Hoe mofklepmotoren werken

Oktober 1945: een verouderd Junkers JU 88-transportvliegtuig met een Focke-Wulf FW 190-jager erop, op een tentoonstelling van Britse en Duitse vliegtuigen bij de Royal Aircraft Establishment in Farnborough, Engeland. Bekijk onze animatie van hoe de hulsklepmotor werkt. Fox-foto's / Getty-afbeeldingen

Tijdens de Tweede Wereldoorlog ontwierpen ingenieurs van het nazi-regime enkele van de beste en meest geavanceerde luchtwapens van die tijd. Een Duits gevechtsvliegtuig, de Focke-Wulf Fw 190, presteerde een tijdlang beter dan alles wat de geallieerden in de lucht konden zetten.

Gelukkig voor de geallieerden zwaaide de techniek aan hun zijde uiteindelijk de slinger van luchtoverwicht in hun voordeel. Een robuuste, onconventionele motor waar veel mensen vandaag de dag waarschijnlijk nog nooit van hebben gehoord, hielp de Fw 190 en de rest van de Luftwaffe te neutraliseren. Op zijn eigen manier hielp een motor de geallieerden naar de overwinning te stuwen [bron: Rickard].

De hulsklepmotor, die zowel in auto's als in vliegtuigen is gebruikt, dreef snelle Britse jagers aan zoals de Hawker Typhoon en Hawker Tempest. Met hun brute paardenkracht hielpen ze de geallieerden de lucht te beheersen, luchtsteun te bieden aan grondtroepen en uiteindelijk de oorlog te winnen..

Maar wat is precies een sleeve-valve-motor en hoe zit het met de grappige naam? En waarom zien of horen we er vandaag niet veel over??

De motor dankt zijn naam aan de dunwandige metalen huls die tijdens het verbrandingsproces in elke cilinder op en neer schuift. Typisch, gaten in de huls en in de cilinder waarin deze zich bevindt, worden met voorspelbare tussenpozen uitgelijnd om uitlaatgassen af ​​te voeren en frisse lucht aan te zuigen.

Ondanks zijn eervolle staat van dienst van de strijdkrachten, verloor de complexe opzet van de hulskleppen ten opzichte van wat we tegenwoordig in verbrandingsmotoren gebruiken, de klepstoters. In vliegtuigen maakten zuigermotoren van alle soorten grotendeels plaats voor straalmotoren.

Maar wacht even - verwerp de hulsklep nog niet als een nutteloos historisch relikwie.

Ten minste één bedrijf probeert de eerbiedwaardige hulsklepmotor weer in actie te brengen, maar met een paar moderne wendingen.

Op de volgende pagina's zullen we bekijken wat de motor met hulsklep doet draaien. We zullen ook onderzoeken waarom het uit de gratie raakte, samen met de redenen waarom het nu, meer dan een eeuw na zijn uitvinding, wordt opgeroepen om te dienen in een ander soort 'gevecht'.

Deze inhoud is niet compatibel op dit apparaat.

Inhoud

1. Mouwklep-motortechnologie
2. Hulskleppen over land - Gebruik in automotoren
3. Hulskleppen door de lucht - Gebruik in vliegtuigmotoren
4. Wat is het volgende?

Aangekomen zoals het deed tijdens het hoogtepunt van het industriële tijdperk, ziet de sleeve-valve-motor eruit als een apparaat dat meteen thuis zou zijn in een steampunk-roman. Moderne ingenieurs verbazen zich over de slimheid ervan. En kakelende kakelen over zijn hoge complexiteit.

Dus daar ben je gewaarschuwd. Het is eigenlijk best mooi als je eenmaal begrijpt hoe al die stukjes samenwerken. Rol nu je mouwen op, want we staan ​​op het punt om vuil te worden met de innerlijke werking van een mofkleppenmotor.

