Hur muffventilmotorer fungerar

Oktober 1945: Ett föråldrat Junkers JU 88-transportplan med en Focke-Wulf FW 190-kämpe på toppen, vid en visning av brittiska och tyska flygplan på Royal Aircraft Establiss i Farnborough, England. Ta en titt på vår animering av hur hylseventilmotorn fungerar. Fox Photos / Getty Images

Under andra världskriget konstruerade ingenjörer inom den nazistiska regimen några av de bästa och mest avancerade flygvapen i eran. Ett tysk jaktplan, Focke-Wulf Fw 190, överträffade en tid bättre än de allierade kunde släppa i luften.

Lyckligtvis för de allierade svängde så småningom teknik på deras sida överlägsen pendel till deras fördel. En robust, okonventionell motor som många människor idag aldrig har hört talas om hjälpte till att neutralisera Fw 190 och resten av Luftwaffe. På sitt eget sätt hjälpte en motor att driva de allierade till seger [källa: Rickard].

Hylseventilmotorn, som har använts på både bilar och flygplan, drev snabba brittiska krigare som Hawker Typhoon och Hawker Tempest. Med sina brute hästkrafter hjälpte de allierade att kontrollera himlen, ge luftstöd till markstyrkor och till slut vinna kriget.

Men vad är exakt en hylsventilmotor, och vad har det roliga namnet? Och varför ser vi inte eller hör vi mycket om dem idag?

Motorn får sitt namn från den tunnväggiga metallhylsan som glider upp och ner i varje cylinder under förbränningsprocessen. Vanligtvis passar hål i hylsan och i cylindern som innehåller den i förutsägbara intervaller för att driva ut avgaserna och suga in frisk luft.

Trots sin hederliga beväpnade tjänstepost förlorade den komplexa hylsventiluppsättningen vad vi använder i förbränningsmotorer idag, tappventiler. I flygplan gällde naturligtvis kolvdrivna kraftverk av alla slag till stor del jetmotorer.

Men vänta - släpp inte ärmventilen som en värdelös historisk relik ännu.

Åtminstone ett företag försöker sätta igång den värdiga hylsventilmotorn igen, men med några moderna vändningar.

På de kommande sidorna tittar vi på vad som gör att hylserventilmotorn svänger. Vi kommer också att undersöka varför det föll ur fördel, tillsammans med orsakerna till att det nu kallas upp, mer än ett sekel efter uppfinningen, för att tjäna i en annan typ av "kamp".

Detta innehåll är inte kompatibelt på den här enheten.

Innehåll

1. Ärmventil motorteknologi
2. Hylseventiler för land - används i bilmotorer
3. Hylseventiler med flyg - Använd i flygmotorer
4. Vad kommer härnäst?

När hylseventilmotorn anländer som den gjorde under industritidens höjd, ser det ut som en kontrast som skulle vara hemma i en steampunk-roman. Moderna ingenjörer förundras över sin intelligens. Och klöva på sin höga komplexitet.

Så där har du blivit varnad. Egentligen är det en ganska vacker sak när du förstod hur alla dessa bitar fungerar tillsammans. Rulla nu upp ärmarna, för vi är på väg att bli smutsiga med de inre funktionerna i en hylsventilmotor.

Denna motor har så mycket på gång att den nästan trotsar beskrivningen. Men vi ska försöka. Ärmventilsmotorer, liksom deras motsvarande ventilventiler, kan komma i många olika konfigurationer. Ett sådant arrangemang, de radiella hylsventilmotorerna som används på flygplan, ser lite ut som vad du kan få om en Rock 'Em Sock' Em Robot hade en baby med en "squiddie" -vakt från "The Matrix."

För att förstå vad en ärmventilmotor är och gör, kan det hjälpa först att förstå vad den inte är. Det är inte först och främst det populära systemet som de flesta av oss är bekanta med, en klappventilmotor. Poppetventiler är de facto-standarden på dagens förbränningsmotorer. Med dem öppnar och stänger svampformade ventiler under fjädrarnas spänning rytmiskt för att kontrollera inträde och utlopp av bränslen, luft och avfallsgaserna i cylindern.

En hylseventil använder å andra sidan en glidande, ibland roterande hylsa för att kontrollera hur mycket luft och bränsle som detoneras vid varje kompressionsslag. Grundförutsättningen att antända bränsle och luft för att driva en uppsättning kolvar och vrida en vevaxel är densamma som för andra förbränningsmotorer..

