http://kart53.narod.ru/RotaryValveIC/RotaryValveIC.htm Золотниковые клапаны, обзор.
Двигатели внутреннего сгорания с золотниковыми клапанами.
Updated: 10 Oct 2004 Золотниковый клапан Аспина (Aspin)
Золотниковый клапан Кросса (Cross)
Золотниковый клапан Фроде (Froede)
Золотниковый клапан Меллора (Mellors)
Золотниковый клапан Нортона (Norton)
Золотниковый клапан фирмы Lotus New
Другие золотниковые клапана
ВВЕДЕНИЕ
Почти на протяжении всей своей истории наиболее предпочитаемыми для двигателей внутреннего сгорания были клапана тарельчатого типа ("the poppet type"). (этимология слова "poppet" представляет интерес сама по себе, но сейчас не об этом) Тем не менее некоторые изобретатели были привлечены явной простотой и однородностью движения золотниковых (ротационных) клапанов того или иного типа. Однако, как в паровых машинах, так и ДВС эта простота была слишком очевидной чтобы быть реальной и инженерные проблемы были пугающими.
Простая проблема, которая до сих пор остаётся нерешенной, состоит в том, что давление в цилиндре ДВС достигает очень большой величины в результате сжатия и взрыва топливно-воздушной смеси. Это производит большую (ударную) нагрузку на систему клапанов, однако решение существует; замечательное достоинство тарелчатого клапана состоит в том, что эта нагрузка только прижимает его плотнее к седлу и не воздействует на привод клапанного механизма.
Тогда как геометрия золотниковых клапанных систем принципиально другая; в концепции Аспина (Aspin, см.ниже) вертикальный клапанный конус выталкивается вверх по оси против поверхности своего седла скольжения, а горизонтальная клапанная система Кросса выдавливается вверх против верхней половины седла скольжения. В обеих случаях это может быть причиной черезмерного трения и "задира".
Было предложено большое количество схем золотниковых клапанов, большинство из которых так и остались только патентами. В Великобритании известны две системы золотниковых клапанов, которые привлекли наибольшее внимание, это вертикальная схема золотниковых клапанов Аспина и горизонтальная схема золотниковых клапанов Кросса.
Золотниковые клапана также пытались применить в паровых двигателях, но без заметного успеха.
СИСТЕМА ЗОЛОТНИКОВЫХ КЛАПАНОВ АСПИНА: 1933-1977
Эта концепция золотниковых клапанов представляет собою вертикальный клапан над цилиндром. Эта простая идея была предложена ещё в 1911 году Валлайлли (Vallillee,Patent 983328) который использовал вращающийся диск. Ряд других версий от других изобретателей были запатентованы позже.(см. список патентов внизу)
Слева: Одна из версий золотникового клапана Аспина. Обратите внимание на конический подшипник C, предназначенный для восприятия направленной вверх нагрузки от высокого давления в цилиндре. Эта версия не имела охлаждения ротора.
Первым экспериментальным двигателем Аспина был 250 куб.см двигатель на базе 250 куб.см мотоциклетного двигателя Радж (Rudge). Он был построен в 1933 году. Аспин заявил что двигатель достигает мощности 18 л.с. при 7500 об./мин., 31 л.с. при 10000 об./мин. и был способен на максимальную скорость при 14000 об./мин. Двигатель имел степень сжатия 14:1, предполагалась значительная устойчивость от преждевременного воспламенения при использовании низкооктанового бензина, это приписывалось отсутствию горячей поверхности выхлопного тарельчатого клапана в цилиндре.
Все эти цифры были удивительно высоки для технологии двигателей того времени и поэтому восприняты с некоторым недоверием. Обычным делом в этой истории являлись впечетляющие заявления о достижениях без подтверждения от независимого исследования.
Испытания модифицированного по схеме Аспина 350 куб.см двигателя Velocette на фабрике Velocette в 1936 г. не обнаружили большей части преимуществ.
