Sådan fungerer muffeventilmotorer

Oktober 1945: Et forældet Junkers JU 88-transportfly med en Focke-Wulf FW 190-kampfly på toppen, ved en visning af britiske og tyske fly på Royal Aircraft Establement i Farnborough, England. Se på vores animation af, hvordan muffeventilmotoren fungerer. Fox-fotos / Getty-billeder

Under 2. verdenskrig udtænkte ingeniører inden for det nazistiske regime nogle af de bedste og mest avancerede luftvåben i tiden. Et tysk jagerfly, Focke-Wulf Fw 190, overgik i en periode bedre end de allierede kunne lægge i luften.

Heldigvis for de allierede svingede engineering på deres side i sidste ende luftoverlegenhedens pendul til deres fordel. En robust, ukonventionel motor, som mange mennesker i dag sandsynligvis aldrig har hørt om, hjalp med til at neutralisere Fw 190 og resten af ​​Luftwaffe. På sin egen måde hjalp en motor fremdrift af de allierede til sejr [kilde: Rickard].

Muffeventilmotoren, der er blevet brugt på både biler og fly, drev hurtige britiske krigere som Hawker Typhoon og Hawker Tempest. Med deres brute hestekræfter hjalp de de allierede med at kontrollere himlen, yde luftstøtte til jordstyrker og til sidst vinde krigen.

Men hvad er en ærmeventilmotor nøjagtigt, og hvad er der med det sjove navn? Og hvorfor ser eller hører vi ikke meget om dem i dag?

Motoren får sit navn fra den tyndvæggede metalbøsning, der glider op og ned i hver cylinder under forbrændingsprocessen. Typisk stiller huller i bøsningen og i cylinderen, der indeholder den, op i forudsigelige intervaller for at udstødde udstødningsgasser og suge frisk luft.

På trods af sin ærefulde væbnede servicesrekord mistede den komplekse muffeventilopsætning det, vi bruger i forbrændingsmotorer i dag, tappetventiler. I flyvninger gav naturligvis stempeldrevne kraftværker af alle typer stort set plads til jetmotorer.

Men hold fast - afvis ikke muffeventilen som en ubrugelig historisk relikvie endnu.

Mindst et firma søger at bringe den ærverdige ærmeventilmotor tilbage i aktion, men med et par moderne vendinger.

I de næste par sider vil vi se på, hvad der får muffeventilmotoren til at dreje. Vi vil også undersøge, hvorfor det faldt ud af fordel, sammen med grundene til, at det kaldes op nu, mere end et århundrede efter dens opfindelse, til at tjene i en anden slags "kamp."

Dette indhold er ikke kompatibelt på denne enhed.

Indhold

1. Ærmeventilmotorteknologi
2. Muffeventiler til land - brug i bilmotorer
3. Muffeventiler med luft - Brug i flymotorer
4. Hvad er det næste?

Når man ankom som den gjorde i løbet af den industrielle tids højde, ser manchetventilmotoren ud som en kontrast, der ville være hjemme i en steampunk-roman. Moderne ingeniører undrer sig over dens kløgt. Og kløf på sin høje kompleksitet.

Så der er du blevet advaret. Det er faktisk en smuk smuk ting, når du først har forstået, hvordan alle disse stykker fungerer sammen. Rul nu dine ærmer op, fordi vi er ved at komme ned og blive beskidte med en indvendig funktion af en ærmeventilmotor.

Denne motor har så meget at ske, at den næsten trodser beskrivelsen. Men vi prøver. Muffeventilmotorer, som deres tappetventil-modstykker, kan komme i mange forskellige konfigurationer. Et sådant arrangement, de radiale muffeventilmotorer, der bruges i fly, ligner lidt, hvad du måtte få, hvis en Rock 'Em Sock' Em Robot havde en baby med en "squiddie" -post fra "The Matrix."

For at forstå, hvad en muffeventilmotor er og gør, kan det hjælpe med først at forstå, hvad den ikke er. Det er ikke først og fremmest det populære system, som de fleste af os er bekendt med, en klapventilmotor. Poppetventiler er de facto standard på nutidens forbrændingsmotorer. Med dem åbner og lukker rørmisk svampeformede ventiler under fjederspænding for at kontrollere indtræden og udgangen af ​​brændstof, luft og affaldsgasser i cylinderen.

