Během druhé světové války vyvinuli inženýři nacistického režimu jedny z nejlepších a nejpokročilejších leteckých zbraní té doby. Jeden německý stíhací letoun, Focke-Wulf Fw 190, na nějakou dobu překonával vše, co mohli spojenci vyslat do vzduchu.
Naštěstí pro spojence inženýrství na jejich straně nakonec obrátilo kyvadlo vzdušné převahy ve svůj prospěch. K neutralizaci Fw 190 a zbytku Luftwaffe pomohl robustní, nekonvenční motor, o kterém dnes mnoho lidí pravděpodobně nikdy ani neslyšelo. Motor svým vlastním způsobem pomohl pohánět spojence k vítězství [zdroj:Rickard].
Motor s objímkovým ventilem, který se používal jak v automobilech, tak v letadlech, poháněl rychlé britské stíhačky jako Hawker Typhoon a Hawker Tempest. Svou hrubou koňskou silou pomohli Spojencům ovládat oblohu, poskytovat vzdušnou podporu pozemním silám a nakonec vyhrát válku.
Ale co přesně je motor s objímkovým ventilem a co je to legrační název? A proč o nich dnes moc nevidíme ani neslyšíme?
Motor dostal své jméno podle tenkostěnného kovového pouzdra, které se během spalování posouvá nahoru a dolů v každém válci. Obvykle se otvory v objímce a ve válci, který ji obsahuje, seřadí v předvídatelných intervalech, aby vytlačily výfukové plyny a nasávaly čerstvý vzduch.
Navzdory svému čestnému rekordu v ozbrojených silách, složité nastavení objímkových ventilů prohrálo oproti tomu, co dnes používáme u spalovacích motorů, zdvihátkovým ventilům. V letadlech samozřejmě pístové pohonné jednotky všech typů převážně ustoupily proudovým motorům.
Ale počkejte – ještě nezavrhujte ventilek jako zbytečnou historickou relikvii.
Přinejmenším jedna společnost se snaží uvést úctyhodný motor s ventilovým ventilem zpět do provozu, ale s několika moderními zvraty.
Na několika následujících stránkách se podíváme na to, co způsobuje otáčení motoru s ventilem. Prozkoumáme také, proč upadl v nemilost, spolu s důvody, proč je nyní, více než století po jeho vynálezu, povolán, aby sloužil v jiném druhu „boje“.
Obsah
Motor s objímkovým ventilem, který dorazil stejně jako během vrcholného průmyslového věku, vypadá jako zařízení, které by bylo doma ve steampunkovém románu. Moderní inženýři žasnou nad jeho chytrostí. A klakej-klakej při jeho vysoké složitosti.
Takže jste byli varováni. Ve skutečnosti je to docela krásná věc, jakmile pochopíte, jak všechny ty kousky spolupracují. Nyní si vyhrňte rukávy, protože se brzy dostaneme dolů a zašpiníme se vnitřním fungováním motoru s objímkovým ventilem.
Tento motor toho má tolik, že se to téměř vymyká popisu. Ale zkusíme to. Motory s objímkovým ventilem, stejně jako jejich protějšky se zdvihátkovým ventilem, mohou mít mnoho různých konfigurací. Jedno takové uspořádání, motory s radiálním rukávovým ventilem používané v letadlech, vypadají trochu jako to, co byste mohli získat, kdyby měl Rock 'Em Sock 'Em Robot dítě s "chobotnicí" hlídkou z "Matrixu."
Abychom pochopili, co motor s objímkovým ventilem je a co dělá, může nejprve pomoci pochopit, co není. Nejde v první řadě o oblíbený systém, který většina z nás zná, motor s talířovým ventilem. Talířové ventily jsou de facto standardem dnešních spalovacích motorů. Pomocí nich se hřibovité ventily pod tahem pružin rytmicky otevírají a zavírají, aby ovládaly vstup a výstup paliva, vzduchu a odpadních výfukových plynů ve válci.
Na druhé straně objímkový ventil používá posuvnou, někdy rotující objímku k řízení toho, kolik vzduchu a paliva vybuchne při každém kompresním zdvihu. Základní předpoklad zapálení paliva a vzduchu k pohonu sady pístů a otáčení klikové hřídele je stejný jako u jiných spalovacích motorů.
Zde je další výrazná vlastnost objímkových ventilů. U konstrukcí, kde se objímka otáčí, porty, které jsou do ní vyříznuty, lícují buď se sacími nebo výfukovými otvory ve válci, v závislosti na tom, jaká část zdvihu probíhá. V každé objímce se pohybuje píst nahoru a dolů, i když se objímka posouvá tam a zpět. Pohyb objímky je poháněn ozubenými koly připojenými ke klikovému hřídeli.
Stále se škrábete na hlavě, co se přesně děje? Zde jsou kroky:
Nyní to vynásobte několika válci a přihoďte klikový hřídel, aby se mohly otáčet, a máte motor s objímkovým ventilem!