В 1939г. Аспин решил что необходимо жидкостное охлаждение золотникового ротора чтобы предотвратить его поломку. Это изменение не снизило достаточно радикально проблему нагрева, но потребовалось чтобы свеча зажигания была перенесена из центрального положения поставлена сбоку цилиндра, причём так, чтобы вращающийся ротор открывал её в нужное время для зажигания. Золотниковый ротор к этому времени был изготовлен из особо прочной никилевой стали и вращался в алюминиево-бронзовой втулке. Преобразования снова были объявлены исключительно хорошими, но проблемы смазки остались, и двигатель требовал осторожного разогрева, так как большая нагрузка на холодный двигатель могла вызвать "задир" золотникового клапана.
Некоторое время Аспин испытывал регулятор скорости привода злотникового ротора, чтобы изменять скорость в течении цикла сгорания, но оставаться в синхронизации с кривошипно-шатунным механизмом; идея была в том, чтобы золотниковый ротор мог двигаться относительно медленно в течении сопровождающейся высоким трением части цикла. Это не привело к успеху, и конечно дополнительно усложнило (в принципе) красивую простоту конструкции.
В 1944 г. журнал "Autocar" испытал семейный автомобиль с двигателем Аспина.
В 1960-х годах конвертированный по схеме Аспина 8,6 литровый двигатель фирмы Leyland lorry был использован в качестве силовой установки на автобусе компании Northern Ireland. К этому времени Аспин использовал берилливое покрытие золотникового ротора чтобы снизить трение. Автобус работал успешно неизвестный период времени, описанный как "много тысяч миль", до тех пор пока потребление масла резко возрасло после того, как специальное покрытие ротора износилось. Никаких дальнейших испытаний не проводилось, так что результаты не могут быть слишком впечетляющими.
Аспин развивал свою концепцию золотниковых клапанов свыш более чем 30 лет, и здесь невозможно детально проследить эволюцию его идей. В сущности Аспин мог создать двигатель с высоким потреблением масла и хорошей надёжностью, или с нормальным потреблением масла, но имеющий склонность к задиранию золотникового клапана. Он так и не решил эту проблему, и многие другие тоже не смогли.
Последний патент золотникового клапана Аспина был получен в 1977 г. (US 4033317) и вскоре после этого он умер.
--------------------------------------------------------------------------------
СИСТЕМА ЗОЛОТНИКОВЫХ КЛАПАНОВ КРОССА: 1920-1940
Роланд Кросс был выдающимся английским разработчиком горизонтального золотникового клапана. Он начал работу над двигателями с золотниковыми клапанами в 1920 г. Проект был свёрнут в 1945г. ввиду повышенного спроса на компоненты выпускаемые его компанией для обычных авиационных двигателей. Роланд Кросс умер в 1970 г.
Кросс разработал процесс производства высококачественных поршневых колец из маталлического прутка заготовленного для его двигателя с золотниковым ротором. Кстати, основанная им компания до сих пор существует. Смотрите Cross Manufacturing Company и обратите внимание на историю ("history") в обзорной таблице.
Слева: Золотниковый клапан Кросса.
В отличии от Аспина, золотниковый клапан Кросса имел привод с постоянной скоростью от коленчатого вала.
"Реакционный мост" ("reaction bridge") показанный на рисунке слева поглощает направленные вверх силы в горизонтальной клапанной сборке, и предположительно уменьшает действие газовых сил на золотниковый клапан. В настоящее время я не совсем уверен что представляю как это работает.
Одной из проблем была неисправность свечи зажигания при разбрызгивании масла от золотникового клапана; снятие пятен масла было добавлено в поздних версиях двигателя чтобы устранить это.
