Podczas II wojny światowej nazistowscy inżynierowie stworzyli jedną z najbardziej zaawansowanych broni lotniczych, jakie świat kiedykolwiek widział. Focke-Wulf Fw 190 nie był tylko kolejnym myśliwcem; przez pewien czas przewyższał wszystko, czemu alianci mogli mu się przeciwstawić. Był szybki. Był zabójczy. I przedstawił poważny problem.
Na szczęście dla krajów koalicji antyhitlerowskiej myśl inżynierska ostatecznie przechyliła wahadło na bok. Nie wygrali, bo mieli bardziej błyskotliwe lub szybsze bomby. Wygrali dzięki silnikowi, o którym większość ludzi dzisiaj nawet nie słyszała. Niezawodny, niestandardowy zespół napędowy zneutralizował Luftwaffe. Cichy, ale skuteczny silnik ten pomógł wygrać wojnę.
Silnik z zaworem rękawowym napędzał szybkie brytyjskie myśliwce, takie jak Hawker Typhoon i Hawker Tempest. Dzięki brutalnej mocy samoloty te zdominowały niebo. Zapewniali wsparcie powietrzne oddziałom lądowym. Zakończyli konflikt.
Ale czym jest silnik z zaworem tulejowym? Dlaczego ma taką dziwną nazwę? I dlaczego dzisiaj prawie zniknął?
Jak działa silnik z rozdzielaczem zaworów tulejowych
Nazwa pochodzi od projektu. Cienkościenne metalowe tuleje poruszają się w górę i w dół wewnątrz każdego cylindra. Otwory w tulei i otwory w ściance cylindra są ustawione w przewidywalnych odstępach. Ruch ten zasysa świeże powietrze i usuwa spaliny.
To zadziałało. Jednak złożona konstrukcja ustąpiła miejsca mechanizmowi zaworu popychacza stosowanemu w nowoczesnych silnikach spalinowych. W lotnictwie silniki tłokowe zostały w dużej mierze zastąpione silnikami odrzutowymi.
Nie spiesz się, aby zapisać to jako bezużyteczny relikt.
Przynajmniej jedna firma próbuje przywrócić do życia ten zasłużony zawór tulejowy. Powraca z nowoczesnymi ulepszeniami. Przyjrzymy się temu, co sprawia, że to działa, dlaczego wyszło z mody i dlaczego jest teraz wzywane do innego rodzaju walki.
Technologia stojąca za hałasem
Wprowadzony u szczytu ery industrialnej silnik z zaworem tulejowym wygląda jak rekwizyt z powieści steampunkowej. Współcześni inżynierowie podziwiają jego pomysłowość. Potrząsają też głowami nad jego dużą złożonością.
To piękna rzecz, jeśli rozumiesz, z jakich elementów się składa. Podwiń rękawy. Dochodzimy do sedna sprawy.
Ten silnik wymyka się łatwemu opisowi. Ale oto podstawowa logika. Silniki z zaworami tulejowymi można konfigurować w różnych konfiguracjach. Jeden z projektów, silnik promieniowy z zaworami tulejowymi, stosowany w samolotach, wygląda jak skrzyżowanie robota Rock ‘Em Sock ‘Em i Guardiana z Matrixa.
Aby to zrozumieć, najpierw zrozum, czym to nie jest. To nie jest silnik z zaworem popet. Mechanizm rozrządu jest dziś de facto standardem. Zawory grzybkowe otwierają się i zamykają rytmicznie pod wpływem działania sprężyn. Kontrolują dopływ paliwa, powietrza i usuwania nieczystości.
Zawór tulejowy wykorzystuje tuleję przesuwną, a czasami obracającą się. Kontroluje ilość powietrza i paliwa zapalanego podczas każdego suwu sprężania. Zasada działania jest taka sama. Zapłon mieszanki paliwa i powietrza. Napęd tłokowy. Obrót wału korbowego.
W konstrukcjach, w których wykładzina się obraca, kanały wycięte w wykładzinie pokrywają się z otworami wlotowymi lub wylotowymi. To zależy od rytmu. Tłok porusza się w górę i w dół wewnątrz tulei. Rękaw przesuwa się w przód i w tył. Koła zębate połączone z wałem korbowym napędzają tuleję.
