Během druhé světové války vytvořili nacističtí inženýři jedny z nejpokročilejších leteckých zbraní, jaké kdy svět viděl. Focke-Wulf Fw 190 nebyl jen další stíhací letoun; na určitou dobu předčil vše, co mu mohli spojenci odporovat. Byl rychlý. Byl smrtící. A představil vážný problém.
Naštěstí pro země protihitlerovské koalice inženýrské myšlení nakonec vrátilo kyvadlo na svou stranu. Nevyhráli, protože měli křiklavější nebo rychlejší bomby. Vyhráli díky motoru, o kterém dnes většina lidí nikdy ani neslyšela. Spolehlivá, zakázková pohonná jednotka neutralizovala Luftwaffe. Tiše, ale účinně pomohl tento motor vyhrát válku.
Ventilový motor poháněl rychlé britské stíhačky jako Hawker Typhoon a Hawker Tempest. S hrubou koňskou silou tato letadla ovládala oblohu. Poskytovaly vzdušnou podporu pozemním jednotkám. Konflikt ukončili.
Ale co je motor s objímkovým ventilem? Proč má tak zvláštní jméno? A proč dnes téměř zmizel?
Jak funguje motor s rozvodem ventilů s objímkami
Název pochází z designu. Tenkostěnné kovové vložky se pohybují nahoru a dolů uvnitř každého válce. Otvory ve vložce a otvory ve stěně válce se vyrovnávají v předvídatelných intervalech. Tento pohyb nasává čerstvý vzduch a odvádí výfukové plyny.
Fungovalo to. Složitá konstrukce však ustoupila mechanismu tlačných ventilů používaných v moderních spalovacích motorech. V letectví byly pístové motory z velké části nahrazeny proudovými motory.
Nespěchejte to odepsat jako zbytečnou relikvii.
Alespoň jedna společnost se snaží přivést tento zasloužený objímkový ventil zpět k životu. Vrací se s moderními vylepšeními. Podíváme se na to, proč to funguje, proč vyšel z módy a proč je nyní volán k jinému druhu boje.
Technologie za hlukem
Objímkový ventilový motor, představený na vrcholu průmyslového věku, vypadá jako rekvizita ze steampunkového románu. Moderní inženýři obdivují jeho vynalézavost. Nad jeho vysokou složitostí také kroutí hlavou.
Je to krásná věc, pokud pochopíte, z jakých prvků se skládá. Vyhrňte si rukávy. Dostáváme se k jádru věci.
Tento motor se vymyká jednoduchému popisu. Ale tady je základní logika. Motory s objímkovým ventilem lze konfigurovat v různých konfiguracích. Jedna konstrukce, hvězdicový motor s objímkou a ventilem používaný v letadlech, vypadá jako kříženec mezi robotem Rock ‘Em Sock ‘Em a Guardianem z Matrixu.
Abyste tomu porozuměli, nejprve pochopte, co to není. Nejedná se o ventilový motor. Ventilový rozvod je dnes de facto standardem. Houbové ventily se rytmicky otevírají a zavírají působením pružin. Řídí přívod paliva, vzduchu a odvoz odpadu.
Objímkový ventil používá posuvné a někdy i otočné pouzdro. Řídí množství vzduchu a paliva zapáleného během každého kompresního zdvihu. Princip fungování je stejný. Zapálení směsi paliva a vzduchu. Pohon pístu. Otáčení klikového hřídele.
V konstrukcích, kde se vložka otáčí, kanály vyříznuté do vložky se shodují buď se vstupními nebo výstupními porty. Záleží na rytmu. Píst se pohybuje nahoru a dolů uvnitř vložky. Rukáv se pohybuje tam a zpět. Ozubená kola připojená ke klikovému hřídeli pohánějí vložku.
Stále zmatený? Zde jsou kroky.
- Kompresní zdvih: Píst se blíží k horní úvrati. Všechny kanály jsou uzavřeny. Zapalovací svíčka dělá jiskru. Směs paliva a vzduchu se vznítí.
- Expanzní zdvih (silový zdvih): Zapálení způsobí pohyb pístu dolů. Po dosažení dolní úvratě se rukáv pohne. Jeho výřezy se shodují s výfukovými kanály válce.
- Výfukový zdvih: Uvolňují se výfukové plyny. Píst se vrací nahoru. Výfukové kanály se uzavřou.
- Sací zdvih: Vložka se otáčí opačným směrem. Otevírá sací kanály. Píst jde dolů. Nasává čerstvý vzduch. Objímka se pohybuje a uzavírá vstupní kanál. Proces se opakuje.
Vynásobte to několika válci. Přidejte klikový hřídel. Máte motor s ventilovým rozvodem rukávů.
Pokud to zní složitě, je to proto, že to tak je. Jednou z hlavních nevýhod těchto motorů byla jejich složitost. To bude jasné, když uvidíte proces v akci. Podívejte se na video, abyste si to představili.