Deze motor heeft zoveel aan de hand dat hij bijna elke beschrijving tart. Maar we zullen het proberen. Mofklepmotoren kunnen, net als hun tegenhangers met klepstoters, in veel verschillende configuraties worden geleverd. Een voorbeeld van zo'n opstelling, de motoren met radiale hulskleppen die in vliegtuigen worden gebruikt, zien er een beetje uit als wat je zou kunnen krijgen als een Rock 'Em Sock' Em-robot een baby zou krijgen met een "squiddie" -wacht van "The Matrix".

Om te begrijpen wat een hulsklepmotor is en doet, kan het helpen om eerst te begrijpen wat het niet is. Het is in de eerste plaats niet het populaire systeem waarmee de meesten van ons bekend zijn, een schotelklepmotor. Schotelkleppen zijn de de facto standaard op de huidige verbrandingsmotoren. Met hen openen en sluiten paddenstoelvormige kleppen onder de spanning van veren ritmisch om de in- en uitgang van brandstof, lucht en uitlaatgassen in de cilinder te regelen.

Een hulsklep daarentegen gebruikt een glijdende, soms roterende huls om te bepalen hoeveel lucht en brandstof bij elke compressieslag worden ontploft. Het uitgangspunt van het ontsteken van brandstof en lucht om een ​​set zuigers aan te drijven en een krukas te laten draaien is hetzelfde als bij andere verbrandingsmotoren.

Hier is nog een ander kenmerk van hulskleppen. Op ontwerpen waarbij de huls roteert, zijn de ingesneden poorten in lijn met de inlaatpoorten of uitlaatpoorten in de cilinder, afhankelijk van welk deel van de slag plaatsvindt. Een zuiger beweegt op en neer in elke huls, zelfs als de huls heen en weer schuift. De hulsbeweging wordt aangedreven door tandwielen die zijn verbonden met de krukas.

Nog steeds met je hoofd krabben, wat gebeurt er precies? Hier zijn de stappen:

• Compressieslag: de zuiger nadert het bovenste dode punt, alle cilinderpoorten zijn gesloten en de bougie vuurt en ontsteekt het brandstof / luchtmengsel
• Verbrandingsslag: de ontsteking dwingt de zuiger terug naar beneden in de cilinder; als de zuiger naar het onderste dode punt gaat, verschuift de voering (of huls) om de uitgesneden openingen uit te lijnen met de uitlaatpoorten van de cilinder
• Uitlaatslag: uitlaatgas wordt uitgestoten als de zuiger weer omhoog komt; de uitlaatpoorten sluiten
• Intake beroerte: de huls draait de andere kant op, waardoor de luchtinlaatpoorten zichtbaar worden; de zuiger zakt naar beneden en zuigt frisse lucht aan; de huls verschuift om de inlaatpoort af te sluiten voor de volgende slag en dan herhaalt het hele proces zich

Vermenigvuldig dat nu met verschillende cilinders en gooi een krukas in zodat ze kunnen draaien, en je hebt een cilinderkleppenmotor!

Als het ingewikkeld klinkt, is dat omdat het zo is. Een van de belangrijkste klappen tegen deze motoren was dat ze zo complex waren. Het is echter een beetje logischer als je het hele proces in actie ziet. Bekijk de video op deze pagina om deze beter te visualiseren.

Laat u verrassen: hulskleppen en volumetrische efficiëntie

Dus waarom zou iemand willen rondkijken met een zo ingewikkelde motor? Ze hadden tenslotte notoir dorst naar smeerolie; en ze waren niet vriendelijk tegen onzuiverheden zoals gruis. Het antwoord is dat ze het voordeel bieden van volumetrische efficiëntie. Met andere woorden, ze zijn veel beter dan gewone motoren om lucht in en uit de verbrandingskamer te krijgen. Ook zorgt de opstelling van de poorten voor betere wervelingseigenschappen. Dat is ingenieur want ze creëren turbulente lucht, waardoor het lucht- en brandstofmengsel efficiënter wordt verbrand [bron: Raymond].

