Во время Второй мировой войны нацистские инженеры создали некоторые из самых совершенных авиационных вооружений, которые когда-либо видел мир. Focke-Wulf Fw 190 был не просто еще одним истребителем; в течение определенного периода он превосходил все, что могли противопоставить ему союзники. Он был быстрым. Он был смертоносным. И он представлял серьезную проблему.
К счастью для стран антигитлеровской коалиции, инженерная мысль в итоге вернула маятник на свою сторону. Они победили не за счет более эффектных бомб или более быстрых бомб. Они победили благодаря двигателю, о котором большинство людей сегодня даже не слышали. Надежный, нестандартный силовой агрегат нейтрализовал Люфтваффе. Тихим, но эффективным образом этот двигатель помог выиграть войну.
Двигатель с гильзовым распределением клапанов приводил в движение скоростные британские истребители, такие как Hawker Typhoon и Hawker Tempest. Благодаря грубой силе лошадиных сил эти самолеты господствовали в небе. Они обеспечивали воздушную поддержку наземных войск. Они положили конец конфликту.
Но что такое двигатель с гильзовым распределением клапанов? Почему он носит такое странное название? И почему он почти исчез сегодня?
Как работает двигатель с гильзовым распределением клапанов
Название происходит от конструкции. Тонкостенные металлические гильзы перемещаются вверх и вниз внутри каждого цилиндра. Отверстия в гильзе и отверстия в стенке цилиндра совпадают через предсказуемые интервалы. Это движение засасывает свежий воздух и выталкивает отработавшие газы.
Это работало. Но сложная конструкция уступила место клапанному механизму с толкателями, который используется в современных двигателях внутреннего сгорания. В авиации поршневые двигатели в значительной степени были вытеснены реактивными двигателями.
Не спешите списывать его со счетов как бесполезный реликт.
По крайней мере, одна компания пытается вернуть к жизни этот заслуженный гильзовый клапан. Он возвращается с современными доработками. Мы рассмотрим, что заставляет его работать, почему он вышел из моды и почему его вызывают сейчас для борьбы другого рода.
Технология за шумом
Появившись в разгар Индустриальной эпохи, двигатель с гильзовым распределением клапанов выглядит как реквизит из стимпанк-романа. Современные инженеры восхищаются его изобретательностью. Они также покачивают головами из-за его высокой сложности.
Это прекрасная вещь, если вы понимаете, из каких элементов она состоит. Закатите рукава. Мы погружаемся в суть дела.
Этот двигатель не поддается простому описанию. Но вот базовая логика. Двигатели с гильзовым распределением клапанов могут иметь множество конфигураций. Одна из схем, радиальный двигатель с гильзовым распределением клапанов, использовавшийся на самолетах, выглядит как гибрид робота «Rock ’Em Sock ’Em» и стража из фильма Матрица.
Чтобы понять это, сначала разберитесь, чем он не является. Это не двигатель с клапанным механизмом (popet valve). Клапанный механизм является де-факто стандартом сегодня. Грибовидные клапаны ритмично открываются и закрываются под действием пружин. Они контролируют подачу топлива, воздуха и отвод отходов.
Гильзовый клапан использует скользящую, а иногда и вращающуюся гильзу. Она контролирует количество воздуха и топлива, воспламеняемых при каждом такте сжатия. Принцип действия тот же. Воспламенение смеси топлива и воздуха. Привод поршней. Вращение коленчатого вала.
В конструкциях, где гильза вращается, каналы, вырезанные в ней, совпадают либо с впускными, либо с выпускными каналами. Это зависит от такта. Поршень перемещается вверх и вниз внутри гильзы. Гильза перемещается назад и вперед. Шестерни, соединенные с коленчатым валом, приводят в движение гильзу.
Все еще в замешательстве? Вот шаги.
- Такт сжатия: Поршень приближается к верхней мертвой точке. Все каналы закрыты. Свеча зажигания делает искру. Смесь топлива и воздуха воспламеняется.
- Такт расширения (рабочий ход): Воспламенение заставляет поршень опускаться. Достигая нижней мертвой точки, гильза смещается. Ее вырезы совпадают с выпускными каналами цилиндра.
- Такт выпуска: Отработавшие газы выбрасываются. Поршень возвращается вверх. Выпускные каналы закрываются.
- Такт впуска: Гильза поворачивается в другую сторону. Она открывает впускные каналы. Поршень опускается. Он засасывает свежий воздух. Гильза смещается, закрывая впускной канал. Процесс повторяется.
Умножьте это на несколько цилиндров. Добавьте коленчатый вал. У вас получился двигатель с гильзовым распределением клапанов.
Если это звучит сложно, то так оно и есть. Одним из главных недостатков этих двигателей была их сложность. Это становится понятным, когда вы видите процесс в действии. Посмотрите видео, чтобы визуализировать его.
