Кулачковый двигатель

Кулачковый двигатель — это поршневой двигатель , в котором вместо обычного коленчатого вала поршни передают усилие на кулачок , который затем приводится во вращение. Выходная работа двигателя осуществляется этим кулачком. ^{[ 1 ]}

Вариант кулачкового двигателя, двигатель с автоматом перекоса (также близкий к нему двигатель с качающимся диском), некоторое время был популярен. ^{[ 2 ]}

Кулачковые двигатели обычно считаются двигателями внутреннего сгорания , хотя они также используются в качестве гидравлических и пневматических двигателей . Гидравлические двигатели, особенно с автоматом перекоса, широко и успешно используются. Однако двигатели внутреннего сгорания остаются почти неизвестными.

Историческая справка

История кулачковых двигателей связана с развитием двигателей, особенно в конце 19 - начале 20 веков. Инженеры и изобретатели исследовали различные механические конструкции, чтобы улучшить характеристики двигателя. Одна из самых ранних зафиксированных концепций кулачковых двигателей относится к 19 веку, во время промышленной революции.

В 1862 году французский инженер Альфонс Бо де Роша , которому приписывают создание четырехтактного двигателя , также исследовал использование кулачков в двигателях. Его работа заложила основу для последующих разработок двигателей внутреннего сгорания. ^{[ 3 ]} Другой заметной фигурой является Феликс Ванкель , немецкий инженер, известный изобретением роторного двигателя Ванкеля . Работа Ванкеля над нетрадиционными конструкциями двигателей включала эксперименты с кулачковыми механизмами, хотя его роторный двигатель стал более заметным. ^{[ 4 ]}

В начале 20 века было подано множество патентов на различные конструкции кулачковых двигателей. Эти конструкции были особенно важны для авиации и промышленности. Во время Первой и Второй мировых войн проявлялся большой интерес к альтернативным конструкциям двигателей. Эти конструкции могут предложить преимущества в отношении мощности к весу , долговечности и топливной эффективности. Однако кулачковые двигатели так и не получили широкого распространения. В основном это было связано со сложностью их конструкции и проблемами с долговечностью кулачкового и ведомого механизмов. ^{[ 5 ]}

Механический дизайн

Механическая конструкция кулачкового двигателя отличается от обычных двигателей внутреннего сгорания с приводом от коленчатого вала. В конструкции двигателя вместо коленчатого вала используется кулачковый механизм. Это создает уникальные проблемы и возможности для оптимизации производительности.

Кулачковый механизм

Кулачковый механизм лежит в основе кулачкового двигателя. Этот механизм играет решающую роль. Он преобразует линейное движение поршней во вращательное движение. В обычных двигателях эту задачу традиционно выполняет коленчатый вал. Кулачок представляет собой вращающийся или скользящий компонент. Это часть механической связи. Кулачок передает желаемое движение ведомому устройству посредством прямого контакта. В контексте кулачкового двигателя кулачок обычно выполнен в виде вращающегося диска или цилиндра. Имеет профиль особой формы. Этот профиль взаимодействует с поршнями. Профиль камеры тщательно разработан. Он контролирует синхронизацию и движение поршней. Поршни совершают возвратно-поступательное движение внутри цилиндров двигателя. Когда кулачок вращается, его профиль прижимается к толкателю кулачка. Толкатель кулачка перемещается по поверхности кулачка. Это заставляет ведомого двигаться вверх и вниз. Это движение передается поршням. Это заставляет поршни совершать возвратно-поступательные движения. Форма кулачка определяет длину хода поршня, время и скорость. Эти факторы напрямую влияют на рабочие характеристики двигателя. В кулачковом двигателе кулачок соединен с приводным механизмом, обычно с валом. Этот вал вращает кулачок с определенной скоростью. Вращение кулачка синхронизировано с циклом сгорания двигателя. Это гарантирует, что поршни находятся в правильном положении для использования энергии процесса сгорания. Тщательная конструкция и синхронизация кулачкового механизма имеют решающее значение для эффективной работы двигателя. Любое отклонение может привести к проблемам с производительностью или механическому сбою. ^{[ 6 ]}