De in Indiana geboren Charles Yale Knight kocht rond 1901 een driewielige Knox-auto, zodat hij verslag kon uitbrengen en zijn boerderijdagboek kon publiceren in het middenwesten van de VS. Maar hij vond het gekletter dat door de kleppen van de auto werd veroorzaakt een ernstige pijn in de oren. Dus deed hij wat elke zichzelf respecterende ondernemer met een achtergrond in industriële machines zou doen: hij ging zelf een betere motor bouwen.

Met de steun van een welgestelde geldschieter ontwikkelde en testte hij prototypes uitgebreid. In 1906 had hij genoeg vooruitgang geboekt om zijn 4-cilinder, 40 pk sterke "Silent Knight" -auto op de Chicago Auto Show te onthullen..

De Knight-motor had niet één, maar twee hulzen per cilinder, waarbij de binnenste huls naar binnen schoof. De zuiger gleed op zijn beurt in de binnenhuls. De ridder was, trouw aan zijn naam, indrukwekkend stil. Hoewel de Knight-motor superieur bleek te zijn aan de luide en kwetsbare schotelkleppen van zijn tijd, gaven Amerikaanse autofabrikanten hem aanvankelijk de koude schouder..

Knight en zijn financiële weldoener L.B. Kilbourne deed het in het buitenland aanzienlijk beter. Na enkele verfijningen aan het ontwerp vond de Knight-motor zijn weg naar Daimler-auto's in Engeland (niet te verwarren met Daimler-Benz).

De Silent Knight was een hit en al snel wilden andere fabrikanten meedoen aan de hulsklepactie - inclusief autofabrikanten in de Verenigde Staten. Willys auto's en lichte vrachtwagens, Daimler en Mercedes-Benz, onder anderen, gebruikten de Knight sleeve-valve engine [bron: Wells].

In de jaren twintig was het ontwerp van de hulsklep echter verder gegaan dan de configuratie van de huls in een huls van Knight. Ontwerpen met één hoes, waaronder de Burt-McCollum, waren lichter, minder complex en minder duur om te bouwen en hadden daarom de voorkeur boven fabrikanten. Met verdere aanpassingen van motorfabrikanten zoals Bristol en Rolls-Royce zouden ze zelfs de lucht in gaan.

1940: Grondpersoneel bereidt zich voor om een ​​Hawker Typhoon met bommen te laden. Fox-foto's / Getty-afbeeldingen

Harry R. Ricardo (later "Sir" Harry Ricardo), geboren in Londen in 1885, wachtte niet tot de universiteit om zijn ingenieursstudies te beginnen. Hij observeerde en ging op de knie van een plaatselijke machinist als een jonge jongen, en zou van de machinistenwinkel naar huis gaan om zijn nieuwe kennis over het bouwen van motoren toe te passen. Hij zou later zeggen:

"Als kind was ik altijd al gefascineerd door motoren en mechanische bewegingen in het algemeen, en vooral door het grote mysterie over hoe dergelijke dingen eigenlijk werden gemaakt ... terugkijkend denk ik dat ik meer van de werkelijke waarde heb geleerd van deze vroege en zeer ruwe pogingen tot ontwerp en fabricage dan van iets anders "[bron: University of Cambridge].

Ricardo was in zijn volwassenheid als werkende ingenieur een ongeneeslijke overvaller. Naast het aanpassen van de motoren op tanks die de patstelling van de Eerste Wereldoorlog hielpen doorbreken, leidde hij baanbrekend onderzoek naar het toewijzen van octaangetallen aan verschillende soorten brandstof..

Misschien wel zijn meest opmerkelijke bijdrage in de jaren van de Tweede Wereldoorlog was zijn werk aan het verbeteren van de mofklepmotor.

Ricardo theoretiseerde in de jaren 1920 dat een vliegtuigmotor met hulsklep meer pk's kon genereren dan een vergelijkbare motor met klepstoters, omdat deze een hogere compressieverhouding zou kunnen genereren..