Proč na objemové účinnosti záleží
Proč se tedy obtěžovat s tak složitým motorem? Byli notoricky nenasytní ohledně mazacího oleje. Špatně snášely nečistoty jako špínu.
Odpověď spočívá v objemové účinnosti.
Tyto motory jsou mnohem lepší než běžné motory v dodávání a odvodu vzduchu do spalovací komory. Uspořádání kanálů poskytuje lepší vířivé charakteristiky. Toto je inženýrský žargon pro vytváření turbulentního proudění vzduchu. Směs vzduchu a paliva hoří efektivněji.
“Na druhé straně ventil objímky používá posuvnou a někdy i rotující objímku k ovládání množství vzduchu a paliva zapáleného během každého kompresního zdvihu.”
Charles Yale Knight byl víc než jen syn farmáře z Indiany se schránkou. Byl to muž, který nesnášel hluk. Kolem roku 1901 si koupil tříkolku Knox, především pro služební cesty pro svůj zemědělský časopis. Mechanické klepání pístních kroužků a ventilů s vahadlem bylo nesnesitelné. Zničilo to jeho klid. Takže udělal to, co dělají inženýři, když je něco rozčiluje. Postavil tišší motor.
Po obdržení peněz od bohatého sponzora udělal Knight více než jen vyladit design. Přehodnotil mechanismus distribuce plynu. V roce 1906 představil „Silent Knight“ na autosalonu v Chicagu. Byl to 4válcový motor s výkonem 40 koní, který zpochybňoval zavedené standardy.
Technické řešení se vyznačovalo elegantní jednoduchostí. Většina motorů té doby používala kolébkové ventily – malé struktury podobné kladivu, které se rychle otevíraly a zavíraly. Byli hluční. Byly křehké. Vyžadovaly časté úpravy. Rytířské řešení? Dvě vložky na válec.
Představte si píst uvnitř pístu. Vnitřní rukáv se zasunul dovnitř vnějšího. Samotný píst se pohyboval uvnitř této vnitřní objímky. Průtok plynů nebyl řízen otevíracími a zavíracími klapkami. Bylo řízeno fyzickým pohybem těchto nábojnic. Výsledek byl přesně takový, jak název sliboval: ticho.
Tuzemské automobilky tuto technologii ignorovaly. Proč? Protože byly svázány s výrobou motorů s vahadelními ventily. Infrastruktura, nástroje, odbornost – vše ukazovalo na starou cestu. Silent Knight předčil konkurenci v odolnosti a snížení hluku, ale průmysl se prostě nechtěl změnit.
V zámoří se historie vyvíjela jinak.
Vylepšení designu přitáhlo pozornost britských výrobců. Daimler v Anglii (původní společnost, dlouho před fúzí s Mercedes-Benz) přijal tuto technologii. Tohle nebyla jen novinka. Bylo to prohlášení. Další značky následovaly. Willys v USA se nakonec přidal, stejně jako Mercedes-Benz a Rolls-Royce. Pokud jste v 10. a na začátku 20. let chtěli tiché luxusní auto, koupili jste si auto s motorem Knight.
Ale pokrok se nezastaví. Ve dvacátých letech 20. století se architektura ventilových objímek začala vyvíjet. Knightův dvourukávový design byl spolehlivý, ale těžký. Komplex. Nákladné na zpracování.
Na scénu přišel design s jedním rukávem.
Společnosti jako Burt-McCollum zjednodušily mechaniku. Jeden rukáv místo dvou. Jednodušší. Menší tření. Levnější na výrobu. Pro výrobce na masovém trhu byla ekonomická proveditelnost nepopiratelná. Knightův design zaostával za vlastními nástupci.
Pak se objevila křídla.
Výrobci motorů jako Bristol a Rolls-Royce převzali vylepšené koncepty ventilových objímek a zavedli je do letectví. Pístový letecký motor vyžadoval spolehlivost ve výšce a plynulou dodávku výkonu. Rukávové ventily poskytovaly větší plochu ventilu vzhledem k jejich velikosti, což umožnilo lepší dýchání při vysokých otáčkách. Neutrpěly stejné tepelné namáhání jako ventily vahadel.
Objímka ventilu nezmizela kvůli neschopnosti. Byl nahrazen účinností a úsporou hmotnosti. Segment prémiových vozů ale nakrátko ovládla a poté vzala oblohu útokem.
Proč se ventilová pouzdra nepoužívají v hromadné výrobě
Hlavním důvodem, proč ventilová pouzdra zmizela z garáží běžných řidičů, nebyla technická závada.
Harry R. Ricardo ke studiu inženýrství nepotřeboval přednáškový sál. Budoucí Sir Harry Ricardo, narozený v Londýně v roce 1885, prožil dětství po kolena v místní dílně mechaniků. Absorboval mechaniku pohonu a poté si tyto hrubé znalosti přinesl domů, aby si postavil vlastní motory. Při pohledu zpět Ricardo připustil, že tyto rané neúspěšné pokusy ho naučily více o skutečné produkci než nějaké formální vzdělání.