Nadal zdezorientowany? Oto kroki.
- Suw sprężania: Tłok zbliża się do górnego martwego punktu. Wszystkie kanały są zamknięte. Świeca zapłonowa wytwarza iskrę. Zapala się mieszanka paliwa i powietrza.
- Suw rozprężania (skok mocy): Zapłon powoduje ruch tłoka w dół. Osiągając dolny martwy punkt, tuleja porusza się. Jego wycięcia pokrywają się z kanałami wydechowymi cylindra.
- Suw wydechu: Wydzielają się gazy spalinowe. Tłok powraca do góry. Kanały wydechowe zamykają się.
- Suw wlotowy: Wykładzina obraca się w przeciwnym kierunku. Otwiera kanały wlotowe. Tłok opada. Zasysa świeże powietrze. Tuleja przesuwa się, zamykając kanał wlotowy. Proces się powtarza.
Pomnóż to przez kilka cylindrów. Dodaj wał korbowy. Masz silnik z rozdzielaczem zaworów tulejowych.
Jeśli brzmi to skomplikowanie, to dlatego, że takie jest. Jedną z głównych wad tych silników była ich złożoność. Staje się to jasne, gdy zobaczysz proces w działaniu. Obejrzyj wideo, aby to zwizualizować.
Dlaczego wydajność objętościowa ma znaczenie
Po co więc zawracać sobie głowę silnikiem o tak złożonej strukturze? Byli notorycznie żarłoczni w kwestii oleju smarowego. Nie tolerowały dobrze zanieczyszczeń typu brud.
Odpowiedź leży w wydajności wolumetrycznej.
Silniki te znacznie lepiej niż silniki konwencjonalne dostarczają i usuwają powietrze do komory spalania. Układ kanałów zapewnia lepszą charakterystykę zawirowania. Jest to żargon inżynieryjny określający tworzenie turbulentnego przepływu powietrza. Mieszanka powietrza i paliwa spala się wydajniej.
„Z drugiej strony zawór tulejowy wykorzystuje przesuwną, a czasami obracającą się tuleję, aby kontrolować ilość powietrza i paliwa zapalanego podczas każdego suwu sprężania.”
Charles Yale Knight był kimś więcej niż tylko synem rolnika ze stanu Indiana ze notesem. Był człowiekiem, który nienawidził hałasu. Około 1901 roku kupił trójkołowy pojazd Knox, przeznaczony głównie do podróży służbowych dla swojego magazynu rolniczego. Mechaniczne stukanie pierścieni tłokowych i zaworów z wahaczami było nie do zniesienia. To zrujnowało jego spokój. Zrobił więc to, co robią inżynierowie, gdy coś ich zirytuje. Zbudował cichszy silnik.
Otrzymawszy pieniądze od bogatego sponsora, Knight zrobił coś więcej niż tylko ulepszenie projektu. Przemyślał na nowo mechanizm dystrybucji gazu. W 1906 roku przedstawił „Cichego Rycerza” na Chicago Auto Show. Był to 4-cylindrowy silnik o mocy 40 koni mechanicznych, który rzucał wyzwanie ustalonym standardom.
Rozwiązanie inżynieryjne wyróżniało się elegancką prostotą. Większość ówczesnych silników wykorzystywała zawory wahadłowe – małe konstrukcje przypominające młotek, które szybko się otwierały i zamykały. Byli głośni. Były kruche. Wymagały częstych poprawek. Rozwiązanie Knighta? Dwie tuleje na cylinder.
Wyobraź sobie tłok wewnątrz tłoka. Wewnętrzny rękaw wsunął się w zewnętrzny. Sam tłok poruszał się wewnątrz tej wewnętrznej tulei. Przepływ gazów nie był kontrolowany poprzez otwieranie i zamykanie przepustnic. Kontrolowano to poprzez fizyczny ruch tych nabojów. Rezultat był dokładnie taki, jak obiecywała nazwa: cisza.
Krajowi producenci samochodów zignorowali tę technologię. Dlaczego? Ponieważ byli związani z produkcją silników z zaworami wahaczowymi. Infrastruktura, oprzyrządowanie, wiedza specjalistyczna – wszystko wskazywało na starą ścieżkę. Silent Knight przewyższył konkurencję pod względem trwałości i redukcji hałasu, ale branża po prostu nie chciała się zmieniać.