Pokud to zní složitě, dobře, je to proto, že to tak je. Jedním z hlavních problémů těchto motorů bylo, že byly tak složité. Dává to však o něco větší smysl, když vidíte celý proces v akci. Podívejte se na video na této stránce, abyste si to lépe představili.
Získejte Swirl On:Objímkové ventily a objemová účinnostTak proč by se někdo chtěl opičit s tak složitým motorem? Koneckonců, byli notoricky žízniví po mazacím oleji; a nešetřili nečistoty, jako je písek. Odpovědí je, že nabízejí výhodu objemové účinnosti. Jinými slovy, jsou mnohem lepší než běžné motory v získávání vzduchu do a ze spalovací komory. Uspořádání portů také poskytuje lepší vířivé charakteristiky. To je inženýrské, protože vytvářejí turbulentní vzduch, což způsobuje, že směs vzduchu a paliva hoří efektivněji [zdroj:Raymond].
Charles Yale Knight, narozený v Indianě, si kolem roku 1901 koupil tříkolový automobil Knox, aby mohl podávat zprávy a vydávat svůj farmářský časopis na Středozápadě USA. Zjistil však, že klapot vytvářený ventily auta je vážnou bolestí v uších. Udělal tedy to, co by udělal každý sebeúctyhodný podnikatel se zkušenostmi s průmyslovými stroji:Sám se rozhodl postavit lepší motor.
S podporou bohatého podporovatele vyvinul a rozsáhle testoval prototypy. V roce 1906 dosáhl dostatečného pokroku, aby na autosalonu v Chicagu odhalil svůj čtyřválcový vůz „Silent Knight“ s výkonem 40 koní.
Motor Knight neměl jednu, ale dvě pouzdra na válec, přičemž vnitřní pouzdro se posouvalo do vnějšího. Píst se zase zasunul dovnitř vnitřní objímky. Rytíř, věrný své přezdívce, byl působivě tichý. Přestože se motor Knight ukázal být lepší než hlasité a křehké talířové ventily své doby, američtí výrobci automobilů mu zpočátku dali chladnou hlavu.
Knight a jeho finanční mecenáš L.B. Kilbourne si v zámoří vedl podstatně lépe. Po několika vylepšeních designu si motor Knight našel cestu do vozů Daimler v Anglii (nezaměňovat s Daimler-Benz).
Silent Knight se stal hitem a brzy chtěli další výrobci zapojit ventilovou objímku – včetně výrobců automobilů ve Spojených státech. Automobily Willys a lehká nákladní vozidla, Daimler a Mercedes-Benz, mimo jiné, používaly motor Knight s rukávovým ventilem [zdroj:Wells].
Avšak ve dvacátých letech 20. století pokročila konstrukce objímkového ventilu za Knightovu konfiguraci rukávu v rukávu. Jednorukávové konstrukce, včetně Burt-McCollum, byly lehčí, méně složité a méně nákladné na stavbu, a proto byly pro výrobce vhodnější. S dalšími úpravami od výrobců motorů, jako je Bristol a Rolls-Royce, by se dokonce vznesly do nebes.
Harry R. Ricardo (později „Sir“ Harry Ricardo), narozený v Londýně v roce 1885, nečekal se studiem inženýrství až na vysokou školu. Jako malý chlapec pozoroval a vstřebával na koleně místního strojníka a šel domů z dílny strojníka uplatnit své nové znalosti při stavbě motorů. Později řekl:
„Jako dítě mě vždy fascinovaly motory a mechanické pohyby obecně, a především velká záhada toho, jak se takové věci vlastně vyráběly... Když se ohlédnu zpět, myslím, že jsem se z těchto raných a velmi hrubé pokusy o design a výrobu než z čehokoli jiného“ [zdroj:University of Cambridge].
Ricardo, v dospělosti pracujícího inženýra, byl nevyléčitelný přemožitel. Kromě vyladění motorů na nádržích, které pomohly překonat patovou situaci první světové války, vedl průkopnický výzkum přiřazování oktanových čísel různým druhům paliva.
Snad jeho nejpozoruhodnějším přínosem v letech druhé světové války byla jeho práce na vylepšení motoru s objímkovým ventilem.
Ricardo ve dvacátých letech 20. století teoretizoval, že letecký motor s objímkovým ventilem může generovat větší výkon než srovnatelný motor se zdvihátkovým ventilem, protože dokáže generovat vyšší kompresní poměr.
Ukázalo se, že v roce 1941 britská letadla, včetně hlavního stíhacího letounu Supermarine Spitfire, dostávala údery od německého nadřazeného Focke-Wulf Fw 190. Fw 190 také beztrestně zahájily pozemní útoky na spojenecká zařízení, protože nic nemohlo chytit je v nízké výšce poté, co shodili své bomby.
