Under andra världskriget skapade ingenjörer inom nazistregimen några av erans bästa och mest avancerade flygvapen. Ett tyskt stridsflygplan, Focke-Wulf Fw 190, överträffade under en tid allt de allierade kunde sätta i luften.
Lyckligtvis för de allierade, svängde ingenjörskonst på deras sida så småningom luftöverlägsenhetspendeln till deras fördel. En robust, okonventionell motor som många människor idag förmodligen aldrig ens har hört talas om hjälpte till att neutralisera Fw 190 och resten av Luftwaffe. På sitt eget sätt hjälpte en motor till att driva de allierade till seger [källa:Rickard].
Hylsventilmotorn, som har använts på både bilar och flygplan, drev snabba brittiska jaktplan som Hawker Typhoon och Hawker Tempest. Med sina brutala hästkrafter hjälpte de de allierade att kontrollera himlen, ge luftstöd till markstyrkorna och så småningom vinna kriget.
Men vad är egentligen en sleeve-ventil motor, och vad är det med det roliga namnet? Och varför ser eller hör vi inte mycket om dem idag?
Motorn har fått sitt namn från den tunnväggiga metallhylsan som glider upp och ner i varje cylinder under förbränningsprocessen. Hålen i hylsan och i cylindern som innehåller den kommer vanligtvis i linje med förutsägbara intervaller för att driva ut avgaser och suga in frisk luft.
Trots sina hedervärda väpnade tjänster förlorade den komplexa ventiluppsättningen till det vi använder i förbränningsmotorer idag, ventillyftventiler. I flygplan gav naturligtvis kolvdrivna kraftverk av alla typer till stor del plats för jetmotorer.
Men håll ut – avfärda inte hylsventilen som en värdelös historisk relik än.
Åtminstone ett företag försöker få tillbaka den ärevördiga ventilmotorn, men med några moderna vändningar.
På de kommande sidorna ska vi ta en titt på vad som får hylsventilmotorn att svänga. Vi kommer också att undersöka varför den föll i unåde, tillsammans med anledningarna till att den kallas upp nu, mer än ett sekel efter dess uppfinning, för att tjäna i en annan sorts "kamp".
Innehåll
När den anlände som den gjorde under höjden av industriåldern, ser hylsventilmotorn ut som en grej som skulle vara precis hemma i en steampunk-roman. Moderna ingenjörer förundras över dess smarthet. Och klocka-klocka för dess höga komplexitet.
Så där har du blivit varnad. Egentligen är det en ganska vacker sak när du väl förstår hur alla dessa bitar fungerar tillsammans. Kavla upp ärmarna nu, för vi är på väg att bli nere och smutsa ner med det inre arbetet i en hylsa-ventilmotor.
Den här motorn har så mycket på gång att den nästan trotsar beskrivningen. Men vi ska försöka. Hylsventilmotorer, liksom deras motsvarigheter till ventilventiler, kan komma i många olika konfigurationer. Ett sådant arrangemang, de radiella hylsventilmotorerna som används på flygplan, ser lite ut som vad du kan få om en Rock 'Em Sock 'Em Robot fick ett barn med en "squiddie" vaktpost från "The Matrix."
För att förstå vad en sleeve-ventil motor är och gör, kan det hjälpa att först förstå vad den inte är. Det är inte först och främst det populära systemet som de flesta av oss är bekanta med, en tallriksventilmotor. Poppet-ventiler är de facto standard på dagens förbränningsmotorer. Med dem öppnas och stängs svampformade ventiler under fjädrarnas spänning rytmiskt för att kontrollera in- och utsläpp av bränsle, luft och avgaser i cylindern.
En hylsa ventil, å andra sidan, använder en glidande, ibland roterande hylsa för att kontrollera hur mycket luft och bränsle som detoneras med varje kompressionsslag. Grundförutsättningen för att tända bränsle och luft för att driva en uppsättning kolvar och vrida en vevaxel är densamma som med andra förbränningsmotorer.
Här är en annan distinkt egenskap hos hylsventiler. På konstruktioner där hylsan roterar, hamnar portar som skärs i den i linje med antingen inloppsportar eller avgasportar i cylindern, beroende på vilken del av slaget som äger rum. En kolv rör sig upp och ner inom varje hylsa, även när hylsan glider fram och tillbaka. Hylsrörelsen drivs av kugghjul anslutna till vevaxeln.
Kliar du dig fortfarande på vad som händer exakt? Här är stegen:
Multiplicera nu det med flera cylindrar och släng in en vevaxel så att de kan rotera, så har du en hylsventilmotor!
