Кулачковый двигатель

Кулачковый двигатель является поршневым двигателем , где вместо обычного коленчатого вала , что поршни обеспечивают их усилие к кулачку , который затем приводятся во вращение. Выходная работа двигателя приводится в движение этим кулачком. ^[1]

Кулачковые двигатели имели успех. Фактически, первым двигателем, получившим сертификат летной годности от правительства США, был двигатель с радиальным кулачком. Вариант кулачкового двигателя, двигатель с наклонной шайбой (также тесно связанный с ним двигатель с качающейся шайбой), был кратко популярен. ^[2]

Их обычно называют двигателями внутреннего сгорания , хотя они также использовались в качестве гидравлических и пневматических двигателей . Гидравлические двигатели, особенно с наклонной шайбой, широко и успешно используются. Однако двигатели внутреннего сгорания остаются почти неизвестными.

Операция [ править ]

Рабочий цикл [ править ]

Некоторые кулачковые двигатели являются двухтактными , а не четырехтактными. Два современных примера - это KamTech и Earthstar, оба двигателя с радиальным кулачком. В двухтактном двигателе силы, действующие на поршень, действуют равномерно вниз в течение всего цикла. В четырехтактном двигателе эти силы циклически меняются на противоположные: в фазе впуска поршень движется вверх , преодолевая пониженное давление впуска. Простой кулачковый механизм работает только с усилием в одном направлении. В первых двигателях Мишеля кулачок имел две поверхности: основную поверхность, на которой работали поршни во время работы, и другое кольцо внутри него, которое давало десмодромное действие, ограничивая положение поршня во время запуска двигателя. ^[3]

Обычно требуется только один кулачок, даже для нескольких цилиндров. Таким образом, большинство кулачковых двигателей были противопоставлены сдвоенным или радиальным двигателям . Ранней версией двигателя Мишеля был роторный двигатель , форма радиального двигателя, в котором цилиндры вращаются вокруг фиксированного кривошипа.

Преимущества [ править ]

1. Идеальный баланс , кривошипно-шатунную систему невозможно динамически сбалансировать, потому что нельзя ослабить обратную силу или действие с помощью вращательной реакции или силы. В современном кулачковом двигателе KamTech используется другой поршень для ослабления встречных сил. Он работает так же плавно, как электродвигатель.
2. Более идеальная динамика сгорания , взгляните на фотоэлектрическую диаграмму «идеального двигателя внутреннего сгорания», и вы обнаружите, что событие сгорания в идеале должно быть более или менее «событием постоянного объема». ^[4]

Короткое время ожидания, которое производит кривошип, не обеспечивает более или менее постоянный объем для возникновения события сгорания. Система кривошипа достигает значительного механического преимущества при 6 ° перед ВМТ; затем он достигает максимального преимущества при повороте от 45 ° до 50 °. Это ограничивает время горения до менее 60 °. Кроме того, быстро опускающийся поршень снижает давление перед фронтом пламени, сокращая время горения. Это означает меньше времени для горения при более низком давлении. Эта динамика является причиной того, что во всех кривошипно-шатунных двигателях значительное количество топлива сжигается не над поршнем, где его мощность может быть извлечена, а в каталитическом нейтрализаторе, который производит только тепло.

Современный кулачок может быть изготовлен с использованием технологии числового программного управления (ЧПУ), чтобы иметь отсроченное механическое преимущество. Кулачок KamTech, например, достигает значительного преимущества при 20 °, что позволяет быстрее начать зажигание при вращении, а максимальное преимущество перемещается на 90 °, обеспечивая более длительное время горения до того, как выхлоп будет выпущен. Это означает, что горение под высоким давлением происходит при 110 ° с кулачком, а не при 60 °, как при использовании кривошипа. Таким образом, двигатель KamTech на любой скорости и при любой нагрузке никогда не имеет огня, выходящего из выхлопной трубы, потому что есть время для полного и полного сгорания топлива под высоким давлением над поршнем. ^[5]

Еще несколько преимуществ современных кулачковых двигателей:

• Идеальная динамика поршня
• Меньшее внутреннее трение
• Более чистый выхлоп
• Меньший расход топлива
• Более долгая жизнь
• Больше мощности на килограмм
• Компактная модульная конструкция позволяет улучшить конструкцию автомобиля
• Меньшее количество деталей, меньшая стоимость изготовления