En muffeventil bruger på den anden side en glidende, undertiden roterende muffe til at kontrollere, hvor meget luft og brændstof der detoneres ved hvert kompressionsslag. Den grundlæggende forudsætning for at antænde brændstof og luft til at drive et sæt stempler og dreje en krumtapaksel er den samme som med andre forbrændingsmotorer.

Her er et andet særpræg ved muffeventiler. På konstruktioner, hvor ærmet roterer, justeres porte, der er skåret i det, enten med indtagsåbninger eller udstødningsåbninger i cylinderen, afhængigt af hvilken del af slagret der finder sted. Et stempel bevæger sig op og ned i hver ærme, selv når muffen glider frem og tilbage. Hylsebevægelsen drives af gear, der er forbundet med krumtapakslen.

Skrab i hovedet stadig på hvad, nøjagtigt, der sker? Her er trinnene:

• Kompressionsslag: stemplet nærmer sig top-dead-center, alle cylinderens porte er lukket, og tændrøret fyrer og antænder brændstof / luftblandingen
• Forbrændingsslag: antændelse tvinger stemplet tilbage ned i cylinderen; når stemplet går til bund-død-centret, skifter foringen (eller ærmet) for at justere sine udskæringsåbninger med cylinderens udstødningsåbninger
• Udstødningslag udstødningsgas udvises, når stemplet kommer tilbage; udstødningsportene lukker
• Indtagelsesslag: ærmet roterer den anden vej og udsætter luftindtagets porte; stemplet stiger ned, trækker ind i frisk luft; ærmet skifter for at lukke indsugningsporten til det næste fyringsslag, og derefter gentages hele processen

Multipliser nu det med flere cylindere, og smid en krumtapaksel ind, så de kan rotere, og du har dig selv en muffeventilmotor!

Hvis det lyder kompliceret, ja, det er fordi det er. En af de største slag mod disse motorer var, at de var så komplekse. Det giver dog en smule mere mening, når du ser hele processen i handling. Se videoen på denne side for bedre at visualisere den.

Sæt din virvel i gang: ærmeventiler og volumetrisk effektivitet

Så hvorfor skulle nogen ønske at abe rundt med en motor, der er så kompliceret? Når alt kommer til alt var de notorisk tørstige efter smøreolie; og de tog ikke venligt til urenheder som korn. Svaret er, at de tilbyder fordelen ved den volumetriske effektivitet. Med andre ord, de er meget bedre end almindelige motorer til at komme luft ind og ud af forbrændingskammeret. Arrangementet af havne giver også bedre virvelegenskaber. Det er ingeniør ese for, de skaber turbulent luft, der får luft- og brændstofblandingen til at brænde mere effektivt [kilde: Raymond].

Indiana-fødte Charles Yale Knight købte en trehjulet Knox-bil omkring 1901, så han kunne rapportere og offentliggøre sin gårdstidsskrift i U.S. Midwest. Men han fandt, at klapperne, der blev skabt af bilens ventiler, var en alvorlig smerte i ørerne. Så han gjorde, hvad enhver selv respekterende iværksætter med baggrund i industrielle maskiner ville gøre: Han gik ud på at bygge en bedre motor selv.

Med en velhavende støtte, udviklede han og udførligt testede prototyper. I 1906 havde han gjort fremskridt nok til at afsløre sin 4-cylindrede 40-hestekræfter "Silent Knight" -bil på Chicago Auto Show.

Knight-motoren indeholdt ikke en, men to ærmer pr. Cylinder, med den indre ærme glidende inden for det ydre. Stemplet gled på sin side inden i den indre ærme. Ridderen, tro mod sin moniker, var imponerende stille. Selvom Knight-motoren viste sig overlegen i forhold til sin høje og skrøbelige klapventiler i sin tid, gav amerikanske bilproducenter den kolde skulder, oprindeligt.

Ridder og hans økonomiske velgørenhed L.B. Kilbourne klarede sig betydeligt bedre i udlandet. Efter nogle forbedringer af designet fandt Knight-motoren sig hen på Daimler-biler i England (ikke at forveksle med Daimler-Benz).