Почему важна объемная эффективность
Так зачем возиться с двигателем такой сложности? Они были notorious прожорливы в отношении смазочного масла. Они плохо переносили примеси, такие как грязь.
Ответ кроется в объемной эффективности.
Эти двигатели значительно лучше обычных двигателей справляются с подачей воздуха в камеру сгорания и его отводом. Расположение каналов обеспечивает лучшие характеристики завихрения. Это инженерный жаргон для создания турбулентного потока воздуха. Смесь воздуха и топлива сгорает более эффективно.
«С другой стороны, гильзовый клапан использует скользящую, а иногда и вращающуюся гильзу для контроля количества воздуха и топлива, воспламеняемых при каждом такте сжатия.»
Чарльз Йейл Найт был не просто сыном фермера из Индианы с блокнотом. Он был человеком, который ненавидел шум. Примерно в 1901 году он купил трехколесный автомобиль Knox в основном для поездок по делам своего сельскохозяйственного журнала. Механический стук поршневых колец и клапанов с коромыслами был невыносимым. Он разрушал его покой. Поэтому он сделал то, что делают инженеры, когда их раздражает что-то. Он построил более тихий двигатель.
Получив деньги от состоятельного спонсора, Найт не просто подправил конструкцию. Он переосмыслил механизм газораспределения. К 1906 году он представил «Silent Knight» на Чикагском автосалоне. Это был 4-цилиндровый двигатель мощностью 40 лошадиных сил, который бросил вызов устоявшимся стандартам.
Инженерное решение отличалось элегантной простотой. Большинство двигателей того времени использовали клапаны с коромыслами — небольшие, похожие на молотки конструкции, которые быстро открывались и закрывались. Они были шумными. Они были хрупкими. Они требовали частой регулировки. Решение Найта? Две гильзы на цилиндр.
Представьте себе поршень внутри поршня. Внутренняя гильза скользила внутри наружной. Сам поршень перемещался внутри этой внутренней гильзы. Поток газов контролировался не за счет открывания и закрывания заслонок. Он управлялся физическим перемещением этих гильз. Результат был именно таким, как обещало название: тишина.
Внутренние автопроизводители проигнорировали эту технологию. Почему? Потому что они были привязаны к производству двигателей с клапанами с коромыслами. Инфраструктура, инструментальная оснастка, экспертиза — все указывало на старый путь. Silent Knight превосходил конкурентов по долговечности и снижению шума, но индустрия просто не хотела меняться.
За океаном история сложилась иначе.
Усовершенствования конструкции привлекли внимание британских производителей. Daimler в Англии (оригинальная компания, задолго до слияния с Mercedes-Benz) приняла эту технологию. Это была не просто новинка. Это было заявление. Другие марки последовали их примеру. Willys в США в конечном итоге присоединились, как и Mercedes-Benz и Rolls-Royce. Если вы хотели тихого роскошного автомобиля в 1910-х и начале 1920-х годов, вы покупали автомобиль с двигателем Найта.
Но прогресс не останавливается. К 1920-м годам архитектура клапана-гильзы начала эволюционировать. Двухгильзовая конструкция Найта была надежной, но тяжелой. Сложной. Дорогой в обработке.
На сцену вышла конструкция с одной гильзой.
Компании, такие как Burt-McCollum, упростили механику. Одна гильза вместо двух. Легче. Меньше трения. Дешевле в производстве. Для производителей массового рынка экономическая целесообразность была неоспоримой. Конструкция Найта отставала от собственных преемников.
Затем появились крылья.
Производители двигателей, такие как Bristol и Rolls-Royce, взяли усовершенствованные концепции клапана-гильзы и внедрили их в авиацию. Поршневой авиационный двигатель нуждался в надежности на высоте и плавной подаче мощности. Клапаны-гильзы обеспечивали большую площадь клапанов относительно их размера, что позволяло лучше «дышать» на высоких оборотах. Они не страдали от таких же термических нагрузок, как клапаны с коромыслами.
Клапан-гильза не исчез из-за некомпетентности. Его вытеснили эффективность и экономия веса. Но на короткое время он доминировал в сегменте премиальных автомобилей, а затем покорил небеса.
Почему клапаны-гильзы не нашли применения в массовом производстве
Основная причина, по которой клапаны-гильзы исчезли из гаражей обычных водителей, заключалась не в техническом сбое
Гарри Р. Рикардо не нуждался в лекционной аудитории, чтобы изучать инженерию. Родившись в Лондоне в 1885 году, будущий сэр Гарри Рикардо провел свое детство по колено в мастерской местного механика. Он впитал в себя механику движения, а затем принес эти грубые знания домой, чтобы строить свои собственные двигатели. Оглядываясь назад, Рикардо признавался, что эти ранние, неудачные попытки научили его большему о реальном производстве, чем любое формальное образование.