Предполагать, что кулачковые двигатели были или являются неисправными, когда речь идет о надежности, является ошибкой. После обширных испытаний, проведенных правительством США, двигатель Fairchild Model 447-C с радиальным кулачком удостоился самого первого Сертификата типа, одобренного Министерством торговли. В то время, когда авиационный кривошипный двигатель имел срок службы от 30 до 50 часов, модель 447-C была гораздо более надежной, чем любой другой авиационный двигатель, производившийся в то время. ^[6] К сожалению, в эпоху до появления ЧПУ у него был очень плохой профиль кулачка, что означало, что он слишком сильно трясся для деревянных пропеллеров и деревянных, проволочных и тканевых планеров того времени.

Зона пеленга [ править ]

Одним из преимуществ является то , что площадь поверхности подшипника может быть больше , чем для коленчатого вала. В первые дни разработки материалов подшипников снижение давления в подшипниках, которое это позволяло, могло повысить надежность. Относительно успешный кулачковый двигатель с наклонной шайбой был разработан экспертом по подшипникам Джорджем Мичеллом , который также разработал упорный блок с скользящей шайбой . ^{[2] [7]}

Двигатель Michel (не родственник) начался с роликового толкателя кулачка, но во время разработки был заменен на толкатель подшипника скольжения. ^{[8] [9]}

Эффективная передача [ править ]

В отличие от коленчатого вала, кулачок может легко совершать более одного хода за один оборот. Это позволяет производить более одного хода поршня за оборот. Для использования в самолетах это была альтернатива использованию блока понижения скорости воздушного винта : высокая частота вращения двигателя для улучшенного отношения мощности к весу в сочетании с более низкой скоростью воздушного винта для эффективного пропеллера. На практике конструкция кулачкового двигателя весила больше, чем комбинация обычного двигателя и коробки передач.

Двигатели с качающейся шайбой и качающейся шайбой[ редактировать ]

Единственные двигатели с кулачком внутреннего сгорания, которые были отдаленно успешными, были двигатели с наклонной шайбой. ^[2] Это были почти все осевые двигатели , в которых цилиндры располагались параллельно оси двигателя в одном или двух кольцах. Целью таких двигателей обычно было достижение этой осевой или «цилиндрической» компоновки, что позволило создать двигатель с очень компактной лобовой частью. Одно время планировалось использовать цилиндрические двигатели в качестве авиационных двигателей с уменьшенной лобовой площадью, позволяющей уменьшить фюзеляж и снизить лобовое сопротивление.

Двигатель, похожий на двигатель с наклонной шайбой, - это двигатель с качающейся шайбой, также известный как нулевой или Z-кривошипный привод. Здесь используется подшипник, который чисто нулирует , а не вращается, как в случае наклонной шайбы. Качающаяся шайба отделена от выходного вала поворотным подшипником. ^[2] Двигатели с качающейся пластиной, таким образом, не являются кулачковыми двигателями.

Безпоршневые роторные двигатели [ править ]

В некоторых двигателях используются кулачки, но они не являются «кулачковыми двигателями» в описанном здесь смысле. Это форма безпоршневого роторного двигателя . Со времен Джеймса Ватта изобретатели искали роторный двигатель, который основывался бы на чисто вращательном движении, без возвратно-поступательного движения и проблем с балансировкой поршневого двигателя. Эти двигатели тоже не работают. ^{[примечание 1]}

В большинстве беспоршневых двигателей, использующих кулачки, например, в кулачковых двигателях Rand , кулачковый механизм используется для управления движением уплотнительных лопаток. Давление сгорания, воздействующее на эти лопатки, приводит к вращению держателя лопатки, отдельного от кулачка. В двигателе Rand распределительный вал перемещает лопатки так, что они имеют различную открытую длину и, таким образом, охватывают камеру сгорания различного объема по мере вращения двигателя. ^[10] Работа, совершаемая при вращении двигателя, вызывающая это расширение, является термодинамической работой, совершаемой двигателем и заставляющей двигатель вращаться.

Заметки [ править ]

Ссылки [ править ]