Кулачковый двигатель — это поршневой двигатель , в котором вместо обычного коленчатого вала поршни передают усилие на кулачок , который затем приводится во вращение. Выходная работа двигателя осуществляется этим кулачком. [1]
Первым двигателем, получившим сертификат летной годности правительства США, был двигатель с радиальным распредвалом. Вариант кулачкового двигателя, двигатель с автоматом перекоса (также близкий к нему двигатель с качающимся диском), некоторое время был популярен. [2]
Обычно их называют двигателями внутреннего сгорания , хотя они также используются в качестве гидравлических и пневматических двигателей . Гидравлические двигатели, особенно с автоматом перекоса, широко и успешно используются. Однако двигатели внутреннего сгорания остаются почти неизвестными.
Некоторые кулачковые двигатели являются двухтактными , а не четырехтактными. В двухтактном двигателе силы на поршень действуют равномерно вниз на протяжении всего цикла. В четырехтактном двигателе эти силы циклически меняются местами: на этапе впуска поршень движется вверх , несмотря на уменьшенную индукционную депрессию. Простой кулачковый механизм работает только с силой в одном направлении. В первых двигателях Мишеля кулачок имел две поверхности: основную поверхность, на которой работали поршни при работе, и другое кольцо внутри нее, которое обеспечивало десмодромное действие для ограничения положения поршня во время запуска двигателя. [3]
Обычно требуется только один кулачок, даже для нескольких цилиндров. Таким образом, большинство кулачковых двигателей представляли собой оппозитные сдвоенные или радиальные двигатели . Ранняя версия двигателя Мишеля представляла собой роторный двигатель , разновидность радиального двигателя, в котором цилиндры вращаются вокруг неподвижного кривошипа.
Короткое время выдержки, которое производит кривошип, не обеспечивает более или менее постоянного объема для процесса сгорания. Кривошипно-шатунная система достигает значительного механического преимущества при 6 ° до ВМТ; затем он достигает максимального преимущества при угле от 45° до 50°. Это ограничивает время горения до значения менее 60°. Кроме того, быстро опускающийся поршень снижает давление перед фронтом пламени, сокращая время горения. Это означает меньшее время горения при более низком давлении. Именно эта динамика объясняет, почему во всех кривошипных двигателях значительное количество топлива сгорает не над поршнем, где можно извлечь его мощность, а в каталитическом нейтрализаторе, который производит только тепло.
Современный кулачок может быть изготовлен с использованием технологии числового программного управления (ЧПУ), чтобы иметь механическое преимущество с задержкой.
К другим преимуществам современных кулачковых двигателей относятся:
Предполагать, что кулачковые двигатели были или являются неудачными, когда речь идет о надежности, ошибочно. После обширных испытаний, проведенных правительством США, двигатель Fairchild Model 447-C с радиальным распредвалом удостоился чести получить самый первый сертификат типа, утвержденный Министерством торговли. В то время, когда срок службы кривошипного двигателя самолета составлял от 30 до 50 часов, модель 447-C была гораздо более надежной, чем любой другой авиационный двигатель, производившийся тогда. [5] К сожалению, в эпоху до появления ЧПУ у него был очень плохой профиль кулачка, что означало, что он слишком сильно трясся для деревянных пропеллеров и планеров из дерева, проволоки и ткани того времени.
Одним из преимуществ является то, что площадь опорной поверхности может быть больше, чем у коленчатого вала. На заре разработки подшипниковых материалов снижение давления в подшипниках могло обеспечить более высокую надежность. Относительно успешный кулачковый двигатель с наклонной шайбой был разработан экспертом по подшипникам Джорджем Мичеллом , который также разработал упорный блок со скользящей подушечкой . [2] [6]
Двигатель Мишеля (не имеет отношения) начинался с толкателей с роликовыми кулачками, но во время разработки перешел на толкатели с подшипниками скольжения. [7] [8]
В отличие от коленчатого вала, кулачок легко может иметь более одного хода за один оборот. Это позволяет совершать более одного хода поршня за один оборот. Для использования в самолетах это была альтернатива использованию блока уменьшения скорости пропеллера : высокая частота вращения двигателя для улучшения соотношения мощности к весу в сочетании с более низкой скоростью пропеллера для более эффективного пропеллера. На практике конструкция кулачкового двигателя весила больше, чем комбинация обычного двигателя и коробки передач.
Единственными двигателями внутреннего сгорания, добившимися хотя бы отдаленного успеха, были двигатели с автоматом перекоса . [2] Это были почти все осевые двигатели , где цилиндры расположены параллельно оси двигателя, в одно или два кольца. Целью таких двигателей обычно было достижение осевой или «бочковой» компоновки, что позволило создать двигатель с очень компактной лобовой площадью. Одно время планировалось использовать в качестве авиационных двигателей бочковые двигатели с уменьшенной лобовой площадью, позволяющей уменьшить фюзеляж и снизить лобовое сопротивление.
Двигатель, аналогичный двигателю с автоматом перекоса, представляет собой двигатель с качающейся пластиной, также известный как нутатор или Z-кривошипный привод. Здесь используется подшипник, который просто вращается , а не вращается, как в случае с автоматом перекоса. Качающаяся пластина отделена от выходного вала поворотным подшипником. [2] Таким образом, двигатели с качающейся пластиной не являются кулачковыми двигателями.
Большинство беспоршневых двигателей, использующих кулачки, такие как кулачковый двигатель Рэнда, используют кулачковый механизм для управления движением уплотнительных лопаток. Давление сгорания, оказываемое на эти лопатки, заставляет вращаться держатель лопаток, отдельный от кулачка. В двигателе Рэнда распределительный вал перемещает лопатки так, что они имеют разную длину и таким образом охватывают камеру сгорания различного объема при вращении двигателя. [9] Работа, совершаемая при вращении двигателя, вызывающая это расширение, представляет собой термодинамическую работу, совершаемую двигателем и заставляющую двигатель вращаться.