цей двигун допоміг виграти війну.
Двигун з гільзовим розподілом клапанів рухав швидкісні британські винищувачі, такі як Hawker Typhoon і Hawker Tempest. Завдяки грубій силі кінських сил ці літаки панували у небі. Вони забезпечували повітряну підтримку наземних військ. Вони поклали край конфлікту.
Але що таке двигун із гільзовим розподілом клапанів? Чому він має таку дивну назву? І чому він майже зник сьогодні?
Як працює двигун із гільзовим розподілом клапанів
Назва походить від конструкції. Тонкостінні металеві гільзи переміщуються вгору і вниз усередині кожного циліндра. Отвори в гільзі та отвори в стінці циліндра збігаються через передбачувані інтервали. Цей рух засмоктує свіже повітря і виштовхує гази, що відпрацювали.
Це працювало. Але складна конструкція поступилася місцем клапанному механізму з штовхачами, який використовується в сучасних двигунах внутрішнього згоряння. В авіації поршневі двигуни значною мірою були витіснені реактивними двигунами.
Не поспішайте списувати його з рахунків як марний релікт.
Принаймні одна компанія намагається повернути до життя цей заслужений гільзовий клапан. Він повертається із сучасними доробками. Ми розглянемо, що змушує його працювати, чому він вийшов із моди і чому його викликають зараз для боротьби іншого роду.
Технологія за шумом
З’явившись у розпал Індустріальної епохи, двигун із гільзовим розподілом клапанів виглядає як реквізит із стимпанк-роману. Сучасні інженери захоплюються його винахідливістю. Вони також похитують головами через його високу складність.
Це прекрасна річ, якщо ви розумієте, які елементи вона складається. Закотіть рукави. Ми поринаємо в суть справи.
Цей двигун не піддається простому опису. Але базова логіка. Двигуни з гільзовим розподілом клапанів можуть мати безліч конфігурацій. Одна із схем, радіальний двигун із гільзовим розподілом клапанів, що використовувався на літаках, виглядає як гібрид робота «Rock ‘Em Sock ‘Em» та сторожа з фільму Матриця.
Щоб зрозуміти це спочатку розберіться, чим він не є. Це не двигун із клапанним механізмом (popet valve). Клапан механізм є де-факто стандартом сьогодні. Грибоподібні клапани ритмічно відкриваються та закриваються під дією пружин. Вони контролюють подачу палива, повітря та відведення відходів.
Гільзовий клапан використовує ковзну, а іноді і гільзу, що обертається. Вона контролює кількість повітря і палива, що займаються при кожному такті стиснення. Принцип дії той самий. Запалення суміші палива та повітря. Привід поршнів. Обертання колінчастого валу.
У конструкціях, де обертається гільза, канали, вирізані в ній, збігаються або з впускними, або з випускними каналами. Це від такту. Поршень переміщається вгору та вниз усередині гільзи. Гільза рухається назад і вперед. Шестерні, з’єднані з колінчастим валом, надають руху гільзу.
Все ще збентежено? Ось кроки.
- Такт стиснення: Поршень наближається до верхньої мертвої точки. Усі канали закриті. Свічка запалювання робить іскру. Суміш палива та повітря займається.
- Такт розширення (робочий хід): Запалення змушує поршень опускатися. Досягаючи нижньої мертвої точки, гільза зміщується. Її вирізи збігаються із випускними каналами циліндра.
- Такт випуску: Відпрацьовані гази викидаються. Поршень повертається нагору. Випускні канали закриваються.
- Такт впускання: Гільза повертається в інший бік. Вона відкриває впускні канали. Поршень опускається. Він засмоктує свіже повітря. Гільза зміщується, закриваючи впускний канал. Процес повторюється.
Помножте це кілька циліндрів. Додайте колінчастий вал. У вас вийшов двигун із гільзовим розподілом клапанів.
Якщо це звучить складно, то так воно й є. Одним із головних недоліків цих двигунів була їхня складність. Це стає зрозумілим, коли ви бачите процес у дії. Перегляньте відео, щоб візуалізувати його.
Чому важлива об’ємна ефективність
То навіщо поратися з двигуном такої складності? Вони були notorious ненажерливі щодо мастила. Вони погано переносили домішки, такі як бруд.
Відповідь криється в об’ємній ефективності.
Ці двигуни значно краще за звичайні двигуни справляються з подачею повітря в камеру згоряння та його відведенням. Розташування каналів забезпечує найкращі характеристики завихрення. Це інженерний жаргон створення турбулентного потоку повітря. Суміш повітря та палива згоряє більш ефективно.
