Мотор скольжения

Вид в разрезе двигателя с поворотным клапаном ( Darracq 1912)
Вырез вид через рыцарь двигатель
обозначений сверху вниз: вход, выход, отверстие, поршни, наружные и внутренние скользящие втулки, втулки привода кривошипы
Система управления Burt-McCollum с одной вращающейся муфтой скольжения
Запорный клапан мотора Bristol Perseus

Подвижный двигатель - это общий термин для различных типов двух- и четырехтактных двигателей с золотниковым управлением для газообмена . В отличие от двигателей с клапанным управлением , впускные и выпускные клапаны которых закрываются, когда клапан закрыт, двигатели золотников управляются постоянно перемещающимися, вращающимися или вращающимися золотниковыми клапанами. На рубеже 19 и 20 веков несколько производителей попробовали свои силы в управлении клапанами, с четырехтактными двигателями только системы золотниковых клапанов от Charles Yale Knight и Argyll Motors (на основе Берта и МакКоллума) были успешными до Второй мировой войны. .

Основная техническая проблема заключается в том, чтобы поддерживать плотное закрытие клапана против высокого давления сжатия, несмотря на установку ползунов с низким коэффициентом трения, что затрудняется расширением материала в случае сильных изменений температуры. Ползуны должны быть хорошо смазаны, а это значит, что масло теряется на контрольных кромках. При управлении клапанами с тарельчатыми клапанами уплотнение поддерживается давлением сжатия, а седло клапана не смазывается. Управление клапаном доступно только в качестве впускного поворотного клапана в некоторых двухтактных двигателях. Здесь ползун должен только уплотняться против низкого давления предварительного сжатия в картере и не подвергается никаким более высоким температурам или температурным изменениям.

обзор

С начала производства двигателей до 1940-х годов предпринимались различные попытки контролировать газообмен (впуск, выпуск) в двигателях внутреннего сгорания. Органы управления паровыми двигателями и арматура как рабочие элементы машин и аппаратов служили моделями для двигателестроителей . Клапаны, встроенные в двигатели внутреннего сгорания сегодня, часто были причиной поломки двигателя на заре его создания. Часто они ломались при переходе от стержня клапана к головке клапана. Были очевидны и другие недостатки клапанов. Многие производители двигателей разработали скользящие элементы управления, чтобы избежать недостатков клапанов. Все конструкции поворотных клапанов имеют общую проблему герметичности при высоких давлениях сгорания и высоких температурах. Несколько концептов были разработаны, пока не были готовы к серийному производству.

В рукавных клапанах давление сгорания поглощается муфтой и не вызывает напряжения в соединении между клапаном и корпусом. Уплотнение между головкой блока цилиндров и суппортом осуществляется поршневыми кольцами, которые технически контролировались еще до Первой мировой войны. В 1903 году американский журналист Чарльз Йель Найт изобрел систему управления с двумя возвратно-поступательными концентрическими скользящими втулками, которые использовались в спортивных и роскошных автомобилях до конца 1930-х годов. В 1912 году шотландский производитель автомобилей Argyll Motors представил клапанные двигатели с вращающейся втулкой клапана, разработанные инженерами Бертом и Макколлумом. Во время Второй мировой войны британский производитель Bristol серийно производил несколько типов авиационных двигателей, таких как Bristol Hercules с системой управления скольжением по Берту-Макколлуму. На базе BMW , Daimler-Benz и Junkers авиадвигатели времен Второй мировой войны (торпедный двигатель Junkers) с плоским золотниковым клапаном DVL-WVW были разработаны для серийного производства ближе к концу. Однако серийно они больше не производились, так как к тому времени были полностью разработаны первые реактивные двигатели , которые технически превосходили все поршневые двигатели .

Более поздняя разработка - сферические поворотные клапаны. Горка имеет форму сферического сечения. На цилиндр используются две направляющие, по одной для входа и выхода. Они установлены в головке блока цилиндров и вращаются с половинной скоростью вращения коленчатого вала. Ползуны движутся по керамическим кольцам и не нуждаются в смазке.