Het bleek zo te zijn dat tegen 1941 Britse vliegtuigen, waaronder het steunpilaar Supermarine Spitfire-gevechtsvliegtuig, een klap kregen van de superieure Focke-Wulf Fw 190 van Duitsland. vang ze op lage hoogte nadat ze hun bommen hebben laten vallen.

De Hawker Typhoon met hulsklepmotor, die in 1942 in dienst kwam, bracht daar verandering in. Aangedreven door een 2.180 pk sterke Napier Sabre-motor, betekende de "Tiffy's" extra opstaan ​​dat hij niet alleen snelle Luftwaffe-indringers kon neerschieten, maar ook bommen kon vervoeren. Later in de oorlog zouden Typhoons met bommen en raketten van cruciaal belang blijken te zijn voor het ondersteunen van de geallieerde grondtroepen terwijl ze de strop tegen de nazi's aanhaalden en de oorlog in Europa beëindigden [bron: Rickard].

Ondanks het voorbeeldige militaire record van de sleeve-valve-motor, stond het opschrift aan de muur: straalmotoren zouden vanaf de naoorlogse jaren de commerciële en militaire luchtvaart domineren.

De erfenis van Knight, Ricardo en anderen zou niet helemaal verdwijnen - motorliefhebbers zouden in de komende decennia de hulsklepmotor herdenken met zelfgebouwde modellen en op websites. Sommige vliegende modelvliegtuigen gebruiken miniatuurmotoren met hulskleppen. En het is denkbaar dat de technologie een heropleving zou kunnen meemaken in enkele van 's werelds grootste en snelst groeiende automobielmarkten.

Dus was de hulsklepmotor een evolutionair doodlopende weg, voor zover het de voortgang van de interne verbranding betreft?

Laten we het zo zeggen. Net zoals Hollywood graag oude concepten recycleert en er een frisse draai aan geeft wanneer er weinig nieuwe ideeën zijn, doet de auto-industrie dat ook. U herinnert zich misschien nog dat elektrische auto's een groot probleem waren voordat (ironisch genoeg) de elektrische starter auto's met verbrandingsmotor zeer praktisch maakte. Elektriciteit verdween vrijwel van het reguliere autorijden totdat milieuproblemen ze rond de eeuwwisseling uit het graf brachten.

En zo zou de zaak zich op dezelfde manier kunnen ontvouwen met de sluimerende hulsklepmotor. Zoals het gezegde luidt: "wat oud is, is weer nieuw."

Pinnacle Technologies, gevestigd in San Carlos, Californië, rekent op de opgekropte vraag naar schoon, goedkoop transport in Azië om zijn moderne interpretatie van de hulsklep te versnellen. Een nieuwe motor is gebaseerd op wat het bedrijf beschrijft als een viertakt, met vonk ontstoken (SI), tegenoverliggende zuiger, mofkleparchitectuur.

Pinnacle-oprichter Monty Cleeves zegt dat zijn gepatenteerde motor een efficiëntieverbetering van 30 tot 50 procent kan opleveren ten opzichte van de huidige verbrandingsmotoren [bron: Pinnacle Engines].

"Deze motortechnologie zorgt voor het brandstofverbruik en de CO2-uitstoot van een hybride voor een prijs die de hele wereld zich kan veroorloven", zei Cleeves in een door het bedrijf uitgegeven verklaring.

Pinnacle zegt dat het zich geen zorgen maakt over het feit dat elektrische voertuigen zijn technologie binnenkort achterhaald zullen hebben. In plaats daarvan gelooft het dat er een grote kans is om snelgroeiende markten zoals India en China te bedienen. Zij en andere ontwikkelingslanden willen de uitstoot van broeikasgassen terugdringen en tegelijkertijd de levensstandaard van hun burgers verbeteren door middel van het bezit van motorvoertuigen. Aangezien elektrische voertuigen en hybrides nog steeds een aanzienlijke prijspremie hebben, zegt Pinnacle dat de vernieuwde hulsklep een goede 'brugtechnologie' is totdat elektrische systemen voor iedereen betaalbaarder worden..