Разделение золотниковой втулки разрешало проблему сбалансированной нагрузки системы, посредством контроля усилий в клапане. Износ компенсировался, смазка и замена масла были хорошими и сообщалось что не было никакой опасности "задира". Проблемы уплотнения, где другие методы не помогли, были решены, и казалось возможным что Кросс получил эффективную и практичную конструкцию, которая при других обстоятельствах могла бы достигнуть мелкосерийного производства. Это было бы вероятно более прибыльным чем двигатель Ванкеля (Wankel). Но сдругой стороны Нортон (Norton) имел очень мало успеха с очень простой концепцией двигателя - см. внизу.
Слева: Roland C Cross выглядит уверенно.
Кросс предоставил два мотоцикла с золотниковыми клапанами в 1935 г. на ТТ гонках на острове Мэн, но одна машина оказалась слишком медленной и не прошла квалификацию, тогда как другая сошла с дистанции после двух остановок с "проблемами зажигания", о которых уже упоминалось выше в связи с замасливанием свечи.
Слева: Обложка буклета ф. "Cross company", опубликованного чтобы рекламировать его систему золотниковых клапанов. Дата неизвестна, но вероятно где-то около 1930 г.
Учтите что номер телефона "Combe Down" имел только 3 цифры в те времена.
Слева: Одна из страниц буклета опубликованного "Cross company".
Цифры мощности и потребления топлива приведённые здесь были исключительно хорошими для того времени. Производилось ли когда либо беспристрастное испытание двигателей к настоящему времени неизвестно.
--------------------------------------------------------------------------------
ЗОЛОТНИКОВЫЙ КЛАПАН ФРЭДИ (FROEDE): 1950-е.
Вальтер Фрэди (Walter Froede) был ведущим программы гоночных мотоциклов геманской компании NSU, к тому времени NSU была крупнейшим производителем мотоциклов в мире. Слева: Золотниковый клапан Фрэди в 125 куб.см двигателе гоночного мотоцикла. Золотниковый клапан окрашен розовым цветом.
Двигатель наклонен в лево, и поршень показан в верхней мёртвой точке (ВМТ). Золотниковый клапан движется с постоянной скоростью составляющей 1/4 скорости коленчатого вала. Хотя сначала успешно показал себя в гонках, однако не был повторён, возможно вследствии поглощения NSU другой компанией.
Двигатели внутреннего сгорания с золотниковыми клапанами.
Updated: 10 Oct 2004 Золотниковый клапан Аспина (Aspin)
Золотниковый клапан Кросса (Cross)
Золотниковый клапан Фроде (Froede)
Золотниковый клапан Меллора (Mellors)
Золотниковый клапан Нортона (Norton)
Золотниковый клапан фирмы Lotus New
Другие золотниковые клапана
ВВЕДЕНИЕ
Почти на протяжении всей своей истории наиболее предпочитаемыми для двигателей внутреннего сгорания были клапана тарельчатого типа ("the poppet type"). (этимология слова "poppet" представляет интерес сама по себе, но сейчас не об этом) Тем не менее некоторые изобретатели были привлечены явной простотой и однородностью движения золотниковых (ротационных) клапанов того или иного типа. Однако, как в паровых машинах, так и ДВС эта простота была слишком очевидной чтобы быть реальной и инженерные проблемы были пугающими.
Простая проблема, которая до сих пор остаётся нерешенной, состоит в том, что давление в цилиндре ДВС достигает очень большой величины в результате сжатия и взрыва топливно-воздушной смеси. Это производит большую (ударную) нагрузку на систему клапанов, однако решение существует; замечательное достоинство тарелчатого клапана состоит в том, что эта нагрузка только прижимает его плотнее к седлу и не воздействует на привод клапанного механизма.
Тогда как геометрия золотниковых клапанных систем принципиально другая; в концепции Аспина (Aspin, см.ниже) вертикальный клапанный конус выталкивается вверх по оси против поверхности своего седла скольжения, а горизонтальная клапанная система Кросса выдавливается вверх против верхней половины седла скольжения. В обеих случаях это может быть причиной черезмерного трения и "задира".