Исторический

На заре развития двигателей внутреннего сгорания были спроектированы и построены бесчисленные варианты управления клапанами. Многие из них (насколько нам известно сегодня) с самого начала были обречены на провал. Успешные органы управления затвором были оснащены только направляющими с качающейся муфтой, поэтому нижеследующее описание по существу ограничивается этим типом конструкции.

Некоторые известные конструкции:

  • с вращающимися слайдами
  • с качающимися (качающимися) суппортами, только как скользящие рукава
    • двояко: Рыцарь 1908 г.
    • просто: Берт-МакКоллум 1911.

Первый широко распространенный клапанный двигатель был разработан в Чикаго Чарльзом Йельем Найтом (1868–1940) в 1903 году, доведен до серийного производства к 1907 году и запатентован в 1908 году, сначала в Великобритании, а затем в 1910 году в США.

С помощью рычажного управления Knight газообмен регулируется двумя скользящими втулками толщиной 3 мм, которые концентричны оси цилиндра и перемещаются вверх и вниз с ходом около 25 мм во время работы двигателя. Поршень движется во внутренней скользящей втулке. Втулки приводятся в движение эксцентриковым валом, расположенным в картере коленчатого вала и работающим с половинной скоростью через короткие шатуны. При перемещении скользящих втулок впускные и выпускные прорези поочередно освобождаются. Они расположены друг напротив друга в верхней части цилиндра. В то время такие двигатели с золотником были более прочными и менее склонными к отказам, чем двигатели с клапаном, и ценились за исключительную плавность хода и хорошие характеристики в диапазоне низких скоростей. В этом они превосходили клапанные двигатели того же размера.

Однако с увеличением мощности двигателя и скорости ползунки Knight достигли своих пределов. Относительно большие и тяжелые салазки ограничивали возможные обороты двигателя, а две скользящие втулки между поршнем и фактическим цилиндром препятствовали отводу тепла поршнем. Также были проблемы со смазкой салазок.

Феликс Ванкель очень интенсивно занимался управлением поворотными клапанами. Это привело к разработке поворотного клапана WVW-DVL для больших авиационных двигателей (WVW = Wankel Versuchswerkstätten, DVL = Немецкий научно-исследовательский институт авиации ).

Строительство и производство

Двигатели суппорта могли быть изготовлены только с высоким уровнем проектирования и технических усилий, а их работа требовала регулярного технического обслуживания. Они использовали много масла; Недостаток масла привел к непоправимому повреждению двигателя. Особый интерес они вызвали производители элитных автомобилей. На управление клапанами Knight было выдано более 30 лицензий на производство, например, компаниям Daimler (Mercedes) , Panhard & Levassor , Minerva , Hotchkiss , Laurin & Klement . В Mercedes с 1910 года были разработаны три двигателя, из которых самый успешный производился до 1924 года.

Технические данные Mercedes-Knight 16/45 PS:

  • 4 цилиндра
  • Диаметр цилиндра: 100 мм, ход поршня: 130 мм
  • Объем двигателя: 4084 см³
  • Мощность: 33 кВт (45 л.с.) при частоте вращения 1300 мин -1.
  • Максимальная скорость: 85 км / ч

В последний год выпуска мощность увеличили до 50 л.с. Всего на Mercedes было построено 5500 автомобилей с двигателями Knight. В 1927 году специальный автомобиль Voisin , оснащенный 12-цилиндровым двигателем Knight рабочим объемом 8 литров, установил 24-часовой мировой рекорд. Он ехал со средней скоростью 182,5 км / ч. В 2004 году Mercedes-Knight 1912 года выиграл гонку Гордона Беннета в Бад-Хомбург-фор-дер-Хёэ, проводимую при поддержке AvD , в классе классических автомобилей объемом до 13,5 литров.

