stringtranslate.com

Рукавный клапан

Крупный план клапана Bristol Centaurus Mark 175.
Бристоль Персей

Гидрораспределитель — это тип клапанного механизма для поршневых двигателей , отличный от обычного тарельчатого клапана . Двигатели с золотниковым клапаном использовались в ряде роскошных автомобилей до Второй мировой войны , а в Соединенных Штатах — в легковом автомобиле и легком грузовике Willys-Knight . Впоследствии они вышли из употребления из-за достижений в технологии тарельчатого клапана, включая натриевое охлаждение, и тенденции двухвального двигателя системы Knight сжигать много смазочного масла или заедать из-за его недостатка. Шотландская компания Argyll использовала в своих автомобилях свою собственную, гораздо более простую и эффективную одновальную систему (Burt-McCollum), систему, которая после обширной разработки нашла широкое применение в британских авиадвигателях 1940-х годов, таких как Napier Sabre , Bristol Hercules , Centaurus и многообещающем, но никогда не выпускавшемся массово Rolls-Royce Crecy , только чтобы быть вытесненной реактивными двигателями. Компания Piccard-Pictet в Швейцарии запатентовала свой собственный тип распределительного двигателя с одним золотниковым клапаном, при этом золотник просто вращается.

Описание

Втулочный клапан имеет форму одного (или в случае двух фланцевых клапанов, двух) обработанных цилиндров, которые концентрически устанавливаются между поршнем и отверстием блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания с перекрестным впуском/выпуском. Эти втулки имеют впускные и выпускные отверстия, обработанные на периферии, аналогично двухтактному двигателю . Порты (отверстия) на периферии втулок совмещаются с впускными и выпускными отверстиями цилиндра на соответствующих стадиях цикла двигателя.

Типы золотниковых клапанов

Четырехцилиндровый автомобильный двигатель 1919 года в разрезе цилиндров, демонстрирующем клапаны Knight.
Двигатель Knight с золотниковым клапаном

Первый успешный золотниковый клапан был запатентован Чарльзом Йелем Найтом и использовал два возвратно-поступательных рукава на цилиндр. Он использовался в некоторых автомобилях класса люкс, в частности, в Willys , Stearns, Daimler , Mercedes-Benz , Minerva , Panhard , Peugeot и Avions Voisin . Mors принял двигатели с двойным золотниковым клапаном, произведенные Minerva. Более высокий расход масла [1] был значительно перевешен бесшумностью работы и очень большими пробегами без обслуживания. Ранние системы тарельчатых клапанов требовали декарбонизации при очень малых пробегах и были склонны к выходу из строя пружины клапана до более поздних достижений в технологии пружин.

Схема одноходового клапана Argyll, демонстрирующая сложную форму множественных портов и полуповоротный привод
Одноходовой клапан Argyll

Втулочный клапан Берта-МакКоллума был назван в честь двух изобретателей, которые подали заявки на аналогичные патенты с разницей в несколько недель. Система Берта была открытого типа, приводимая в действие со стороны коленчатого вала, в то время как конструкция МакКоллума имела втулку в головке и верхней части цилиндра и более сложное расположение портов (Источник: Журнал «Torque Meter», AEHS). Конструкция, которая пошла в производство, была больше «Берта», чем «МакКоллума». Она использовалась шотландской компанией Argyll для своих автомобилей [2] , а позже была принята Bristol для своих радиальных авиационных двигателей и разработанного Halford Napier Sabre. Она использовала одну втулку, приводимую в действие эксцентриком от оси синхронизации, установленной под углом 90 градусов к оси цилиндра. Механически более простой и прочный клапан Берта-Макколлума имел дополнительное преимущество в виде снижения расхода масла (по сравнению с другими конструкциями золотниковых клапанов), сохраняя при этом камеры сгорания и большую, свободную от загромождений область отверстий, установленную в системе Найта .