The Silent Knight var et hit, og snart ville andre producenter ind på muffeventilhandlingen - inklusive bilproducenter i USA. Willys biler og lette lastbiler, Daimler og Mercedes-Benz, beskæftigede blandt andet Knight-muffeventilmotoren [kilde: Wells].

I 1920'erne var konstruktionen af ​​ærmeventilen imidlertid fremskredt ud over Knights ærme-inden-en-ærme-konfiguration. Enkelt ærmet design, inklusive Burt-McCollum, var lettere, mindre komplekse og billigere at bygge og foretrækkes derfor for producenterne. Med yderligere ændringer fra motorproducenter som Bristol og Rolls-Royce, ville de endda tage til himlen.

1940: Markpersonale forbereder sig på at indlæse en Hawker Typhoon med bomber. Fox-fotos / Getty-billeder

Harry R. Ricardo (senere "Sir" Harry Ricardo), født i London i 1885, ventede ikke til universitetet for at begynde hans ingeniørstudier. Han observerede og optog sig ved knæet på en lokal maskinist som en ung dreng og ville tage hjem fra maskinistbutikken for at anvende sin nye viden i bygning af motorer. Han ville senere sige:

”Som barn blev jeg altid fascineret af motorer og mekaniske bevægelser generelt, og frem for alt af det store mysterium om, hvordan sådanne ting faktisk blev skabt… når jeg ser tilbage, tror jeg, jeg lærte mere af faktisk værdi af disse tidlige og meget rå forsøg på design og fremstilling end fra noget andet "[kilde: University of Cambridge].

Ricardo var i sin arbejdende ingeniør i voksen alder en uhelbredelig overachiever. Ud over at finjustere motorerne på tanke, der hjalp med at bryde dødvandet fra første verdenskrig, førte han banebrydende forskning i tildeling af oktanklassifikationer til forskellige brændstofklasser.

Måske var hans mest bemærkelsesværdige bidrag i 2. verdenskrig hans arbejde med at forbedre muffeventilmotoren bedre.

Ricardo teoretiserede i 1920'erne, at en ærmeventilflymotor kunne generere større hestekræfter end en sammenlignelig tappetventileret motor, fordi den kunne generere et højere kompressionsforhold.

Det viste sig, at i 1941 tog britiske fly inklusive bærebjælken Supermarine Spitfire-jagerflyet et dunk fra Tysklands overlegne Focke-Wulf Fw 190. Fw 190'erne lancerede også jordangreb på allierede installationer med næsten straffrihed, da intet kunne fange dem i lav højde, efter at de faldt deres bomber.

Den muffeventilmotorerede Hawker Typhoon, der trådte i drift i 1942, ændrede det. Fremdrevet med en 2.180 hestekræfter Napier Saber-motor, betød "Tiffys" ekstra op-og-gå det, at det ikke kun kunne skyde hurtige Luftwaffe-interlopere ned, men det kunne også bære bomber. Senere i krigen ville bombe- og raketudstyrede tyfoner vise sig at være afgørende for at støtte de allierede jordstyrker, da de strammede læseren på nazisterne og sluttede krigen i Europa [kilde: Rickard].

På trods af muffeventilmotorens eksemplariske militære rekord var skrivningen på væggen: jetmotorer ville dominere kommerciel og militær luftfart fra efterkrigsårene frem.

Arven fra Knight, Ricardo og andre ville ikke helt forsvinde - motorentusiaster vil mindes om muffeventilmotoren med hjemmebygde modeller og på websteder i de følgende årtier. Nogle flyvende modelfly anvender motorer med miniaturemuffe. Og det kan tænkes, at teknologien kan opleve en genopblussen på nogle af verdens største og hurtigst voksende bilmarkeder.

Så var muffeventilmotoren en evolutionær blindgyde, så langt som forbrændingen?

Lad os sige det på denne måde. Ligesom Hollywood kan lide at genanvende gamle koncepter og sætte dem frisk, når det løber tør for nye ideer, så gør bilindustrien det også. Elektriske biler, kan du huske, var meget før (ironisk nok) den elektriske starter gjorde forbrændingsbiler meget praktiske. Elektrik forsvandt stort set fra mainstream-bilkørsel, indtil miljøhensyn bragte dem tilbage fra graven nær århundredeskiftet.