Här är ett annat tydligt drag i hylseventiler. På konstruktioner där hylsan roterar, anpassas portar som skärs i den med antingen inloppsportar eller avgasportar i cylindern, beroende på vilken del av slaget som äger rum. En kolv rör sig upp och ner i varje hylsa, även när hylsan glider fram och tillbaka. Ärmens rörelse drivs av växlar anslutna till vevaxeln.

Skrapar huvudet fortfarande på vad, exakt, som äger rum? Här är stegen:

• Kompressionsslag: kolven närmar sig topp-död-mitten, alla cylinderportar är stängda, och tändstiftet skjuter och tänder bränslet / luftblandningen
• Förbränningsslag: tändning tvingar kolven tillbaka ner i cylindern; när kolven går till botten-död-mitt, flyttas fodret (eller hylsan) för att anpassa sina utskärningsöppningar mot cylinderns avgasöppningar
• Avgasslag: avgasen släpps ut när kolven kommer upp igen; avgasportarna stängs
• Intagslag: hylsan roterar åt andra hållet och avslöjar luftintagportarna; kolven går ner och drar in frisk luft; hylsan växlar för att stänga inloppsporten för nästa avfyrningslag och sedan upprepas hela processen

Multiplicera nu det med flera cylindrar och släng i en vevaxel så att de kan rotera, så har du själv en hylsventilmotor!

Om det låter komplicerat, det är för det. En av de viktigaste stötarna mot dessa motorer var att de var så komplexa. Det är dock lite mer meningsfullt när du ser hela processen i handling. Kolla in videon på den här sidan för att bättre visualisera den.

Få din virvel på: ärmventiler och volumetrisk effektivitet

Så varför skulle någon vilja apa runt med en motor så komplicerad? När allt kommer omkring var de notoriskt törstiga efter smörjolja; och de tog inte vänligt till föroreningar som korn. Svaret är att de erbjuder fördelen med volumetrisk effektivitet. Med andra ord, de är mycket bättre än vanliga motorer att få luft in och ut ur förbränningskammaren. Anordningen av portarna ger också bättre virvelegenskaper. Det är ingenjör för, de skapar turbulent luft, vilket gör att luft- och bränsleblandningen brinner mer effektivt [källa: Raymond].

Indiana-födda Charles Yale Knight köpte en trehjulig Knox-bil runt 1901 så att han kunde rapportera och publicera sin gårdsdagbok i U.S. Midwest. Men han tyckte att skrapan som skapades av bilens ventiler var en allvarlig smärta i öronen. Så han gjorde vad alla självrespektive entreprenörer med bakgrund inom industrimaskiner skulle göra: Han planerade att bygga en bättre motor själv.

Med en rik stödjare stödde han och testade omfattande prototyper. År 1906 hade han gjort tillräckligt med framsteg för att avslöja sin 4-cylindriga, 40 hästkrafter "Silent Knight" -bil på Chicago Auto Show.

Knight-motorn innehöll inte en utan två ärmar per cylinder, med den inre hylsan glidande i det yttre. Kolven gled i sin tur inuti den inre hylsan. Riddaren, trogen till sin moniker, var imponerande tyst. Trots att Knight-motorn visade sig överlägsen de höga och bräckliga klappventilerna på sin tid, gav amerikanska bilproducenter den kalla axeln, till en början.

Knight och hans ekonomiska välgörare L.B. Kilbourne klarade sig betydligt bättre utomlands. Efter några förfiningar i designen hittade Knight-motorn sin väg till Daimler-bilar i England (inte att förväxla med Daimler-Benz).

The Silent Knight var en hit, och snart ville andra tillverkare in på hylseventilen - inklusive biltillverkare i USA. Willys bilar och lätta lastbilar, Daimler och Mercedes-Benz, bland andra anställde Knight-hylsventilmotorn [källa: Wells].

Emellertid på 1920-talet hade hylseventilkonstruktionen gått längre än Knights hyls-inom-en-hyls-konfiguration. Enfärgade mönster, inklusive Burt-McCollum, var lättare, mindre komplexa och mindre kostsamma att bygga och därför föredragna för tillverkare. Med ytterligare modifieringar från motortillverkare som Bristol och Rolls-Royce skulle de till och med ta himlen.