Конструкция трубного / муфтового клапана

Частичный разрез двигателя Knight, видны золотниковые клапаны на центральных цилиндрах

Рукавные клапаны представляют собой подвижные трубки, которые устанавливаются между поршнем и цилиндром. У них есть отверстия, которые в определенном положении совпадают с соответствующими отверстиями в цилиндре, позволяя проходить впускным и выхлопным газам. Ползуны приводятся в движение на половине частоты вращения коленчатого вала.

В элементе управления Knight есть два взаимосвязанных слайда, которые перемещаются вперед и назад. Контрольные отверстия расположены напротив отверстий, выходное отверстие - напротив входа.

Элемент управления Берта-МакКоллума работает со слайдом, который перемещается примерно по круговой траектории. Несколько выпускных и впускных отверстий неправильной формы распределены по окружности цилиндра. Ползун попеременно освобождает выпускные и впускные отверстия и удерживает их закрытыми во время сжатия и рабочего цикла.

Авиационные двигатели

Двигатели с задвижкой обычно легче и мощнее сопоставимых современных клапанных двигателей. Британские производители Napier & Son и Bristol Aircraft Company успешно построили двигатели с скользящим управлением для серийных самолетов с середины 1930-х годов. Бристоль построили радиальные двигатели, Napier двигатели H . Bristol Hercules использовался в Северном Норатласе до начала 1970-х годов. У них были клапаны в стиле Берта-МакКоллума.

Плюсы и минусы

Преимущество перед обычным управлением клапанами в двигателях внутреннего сгорания - непрерывное движение ползуна. Это приводит к более низким максимальным ускорениям, которые ограничивают максимальную скорость. Кроме того, потоку газов не препятствует клапан, препятствующий потоку. Достигаемое сечение регулирования также больше, чем у тарельчатых клапанов. Прямой поток газа и короткие пути прохождения приводят лишь к небольшой турбулентности и небольшому нагреву. Это способствует значительно лучшему наполнению и, следовательно, более высокой производительности двигателя. Дальнейшие преимущества возникают в зависимости от конструкции.

Более высокая стоимость уплотнения движущихся частей отрицательно сказывается на стоимости и долговечности системы. Если рабочая температура слишком высока, существует риск клапанных частей быть захвачен или зажат.

Управление скольжением для двухтактных двигателей

Плоский поворотный клапан (узнаваемый по круглой крышке под карбюраторами) на подвесном гоночном двигателе
Половина корпуса двигателя Vespa (серия PX) с полуоткрытым воздухозаборником (вид со стороны карбюратора радиально на коленчатый вал)
Модель двигателя в разрезе: зеленый, коленчатый вал полый в виде поворотной заслонки с впускным отверстием.

Почти во всех двухтактных двигателях поршень также действует как управляющий золотник; в больших двухтактных дизельных двигателях впуск регулируется поршнем, а выпуск - тарельчатым клапаном, приводимым в действие кулачком.

Но есть и двухтактные двигатели с дисковым поворотным клапаном, который приводится в действие непосредственно от коленчатого вала и регулирует подачу смеси в картер коленчатого вала. Поскольку ползун не контактирует с высокими давлениями, температурами или абразивными газами сгорания, он практически не подвержен износу по сравнению с ползуном в четырехтактных двигателях.

С таким двигателем Эвальд Клюге стал чемпионом Германии и Европы, а также победителем TT в классе до 250 см³ в 1938 году на гоночной машине DKW . Герберт Фридрих разработал поворотный клапан в DKW . В отличие от многих других ведущих дизайнеров, он не переехал в Западную Германию после 1945 года . В более поздней ГДР он разработал, среди прочего, поворотный клапан для двигателя Trabant , который обеспечил значительный крутящий момент и высокую эластичность двигателя. Поворотные клапаны представляли собой простые пластины из листового металла, которые захватывались коленчатым валом с помощью штифтов и вращались перед прорезью в корпусе (впускной поворотный клапан).