Za granicą historia potoczyła się inaczej.
Ulepszenia konstrukcji przyciągnęły uwagę brytyjskich producentów. Daimler w Anglii (pierwotna firma, na długo przed fuzją z Mercedes-Benz) przyjął tę technologię. To nie była tylko nowość. To było oświadczenie. W ich ślady poszły inne marki. Ostatecznie dołączył Willys z USA, podobnie jak Mercedes-Benz i Rolls-Royce. Jeśli chciałeś cichego, luksusowego samochodu z lat 1910-tych i wczesnych 20-tych, kupiłeś samochód z silnikiem Knight.
Ale postęp się nie kończy. W latach dwudziestych XX wieku architektura z tuleją zaworową zaczęła ewoluować. Konstrukcja Knighta z dwoma rękawami była niezawodna, ale ciężka. Złożony. Drogie w obróbce.
Na scenę wkroczył projekt z jednym rękawem.
Firmy takie jak Burt-McCollum uprościły mechanikę. Jeden rękaw zamiast dwóch. Łatwiejsze. Mniejsze tarcie. Tańsze w produkcji. Dla producentów masowych ekonomiczna wykonalność była niezaprzeczalna. Projekt Knighta pozostawał w tyle za swoimi następcami.
Potem pojawiły się skrzydła.
Producenci silników, tacy jak Bristol i Rolls-Royce, przyjęli ulepszone koncepcje tulei zaworowych i wprowadzili je do lotnictwa. Tłokowy silnik lotniczy wymagał niezawodności na dużych wysokościach i płynnego dostarczania mocy. Zawory rękawowe zapewniały większą powierzchnię zaworów w stosunku do ich rozmiaru, umożliwiając lepsze oddychanie przy wysokich obrotach. Nie poddawali się takiemu samemu naprężeniu termicznemu jak zawory wahaczowe.
Tuleja zaworu nie zniknęła z powodu niekompetencji. Zostało ono zastąpione wydajnością i oszczędnością masy. Jednak na krótki czas zdominował segment samochodów premium, a następnie szturmem podbił niebo.
Dlaczego tuleje zaworowe nie są stosowane w produkcji masowej
Głównym powodem, dla którego tuleje zaworowe zniknęły z garaży zwykłych kierowców, nie była awaria techniczna.
Harry R. Ricardo nie potrzebował sali wykładowej, aby studiować inżynierię. Urodzony w Londynie w 1885 roku przyszły Sir Harry Ricardo swoje dzieciństwo spędził po kolana w lokalnym warsztacie mechanicznym. Zaabsorbował mechanikę napędu, a następnie przywiózł tę przybliżoną wiedzę do domu, aby zbudować własne silniki. Patrząc wstecz, Ricardo przyznał, że te wczesne, nieudane próby nauczyły go więcej o prawdziwej produkcji niż jakakolwiek formalna edukacja.
Wyrósł na niestrudzonego pracoholika. Podczas I wojny światowej zmodyfikował silniki czołgów, aby pomóc przełamać impas. Opracował system liczby oktanowej, którego używamy do dziś do oceny jakości paliwa. Jednak jego wkład w II wojnę światową był prawdopodobnie najbardziej znaczący z mechanicznego punktu widzenia.
Rozwiązanie z zaworem rękawowym umożliwiające przezwyciężenie dominacji Luftwaffe
Do 1941 roku Królewskie Siły Powietrzne (RAF) poniosły ciężkie porażki. Brytyjski myśliwiec Spitfire, będący podstawą ich sił myśliwskich, był gorszy od niemieckiego Focke-Wulf Fw 190. Niemieckie samoloty przeprowadzały ataki na niskim poziomie praktycznie bezkarnie. Nic nie mogło ich złapać. Nic, dopóki Hawker Typhoon nie wszedł do służby w 1942 roku.
Tajfun był bestią. Napędzał go silnik Napier Sabre o mocy 2180 koni mechanicznych, wyposażony w konstrukcję z zaworami tulejowymi. Już w latach dwudziestych XX wieku Ricardo wysunął teorię, że silniki lotnicze z zaworami tulejowymi mogą wytwarzać wyższy stopień sprężania niż podobne silniki z popychaczami, co skutkuje większą mocą. Okazało się, że miał rację.