1940: Markpersonalen förbereder sig på att ladda en Hawker Typhoon med bomber. Fox Photos / Getty Images

Harry R. Ricardo (senare "Sir" Harry Ricardo), född i London 1885, väntade inte till college för att påbörja sina ingenjörsstudier. Han observerade och absorberade på knäet hos en lokal maskinist som ung pojke och skulle åka hem från maskinistens butik för att tillämpa sin nya kunskap i byggande av motorer. Han skulle senare säga:

"Som barn var jag alltid fascinerad av motorer och mekaniska rörelser i allmänhet, och framför allt av det stora mysteriet om hur sådana saker faktiskt gjordes ... när jag ser tillbaka, tror jag att jag lärde mig mer av det verkliga värdet av dessa tidiga och mycket råa försök till design och tillverkning än från någonting annat "[källa: University of Cambridge].

Ricardo, i sin arbetande ingenjörs vuxen ålder, var en obotlig overachiever. Förutom att finjustera motorerna på tankar som hjälpte till att bryta dödläget från första världskriget, ledde han banbrytande forskning om att tilldela oktanvärden till olika bränslegrader.

Kanske hans mest anmärkningsvärda bidrag under andra världskriget var hans arbete med att förbättra hylsventilmotorn.

Ricardo teoretiserade på 1920-talet att en hylsventilflygmotor skulle kunna generera större hästkrafter än en jämförbar tappventilmotor eftersom den kunde generera ett högre kompressionsförhållande.

Det visade sig att 1941 tog de brittiska flygplanen inklusive stormästaren Supermarine Spitfire-jaktplanet en bult från Tysklands överlägsna Focke-Wulf Fw 190. Fw 190-talet lanserade också markattacker på allierade installationer med nästan straffrihet, eftersom ingenting kunde fånga dem i låg höjd efter att de tappade sina bomber.

Den hylsventilmotorerade Hawker Typhoon, som trädde i drift 1942, ändrade det. Driven med en 2,180 hästkrafter Napier Saber-motor, innebar "Tiffys" extra upp-och-gå det att den inte bara kunde skjuta ner snabba Luftwaffe-interlopers, utan den kunde också bära bomber. Senare under kriget skulle bomb- och raketutrustade typhoons visa sig vara avgörande för att stödja de allierade markstyrkorna när de stramade åt munstycket på nazisterna och slutade kriget i Europa [källa: Rickard].

Trots hylsventilmotorns exemplariska militära rekord var skriften på väggen: jetmotorer skulle dominera kommersiell och militär luftfart från efterkrigstidens år framåt.

Arvet från Knight, Ricardo och andra skulle inte helt försvinna - motorentusiaster minnes hylsventilmotorn med hembygda modeller och på webbplatser under de kommande decennierna. Vissa flygmodellplan använder miniatyrmuffventiler. Och det är tänkbart att tekniken kan uppleva en återupplivning på några av världens största och snabbast växande fordonsmarknader.

Så var hylsventilmotorn en evolutionär återvändsgränd, så långt som förbränningen av förbränningen?

Låt oss säga det på detta sätt. Precis som Hollywood gillar att återvinna gamla koncept och lägga en ny snurra på dem när det är slut på nya idéer, så gör bilindustrin det också. Elbilar, kanske du kommer ihåg, var mycket innan (ironiskt nog) den elektriska startaren gjorde förbränningsbilar mycket praktiska. Elektricitet försvann ganska mycket från mainstream-bilkörning tills miljöhänsyn ledde dem tillbaka från graven nära sekelskiftet.

Och på liknande sätt kan fallet utvecklas med den slumrande hylsventilmotorn. Som man säger: "Det gamla är nytt igen."

San Carlos, Kalifornien-baserade Pinnacle Technologies räknar med utestängd efterfrågan på ren, billig transport i Asien för att fånga upp sin moderna tolkning av hylsventilen. En ny motor är baserad på vad företaget beskriver som en fyrtakts, gnisttänd (SI), motstående kolv, hylsventilarkitektur.

Pinnacle-grundaren Monty Cleeves säger att hans patenterade motor kan ge en 30-50-procentig effektivitetsförbättring jämfört med nuvarande förbränningsmotorer [källa: Pinnacle Engines].

"Denna motorteknologi ger bränsleekonomi och koldioxidutsläpp från en hybrid till ett pris som hela världen har råd", sade Cleeves i ett uttalande från företaget

Pinnacle säger att det inte är oroligt för elfordon som gör sin teknik föråldrad när som helst snart. Istället tror den att det finns en stor möjlighet att betjäna snabbt växande marknader som Indien och Kina. De och andra utvecklingsländer vill begränsa utsläppen av växthusgaser samtidigt som de förbättrar sina medborgares levnadsstandard genom ägandet av motorfordon. Eftersom elektriska fordon och hybrider fortfarande har ett betydande prispremie, säger Pinnacle att dess omprövade hylsventil är en bra "broteknologi" tills el blir billigare för alla.