Небольшое количество конструкций использовали «манжетную» гильзу в головке цилиндра вместо самого цилиндра, [3] обеспечивая более «классическую» компоновку по сравнению с традиционными двигателями с тарельчатыми клапанами. Эта конструкция также имела преимущество в том, что поршень не находился внутри гильзы, хотя на практике это, по-видимому, имело мало практической ценности. С другой стороны, эта компоновка ограничивала размер портов размером с головку цилиндра, тогда как гильзы в цилиндре могли иметь гораздо большие порты.

Преимущества/недостатки

Преимущества

Основными преимуществами двигателя с золотниковым клапаном являются:

Большинство этих преимуществ были оценены и установлены в 1920-х годах Роем Федденом , Нивеном и Гарри Рикардо, возможно, самым большим сторонником двигателя с золотниковым клапаном. Он признал, что некоторые из этих преимуществ были значительно подорваны с улучшением топлива до и во время Второй мировой войны, а также с введением охлаждаемых натрием выпускных клапанов в высокопроизводительных авиационных двигателях.

Недостатки

Однорукавный клапан имел ряд недостатков:

История

Чарльз Йель Найт

Daimler 22 л.с. [10] открытый 2-местный (пример 1909 года). Хорошо видимый талисман на крышке радиатора — (CY's) Knight
Копия рекламы Stearns 1912 года в центре города Бойсе, штат Айдахо, рекламирующая двигатель типа Knight.

В 1901 году Найт купил одноцилиндровый трехколесный автомобиль с воздушным охлаждением, шумные клапаны которого его раздражали. Он считал, что может спроектировать лучший двигатель, и сделал это, изобретя свой принцип двойной гильзы в 1904 году. При поддержке чикагского предпринимателя Л. Б. Килбурна было построено несколько двигателей, за которыми последовал туристический автомобиль «Silent Knight», показанный на Чикагском автосалоне 1906 года.

Конструкция Найта имела две чугунные гильзы на цилиндр, одна из которых скользила внутри другой, а поршень находился внутри внутренней гильзы. Гильзы приводились в действие небольшими соединенными стержнями, приводимыми в действие эксцентриковым валом. На их верхних концах были вырезаны отверстия. Конструкция была на удивление тихой, а клапаны гильз не требовали особого внимания. Однако она была более дорогой в производстве из-за точной шлифовки, необходимой для поверхностей гильз. Она также потребляла больше масла на высоких скоростях и ее было сложнее запускать в холодную погоду. [11]

Хотя изначально он не мог продать свой двигатель Knight Engine в Соединенных Штатах, долгое пребывание в Англии, включающее обширную дальнейшую разработку и усовершенствование Daimler под руководством их консультанта доктора Фредерика Ланчестера , [12] в конечном итоге обеспечило Daimler и несколько фирм по производству автомобилей класса люкс в качестве клиентов, готовых платить его высокие премии. Впервые он запатентовал конструкцию в Англии в 1908 году. Патент для США был выдан в 1910 году. [13] В рамках лицензионного соглашения «Knight» должно было быть включено в название автомобиля.

Шестицилиндровые двигатели Daimler с золотниковым клапаном использовались в первых британских танках в Первой мировой войне, вплоть до Mark IV . В результате тенденции двигателей дымить и, следовательно, выдавать позиции танка, был привлечен Гарри Рикардо , который разработал новый двигатель, который заменил золотниковый клапан , начиная с танка Mark V.