Типы конструкций кулачков

Конструкция профиля кулачка очень важна для кулачкового двигателя. Профиль кулачка напрямую влияет на характеристики двигателя, такие как крутящий момент, выходная мощность и эффективность. Существует несколько типов конструкций кулачков, каждый из которых имеет свои уникальные преимущества и проблемы:

Плоские камеры :

Конструкция : Плоские кулачки, также называемые пластинчатыми кулачками, имеют плоскую поверхность. Край поверхности контурирован. Контур кромки определяет движение толкателя. Это, в свою очередь, определяет движение поршня.

Влияние на производительность : Плоские кулачки легко проектировать и производить. Это делает их популярным выбором для первых экспериментов с кулачковыми двигателями. Однако у них есть ограничения. Они не могут создавать сложные профили движения. Это может ограничить эффективность и выходную мощность двигателя. ^{[ 7 ]}

2. Цилиндрические кулачки

3. Конические кулачки:

Конструкция: Конические кулачки имеют коническую конусообразную поверхность, которая взаимодействует с толкателем кулачка. Изменяющийся радиус конуса влияет на движение ведомого устройства. Это позволяет создавать сложные профили движения.

Влияние на производительность : конические кулачки могут создавать узкоспециализированные профили движения. Эти профили могут оптимизировать производительность двигателя для конкретных приложений. Однако сложность их конструкции и точность, требуемая при изготовлении, могут затруднить их внедрение на практике. ^{[ 8 ]}

4. Бочковые кулачки:

Конструкция : Бочковые кулачки имеют бочкообразную поверхность, которая является разновидностью цилиндрических кулачков. Толкатель кулачка перемещается по направляющей или канавке на изогнутой поверхности. Это преобразует вращательное движение в линейное.

Влияние на производительность: цилиндрические кулачки могут обеспечить высокую степень контроля над движением поршня, подобно цилиндрическим кулачкам. Их конструкция позволяет создавать профили движения, которые могут повысить выходной крутящий момент двигателя в определенных точках цикла. ^{[ 9 ]}

Операция

Рабочий цикл

Некоторые кулачковые двигатели являются двухтактными , а не четырехтактными. В двухтактном двигателе силы, действующие на поршень, действуют равномерно вниз на протяжении всего цикла. В четырехтактном двигателе эти силы циклически меняются местами: на этапе впуска поршень движется вверх , несмотря на уменьшенную индукционную депрессию. Простой кулачковый механизм работает только с силой в одном направлении. В первых двигателях Мишеля кулачок имел две поверхности: основную поверхность, на которой работали поршни при работе, и другое кольцо внутри нее, которое обеспечивало десмодромное действие для ограничения положения поршня во время запуска двигателя. ^{[ 10 ]}

Обычно требуется только один кулачок, даже для нескольких цилиндров. Таким образом, большинство кулачковых двигателей представляли собой оппозитные сдвоенные или радиальные двигатели . Ранняя версия двигателя Мишеля представляла собой роторный двигатель , разновидность радиального двигателя, в котором цилиндры вращаются вокруг неподвижного кривошипа.

Преимущества

Идеальный баланс: кривошипную систему невозможно динамически сбалансировать, потому что невозможно ослабить обратную силу или действие с помощью вращательной реакции или силы.
Более идеальная динамика сгорания, посмотрите на PV-диаграмму «идеального двигателя внутреннего сгорания», и вы обнаружите, что событие сгорания в идеале должно быть более или менее «событием постоянного объема». ^{[ 11 ]}

Короткое время выдержки, которое производит кривошип, не обеспечивает более или менее постоянного объема для процесса сгорания. Кривошипно-шатунная система достигает значительного механического преимущества при 6 ° до ВМТ; затем он достигает максимального преимущества при угле от 45° до 50°. Это ограничивает время горения до значения менее 60°. Кроме того, быстро опускающийся поршень снижает давление перед фронтом пламени, сокращая время горения. Это означает меньшее время горения при более низком давлении. Именно эта динамика объясняет, почему во всех кривошипных двигателях значительное количество топлива сгорает не над поршнем, где можно извлечь его мощность, а в каталитическом нейтрализаторе, который производит только тепло.

