Во время Второй мировой войны инженеры нацистского режима разработали одни из лучших и самых совершенных видов воздушного вооружения той эпохи. Один немецкий истребитель «Фокке-Вульф Fw 190» какое-то время превосходил все, что могли поднять в воздух союзники.
К счастью для союзников, инженерное дело на их стороне в конечном итоге повернуло маятник превосходства в воздухе в их пользу. Прочный, нетрадиционный двигатель, о котором многие люди сегодня, вероятно, даже не слышали, помог нейтрализовать Fw 190 и остальную часть Люфтваффе. По-своему двигатель помог союзникам прийти к победе [источник: Рикард].
Двигатель с золотниковым клапаном, который использовался как на автомобилях, так и на самолетах, приводил в движение скоростные британские истребители, такие как Hawker Typhoon и Hawker Tempest. Благодаря своей грубой мощи они помогли союзникам контролировать небо, обеспечить воздушную поддержку наземным войскам и в конечном итоге выиграть войну.
Но что же такое гидрораспределительный двигатель и что за смешное название? И почему сегодня мы мало видим и слышим о них?
Двигатель получил свое название от тонкостенной металлической втулки, которая скользит вверх и вниз внутри каждого цилиндра во время процесса сгорания. Обычно отверстия в гильзе и цилиндре, в котором она находится, располагаются через определенные промежутки времени для удаления выхлопных газов и всасывания свежего воздуха.
Несмотря на свою почетную репутацию в вооруженных силах, сложная конструкция золотникового клапана уступила тому, что мы используем сегодня в двигателях внутреннего сгорания, — толкателям. В самолетах, конечно, поршневые силовые установки всех типов во многом уступили место реактивным двигателям.
Но подождите – пока не сбрасывайте со счетов золотниковый клапан как бесполезную историческую реликвию.
По крайней мере, одна компания стремится вернуть почтенный золотниковый двигатель в действие, но с некоторыми современными изменениями.
На следующих нескольких страницах мы рассмотрим, что именно заставляет вращаться клапанный двигатель. Мы также рассмотрим, почему он потерял популярность, а также причины, по которым его призывают сейчас, более чем через столетие после его изобретения, для участия в «битве» другого рода.
Появившийся в разгар индустриальной эпохи, двигатель с золотниковым клапаном выглядит как хитроумное изобретение, которое было бы уместно в романе в стиле стимпанк. Современные инженеры поражаются его хитрости. И кудахтать своей высокой сложностью.
Итак, вас предупредили. На самом деле, это очень красиво, если понять, как все эти части работают вместе. Теперь засучите рукава, потому что мы собираемся заняться внутренней работой двигателя с клапанным клапаном.
В этом двигателе так много всего происходит, что он почти не поддается описанию. Но мы попробуем. Двигатели с рукавным клапаном, как и их аналоги с толкателем, могут иметь множество различных конфигураций. Одно из таких устройств — двигатели с радиальными клапанами, используемые в самолетах, — немного похоже на то, что вы могли бы получить, если бы у робота Rock ‘Em Sock ‘Em родился ребенок от часового-кальмара из «Матрицы».
Чтобы понять, что такое двигатель с золотниковым клапаном и что он делает, возможно, сначала стоит понять, чем он не является. Прежде всего, это не та популярная система, с которой большинство из нас знакомо, а именно тарельчатый клапанный двигатель. Тарельчатые клапаны являются фактическим стандартом современных двигателей внутреннего сгорания. При них грибовидные клапаны под напряжением пружин ритмично открываются и закрываются, контролируя поступление и выход топлива, воздуха и отработавших газов в цилиндр.
С другой стороны, золотниковый клапан использует скользящую, иногда вращающуюся втулку, чтобы контролировать, сколько воздуха и топлива детонирует при каждом такте сжатия. Основная предпосылка воспламенения топлива и воздуха для приведения в движение поршней и вращения коленчатого вала такая же, как и в других двигателях внутреннего сгорания.