Регулировка впуска, которая не зависит от положения поршня, всегда была популярной точкой атаки тюнеров . Kawasaki производила двухтактные двигатели с поворотным клапаном меньшего размера до 1980-х годов.

Такие же коленчатые валы с выемкой на одной из шатунов можно найти в миллионах двигателей большинства скутеров Vespa с 1959 года до прекращения производства серии PX в конце 2016 года.

Вот здесь-то и вступает в дело настройка этих двигателей, которые до сих пор доступны в большом количестве, путем изменения длины и положения разреза (время впуска) и проектирования перемычки кривошипа для улучшения потока («губная волна»). Вал впоследствии часто приходится повторно балансировать.

Существовали также двухтактные двигатели с роторными выпускными клапанами, которые имели преимущества при переключении газов (несимметричная схема управления ), но были дорогими и хрупкими из-за высоких температур выхлопных газов. Система силовых клапанов Yamaha , часто ошибочно называемая ротационным выпускным клапаном, представляет собой вращающееся устройство в выпускном канале, с помощью которого время регулирования выпуска может быть изменено с помощью эффективной высоты выпускного паза в зависимости от скорости двигателя, тем самым увеличивая диапазон мощности двигателя.

Дитер Кёниг из Берлина построил очень мощные подвесные гоночные двигатели с впускными поворотными клапанами, с которыми с 1960 до конца 1980-х годов выигрывались все чемпионаты мира и Европы в классах 250 см³, 350 см³, 500 см³ и 700 см³. В этих двух- и четырехцилиндровых оппозитных двигателях поворотный клапан располагался сбоку от картера и приводился в движение зубчатым ремнем.

Мотоцикл, основанный на одном из этих двигателей, König 500 GP, произвел фурор на Гран-при в начале 1970-х годов. Мотоцикл спроектировал и пилотировал новозеландец Ким Ньюкомб. Он знал, что моторы используются как подвесные лодочные приводы, и был нанят Кенигом. Ким Ньюкомб сумел сломить доминирование MV Agusta с этим мотоциклом . В августе 1973 года он попал в аварию со смертельным исходом, но посмертно занял второе место на чемпионате мира. Сегодня бывший заводской водитель König Норберт Шюллер строит этот мотоцикл в качестве комплекта для покупки в Лангенфельде . В 2011 году он представил мотоцикл на чемпионате VFV на Нюрбургринге и занял третье место в своем заезде. В 1960-х и 70-х годах двигатели Kreidler и Zündapp также были преобразованы в поворотные клапаны для гонок.

литература

  • Питер Геригк, Детлев Брун, Дитмар Даннер: Автомобильная инженерия. 3-е издание, Westermann Schulbuchverlag GmbH, Брауншвейг 2000, ISBN 3-14-221500-X .
  • Макс Бонер, Ричард Фишер, Рольф Гшайдле: Опыт в автомобильной инженерии. 27-е издание. Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten 2001, ISBN 3-8085-2067-1 .
  • Петер А. Веллерс, Герман Штробель, Эрих Аух-Швельк: Опыт в области автомобильных технологий. 5-е издание. Holland + Josenhans Verlag, Штутгарт 1997, ISBN 3-7782-3520-6 .

веб ссылки

Индивидуальные доказательства

  1. ↑ Роторно-клапанные двигатели внутреннего сгорания. Программы машиностроения. Проверено 7 июля 2019 года .
  2. ^ Система сферического поворотного клапана - CSRV против тарельчатого клапана. В: Website Coates Int. ООО 2011, доступ к 30 мая 2019 .
  3. ↑ Двигатель внутреннего сгорания. 4 апреля 1904 г. ( google.com [доступ 7 июля 2019 г.]).
  4. ^ Питер Кирхберг: Пластмасса, листовой металл и плановая экономика . Страница 178. Nicolai-Verlag, Берлин 2000, ISBN 3-89479-259-0 .
  5. ^ Восстановление Двигатель Трабант: Часть 1 - The Teardown. Проверено 13 июля 2021 г. (на немецком языке).