Dodatkowy moment obrotowy zapewnił Typhoonowi niezbędną dynamikę, aby nie tylko zestrzelić intruzów Luftwaffe, ale także przenosić bomby. W dalszej części wojny decydujące okazały się Tajfuny wyposażone w bomby i rakiety. Wspierali siły lądowe aliantów, gdy pętla wokół nazistów zacieśniała się.
„Jako dziecko zawsze fascynowały mnie silniki i ogólnie mechanizmy mechaniczne, a szczególnie wielka tajemnica tego, jak dokładnie takie rzeczy zostały wykonane… Patrząc wstecz, myślę, że z tych wczesnych i bardzo prymitywnych prób projektowania i produkcji odniosłem więcej realnych korzyści niż z czegokolwiek innego”.
Dlaczego technologia zaworów tulejowych jest ważna dla rynków wschodzących
Pomimo znakomitych osiągnięć wojennych, silnik z zaworem tulejowym stanął w obliczu trudnej rzeczywistości. Na scenę wkroczyły silniki odrzutowe. W latach powojennych zdominowały lotnictwo cywilne i wojskowe. Złoty wiek spalania wewnętrznego w lotnictwie faktycznie dobiegł końca.
Ale dziedzictwo nie zniknęło. Entuzjaści uwiecznili tę technologię w domowych modelach i archiwach internetowych. Niektóre modele samolotów nadal korzystają z wersji miniaturowych. Obecnie technologia ta może przeżywać renesans na największych i najszybciej rozwijających się rynkach motoryzacyjnych świata.
Czy silnik z zaworem tulejowym to ewolucyjna ślepa uliczka?
Spójrzmy na szerszy cykl. Hollywood przetwarza stare koncepcje, gdy kończą się pomysły. Branża samochodowa robi to samo. Samochody elektryczne były czymś wielkim, zanim elektryczny rozrusznik sprawił, że silniki spalinowe stały się praktyczne. Samochody elektryczne zniknęły, dopóki problemy środowiskowe nie wydobyły ich z zapomnienia na przełomie XIX i XX wieku.
Ten sam wzór można zastosować w silniku z zaworem tulejowym do nowoczesnych zastosowań motoryzacyjnych.
Firma Pinnacle Technologies z siedzibą w San Carlos w Kalifornii stawia na stłumiony popyt na czysty i tani transport w Azji. Opracowują nowoczesną interpretację zaworu tulejowego. Ich silnik to czterosuwowy silnik o zapłonie iskrowym (SI) z przeciwtłokiem.
Założyciel Montley Cleevey twierdzi, że opatentowany silnik zapewnia poprawę wydajności o 30–50% w porównaniu z obecnymi silnikami spalinowymi.
„Ta technologia silników zapewnia oszczędność paliwa i emisję CO2 na poziomie hybrydowym za cenę, na którą może sobie pozwolić świat”.
Pinnacle nie martwi się, że technologia pojazdów elektrycznych wkrótce stanie się przestarzała. Ogromną szansę widzą na szybko rozwijających się rynkach, takich jak Indie i Chiny. Te kraje rozwijające się chcą zmniejszyć emisję gazów cieplarnianych, jednocześnie poprawiając standard życia poprzez posiadanie samochodu. Pojazdy elektryczne i hybrydy nadal charakteryzują się znacznymi wzrostami cen.
Zaprojektowany na nowo silnik z zaworami tulejowymi Pinnacle działa jak „technologia pomostowa”. Oferuje rozwiązanie tymczasowe do czasu, aż pojazdy elektryczne staną się dostępne dla wszystkich.
Firma pozyskała kilkumilionowy kapitał wysokiego ryzyka. Negocjują umowę licencyjną z azjatyckim producentem samochodów. Produkcja ma się rozpocząć w 2013 roku. Nie jest jasne, czy dotrzymano tych terminów i czy technologia znalazła trwałe miejsce w globalnym łańcuchu dostaw. Ale główna obietnica pozostaje ta sama: wysoka wydajność, niski koszt i konstrukcja oparta na stuletnich spostrzeżeniach chłopca, który uwielbiał rozkładać samochody na części.