Om det låter komplicerat så är det för att det är det. En av de främsta stötarna mot dessa motorer var att de var så komplexa. Det är dock lite mer vettigt när du ser hela processen i aktion. Kolla in videon på den här sidan för att bättre visualisera den.
Få din virvling på:hylsventiler och volymetrisk effektivitetSå varför skulle någon vilja apa runt med en så här komplicerad motor? Trots allt var de notoriskt törstiga efter smörjolja; och de tog inte snällt emot orenheter som grus. Svaret är att de erbjuder fördelen med volymetrisk effektivitet. De är med andra ord mycket bättre än vanliga motorer på att få luft in i och ut ur förbränningskammaren. Dessutom ger arrangemanget av portarna bättre virvelegenskaper. Det är ingenjörer för, de skapar turbulent luft, vilket gör att luft- och bränsleblandningen brinner mer effektivt [källa:Raymond].
Indianafödde Charles Yale Knight köpte en trehjulig Knox-bil runt 1901 så att han kunde rapportera och publicera sin gårdstidning i USA:s mellanvästern. Men han fann att det skramlande som skapades av bilens ventiler var en allvarlig smärta i öronen. Så han gjorde vad alla företagare med självrespekt och bakgrund inom industrimaskiner skulle göra:Han satte sig för att själv bygga en bättre motor.
Med en förmögen backers stöd utvecklade och testade han prototyper i stor utsträckning. År 1906 hade han gjort tillräckligt med framsteg för att avslöja sin 4-cylindriga, 40-hästkraftiga "Silent Knight"-bil på Chicago Auto Show.
Knight-motorn hade inte en, utan två hylsor per cylinder, med den inre hylsan glidande inuti den yttre. Kolven i sin tur gled inuti innerhylsan. Riddaren, trogen sin moniker, var imponerande tyst. Även om Knight-motorn visade sig vara överlägsen de högljudda och ömtåliga tallriksventilerna på sin tid, gav amerikanska biltillverkare den kalla axeln till en början.
Knight och hans ekonomiska välgörare L.B. Kilbourne klarade sig betydligt bättre utomlands. Efter några förbättringar av designen hittade Knight-motorn sin väg till Daimler-bilar i England (inte att förväxla med Daimler-Benz).
Silent Knight var en succé, och snart ville andra tillverkare vara med på hylsventilerna - inklusive biltillverkare i USA. Willys bilar och lätta lastbilar, Daimler och Mercedes-Benz, bland andra, använde Knight sleeve-ventil motor [källa:Wells].
Men på 1920-talet hade hylsventildesignen avancerat bortom Knights hylsa-i-en-hylsa-konfiguration. Enkelhylsdesigner, inklusive Burt-McCollum, var lättare, mindre komplexa och billigare att bygga, och därför att föredra framför tillverkare. Med ytterligare modifieringar från motortillverkare som Bristol och Rolls-Royce skulle de till och med ta sig till himlen.
Harry R. Ricardo (senare "Sir" Harry Ricardo), född i London 1885, väntade inte till college för att påbörja sina ingenjörsstudier. Han observerade och absorberade i knäet på en lokal maskinist som ung pojke och gick hem från maskinistens verkstad för att tillämpa sina nya kunskaper i att bygga motorer. Han skulle senare säga:
"Som barn var jag alltid fascinerad av motorer och mekaniska rörelser i allmänhet, och framför allt av det stora mysteriet om hur sådana saker faktiskt gjordes... när jag ser tillbaka tror jag att jag lärde mig mer av verkligt värde från dessa tidiga och mycket grova försök till design och tillverkning än från något annat" [källa:University of Cambridge].
Ricardo, i sin arbetande ingenjör vuxen ålder, var en obotlig överpresterare. Förutom att justera motorerna på tankar som hjälpte till att bryta dödläget under första världskriget, ledde han banbrytande forskning om att tilldela oktantal till olika bränslekvaliteter.
Hans kanske mest anmärkningsvärda bidrag under andra världskriget var hans arbete med att göra hylsventilmotorn bättre.
Ricardo teoretiserade på 1920-talet att en flygplansmotor med hylsventil kunde generera större hästkrafter än en jämförbar motor med ventilventil eftersom den kunde generera ett högre kompressionsförhållande.
Det visade sig så att 1941, brittiska flygplan inklusive stöttepelaren Supermarine Spitfire stridsflygplan, tog ett dunkande från Tysklands överlägsna Focke-Wulf Fw 190. Fw 190-talet inledde också markangrepp mot allierade installationer nästan ostraffat, eftersom ingenting kunde fånga dem på låg höjd efter att de släppt sina bomber.