Og på lignende måde kan tilfældet udfolde sig med den slukende muffeventilmotor. Som det siger: "Det gamle er nyt igen."

San Carlos, Californien-baserede Pinnacle Technologies regner med en ophøjet efterspørgsel efter ren, billig transport i Asien for at slå sin moderne fortolkning af muffeventilen op. En ny motor er baseret på, hvad virksomheden beskriver som en firetakters, gnist antændt (SI), modstående stempel, muffeventilarkitektur.

Pinnacle-grundlægger Monty Cleeves siger, at hans patenterede motor kan give en effektivitetsforbedring på 30-50 procent i forhold til nuværende forbrændingsmotorer [kilde: Pinnacle Engines].

"Denne motorteknologi giver brændstoføkonomi og CO2-emissioner fra en hybrid til en pris, som hele verden har råd til," sagde Cleeves i en virksomhedsudgivet erklæring

Pinnacle siger, at det ikke er bekymret for elektriske køretøjer, der gør sin teknologi forældet som helst snart. I stedet tror den, at der er en stor mulighed for at betjene hurtigt voksende markeder som Indien og Kina. De og andre udviklingslande ønsker at begrænse drivhusgasemissionerne, mens de forbedrer deres borgeres levestandard gennem ejerskab af motorkøretøjer. Da elektriske køretøjer og hybrider stadig har en betydelig prispræmie, siger Pinnacle, at dens genudtænkte muffeventil er en god "broteknologi", indtil elektricitet bliver mere overkommelig for alle.

Pinnacle, der har modtaget flere millioner dollars i risikovillig kapital, sagde, at den forfulgte en licensaftale med en asiatisk bilproducent, og den forventede, at produktionen ville begynde i 2013.

Forfatterens note: Hvordan ærmerne til motorer fungerer

Som et stort militært fly geek, havde jeg hørt om muffeventilmotorer forud for denne opgave. Men det handlede om omfanget af det. I betragtning af deres fodnote-i-historie status, havde jeg altid tænkt på dem kun i det abstrakte. I modsætning til en klapventilmotor, som du kan studere i din egen indkørsel, var disse "muffeventil-ting" for mig bare en glemt, hvis malerisk teknologi, som damplokomotiver. Så da jeg tappede på interwebbenes kraft for at se dem i aktion, blev jeg øjeblikkeligt slaget af ærefrygt og beundring. Hvordan regnede folk for 100 år siden ud alle de nødvendige vinkler, tolerancer, vægtbalancer og mere for at bringe disse utroligt komplekse maskiner til live? Det faktum, at iværksættere i dag ser ud til at indpode nyt liv i konceptet taler bånd om de originale pionerers geni og vision. Man kunne hævde, at de originale, ventilerede motorer fra det tyvende århundrede var "overkonstruerede" - det vil sige, de var for komplicerede til deres eget bedste. Eller det kunne simpelthen være, at de manglede de fremskridt, der er gjort inden for materialevidenskab og præcisionen i computerstøttet design, som vi nyder i dag, bare forud for deres tid.

relaterede artikler

• Car Smarts: Motorer
• Sådan fungerer bilmotorer
• Sådan fungerer en Atkinson Cycle Engine
• Sådan fungerer Graal Engine
• Sådan fungerer motorer
• Kompressionskvotering og oktanvurderinger: Hvad du skal vide
• Sådan fungerer fly

Kilder

• Fehrenbacher, Katie. "The Green Overdrive Show: En super effektiv 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 med 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. "Sammenligning af ærmer til ærmer og sprøjteventilflyvemaskine." 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 ud over Detroit som markedet for dens motor med modsat stempel." Xconomy. 4. oktober 2011. (14. feb. 2012) http://www.xconomy.com/san-francisco/2011/10/04/pinnacle-looks-beyond-detroit-as-the-market-for-its -opposed-stempel-motor /? single_page = true
• Smith, Sam. "De 10 mest usædvanlige motorer gennem tidene." Bil og fører. Oktober 2010. (16. februar 2011) http://www.caranddriver.com/features/the-10-most-unusual-engines-of-all-time-feature
• University of Cambridge Institut for Ingeniørvidenskab. "Sir Harry Ricardo, F.R.s. - En pioner eller forbrændingsmotor." (12. feb. 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 ærmeventil radial animation." 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