Silnik krzywkowy

Silnik krzywkowy to silnik tłokowy , w którym zamiast konwencjonalnego wału korbowego tłoki dostarczają swoją siłę do krzywki , która jest następnie wprawiana w ruch obrotowy. Praca wyjściowa silnika jest napędzana przez tę krzywkę.

Silniki krzywkowe są głęboko zakorzenione w historii. Pierwszym silnikiem, który otrzymał certyfikat zdatności do lotu od rządu Stanów Zjednoczonych, był w rzeczywistości silnik z krzywką promieniową. odmiana silnika krzywkowego, silnik tarczy sterującej (również blisko spokrewniony silnik z tarczą chybotliwą).

Są one ogólnie uważane za silniki spalinowe , chociaż były również używane jako silniki hydrauliczne i pneumatyczne . Silniki hydrauliczne, zwłaszcza w kształcie tarczy sterującej, są szeroko iz powodzeniem stosowane. Silniki spalinowe pozostają jednak prawie nieznane.

Operacja

Cykl operacyjny

Niektóre silniki krzywkowe to silniki dwusuwowe , a nie czterosuwowe. Dwa nowoczesne przykłady to KamTech i Earthstar, oba silniki z krzywkami promieniowymi. W silniku dwusuwowym siły działające na tłok działają równomiernie w dół przez cały cykl. W silniku czterosuwowym siły te odwracają się cyklicznie: w fazie indukcji tłok jest wypychany do góry , wbrew zmniejszonemu podciśnieniu indukcji. Prosty mechanizm krzywkowy działa tylko z siłą działającą w jednym kierunku. W pierwszych silnikach Michela krzywka miała dwie powierzchnie, główną powierzchnię, na której pracowały tłoki podczas pracy, oraz drugi pierścień wewnątrz niej, który dawał działanie desmodromiczne w celu ograniczenia położenia tłoka podczas uruchamiania silnika.

Zwykle wymagana jest tylko jedna krzywka, nawet w przypadku wielu cylindrów. Większość silników krzywkowych była zatem przeciwna silnikom bliźniaczym lub promieniowym . Wczesna wersja silnika Michela była silnikiem obrotowym , formą silnika promieniowego, w którym cylindry obracają się wokół stałej korby.

Zalety

1. Idealna równowaga , system korbowy jest niemożliwy do dynamicznego wyważenia, ponieważ nie można osłabić siły lub działania odwrotnego za pomocą reakcji lub siły obrotowej. Nowoczesny silnik krzywkowy KamTech wykorzystuje inny tłok do tłumienia wzajemnych sił. Działa równie płynnie jak silnik elektryczny.
2. Bardziej idealna dynamika spalania , spojrzenie na diagram PV „idealnego silnika spalinowego” i okaże się, że idealnie zdarzenie spalania powinno być mniej więcej „zdarzeniem o stałej objętości”.

Krótki czas przebywania, jaki wytwarza korba, nie zapewnia mniej więcej stałej objętości, w której zachodzi spalanie. Układ korbowy osiąga znaczną przewagę mechaniczną przy 6° przed GMP; następnie osiąga maksymalną przewagę przy 45 ° do 50 °. Ogranicza to czas palenia do mniej niż 60°. Ponadto szybko opadający tłok obniża ciśnienie przed czołem płomienia, skracając czas spalania. Oznacza to krótszy czas spalania przy niższym ciśnieniu. Ta dynamika sprawia, że ​​we wszystkich silnikach korbowych znaczna ilość paliwa spalana jest nie nad tłokiem, skąd można wydobyć jego moc, ale w katalizatorze, który wytwarza tylko ciepło.

Nowoczesną krzywkę można wyprodukować za pomocą technologii komputerowego sterowania numerycznego (CNC), aby uzyskać opóźnioną przewagę mechaniczną. Na przykład krzywka KamTech osiąga znaczną przewagę przy 20°, umożliwiając szybsze rozpoczęcie zapłonu w obrocie, a maksymalna przewaga jest przesuwana do 90°, co pozwala na dłuższy czas spalania przed odpowietrzeniem spalin. Oznacza to, że spalanie pod wysokim ciśnieniem odbywa się przy krzywce o 110°, a nie o 60°, jak to ma miejsce przy użyciu korby. Dlatego w silniku KamTech przy dowolnych obrotach i pod jakimkolwiek obciążeniem nigdy nie bucha ogień z wydechu, ponieważ jest czas na pełne i całkowite spalenie pod wysokim ciśnieniem nad tłokiem.