Vyrostl z něj neúnavný workoholik. Během první světové války upravil tankové motory, aby pomohl překonat patovou situaci. Vyvinul systém oktanových čísel, který dodnes používáme k hodnocení kvality paliva. Ale jeho příspěvek ke druhé světové válce byl možná jeho nejvýznamnější z mechanického hlediska.
Řešení objímkového ventilu k překonání dominance Luftwaffe
V roce 1941 utrpělo královské letectvo (RAF) těžké porážky. Britská stíhačka Spitfire, hlavní pilíř jejich stíhací síly, byla horší než německý Focke-Wulf Fw 190. Německá letadla prováděla nízkoúrovňové útoky prakticky beztrestně. Nic je nemohlo chytit. Nic, dokud Hawker Typhoon vstoupil do služby v roce 1942.
Tajfun byla bestie. Byl poháněn motorem Napier Sabre o výkonu 2 180 koní s provedením objímkových ventilů. Ve dvacátých letech minulého století Ricardo teoretizoval, že letecké motory s objímkovými ventily mohou produkovat vyšší kompresní poměry než podobné motory s tlačnou tyčí, což má za následek větší výkon. Ukázalo se, že měl pravdu.
Extra točivý moment dodal Typhoonu potřebnou dynamiku, aby nejen sestřelil vetřelce Luftwaffe, ale také nesl bomby. Později ve válce se ukázaly rozhodující tajfuny vybavené bombami a raketami. Podporovali spojenecké pozemní síly, když se smyčka kolem nacistů utahovala.
“Jako dítě jsem byl vždy fascinován motory a mechanickými strojky obecně a zejména velkou záhadou, jak přesně se takové věci vyráběly… Když se ohlédnu zpět, myslím, že z těchto raných a velmi primitivních pokusů o design a výrobu jsem měl větší skutečný užitek než z čehokoli jiného.”
Proč je technologie Bushed Valve důležitá pro rozvíjející se trhy
Přes své vynikající válečné výsledky čelil motor s objímkovým ventilem tvrdé realitě. Na scénu nastoupily proudové motory. V poválečných letech by dominovaly civilnímu a vojenskému letectví. Zlatý věk vnitřního spalování v letectví byl de facto u konce.
Ale dědictví nezmizelo. Nadšenci technologii zvěčnili v podomácku vyrobených modelech a online archivech. Některé modely letadel stále používají miniaturní verze. A nyní možná tato technologie zažívá renesanci na největších a nejrychleji rostoucích automobilových trzích světa.
Je motor s objímkovým ventilem evoluční slepá ulička?
Podívejme se na širší cyklus. Hollywood recykluje staré koncepty, když dojdou nápady. Automobilový průmysl je na tom stejně. Elektromobily byly velkou věcí, než elektrický startér učinil spalovací motory praktickými. Elektromobily zmizely, dokud je na přelomu století nevyvedly ze zapomnění problémy s životním prostředím.
Stejný vzor může hrát i s motorem s objímkovým ventilem pro moderní automobilové aplikace.
Společnost Pinnacle Technologies se sídlem v San Carlos v Kalifornii sází na zadržovanou poptávku po čisté a levné dopravě v Asii. Vyvíjejí moderní interpretaci objímkového ventilu. Jejich motor je čtyřdobý zážehový (SI) motor s protipístovou konstrukcí.
Zakladatel Montley Cleevey tvrdí, že patentovaný motor nabízí 30-50% zlepšení účinnosti oproti současným spalovacím motorům.
„Tato technologie motoru přináší úsporu paliva a emise CO2 podobnou hybridu za cenu, kterou si svět může dovolit.“
Pinnacle se neobává, že elektrická vozidla (EV) brzy učiní jejich technologii zastaralou. Obrovskou příležitost vidí v rychle rostoucích trzích, jako je Indie a Čína. Tyto rozvojové země chtějí prostřednictvím vlastnictví automobilů snížit emise skleníkových plynů a zároveň zlepšit životní úroveň. Elektrická vozidla a hybridy stále dosahují značných cenových přirážek.
Přepracovaný motor s objímkovými ventily Pinnacle funguje jako „přemosťovací technologie“. Nabízí dočasné řešení, dokud nebudou elektrická vozidla dostupná pro každého.
Společnost získala několik milionů dolarů v rizikovém kapitálu. S asijskou automobilkou vyjednávají o licenční smlouvě. Zahájení výroby se očekává v roce 2013. Zůstává nejasné, zda byly tyto termíny dodrženy, nebo zda si technologie našla trvalé místo v globálním dodavatelském řetězci. Ale hlavní příslib zůstává stejný: vysoký výkon, nízká cena a design založený na stoletých poznatcích chlapce, který miloval rozebírání aut.