Было предложено большое количество схем золотниковых клапанов, большинство из которых так и остались только патентами. В Великобритании известны две системы золотниковых клапанов, которые привлекли наибольшее внимание, это вертикальная схема золотниковых клапанов Аспина и горизонтальная схема золотниковых клапанов Кросса.
Золотниковые клапана также пытались применить в паровых двигателях, но без заметного успеха.
СИСТЕМА ЗОЛОТНИКОВЫХ КЛАПАНОВ АСПИНА: 1933-1977
Эта концепция золотниковых клапанов представляет собою вертикальный клапан над цилиндром. Эта простая идея была предложена ещё в 1911 году Валлайлли (Vallillee,Patent 983328) который использовал вращающийся диск. Ряд других версий от других изобретателей были запатентованы позже.(см. список патентов внизу)
Слева: Одна из версий золотникового клапана Аспина. Обратите внимание на конический подшипник C, предназначенный для восприятия направленной вверх нагрузки от высокого давления в цилиндре. Эта версия не имела охлаждения ротора.
Первым экспериментальным двигателем Аспина был 250 куб.см двигатель на базе 250 куб.см мотоциклетного двигателя Радж (Rudge). Он был построен в 1933 году. Аспин заявил что двигатель достигает мощности 18 л.с. при 7500 об./мин., 31 л.с. при 10000 об./мин. и был способен на максимальную скорость при 14000 об./мин. Двигатель имел степень сжатия 14:1, предполагалась значительная устойчивость от преждевременного воспламенения при использовании низкооктанового бензина, это приписывалось отсутствию горячей поверхности выхлопного тарельчатого клапана в цилиндре.
Все эти цифры были удивительно высоки для технологии двигателей того времени и поэтому восприняты с некоторым недоверием. Обычным делом в этой истории являлись впечетляющие заявления о достижениях без подтверждения от независимого исследования.
Испытания модифицированного по схеме Аспина 350 куб.см двигателя Velocette на фабрике Velocette в 1936 г. не обнаружили большей части преимуществ.
В 1939г. Аспин решил что необходимо жидкостное охлаждение золотникового ротора чтобы предотвратить его поломку. Это изменение не снизило достаточно радикально проблему нагрева, но потребовалось чтобы свеча зажигания была перенесена из центрального положения поставлена сбоку цилиндра, причём так, чтобы вращающийся ротор открывал её в нужное время для зажигания. Золотниковый ротор к этому времени был изготовлен из особо прочной никилевой стали и вращался в алюминиево-бронзовой втулке. Преобразования снова были объявлены исключительно хорошими, но проблемы смазки остались, и двигатель требовал осторожного разогрева, так как большая нагрузка на холодный двигатель могла вызвать "задир" золотникового клапана.
Некоторое время Аспин испытывал регулятор скорости привода злотникового ротора, чтобы изменять скорость в течении цикла сгорания, но оставаться в синхронизации с кривошипно-шатунным механизмом; идея была в том, чтобы золотниковый ротор мог двигаться относительно медленно в течении сопровождающейся высоким трением части цикла. Это не привело к успеху, и конечно дополнительно усложнило (в принципе) красивую простоту конструкции.
В 1944 г. журнал "Autocar" испытал семейный автомобиль с двигателем Аспина.
В 1960-х годах конвертированный по схеме Аспина 8,6 литровый двигатель фирмы Leyland lorry был использован в качестве силовой установки на автобусе компании Northern Ireland. К этому времени Аспин использовал берилливое покрытие золотникового ротора чтобы снизить трение. Автобус работал успешно неизвестный период времени, описанный как "много тысяч миль", до тех пор пока потребление масла резко возрасло после того, как специальное покрытие ротора износилось. Никаких дальнейших испытаний не проводилось, так что результаты не могут быть слишком впечетляющими.
Аспин развивал свою концепцию золотниковых клапанов свыш более чем 30 лет, и здесь невозможно детально проследить эволюцию его идей. В сущности Аспин мог создать двигатель с высоким потреблением масла и хорошей надёжностью, или с нормальным потреблением масла, но имеющий склонность к задиранию золотникового клапана. Он так и не решил эту проблему, и многие другие тоже не смогли.