Он вырос неутомимым трудоголиком. Во время Первой мировой войны он дорабатывал двигатели танков, чтобы помочь прорвать тупик. Он разработал систему октановых чисел, которую мы используем до сих пор для оценки качества топлива. Но его вклад во Вторую мировую войну, пожалуй, был наиболее значимым с механической точки зрения.
Решение со втульчатым клапаном для преодоления доминирования Люфтваффе
К 1941 году Королевские воздушные силы (RAF) терпели тяжелые поражения. Британский истребитель Spitfire, основа их истребительных сил, уступал немецкому Focke-Wulf Fw 190. Немецкие самолеты совершали атаки на малых высотах практически безнаказанно. Ничто не могло их поймать. Ничто, пока в 1942 году на вооружение не поступил Hawker Typhoon.
Typhoon был зверем. Его приводил в движение двигатель Napier Sabre мощностью 2180 лошадиных сил, оснащенный конструкцией со втульчатыми клапанами. Еще в 1920-х годах Рикардо теоретически обосновал, что авиационные двигатели со втульчатыми клапанами могут обеспечивать более высокие степени сжатия по сравнению с аналогичными двигателями с толкателями, что приводит к большей мощности. Он оказался прав.
Дополнительный крутящий момент дал Typhoon необходимую динамику, позволяющую не только сбивать нарушителей из Люфтваффе, но и нести бомбы. Позже в войне Typhoons, оснащенные бомбами и ракетами, оказались решающими. Они поддерживали наземные силы союзников по мере того, как петля вокруг нацистов затягивалась.
«В детстве меня всегда восхищали двигатели и механические движения в целом, и особенно великая тайна того, как именно такие вещи изготавливались… Оглядываясь назад, я думаю, что извлёк больше реальной пользы из этих ранних и весьма примитивных попыток проектирования и производства, чем из чего-либо ещё».
Почему технология втульчатых клапанов важна для развивающихся рынков
Несмотря на свой выдающийся военный послужной список, двигатель со втульчатыми клапанами столкнулся с суровой реальностью. На сцену выходили реактивные двигатели. Они будут доминировать в гражданской и военной авиации в послевоенные годы. Золотой век внутреннего сгорания в авиации был фактически завершён.
Но наследие не исчезло. Энтузиасты увековечили технологию в самодельных моделях и онлайн-архивах. Некоторые модели летательных аппаратов до сих пор используют миниатюрные версии. И теперь эта технология может переживать возрождение в крупнейших и быстрорастущих автомобильных рынках мира.
Является ли двигатель со втульчатыми клапанами эволюционным тупиком?
Давайте посмотрим на более широкий цикл. Голливуд перерабатывает старые концепции, когда идеи иссякают. Автомобильная индустрия делает то же самое. Электромобили были большим делом до того, как электрический стартер сделал двигатели внутреннего сгорания практичными. Электромобили исчезли, пока экологические проблемы не вытащили их из забвения около начала века.
Та же закономерность может разворачиваться с двигателем со втульчатыми клапанами для современных автомобильных применений.
Компания Pinnacle Technologies, базирующаяся в Сан-Карлос, Калифорния, делает ставку на накопившийся спрос на чистый и дешевый транспорт в Азии. Они разрабатывают современную интерпретацию втульчатого клапана. Их двигатель представляет собой четырехтактный двигатель с искровым зажиганием (SI) и встречным поршнем.
Основатель Монтли Кливи утверждает, что запатентованный двигатель обеспечивает улучшение эффективности на 30–50% по сравнению с текущими двигателями внутреннего сгорания.
«Эта технология двигателя обеспечивает топливную экономичность и уровень выбросов CO2, как у гибрида, по цене, которую может себе позволить весь мир».
Pinnacle не беспокоится о том, что электромобили (EV) скоро сделают их технологию устаревшей. Они видят огромную возможность на быстро растущих рынках, таких как Индия и Китай. Эти развивающиеся страны хотят сократить выбросы парниковых газов, одновременно повышая уровень жизни за счет владения автомобилями. Электромобили и гибриды по-прежнему имеют значительную ценовую премию.
Переосмысленный двигатель со втульчатыми клапанами Pinnacle действует как «технология-мост». Он предлагает промежуточное решение до тех пор, пока электромобили не станут доступными для всех.
Компания привлекла несколько миллионов долларов венчурного капитала. Они ведут переговоры о лицензионном соглашении с азиатским автопроизводителем. Ожидается, что производство начнется в 2013 году. Остается неясным, удалось ли уложиться в эти сроки или технология нашла свое постоянное место в глобальной цепочке поставок. Но основное обещание остается неизменным: высокая эффективность, низкая стоимость и конструкция, основанная на инсайтах столетней давности от мальчика, который любил разбирать машины.
