Кулачковый двигатель - Cam engine

А кулачковый двигатель это Поршневой двигатель где вместо обычного коленчатый вал, то поршни доставить свои силы кулачок который затем вращается. 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 двигатель с качающейся пластиной), был кратко популярен.[2]

Их обычно считают двигатель внутреннего сгорания, хотя они также использовались как гидравлический- и пневматические двигатели. Гидравлические двигатели, особенно с наклонной шайбой, широко и успешно используются. Однако двигатели внутреннего сгорания остаются почти неизвестными.

Операция

Операционный цикл

Некоторые кулачковые двигатели двухтактные двигатели, а не четырехтактный. Два современных примера - это KamTech и Earthstar, оба двигателя с радиальным кулачком. В двухтактном двигателе силы на поршень действуют равномерно вниз на протяжении всего цикла. В четырехтактном двигателе эти силы циклически меняются на противоположные: в фазе впуска поршень принудительно вверх, против пониженной депрессии индукции. Простой кулачковый механизм работает только с усилием в одном направлении. Во-первых Мишель двигатели, кулачок имел две поверхности: основная поверхность, на которой поршни работали во время работы, и еще одно кольцо внутри нее, которое давало десмодромный действие для ограничения положения поршня во время запуска двигателя.[3]

Обычно требуется только один кулачок, даже для нескольких цилиндров. Таким образом, большинство кулачковых двигателей противоположный близнец или же радиальные двигатели. Ранняя версия двигателя Michel была роторный двигатель, форма радиального двигателя, в котором цилиндры вращаются вокруг фиксированного кривошипа.

Преимущества

  1. Идеальный баланскривошипно-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 еще один поршень для ослабления встречных сил. Он работает так же плавно, как электродвигатель.
  2. Более идеальная динамика горения, посмотрите на Диаграмма PV "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 углах 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, почему во всех кривошипно-шатунных двигателях значительное количество топлива сжигается не над поршнем, где его мощность может быть получена, а в каталитическом нейтрализаторе, который производит только тепло.

Современный кулачок может быть изготовлен с компьютерное числовое управление (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. Следовательно, 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
  • Меньше деталей, дешевле изготовление

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 награды, получив самого первого Сертификата типа, одобренного Министерством торговли. В то время, когда срок службы кривошипного двигателя самолета составлял от 30 до 50 часов, модель 447-C была намного надежнее любого другого авиационного двигателя, производившегося 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.

Несущая область

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. Джордж Мичелл, который также разработал тапочки упорный блок.[2][7]

В Двигатель Michel (не имеет отношения) началась с роликового толкателя кулачка, но во время разработки переключилась на толкатель подшипника скольжения.[8][9]

Эффективная передача

В отличие от коленчатого вала, кулачок может легко совершать более одного хода за один оборот. Это допускает более одного хода поршня за оборот. Для использования в самолетах это была альтернатива использованию блок понижения частоты вращения воздушного винта: высокая частота вращения двигателя для улучшения удельная мощность в сочетании с более низкой скоростью гребного винта для эффективного гребного винта. На практике конструкция кулачкового двигателя весила больше, чем комбинация обычного двигателя и коробки передач.

Двигатели с наклонной шайбой и качающейся шайбой

Единственными двигателями с кулачком внутреннего сгорания, которые были отдаленно успешными, были двигатели с наклонной шайбой.[2] Это были почти все осевые двигатели, где цилиндры расположены параллельно оси двигателя в одно или два кольца. Такие двигатели обычно предназначались для достижения этой осевой или «цилиндрической» компоновки, создавая двигатель с очень компактной передней частью. Одно время планировалось использовать цилиндрические двигатели в качестве авиационные двигатели, с уменьшенной лобовой площадью, позволяющей уменьшить размер фюзеляжа 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 нуаты, а не также вращающийся, как для автомата перекоса. Качающаяся пластина отделена от выходного вала подшипником вращения.[2] Таким образом, двигатели с качающимися пластинами не являются кулачковыми двигателями.

Безпоршневые роторные двигатели

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

Большинство беспоршневых двигателей, использующих кулачки, такие как Двигатель Rand cam используйте кулачковый механизм 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 разную длину и, таким образом, закрывают камера сгорания переменного объема по мере вращения двигателя.[10] Работа, совершаемая при вращении двигателя, вызывающая это расширение, - это термодинамическая работа, совершаемая двигателем, и то, что заставляет двигатель вращаться.

Примечания

  1. ^ За редким и обычно незначительным исключением Двигатель Ванкеля. Однако это беспоршневой роторный двигатель не будучи кулачковым двигателем.

Рекомендации

  1. ^ "Кулачковые двигатели". Дуглас Селф.
  2. ^ а б c d «Осевые двигатели внутреннего сгорания». Дуглас Селф.
  3. ^ «Комментарии по типам бесшумных двигателей». Технический меморандум NACA. Вашингтон, округ Колумбия.: NACA. Май 1928 г. с. 5.
  4. ^ Идеальный цикл Отто
  5. ^ Требуется вход в Linkedin
  6. ^ Фэйрчайлд (Рейнджер)
  7. ^ «Комментарии к типам бесшумных двигателей». Технический меморандум NACA. Вашингтон, округ Колумбия.: NACA. Май 1928. С. 2–4.
  8. ^ NACA 462, стр. 5–7, 15
  9. ^ США 1603969, Герман Мишель, "Двухтактный двигатель внутреннего сгорания", выпущенный 19 октября 1926 г. 
  10. ^ «Принцип вращения». Reg Technologies Inc. Архивировано с оригинал на 2015-01-25. Получено 2013-08-20.