Современный кулачок может быть изготовлен с использованием технологии числового программного управления (ЧПУ), чтобы иметь механическое преимущество с задержкой.

К другим преимуществам современных кулачковых двигателей относятся:

Идеальная динамика поршня
Снижение внутреннего трения
Чистый выхлоп
Меньший расход топлива
Долгая жизнь
Больше мощности на килограмм
Компактная модульная конструкция позволяет улучшить конструкцию автомобиля
Меньше деталей, меньше затрат на изготовление

После обширных испытаний, проведенных правительством США, двигатель Fairchild Model 447-C с радиальным кулачком удостоился чести получить самый первый сертификат типа, утвержденный Министерством торговли. В то время, когда срок службы кривошипного двигателя самолета составлял от 30 до 50 часов, модель 447-C была гораздо более надежной, чем любой другой авиационный двигатель, производившийся тогда. ^{[ 12 ]} Однако в эпоху до появления ЧПУ у него был очень плохой профиль кулачка, что означало, что он слишком сильно трясся для деревянных пропеллеров и планеров из дерева, проволоки и ткани того времени.

Одним из преимуществ является то, что площадь опорной поверхности может быть больше, чем у коленчатого вала. На заре разработки подшипниковых материалов снижение давления в подшипниках могло обеспечить более высокую надежность. Относительно успешный кулачковый двигатель с наклонной шайбой был разработан экспертом по подшипникам Джорджем Мичеллом со скользящей подушечкой , который также разработал упорный блок . ^{[ 2 ]}^{[ 13 ]}

Двигатель Мишеля (не имеет отношения к делу) начинался с толкателей с роликовыми кулачками, но во время разработки перешел на толкатели с подшипниками скольжения. ^{[ 14 ]}^{[ 15 ]}

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

Двигатели с автоматом перекоса и качающейся шайбой

Единственными двигателями внутреннего сгорания, добившимися хотя бы отдаленного успеха, были двигатели с автоматом перекоса . ^{[ 2 ]} Это были почти все осевые двигатели , где цилиндры расположены параллельно оси двигателя, в одно или два кольца. Целью таких двигателей обычно было достижение осевой или «бочковой» компоновки, что позволило создать двигатель с очень компактной лобовой площадью. Одно время планировалось использовать в качестве авиационных двигателей бочковые двигатели с уменьшенной лобовой площадью, позволяющей уменьшить фюзеляж и снизить лобовое сопротивление.

Двигатель, аналогичный двигателю с автоматом перекоса, представляет собой двигатель с качающейся пластиной, также известный как нутатор или Z-кривошипный привод. Здесь используется подшипник, который просто вращается , а не вращается, как в случае с автоматом перекоса. Качающаяся пластина отделена от выходного вала поворотным подшипником. ^{[ 2 ]} Таким образом, двигатели с качающейся пластиной не являются кулачковыми двигателями.

Беспоршневые роторные двигатели

Большинство беспоршневых двигателей, использующих кулачки, например, кулачковый двигатель Rand, используют кулачковый механизм для управления движением уплотнительных лопаток. Давление сгорания, оказываемое на эти лопатки, заставляет вращаться держатель лопаток, отдельный от кулачка. В двигателе Рэнда распределительный вал перемещает лопатки так, что они имеют разную длину и таким образом охватывают камеру сгорания различного объема при вращении двигателя. ^{[ 16 ]} Работа, совершаемая при вращении двигателя, вызывающая это расширение, представляет собой термодинамическую работу, совершаемую двигателем и заставляющую двигатель вращаться.