Вот еще одна отличительная особенность золотниковых клапанов. В конструкциях, в которых втулка вращается, прорезанные в ней отверстия совпадают либо с впускными, либо с выпускными отверстиями в цилиндре, в зависимости от того, какая часть хода происходит. Поршень движется вверх и вниз внутри каждой втулки, даже когда втулка скользит вперед и назад. Движение втулки осуществляется шестернями, соединенными с коленчатым валом.
Все еще ломаете голову над тем, что именно происходит? Вот шаги:
Теперь умножьте это на несколько цилиндров и добавьте коленчатый вал, чтобы они вращались, и вы получите двигатель с клапанным клапаном!
Если это звучит сложно, то это потому, что так оно и есть. Одним из главных недостатков этих двигателей была их сложность. Однако это имеет немного больше смысла, когда вы видите весь процесс в действии. Посмотрите видео на этой странице, чтобы лучше представить себе это.
Уроженец Индианы Чарльз Йель Найт купил трехколесный автомобиль «Нокс» примерно в 1901 году, чтобы он мог писать и публиковать свой фермерский журнал на Среднем Западе США. Но он обнаружил, что стук клапанов автомобиля вызывает серьезную боль в ушах. Поэтому он сделал то, что сделал бы любой уважающий себя предприниматель, имеющий опыт работы в промышленном оборудовании: он решил сам построить лучший двигатель.
При поддержке богатого спонсора он разработал и тщательно протестировал прототипы. К 1906 году он добился достаточного прогресса, чтобы представить свой 4-цилиндровый 40-сильный автомобиль «Тихий рыцарь» на Чикагском автосалоне.
Двигатель Knight имел не одну, а две гильзы на цилиндр, при этом внутренняя гильза скользила внутри внешней. Поршень, в свою очередь, скользил внутри внутренней втулки. Рыцарь, в соответствии со своим прозвищем, был впечатляюще тихим. Несмотря на то, что двигатель Knight доказал свое превосходство над громкими и хрупкими тарельчатыми клапанами своего времени, американские автопроизводители поначалу отнеслись к нему холодно.
Найт и его финансовый благодетель Л. Б. Килборн преуспели за рубежом значительно лучше. После некоторых доработок конструкции двигатель Knight нашел свое применение на автомобилях Daimler в Англии (не путать с Daimler-Benz).
Silent Knight стал хитом, и вскоре другие производители захотели освоить золотниковый клапан, в том числе автопроизводители в Соединенных Штатах. Легковые и легкие грузовики Willys, Daimler и Mercedes-Benz, среди прочих, использовали двигатель Knight с золотниковым клапаном [источник: Wells].
Однако к 1920-м годам конструкция золотниковых клапанов вышла за рамки конфигурации Найта «рукав в рукаве». Конструкции с одним рукавом, в том числе Burt-McCollum, были легче, менее сложными и менее дорогостоящими в изготовлении и, следовательно, предпочтительнее для производителей. После дальнейших модификаций таких производителей двигателей, как Bristol и Rolls-Royce, они даже поднимутся в небо.
Гарри Р. Рикардо (позже «сэр» Гарри Рикардо), родившийся в Лондоне в 1885 году, не стал ждать окончания колледжа, чтобы приступить к изучению инженерного дела. В детстве он наблюдал и учился у местного машиниста и шел домой из мастерской, чтобы применить свои новые знания в строительстве двигателей. Позже он скажет:
«В детстве я всегда был очарован двигателями и механическими движениями в целом, и, прежде всего, великой загадкой того, как на самом деле были созданы такие вещи… оглядываясь назад, я думаю, что узнал больше реальной ценности от этих ранних и очень грубые попытки проектирования и производства, чем что-либо еще» [источник: Кембриджский университет].
Рикардо в зрелом возрасте работал инженером и был неизлечимым переуспевателем. Помимо настройки двигателей танков, которые помогли выйти из тупика Первой мировой войны, он провел новаторские исследования по присвоению октановых чисел различным сортам топлива.
Возможно, его самым заметным вкладом в годы Второй мировой войны была работа над улучшением двигателя с золотниковым клапаном.