Среди компаний, использовавших технологию Найта, были Avions Voisin , Daimler (1909–1930-е годы), включая их V12 Double Six , Panhard (1911–39), Mercedes (1909–24), Willys (как Willys-Knight , а также связанный с ним Falcon-Knight), Stearns , Mors , Peugeot и бельгийская компания Minerva , которая была вынуждена прекратить выпуск своей линейки двигателей с золотниковыми клапанами из-за ограничений, наложенных на них победителями во Второй мировой войне, всего около тридцати компаний. [14] Itala также экспериментировала с роторными и золотниковыми клапанами в своих автомобилях «Avalve». [15]

По возвращении в Америку Найт смог заставить несколько фирм использовать его дизайн; здесь его бренд был « Silent Knight » (1905–1907) — коммерческий аргумент заключался в том, что его двигатели были тише, чем двигатели со стандартными тарельчатыми клапанами. Самыми известными из них были FB Stearns Company из Кливленда, которая продавала автомобиль под названием Stearns-Knight , и фирма Willys , которая предлагала автомобиль под названием Willys-Knight , который был произведен в гораздо больших количествах, чем любой другой автомобиль с золотниковым клапаном.

Берт-МакКоллум

Втулочный клапан Берта-Макколлума, получивший свое название от фамилий двух инженеров, которые запатентовали одну и ту же концепцию с разницей в несколько недель, Питера Берта и Джеймса Гарри Кейли Макколлума, заявки на патенты от 6 августа и 22 июня 1909 года соответственно, оба инженера были наняты шотландским автопроизводителем Argyll, состоял из одной втулки, которой придавалось сочетание движения вверх-вниз и частичного вращательного движения. Он был разработан примерно в 1909 году и впервые был использован в автомобиле Argyll 1911 года . Первоначальные инвестиции в 1900 году в Argyll составили 15 000 фунтов стерлингов, а строительство великолепного завода в Шотландии обошлось в 500 000 фунтов стерлингов в 1920 году. Сообщается, что судебные тяжбы владельцев патентов Knight обошлись Argyll в 50 000 фунтов стерлингов, что, возможно, стало одной из причин временного закрытия их завода. Другим производителем автомобилей, использовавшим патенты Argyll SSV и другие собственные (патент GB118407), был Piccard-Pictet (Pic-Pic); Louis Chevrolet и другие основали Frontenac Motors в 1923 году с целью производства роскошного автомобиля с двигателем SSV объемом 8 л, но он так и не был запущен в производство по причинам, связанным с временными ограничениями патентов Argyll в США. Наибольший успех клапанов с одним золотником (SSV) был достигнут в больших авиационных двигателях Bristol, он также использовался в двигателях Napier Sabre и Rolls-Royce Eagle . Система SSV также снизила высокий расход масла, связанный с двухзолотниковым клапаном Knight. [16]

Barr and Stroud Ltd из Эннисленда, Глазго, также лицензировали конструкцию SSV и производили уменьшенные версии двигателей, которые они продавали компаниям по производству мотоциклов. В рекламе в журнале Motor Cycle в 1922 году [17] Barr & Stroud продвигали свой двигатель с золотниковым клапаном объемом 350 куб. см и перечисляли Beardmore-Precision , Diamond, Edmund и Royal Scot в качестве производителей мотоциклов, предлагающих его. Этот двигатель был описан в мартовском выпуске как двигатель «Burt». [18] Grindlay-Peerless начала производство SSV Barr & Stroud с двигателем V-twin объемом 999 куб. см в 1923 году. [1] Архивировано 27 мая 2013 года в Wayback Machine , а позже добавила 499-кубовый одноцилиндровый SSV, а также 350-кубовый. Вард Уоллес, известный своими вилками для мотоциклов, в 1947 году представил чертежи одноцилиндрового двигателя SSV с воздушным охлаждением объемом 250 куб. см. Некоторые небольшие вспомогательные лодочные двигатели SSV и электрогенераторы были построены в Великобритании, подготовленные для сжигания «парафина» с самого начала или после небольшого нагрева с более сложным топливом. [19]