Hawker Typhoon s objímkovým ventilem, který byl uveden do provozu v roce 1942, to změnil. Poháněný motorem Napier Sabre o výkonu 2 180 koní, „Tiffy's“ extra-up-and-go znamenal, že mohl nejen sestřelit rychlé vetřelce Luftwaffe, ale mohl také nést bomby. Později ve válce by se Typhoony vybavené bombami a raketami ukázaly jako klíčové při podpoře spojeneckých pozemních sil, protože utahovaly smyčku nacistům a ukončily válku v Evropě [zdroj:Rickard].
Navzdory příkladným vojenským záznamům motoru s objímkovým ventilem byl nápis na zdi:proudové motory budou od poválečných let dominovat komerčnímu a vojenskému letectví.
Dědictví Knighta, Ricarda a dalších by úplně nezmizelo – nadšenci do motorů by si v následujících desetiletích připomínali motor s objímkovým ventilem pomocí podomácku vyrobených modelů a na webových stránkách. Některé létající modely letadel používají miniaturní motory s ventilem. A je možné si představit, že by tato technologie mohla zažít oživení na některých z největších a nejrychleji rostoucích automobilových trhů na světě.
Byl tedy motor s objímkovým ventilem evoluční slepou uličkou, pokud jde o pokrok v oblasti vnitřního spalování?
Řekněme to takhle. Stejně jako Hollywood rád recykluje staré koncepty a dává jim nový rozměr, když mu docházejí nové nápady, tak to dělá i automobilový průmysl. Možná si vzpomínáte, že elektrická auta byla velkým problémem předtím, než (ironicky) elektrický startér učinil auta s vnitřním spalováním vysoce praktickými. Elektrika téměř zmizela z hlavního proudu automobilismu, dokud je na přelomu století nevyvedly z hrobu obavy o životní prostředí.
A podobně by se mohla odvíjet kauza s dřímajícím ventilovým motorem. Jak se říká, „co je staré, je zase nové.“
Společnost Pinnacle Technologies se sídlem v San Carlos v Kalifornii spoléhá na zadržovanou poptávku po čisté a levné dopravě v Asii, aby prosadila svou moderní interpretaci objímkového ventilu. Nový motor je založen na tom, co společnost popisuje jako čtyřdobý, zážehový (SI), protilehlý píst, objímka-ventil.
Zakladatel společnosti Pinnacle Monty Cleeves říká, že jeho patentovaný motor může přinést 30 až 50procentní zlepšení účinnosti oproti současným spalovacím motorům [zdroj:Pinnacle Engines].
"Tato technologie motoru zajišťuje úsporu paliva a emise CO2 hybridu za cenu, kterou si může dovolit celý svět," uvedl Cleeves v prohlášení vydaném společností
Pinnacle říká, že se nebojí toho, že by elektrická vozidla v brzké době zastarala jeho technologie. Místo toho věří, že existuje velká příležitost sloužit rychle rostoucím trhům, jako je Indie a Čína. Oni a další rozvojové země chtějí omezit emise skleníkových plynů a zároveň zlepšit životní úroveň svých občanů prostřednictvím vlastnictví motorových vozidel. Vzhledem k tomu, že elektrická vozidla a hybridy mají stále značnou cenu, Pinnacle říká, že jeho přepracovaný objímkový ventil je dobrou „přemosťovací technologií“, dokud se elektrika nestane dostupnější pro každého.
Společnost Pinnacle, která získala několik milionů dolarů ve formě rizikového kapitálu, uvedla, že usiluje o uzavření licenční smlouvy s asijským výrobcem automobilů a očekává zahájení výroby v roce 2013.
Jako velký vojenský letecký geek jsem před tímto úkolem slyšel o motorech s objímkovým ventilem. Ale to bylo o rozsahu toho. Vzhledem k jejich stavu poznámky pod čarou v historii jsem o nich vždy uvažoval pouze abstraktně. Na rozdíl od motoru s talířovým ventilem, který můžete studovat na své vlastní příjezdové cestě, pro mě byly tyto „věci s ventilovými ventily“ jen zapomenutou, i když kuriózní technologií, jako jsou parní lokomotivy. Takže když jsem využil sílu Interwebů, abych je viděl v akci, okamžitě jsem byl ohromen úžasem i obdivem. Jak lidé před 100 lety přišli na všechny nezbytné úhly, tolerance, vyvážení hmotnosti a další, aby přivedli tyto neuvěřitelně složité stroje k životu? Skutečnost, že se dnes podnikatelé snaží tomuto konceptu vdechnout nový život, vypovídá o genialitě a vizi těchto původních průkopníků. Někdo by mohl namítnout, že původní motory s objímkovým ventilem z dvacátého století byly „překonstruované“ – to znamená, že byly pro své vlastní dobro příliš složité. Nebo to prostě mohlo být tak, že bez pokroků ve vědě o materiálech a přesnosti počítačově podporovaného navrhování, které si dnes užíváme, pouze předběhly dobu.