В 1920-х годах Рикардо выдвинул теорию, что авиационный двигатель с золотниковым клапаном может генерировать большую мощность, чем сопоставимый двигатель с распределительным клапаном, поскольку он может генерировать более высокую степень сжатия.
Так получилось, что к 1941 году британские самолеты, в том числе основной истребитель Supermarine Spitfire, подвергались обстрелам превосходящих немецких Focke-Wulf Fw 190. Fw 190 также почти безнаказанно совершали штурмовые налеты на объекты союзников, поскольку ничто не могло поймать их на малой высоте после того, как они сбросят бомбы.
Поступивший на вооружение в 1942 году самолет Hawker Typhoon с золотниковым двигателем изменил ситуацию. Приведенный в движение двигателем Napier Sabre мощностью 2180 лошадиных сил, «Тиффи» имел дополнительную маневренность, что означало, что он мог не только сбивать быстрых нарушителей Люфтваффе, но и нести бомбы. Позже в войне «Тайфуны», оснащенные бомбами и ракетами, окажутся решающими в поддержке сухопутных войск союзников, когда они затянут петлю на нацистах и положат конец войне в Европе [источник: Рикард].
Несмотря на образцовую военную репутацию двигателя с золотниковым клапаном, надпись была на стене: реактивные двигатели будут доминировать в коммерческой и военной авиации, начиная с послевоенных лет.
Наследие Найта, Рикардо и других не исчезло полностью — энтузиасты двигателей увековечили память о двигателе с золотниковым клапаном в самодельных моделях и на веб-сайтах в последующие десятилетия. В некоторых летающих моделях самолетов используются миниатюрные клапанные двигатели. И вполне возможно, что эта технология может возродиться на некоторых из крупнейших и наиболее быстрорастущих автомобильных рынков мира.
Итак, был ли золотниковый двигатель эволюционным тупиком по мере развития внутреннего сгорания?
Скажем так. Точно так же, как Голливуд любит перерабатывать старые концепции и придавать им новый смысл, когда новых идей не хватает, то же самое делает и автомобильная промышленность. Как вы помните, электромобили имели большое значение до того, как (по иронии судьбы) электростартер сделал автомобили с двигателем внутреннего сгорания очень практичными. Электрика практически исчезла из массового автомобилестроения, пока экологические проблемы не вернули ее из могилы на рубеже веков.
Точно так же могло развернуться дело и с дремлющим гидрораспределительным двигателем. Как говорится: «Что старое, то снова новое».
Компания Pinnacle Technologies, базирующаяся в Сан-Карлосе, Калифорния, рассчитывает на сдерживаемый спрос на экологически чистый и дешевый транспорт в Азии, чтобы раскупить свою современную интерпретацию золотникового клапана. Новый двигатель основан на том, что компания описывает как четырехтактный двигатель с искровым зажиганием (SI), оппозитный поршень и золотниковый клапан.
Основатель Pinnacle Монти Кливс говорит, что его запатентованный двигатель может повысить эффективность на 30–50 процентов по сравнению с нынешними двигателями внутреннего сгорания [источник: Pinnacle Engines].
«Эта технология двигателя обеспечивает экономию топлива и выбросы CO2 гибрида по цене, которую может себе позволить весь мир», — сказал Кливс в заявлении компании.
Компания Pinnacle заявляет, что не беспокоится о том, что электромобили в ближайшее время сделают ее технологию устаревшей. Вместо этого компания считает, что существует большая возможность обслуживать быстрорастущие рынки, такие как Индия и Китай. Они и другие развивающиеся страны хотят сократить выбросы парниковых газов, одновременно повышая уровень жизни своих граждан за счет владения автотранспортными средствами. Поскольку электромобили и гибриды по-прежнему имеют значительную надбавку к цене, компания Pinnacle заявляет, что ее обновленный золотниковый клапан является хорошей «мостовой технологией», пока электромобили не станут более доступными для всех.
Компания Pinnacle, получившая несколько миллионов долларов венчурного капитала, заявила, что заключила лицензионное соглашение с азиатским автопроизводителем и ожидает, что производство начнется в 2013 году.