Ряд авиационных двигателей с золотниковым клапаном были разработаны после основополагающей исследовательской работы 1927 года от RAE Гарри Рикардо . В этой работе были описаны преимущества золотникового клапана и высказано предположение, что двигатели с тарельчатым клапаном не смогут обеспечить выходную мощность, намного превышающую 1500 л. с. (1100 кВт). Napier и Bristol начали разработку двигателей с золотниковым клапаном, что в конечном итоге привело к ограниченному производству двух самых мощных поршневых двигателей в мире: Napier Sabre и Bristol Centaurus . Компания Continental Motors в годы Великой депрессии разработала прототипы двигателей с одним золотниковым клапаном для различных применений, от автомобилей до поездов и самолетов, и посчитала, что производство будет проще, а затраты будут ниже, чем у двигателей с тарельчатым клапаном. Из-за финансовых проблем Continental эта линейка двигателей так и не была запущена в производство. («Continental! Его моторы и его люди», Уильям Вагнер, Armed Forces Journal International и Aero Publishers, 1983, ISBN  0-8168-4506-9 )

Потенциально самым мощным из всех двигателей с золотниковым клапаном (хотя он так и не был запущен в производство) был Rolls-Royce Crecy V-12 (как ни странно, с углом развала цилиндров 90 градусов), двухтактный, с непосредственным впрыском, турбонаддувом (с принудительной очисткой) авиационный двигатель объемом 26,1 литра. Он достиг очень высокой удельной мощности и удивительно хорошего удельного расхода топлива (SFC). В 1945 году одноцилиндровый испытательный двигатель (Ricardo E65) выдавал эквивалент 5000 л. с. (192 BHP/литр) при впрыске воды [20] , хотя полный V12, вероятно, изначально имел бы номинальную мощность около 2500 л. с. (1900 кВт). Сэр Гарри Рикардо, который определил компоновку и цели проектирования, считал, что надежная военная мощность в 4000 л. с. будет возможна. Во время войны Рикардо постоянно был разочарован усилиями Rolls-Royce (RR). Hives & RR были очень сосредоточены на своих Merlin , Griffon, затем Eagle и, наконец, на реактивных самолетах Whittle , которые все имели четко определенную производственную цель. Рикардо и Тизард в конце концов поняли, что Crecy никогда не получит должного внимания к разработке, если только не будет указан для установки на конкретный самолет, но к 1945 году их концепция « Spitfire на стероидах» быстро набирающего высоту перехватчика, оснащенного легким двигателем Crecy, превратилась в самолет без цели.

После Второй мировой войны золотниковый клапан стал использоваться меньше, Рой Федден, очень рано включившийся в исследования SV, построил несколько плоских шестицилиндровых двигателей с одним золотниковым клапаном, предназначенных для авиации общего назначения около 1947 года; после этого только французская SNECMA производила несколько двигателей SSV по лицензии Bristol, которые были установлены на транспортном самолете Noratlas , а также на другом транспортном самолете, Azor, построенном испанской CASA, устанавливались двигатели SSV Bristol после Второй мировой войны. Однако золотниковые двигатели Bristol использовались во время послевоенного бума воздушного транспорта, в Vickers Viking и связанных с ними военных Varsity и Valetta , Airspeed Ambassador , использовавшихся на европейских маршрутах BEA, и авиалайнерах Handley Page Hermes (и связанных с ними военных Hastings ), а также Short Solent и Bristol Freighter и Superfreighter . Centaurus также использовался в военных Hawker Sea Fury , Blackburn Firebrand , Bristol Brigand , Blackburn Beverly и Fairey Spearfish . Предыдущие проблемы тарельчатого клапана с уплотнением и износом были устранены за счет использования более качественных материалов, а проблемы инерции при использовании больших клапанов были уменьшены за счет использования нескольких меньших клапанов, что увеличило площадь потока и уменьшило массу, а горячая точка выпускного клапана была уменьшена за счет клапанов с натриевым охлаждением. До этого момента односекционный клапан выигрывал все состязания у тарельчатого клапана по сравнению мощности и рабочего объема. Сложность нитридной закалки, а затем финишной шлифовки золотникового клапана для придания круглости, возможно, была фактором отсутствия более коммерческого применения.