Pinnacle, dat enkele miljoenen dollars aan risicokapitaal heeft ontvangen, zei dat het een licentieovereenkomst aanging met een Aziatische autofabrikant en verwachtte dat de productie in 2013 zou beginnen..

Opmerking van de auteur: hoe motoren met mofkleppen werken

Als een grote nerd van militaire vliegtuigen had ik voorafgaand aan deze opdracht gehoord van motoren met schuifkleppen. Maar dat was ongeveer de omvang ervan. Gezien hun status als voetnoot in de geschiedenis, had ik ze altijd louter in abstracto nagedacht. In tegenstelling tot een schotelklep-motor die je op je eigen oprit kunt bestuderen, waren deze "hulsklep-dingen" voor mij slechts een vergeten, zij het vreemde, technologie, zoals stoomlocomotieven. Dus toen ik de kracht van de Interwebs aanboorde om ze in actie te zien, werd ik meteen getroffen door zowel ontzag als bewondering. Hoe ontdekten mensen 100 jaar geleden alle noodzakelijke hoeken, toleranties, gewichtsbalansen en meer om deze ongelooflijk complexe machines tot leven te brengen? Het feit dat ondernemers vandaag de dag het concept nieuw leven willen inblazen, spreekt boekdelen over het genie en de visie van die oorspronkelijke pioniers. Je zou kunnen stellen dat de originele, twintigste-eeuwse motoren met hulskleppen "overontwikkeld" waren, dat wil zeggen dat ze te gecompliceerd waren voor hun eigen bestwil. Of het kan gewoon zijn dat ze, bij gebrek aan de vooruitgang in de materiaalwetenschap en de precisie van computerondersteund ontwerp waar we tegenwoordig van genieten, hun tijd gewoon vooruit waren.

gerelateerde artikelen

• Car Smarts: motoren
• Hoe automotoren werken
• Hoe een Atkinson-cyclusmotor werkt
• Hoe de Graal Engine werkt
• Hoe Stirling-motoren werken
• Compressieverhouding en octaangetallen: wat u moet weten
• Hoe vliegtuigen werken

Bronnen

• Fehrenbacher, Katie. "The Green Overdrive Show: een superzuinige motor." GigaOm.com. 18 januari 2012. (21 februari 2012) http://gigaom.com/cleantech/the-green-overdrive-show-a-super-efficient-engine-video/
• Hodgson, Lee. "Een korte geschiedenis van radiale motoren." Agelessengines.com. (18 februari 2012) http://www.agelessengines.com/history.htm
• Pinnacle-motoren. "Technologie." (16 februari 2012) http://pinnacle-engines.com/technology.html
• Raymond, Robert J. "Vergelijking van zuigermotoren met huls en schotelventielen." 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 kijkt verder dan Detroit als de markt voor zijn motor met tegengestelde zuigers." 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-piston-engine /? single_page = true
• Smith, Sam. "De 10 meest ongebruikelijke motoren aller tijden." Auto en chauffeur. Oktober 2010. (16 februari 2011) http://www.caranddriver.com/features/the-10-most-unordinary-engines-of-all-time-feature
• Universiteit van Cambridge Department of Engineering. "Sir Harry Ricardo, F.R.s. - Een pionier of de interne verbrandingsmotor." (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 mouwklep radiale animatie." 8 april 2009. (16 februari 2012) http://www.youtube.com/watch?v=_vrvep_YOio
• YouTube.com. "Brotherhood Sleeve Valve Engine, Sleeve operatie." 20 augustus 2010. (17 februari 2012) http://www.youtube.com/watch?feature=endscreen&v=sPd6VJQeSYw&NR=1