«З іншого боку, гільзовий клапан використовує ковзну, а іноді і гільзу, що обертається для контролю кількості повітря і палива, що займаються при кожному такті стиснення.»
Чарльз Йейл Найт був не просто сином фермера з Індіани із блокнотом. Він був людиною, яка ненавиділа шум. Приблизно 1901 року він купив триколісний автомобіль Knox в основному для поїздок у справах свого сільськогосподарського журналу. Механічний стукіт поршневих кілець і клапанів з коромислами був нестерпним. Він руйнував його спокій. Тому він зробив те, що роблять інженери, коли їх щось дратує. Він збудував тихіший двигун.
Отримавши гроші від спроможного спонсора, Найт не просто підправив конструкцію. Він переосмислив механізм газорозподілу. До 1906 року він представив «Silent Knight» на автосалоні Чикаго. Це був 4-циліндровий двигун потужністю 40 кінських сил, який кинув виклик усталеним стандартам.
Інженерне рішення вирізнялося елегантною простотою. Більшість двигунів на той час використовували клапани з коромислами — невеликі, схожі на молотки конструкції, які швидко відкривалися та закривалися. Вони були галасливими. Вони були тендітними. Вони вимагали частого регулювання. Рішення Найта? Дві гільзи на циліндр.
Уявіть собі поршень усередині поршня. Внутрішня гільза ковзала усередині зовнішньої. Сам поршень переміщався усередині цієї внутрішньої гільзи. Потік газів контролювався не за рахунок відкривання та закривання заслінок. Він керувався фізичним рухом цих гільз. Результат був саме таким, як обіцяла назва: тиша.
Внутрішні автовиробники проігнорували цю технологію. Чому? Тому що вони були прив’язані до виробництва двигунів із клапанами з коромислами. Інфраструктура, інструментальне оснащення, експертиза — все вказувало на стару дорогу. Silent Knight перевершував конкурентів щодо довговічності та зниження шуму, але індустрія просто не хотіла змінюватися.
За океаном історія склалася інакше.
Удосконалення конструкції привернули увагу британських виробників. Daimler в Англії (оригінальна компанія, задовго до злиття з Mercedes-Benz) прийняла цю технологію. То була не просто новинка. Це була заява. Інші марки наслідували їхній приклад. Willys у США зрештою приєдналися, як і Mercedes-Benz та Rolls-Royce. Якщо ви хотіли тихого розкішного автомобіля в 1910-х і на початку 1920-х років, ви купували автомобіль з двигуном Найта.
Але прогрес не зупиняється. До 1920-х років архітектура клапана-гільзи почала еволюціонувати. Двохільзова конструкція Найта була надійною, але важкою. Складний. Дорогий у обробці.
На сцену вийшла конструкція із однією гільзою.
Компанії, такі як Burt-McCollum, спростили механіку. Одна гільза замість двох. Легше. Менше тертя. Дешевше у виробництві. Для виробників масового ринку економічна доцільність була незаперечною. Конструкція Найта відставала від своїх наступників.
Потім з’явилися крила.
Виробники двигунів, такі як Bristol та Rolls-Royce, взяли вдосконалені концепції клапана-гільзи та впровадили їх в авіацію. Поршневий авіаційний двигун потребував надійності на висоті та плавній подачі потужності. Клапани-гільзи забезпечували більшу площу клапанів щодо їх розміру, що дозволяло краще «дихати» на високих обертах. Вони не страждали від таких самих термічних навантажень, як клапани з коромислами.
Клапан-гільза не зник через некомпетентність. Його витіснили ефективність та економія ваги. Але на короткий час він домінував у сегменті преміальних автомобілів, а згодом підкорив небеса.
Чому клапани-гільзи не знайшли застосування в масовому виробництві
Основна причина, через яку клапани-гільзи зникли з гаражів звичайних водіїв, полягала не в технічному збої.
Гаррі Р. Рікардо не потребував лекційної аудиторії, щоб вивчати інженерію. Народившись у Лондоні в 1885 році, майбутній сер Гаррі Рікардо провів своє дитинство по коліна у майстерні місцевого механіка. Він увібрав у себе механіку руху, а потім приніс ці грубі знання додому, щоб будувати свої власні двигуни. Озираючись назад, Рікардо зізнавався, що ці ранні, невдалі спроби навчили його більшому реальному виробництві, ніж будь-яке формальне освіту.
Він виріс невтомним трудоголіком. Під час Першої світової війни він доопрацьовував двигуни танків, щоб допомогти прорвати глухий кут. Він розробив систему октанових чисел, яку ми досі використовуємо для оцінки якості палива. Але його внесок у Другу світову війну, мабуть, був найбільшим з механічної точки зору.