Pinnacle, som har fått flera miljoner dollar i riskkapital, sa att det förföljde ett licensavtal med en asiatisk biltillverkare och förväntar sig att produktionen skulle börja 2013.

Författarens anmärkning: Hur ärmventilmotorer fungerar

Som en stor militär flygplan nörd, hade jag hört talas om hylsventilmotorer före detta uppdrag. Men det handlade om omfattningen av det. Med tanke på deras fotnot i historien hade jag alltid tänkt på dem bara i det abstrakta. Till skillnad från en klappventilmotor som du kan studera i din egen uppfart var dessa "hylsventil saker" för mig bara en glömd, om pittoreska, teknik, som ånglok. Så när jag tappade på interwebbens kraft för att se dem i aktion, blev jag omedelbart slagen med förundran och beundran. Hur fick folk fram 100 år sedan alla nödvändiga vinklar, toleranser, viktbalanser och mer för att få dessa otroligt komplexa maskiner till liv? Det faktum att företagare idag letar efter ett nytt liv i konceptet talar volymer om de ursprungliga pionjärernas geni och vision. Man kan hävda att de ursprungliga hylsventilmotorerna från det tjugonde århundradet var "överkonstruerade" - det vill säga de var för komplicerade för sitt eget bästa. Eller det kan helt enkelt vara så att de saknade framstegen inom materialvetenskap och precisionen i datorstödd design som vi njuter av i dag, de var bara före sin tid.

relaterade artiklar

• Car Smarts: Motorer
• Hur bilmotorer fungerar
• Hur en Atkinson Cycle Engine fungerar
• Hur Grail Engine fungerar
• Hur Stirling Motorer fungerar
• Kompressionskvot och oktanklassificering: Vad du behöver veta
• Hur flygplan fungerar

källor

• Fehrenbacher, Katie. "The Green Overdrive Show: En supereffektiv motor." GigaOm.com. 18 jan 2012. (21 februari 2012) http://gigaom.com/cleantech/the-green-overdrive-show-a-super-efficient-engine-video/
• Hodgson, Lee. "En kort historia av radiella motorer." Agelessengines.com. (18 februari 2012) http://www.agelessengines.com/history.htm
• Pinnacle-motorer. "Teknologi." (16 februari 2012) http://pinnacle-engines.com/technology.html
• Raymond, Robert J. "Jämförelse av ärm och Poppet-Ventil flygplan kolvmotorer." Enginehistory.org. April 2005. (20 februari 2012) http://www.enginehistory.org/members/articles/Sleeve.pdf
• Rickard, J. "Hawker Typhoon." Historyofwar.org. 30 april 2007. (15 februari 2012) http://www.historyofwar.org/articles/weapons_hawker_typhoon.html
• Roush, Wade. "Pinnacle ser bortom Detroit som marknaden för dess motstående kolvmotor." Xconomy. 4 oktober 2011. (14 februari 2012) http://www.xconomy.com/san-francisco/2011/10/04/pinnacle-looks-beyond-detroit-as-the-market-for-its -opposed-kolv-motor /? single_page = true
• Smith, Sam. "De tio mest ovanliga motorerna genom tiderna." Bil och förare. Oktober 2010. (16 februari 2011) http://www.caranddriver.com/features/the-10-most-unusual-engines-of-all-time-feature
• University of Cambridge Department of Engineering. "Sir Harry Ricardo, F.R.s. - En pionjär eller förbränningsmotorn." (12 februari 2012) http://www-g.eng.cam.ac.uk/125/achievements/ricardo/#9.%20SLEEVE
• Wells, Jerry. "Pioneer Sleeve Valve Engine." Enginehistory.org. (17 februari 2012) http://www.enginehistory.org/pioneering_sleeve_valve.shtml
• YouTube.com. "Bristol Hercules ärmventil radiell animering." 8 april 2009. (16 februari 2012) http://www.youtube.com/watch?v=_vrvep_YOio
• YouTube.com. "Brotherhood Sleeve Valve Engine, Sleeve operation." 20 augusti 2010. (17 februari 2012) http://www.youtube.com/watch?feature=endscreen&v=sPd6VJQeSYw&NR=1