Патентное дело Найта-Аргайла

Когда в 1911 году был выпущен автомобиль Argyll, компания Knight and Kilbourne Company немедленно возбудила дело против Argyll за нарушение их оригинального патента 1905 года. В этом патенте описывался двигатель с одной подвижной втулкой, тогда как двигатели Daimler, которые строились в то время, были основаны на патенте Knight 1908 года, в котором были двигатели с двумя подвижными втулками. В рамках судебного разбирательства двигатель был построен в соответствии со спецификацией 1905 года и развивал не более доли номинальной мощности RAC . Этот факт в сочетании с другими юридическими и техническими аргументами [21] привел к тому, что в конце июля 1912 года судья постановил, что владельцы оригинального патента Knight не могут быть поддержаны в своем заявлении о том, что он дает им основные права, охватывающие конструкцию Argyll. Судебные издержки против претензий владельцев патента Knight, по-видимому, существенно способствовали банкротству Argyll в Шотландии.

Современное использование

Золотниковый клапан начал возвращаться благодаря современным материалам, значительно лучшим инженерным допускам и современным методам строительства, которые производят золотниковый клапан, который пропускает очень мало масла. Однако большинство передовых исследований двигателей сосредоточено на улучшении других типов конструкций двигателей внутреннего сгорания, таких как двигатель Ванкеля .

Майк Хьюленд со своим помощником Джоном Логаном, а также независимо Кейт Дакворт , экспериментировали с одноцилиндровым испытательным двигателем с золотниковым клапаном, рассматривая замену Cosworth DFV . Хьюленд утверждал, что получил 72 л. с. (54 кВт) от одноцилиндрового двигателя объемом 500 куб. см с удельным расходом топлива 177–205 г/л. с./ч (0,39–0,45 фунта/л. с./ч), причем двигатель мог работать на креозоте и без специальной подачи смазки для гильзы; они сказали, что решили проблему расхода масла, добавив кольцо Dykes на «Junk Head».

Двигатель серии RCV "SP" с рабочим объемом 20 см3 (1,20 куб. дюйма) и золотниковым клапаном.

Необычная форма четырехтактного модельного двигателя , которая по сути использует формат золотникового клапана, — это британская серия RCV двигателей модели «SP», в которых используется вращающаяся гильза цилиндра, приводимая в движение конической шестерней в «дне» гильзы цилиндра, которая на самом деле находится в задней части цилиндра; и, что еще более необычно, вал гребного винта — как интегрально обработанная часть вращающейся гильзы цилиндра — выходит из того, что обычно было бы головкой цилиндра , которая в этой конструкции расположена в крайней передней части двигателя, достигая передаточного отношения 2:1 по сравнению со скоростью вращения вертикально ориентированного коленчатого вала. Серия двигателей модели «CD» той же фирмы использует обычный вертикальный одиночный цилиндр с коленчатым валом, используемым для непосредственного вращения винта, а также использует вращающийся клапан цилиндра. Как и в случае с более ранними автомобильными силовыми установками с золотниковым клапаном, разработанными Чарльзом Найтом, любой двигатель RCV с золотниковым клапаном, работающий на модельном калильном топливе с использованием касторового масла (содержание около 2–4%) с максимальным содержанием смазки в топливе 15%, позволяет «лаку», образующемуся в процессе работы двигателя, обеспечивать лучшее пневматическое уплотнение между вращающимся клапаном цилиндра и унифицированными отливками цилиндра/головки двигателя, первоначально сформированными во время обкатки двигателя. [22]

Другая концепция, Rotating Liner Engine, была разработана, где износ и трение преимущества золотникового клапана используются в обычной компоновке двигателя. Сообщалось о снижении трения порядка 40% для тяжелого дизеля. [ необходима цитата ]

Эта же компания может также поставлять двигатели несколько большего размера для использования в военных беспилотниках, портативных генераторах и таком оборудовании, как газонокосилки. [23]