Kilka innych zalet nowoczesnych silników krzywkowych:

• Idealna dynamika tłoka
• Niższe tarcie wewnętrzne
• Czystszy wydech
• Niższe zużycie paliwa
• Dłuższe życie
• Więcej mocy na kilogram
• Kompaktowa, modułowa konstrukcja umożliwia lepsze projektowanie pojazdów
• Mniej części, niższy koszt wykonania

Sugerowanie, że silniki krzywkowe były lub są awarią, jeśli chodzi o solidność, jest błędne. Po szeroko zakrojonych testach przeprowadzonych przez rząd Stanów Zjednoczonych silnik Fairchild Model 447-C z promieniowymi krzywkami otrzymał wyróżnienie jako pierwszy Certyfikat typu zatwierdzony przez Departament Handlu. W czasach, gdy silnik samolotu z korbą miał żywotność od 30 do 50 godzin, model 447-C był znacznie bardziej wytrzymały niż jakikolwiek inny produkowany wówczas silnik lotniczy. Niestety, w epoce sprzed CNC miał bardzo słaby profil krzywki, co oznaczało, że trząsł się zbyt mocno dla drewnianych śmigieł oraz płatowców z drewna, drutu i tkaniny tamtych czasów.

Powierzchnia łożyska

Jedną z zalet jest to, że powierzchnia łożyska może być większa niż w przypadku wału korbowego. We wczesnych latach opracowywania materiałów łożyskowych zmniejszony nacisk na łożysko, na który to pozwalało, mógł zapewnić lepszą niezawodność. Stosunkowo udany silnik krzywkowy z tarczą sterującą został opracowany przez eksperta od łożysk, George'a Michella , który opracował również blok oporowy z podkładką ślizgową .

Silnik Michela (bez związku) zaczął się od popychaczy rolkowych, ale w trakcie rozwoju przeszedł na popychacze z łożyskami ślizgowymi.

Efektywna przekładnia

W przeciwieństwie do wału korbowego, krzywka może z łatwością mieć więcej niż jeden rzut na obrót. Pozwala to na więcej niż jeden skok tłoka na obrót. W przypadku samolotów była to alternatywa dla stosowania jednostki redukcji prędkości śmigła : wysoka prędkość obrotowa silnika dla lepszego stosunku mocy do masy w połączeniu z mniejszą prędkością śmigła dla wydajnego śmigła. W praktyce konstrukcja silnika z krzywką ważyła więcej niż połączenie konwencjonalnego silnika i skrzyni biegów.

Silniki z tarczą sterującą i tarczą chybotliwą

Jedynymi silnikami z krzywką wewnętrznego spalania, które odniosły niewielki sukces, były silniki z tarczą sterującą . Były to prawie wszystkie silniki osiowe , w których cylindry ułożone są równolegle do osi silnika, w jednym lub dwóch pierścieniach. Celem takich silników było zwykle osiągnięcie tego układu osiowego lub „beczki”, tworząc silnik o bardzo zwartej powierzchni czołowej. Kiedyś planowano wykorzystać silniki beczkowe jako silniki lotnicze , z ich zmniejszoną powierzchnią czołową, co pozwoliło na mniejszy kadłub i mniejszy opór.

Podobnym silnikiem do silnika z tarczą sterującą jest silnik z tarczą wahliwą, znany również jako nutator lub napęd korbowy typu Z. Wykorzystuje to łożysko, które czysto orzechuje , a nie obraca się, jak w przypadku tarczy sterującej. Płytka skośna jest oddzielona od wału wyjściowego łożyskiem obrotowym. Silniki z płytą krzywkową nie są zatem silnikami krzywkowymi.

Beztłokowe silniki rotacyjne

Niektóre silniki używają krzywek, ale nie są „silnikami krzywkowymi” w opisanym tutaj znaczeniu. Są to formy beztłokowych silników obrotowych . Od czasów Jamesa Watta wynalazcy poszukiwali silnika rotacyjnego, który polegałby na ruchu czysto obrotowym, bez ruchu posuwisto-zwrotnego i problemów z równowagą silnika tłokowego. Te silniki też nie działają.

Większość silników beztłokowych opartych na krzywkach, takich jak silnik krzywkowy Rand, wykorzystuje mechanizm krzywkowy do sterowania ruchem łopatek uszczelniających. Ciśnienie spalania działające na te łopatki powoduje obrót wspornika łopatek, oddzielonego od krzywki. W silniku Rand wałek rozrządu porusza łopatkami tak, że mają one odsłoniętą różną długość i zamykają w ten sposób komorę spalania o różnej objętości, gdy silnik się obraca. Praca wykonana podczas obracania silnika w celu spowodowania tego rozszerzenia jest pracą termodynamiczną wykonywaną przez silnik i tym, co powoduje obrót silnika.

Notatki

Bibliografia

Komentarze na temat typów silników bez korby (raport). Memorandum techniczne NACA. Tom. 462. Waszyngton, DC: NACA . maj 1928.