Последний патент золотникового клапана Аспина был получен в 1977 г. (US 4033317) и вскоре после этого он умер.
--------------------------------------------------------------------------------
СИСТЕМА ЗОЛОТНИКОВЫХ КЛАПАНОВ КРОССА: 1920-1940
Роланд Кросс был выдающимся английским разработчиком горизонтального золотникового клапана. Он начал работу над двигателями с золотниковыми клапанами в 1920 г. Проект был свёрнут в 1945г. ввиду повышенного спроса на компоненты выпускаемые его компанией для обычных авиационных двигателей. Роланд Кросс умер в 1970 г.
Кросс разработал процесс производства высококачественных поршневых колец из маталлического прутка заготовленного для его двигателя с золотниковым ротором. Кстати, основанная им компания до сих пор существует. Смотрите Cross Manufacturing Company и обратите внимание на историю ("history") в обзорной таблице.
Слева: Золотниковый клапан Кросса.
В отличии от Аспина, золотниковый клапан Кросса имел привод с постоянной скоростью от коленчатого вала.
"Реакционный мост" ("reaction bridge") показанный на рисунке слева поглощает направленные вверх силы в горизонтальной клапанной сборке, и предположительно уменьшает действие газовых сил на золотниковый клапан. В настоящее время я не совсем уверен что представляю как это работает.
Одной из проблем была неисправность свечи зажигания при разбрызгивании масла от золотникового клапана; снятие пятен масла было добавлено в поздних версиях двигателя чтобы устранить это.
Разделение золотниковой втулки разрешало проблему сбалансированной нагрузки системы, посредством контроля усилий в клапане. Износ компенсировался, смазка и замена масла были хорошими и сообщалось что не было никакой опасности "задира". Проблемы уплотнения, где другие методы не помогли, были решены, и казалось возможным что Кросс получил эффективную и практичную конструкцию, которая при других обстоятельствах могла бы достигнуть мелкосерийного производства. Это было бы вероятно более прибыльным чем двигатель Ванкеля (Wankel). Но сдругой стороны Нортон (Norton) имел очень мало успеха с очень простой концепцией двигателя - см. внизу.
Слева: Roland C Cross выглядит уверенно.
Кросс предоставил два мотоцикла с золотниковыми клапанами в 1935 г. на ТТ гонках на острове Мэн, но одна машина оказалась слишком медленной и не прошла квалификацию, тогда как другая сошла с дистанции после двух остановок с "проблемами зажигания", о которых уже упоминалось выше в связи с замасливанием свечи.
Слева: Обложка буклета ф. "Cross company", опубликованного чтобы рекламировать его систему золотниковых клапанов. Дата неизвестна, но вероятно где-то около 1930 г.
Учтите что номер телефона "Combe Down" имел только 3 цифры в те времена.
Слева: Одна из страниц буклета опубликованного "Cross company".
Цифры мощности и потребления топлива приведённые здесь были исключительно хорошими для того времени. Производилось ли когда либо беспристрастное испытание двигателей к настоящему времени неизвестно.
--------------------------------------------------------------------------------
ЗОЛОТНИКОВЫЙ КЛАПАН ФРЭДИ (FROEDE): 1950-е.
Вальтер Фрэди (Walter Froede) был ведущим программы гоночных мотоциклов геманской компании NSU, к тому времени NSU была крупнейшим производителем мотоциклов в мире. Слева: Золотниковый клапан Фрэди в 125 куб.см двигателе гоночного мотоцикла. Золотниковый клапан окрашен розовым цветом.
Двигатель наклонен в лево, и поршень показан в верхней мёртвой точке (ВМТ). Золотниковый клапан движется с постоянной скоростью составляющей 1/4 скорости коленчатого вала. Хотя сначала успешно показал себя в гонках, однако не был повторён, возможно вследствии поглощения NSU другой компанией.