Ссылки

^ «Клапановые двигатели» . Дуглас Селф. 15 июля 2022 г. Проверено 16 января 2024 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д «Осевые двигатели внутреннего сгорания» . Дуглас Селф. 15 февраля 2022 г. Проверено 16 января 2024 г.
^ «Альфонс Бо де Роша | Проектирование паровых двигателей, автомобильные двигатели и системы внутреннего сгорания | Британника» .
^ «Роторный двигатель Ванкеля: схема, детали, работа, использование [PDF]» . 23 октября 2021 г.
^ «Освоение конструкции распределительного вала для достижения оптимальной производительности двигателя» . 11 июля 2023 г.
^ Аббасимошаи, Алиреза; Керн, Торстен А. (2023). «Камеры» . Динамика машины . стр. 169–196. дои : 10.1007/978-981-99-6010-1_5 . ISBN 978-981-99-6009-5 .
^ «Плоский кулачок/Линейный кулачок» .
^ «Конический кулачок» .
^ «Цилиндрический кулачок» .
^ NACA 462 , с. 5.
^ «Идеальный цикл Отто» . Архивировано из оригинала 5 ноября 2021 г. Проверено 28 октября 2014 г.
^ «Фэйрчайлд (Рейнджер)» . Проверено 16 января 2024 г.
^ NACA 462 , стр. 2–4.
^ NACA 462 , стр. 5–7, 15.
^ США 1603969 , Герман, Мишель, «Двухтактный двигатель внутреннего сгорания», опубликован 19 октября 1926 г., передан Centra Handels- & Industrie AG.
^ «Принцип вращения» . Reg Technologies Inc. Архивировано из оригинала 25 января 2015 г. Проверено 20 августа 2013 г.

Библиография

Комментарии к типам бескривошипных двигателей (Отчет). Технический меморандум NACA. Том. 462. Вашингтон, округ Колумбия: NACA . Май 1928 года.

[Self,_Cam-1] «Клапановые двигатели» . Дуглас Селф. 15 июля 2022 г. Проверено 16 января 2024 г.

[Self,_Axial-2] Jump up to: ^а ^б ^с ^д «Осевые двигатели внутреннего сгорания» . Дуглас Селф. 15 февраля 2022 г. Проверено 16 января 2024 г.

[3] «Альфонс Бо де Роша | Проектирование паровых двигателей, автомобильные двигатели и системы внутреннего сгорания | Британника» .

[4] «Роторный двигатель Ванкеля: схема, детали, работа, использование [PDF]» . 23 октября 2021 г.

[5] «Освоение конструкции распределительного вала для достижения оптимальной производительности двигателя» . 11 июля 2023 г.

[6] Аббасимошаи, Алиреза; Керн, Торстен А. (2023). «Камеры» . Динамика машины . стр. 169–196. дои : 10.1007/978-981-99-6010-1_5 . ISBN 978-981-99-6009-5 .

[7] «Плоский кулачок/Линейный кулачок» .

[8] «Конический кулачок» .

[9] «Цилиндрический кулачок» .

[FOOTNOTENACA4625-10] NACA 462 , с. 5.

[11] «Идеальный цикл Отто» . Архивировано из оригинала 5 ноября 2021 г. Проверено 28 октября 2014 г.

[12] «Фэйрчайлд (Рейнджер)» . Проверено 16 января 2024 г.

[FOOTNOTENACA4622–4-13] NACA 462 , стр. 2–4.

[FOOTNOTENACA4625–7,_15-14] NACA 462 , стр. 5–7, 15.

[15] США 1603969 , Герман, Мишель, «Двухтактный двигатель внутреннего сгорания», опубликован 19 октября 1926 г., передан Centra Handels- & Industrie AG.

[16] «Принцип вращения» . Reg Technologies Inc. Архивировано из оригинала 25 января 2015 г. Проверено 20 августа 2013 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]