Паровой двигатель

Втулочные клапаны время от времени, но безуспешно, применялись на паровых двигателях, например, на судах класса SR Leader . [ необходима цитата ]

Смотрите также

Ссылки

  1. ↑ Autocar Handbook (девятое изд.). The Autocar . ок. 1919. стр. 36–38.
  2. ↑ Autocar Handbook (Девятое изд.). The Autocar . ок. 1919. стр. 37–39.
  3. ^ "Клапаны манжетных рукавов, описание". The Autocar . 19 декабря 1914 г.
  4. ^ Continental! Его моторы и его люди , В. Вагнер, 1983. ISBN 0-8168-4506-9 
  5. ^ М. Хьюленд (июль 1974 г.). Автомобиль и водитель .
  6. ^ WA Frederick, SAE Journal, май 1927 г.
  7. ^ Джордж А. Оливер, «Аргайлс с одним рукавом» , Profile Publications, номер 67 — Автомобили —, Лондон, 1967 г.
  8. ^ LJK Setright, Некоторые необычные двигатели , Лондон, 1979, стр. 62.
  9. ^ Бентеле, Макс (1991). Революции двигателей: Автобиография Макса Бентеле . Уоррендейл, Пенсильвания: SAE . стр. 5. ISBN 978-1-56091-081-7. Во время Второй мировой войны мой первоначальный энтузиазм по поводу простоты двигателя с золотниковым клапаном оказался основанным на сомнительных предпосылках. Мой осмотр захваченного двухрядного радиального двигателя Bristol обнаружил ведро, полное зубчатых колес для привода золотникового клапана. Я считаю, что там было более 100 шестерен!
  10. ^ Рейтинг RAC
  11. ^ Петришин, Ярослав (2000). Made Up To A Standard: Thomas Alexander Russell and the Russell Motor Car. General Store Publishing House. С. 65–66. ISBN 1-894263-25-1.
  12. ^ Лорд Монтегю и Дэвид Берджесс-Уайз Daimler Century  ; Stephens 1995 ISBN 1-85260-494-8 
  13. ^ «Двигатель внутреннего сгорания».
  14. ^ GN Georgano, GN (1985). Автомобили: ранние и винтажные, 1886–1930 . Лондон: Grange-Universal.
  15. ^ "Утраченные марки: Itala".
  16. ^ Хиллер, Виктор AW; Ф.В. Питтак (1991). Основы технологии автомобильных транспортных средств . Нельсон Торнес. стр. 36. ISBN 0-7487-0531-7.
  17. ↑ Motor Cycle, 20 апреля 1922 г., стр. iv
  18. ^ «Современная практика проектирования двигателей», Motor Cycle, 16 марта 1922 г., стр. 325
  19. ↑ Петтер Бразерхуд, Уоллес. Инженер , 9 декабря 1921 г., стр. 618.
  20. ^ Хайетт, ГФ, Робсон, Дж. В. Б. Мощный двухтактный двигатель с золотниковым клапаном для самолетов: описание разработки двухтактных исследовательских установок с впрыском бензина, построенных и испытанных в лаборатории компании Messrs Ricardo & Co. Ltd. Журнал: Авиастроение и аэрокосмические технологии. Год: 1950 Том: 22 Выпуск: 1 Страница: 21 - 23. ISSN  0002-2667
  21. ^ «Патентное дело Найта-Аргилла», The Automotor Journal, 3 августа 1912 г., стр. 919-920
  22. ^ Кит Лоус. "The Rotating Cylinder Valve 4-stroke Engine (SAE Paper 2002-32-1828)" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 12 ноября 2011 г. . Получено 3 января 2012 г. .
  23. ^ "RCV Engines Web Site". Архивировано из оригинала 26 ноября 2018 г. Получено 25 ноября 2018 г.

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Двигатели с золотниковым клапаном» .