Рішення з втулчастим клапаном для подолання домінування Люфтваффе
До 1941 року Королівські повітряні сили (RAF) зазнавали тяжких поразок. Британський винищувач Spitfire, основа їхніх винищувальних сил, поступався німецькому Focke-Wulf Fw 190. Німецькі літаки робили атаки на малих висотах практично безкарно. Ніщо не могло їх упіймати. Ніщо, поки 1942 року на озброєння не надійшов Hawker Typhoon.
Typhoon був звіром. Його приводив у рух двигун Napier Sabre потужністю 2180 кінських сил, оснащений конструкцією з втулчастими клапанами. Ще в 1920-х роках Рікардо теоретично обґрунтував, що авіаційні двигуни з втулчастими клапанами можуть забезпечувати вищі ступеня стиснення порівняно з аналогічними двигунами з штовхачами, що призводить до більшої потужності. Він мав рацію.
Додатковий момент, що крутить, дав Typhoon необхідну динаміку, що дозволяє не тільки збивати порушників з Люфтваффе, але і нести бомби. Пізніше у війні Typhoons, оснащені бомбами та ракетами, виявилися вирішальними. Вони підтримували наземні сили союзників у міру того, як зашморг навколо нацистів затягувався.
«У дитинстві мене завжди захоплювали двигуни і механічні рухи загалом, і особливо велика таємниця того, як саме такі речі виготовлялися… Озираючись назад, я думаю, що більше реальної користі з цих ранніх і вельми примітивних спроб проектування і виробництва, ніж з чогось ще».
Чому технологія втулчастих клапанів важлива для ринків, що розвиваються.
Незважаючи на свій видатний військовий послужний список, двигун з клапанами зіткнувся з суворою реальністю. На сцену виходили реактивні двигуни. Вони домінуватимуть у цивільній та військовій авіації у післявоєнні роки. Золоте століття внутрішнього згоряння в авіації було фактично завершено.
Але спадщина не зникла. Ентузіасти увічнили технологію в саморобних моделях та онлайн-архівах. Деякі моделі літальних апаратів досі використовують мініатюрні версії. І тепер ця технологія може переживати відродження в найбільших автомобільних ринках світу, що швидко зростають.
Чи є двигун із втулчастими клапанами еволюційним глухим кутом?
Давайте подивимося більш широкий цикл. Голівуд переробляє старі концепції, коли ідеї вичерпуються. Автомобільна індустрія робить те саме. Електромобілі були великою справою до того, як електричний стартер зробив двигуни внутрішнього згоряння практичними. Електромобілі зникли, поки екологічні проблеми не витягли їх із забуття на початку століття.
Та ж закономірність може розгортатися з двигуном з втулчастими клапанами для сучасних автомобільних застосувань.
Компанія Pinnacle Technologies, що базується в Сан-Карлос, Каліфорнія, робить ставку на попит, що накопичився, на чистий і дешевий транспорт в Азії. Вони розробляють сучасну інтерпретацію клапана втулку. Їх двигун є чотиритактним двигуном з іскровим запалюванням (SI) і зустрічним поршнем.
Засновник Монтлі Кліві стверджує, що запатентований двигун забезпечує покращення ефективності на 30–50% порівняно з поточними двигунами внутрішнього згоряння.
«Ця технологія двигуна забезпечує паливну економічність та рівень викидів CO2, як у гібрида, за ціною, яку може собі дозволити весь світ».
Pinnacle не переймається тим, що електромобілі (EV) скоро зроблять їхню технологію застарілою. Вони бачать величезну можливість на швидко зростаючих ринках, таких як Індія та Китай. Ці країни хочуть скоротити викиди парникових газів, одночасно підвищуючи рівень життя за рахунок володіння автомобілями. Електромобілі та гібриди, як і раніше, мають значну цінову премію.
Переосмислений двигун із втулчастими клапанами Pinnacle діє як «технологія-міст». Він пропонує проміжне рішення, допоки електромобілі не стануть доступними для всіх.
Компанія залучила кілька мільйонів доларів венчурного капіталу. Вони ведуть переговори щодо ліцензійної угоди з азіатським автовиробником. Очікується, що виробництво розпочнеться у 2013 році. Залишається незрозумілим, чи вдалося вкластися у ці терміни чи технологія знайшла своє постійне місце у глобальному ланцюжку поставок. Але основна обіцянка залишається незмінною: висока ефективність, низька вартість та конструкція, заснована на інсайтах столітньої давності від хлопчика, який любив розбирати машини.