Den hylsventildrivna Hawker Typhoon, som togs i bruk 1942, ändrade det. Framdriven av en Napier Sabre-motor på 2 180 hästkrafter, betydde "Tiffys" extra upp-och-gå att den inte bara kunde skjuta ner snabba Luftwaffe-ingripare, utan den kunde också bära bomber. Senare i kriget skulle bomb- och raketutrustade tyfoner visa sig vara avgörande för att stödja de allierade markstyrkorna när de drar åt snaran mot nazisterna och avslutade kriget i Europa [källa:Rickard].
Trots hylsventilmotorns exemplariska militära rekord satt skriften på väggen:jetmotorer skulle dominera kommersiellt och militärt flyg från efterkrigsåren och framåt.
Arvet från Knight, Ricardo och andra skulle inte helt försvinna - motorentusiaster skulle minnas hylsventilmotorn med hembyggda modeller och på webbplatser under de följande decennierna. Vissa flygande modellplan använder miniatyrhylsor med ventilmotorer. Och det är tänkbart att tekniken kan uppleva ett återupplivande på några av världens största och snabbast växande fordonsmarknader.
Så, var hylsventilmotorn en evolutionär återvändsgränd, när det gäller förbränningens framsteg?
Låt oss uttrycka det så här. Precis som Hollywood gillar att återvinna gamla koncept och sätta en ny snurr på dem när det börjar ta slut på nya idéer, så gör bilindustrin det också. Elbilar, kanske ni minns, var en stor sak innan (ironiskt nog) den elektriska startmotorn gjorde förbränningsbilar mycket praktiska. Elektrik försvann i stort sett från den vanliga bilismen tills miljöhänsyn tog dem tillbaka från graven nära sekelskiftet.
Och så, på samma sätt, kan fallet utvecklas med den slumrande hylsventilmotorn. Som ordspråket säger, "det som är gammalt är nytt igen."
San Carlos, Kalifornien-baserade Pinnacle Technologies räknar med en uppdämd efterfrågan på rena, billiga transporter i Asien för att snappa upp sin moderna tolkning av hylsventilen. En ny motor är baserad på vad företaget beskriver som en fyrtakts, gnisttänd (SI), motsatt kolv, hylsa-ventil-arkitektur.
Pinnacles grundare Monty Cleeves säger att hans patenterade motor kan ge en 30- till 50-procentig effektivitetsförbättring jämfört med nuvarande förbränningsmotorer [källa:Pinnacle Engines].
"Denna motorteknik ger bränsleekonomin och CO2-utsläppen från en hybrid till ett pris som hela världen har råd med", sa Cleeves i ett uttalande som utfärdats av företaget
Pinnacle säger att de inte är oroliga för att elfordon gör sin teknik föråldrad inom kort. Istället tror den att det finns en stor möjlighet att betjäna snabbt växande marknader som Indien och Kina. De och andra utvecklingsländer vill minska utsläppen av växthusgaser samtidigt som de förbättrar sina medborgares levnadsstandard genom att äga motorfordon. Eftersom elfordon och hybrider fortfarande har en betydande prispremie, säger Pinnacle att dess omarbetade hylsventil är en bra "bryggteknik" tills el blir mer överkomligt för alla.
Pinnacle, som har tagit emot flera miljoner dollar i riskkapital, sa att de driver ett licensavtal med en asiatisk biltillverkare och förväntar sig att produktionen ska börja 2013.
Som en stor militärflygnörd hade jag hört talas om hylsventilmotorer innan det här uppdraget. Men det var ungefär omfattningen av det. Med tanke på deras status som fotnot i historien, hade jag alltid tänkt på dem enbart abstrakt. Till skillnad från en tallriksventilmotor som du kan studera på din egen uppfart, var dessa "sleeve-ventil-saker" för mig bara en bortglömd, om än pittoresk, teknik, som ånglok. Så när jag använde kraften hos Interwebs för att se dem i aktion, slogs jag omedelbart av både vördnad och beundran. Hur kom folk för 100 år sedan på alla nödvändiga vinklar, toleranser, viktbalanser och mer för att få liv i dessa otroligt komplexa maskiner? Det faktum att entreprenörer idag vill blåsa nytt liv i konceptet säger mycket om de ursprungliga pionjärernas genialitet och vision. Man skulle kunna hävda att de ursprungliga 1900-talets hylsventilmotorer var "överkonstruerade" - det vill säga de var för komplicerade för sitt eget bästa. Eller så kan det helt enkelt vara så att de, eftersom de saknade framstegen inom materialvetenskap och precisionen i datorstödd design som vi åtnjuter idag, bara var före sin tid.
