Tijdens de Tweede Wereldoorlog bedachten ingenieurs binnen het nazi-regime enkele van de beste en meest geavanceerde luchtwapens van het tijdperk. Een Duits gevechtsvliegtuig, de Focke-Wulf Fw 190, presteerde een tijd lang beter dan alles wat de geallieerden in de lucht konden brengen.
Gelukkig voor de geallieerden zwaaide de techniek aan hun kant uiteindelijk de slinger van luchtoverwicht in hun voordeel. Een robuuste, onconventionele motor waar veel mensen vandaag de dag waarschijnlijk nog nooit van hebben gehoord, hielp de Fw 190 en de rest van de Luftwaffe te neutraliseren. Op zijn eigen manier hielp een motor de geallieerden naar de overwinning te stuwen [bron:Rickard].
De motor met hulsklep, die zowel in auto's als vliegtuigen is gebruikt, dreef snelle Britse jagers aan, zoals de Hawker Typhoon en Hawker Tempest. Met hun brute paardenkracht hielpen ze de geallieerden het luchtruim te beheersen, luchtsteun te bieden aan grondtroepen en uiteindelijk de oorlog te winnen.
Maar wat is een sleeve-valve-motor precies, en wat is de grappige naam? En waarom zien of horen we er tegenwoordig niet veel over?
De motor dankt zijn naam aan de dunwandige, metalen huls die tijdens het verbrandingsproces in elke cilinder op en neer schuift. Doorgaans worden gaten in de huls en in de cilinder die het bevat met voorspelbare tussenpozen uitgelijnd om uitlaatgassen te verdrijven en verse lucht aan te zuigen.
Ondanks zijn eervolle staat van dienst van de strijdkrachten, verloor de complexe opstelling van de schuifafsluiters van wat we tegenwoordig gebruiken in interne verbrandingsmotoren, klepstoters. In vliegtuigen maakten zuiger-aangedreven krachtcentrales van alle soorten natuurlijk grotendeels plaats voor straalmotoren.
Maar wacht even -- wijs het mouwventiel nog niet af als een nutteloos historisch relikwie.
Ten minste één bedrijf probeert de eerbiedwaardige schuifafsluitermotor weer in werking te stellen, maar met een paar moderne wendingen.
Op de volgende pagina's zullen we bekijken wat de motor met hulsklep precies doet draaien. We zullen ook onderzoeken waarom het uit de gratie raakte, samen met de redenen waarom het nu, meer dan een eeuw na zijn uitvinding, wordt opgeroepen om te dienen in een ander soort 'gevecht'.
Inhoud
Aangekomen zoals het deed tijdens het hoogtepunt van het industriële tijdperk, ziet de motor met hulsklep eruit als een apparaat dat thuis zou zijn in een steampunk-roman. Moderne ingenieurs verwonderen zich over zijn slimheid. En kakel-klok bij zijn hoge complexiteit.
Dus daar, je bent gewaarschuwd. Eigenlijk is het best mooi als je eenmaal begrijpt hoe al die stukjes samenwerken. Stroop nu je mouwen op, want we staan op het punt om vuil te worden met de innerlijke werking van een motor met hulsklep.
Deze motor heeft zoveel aan de hand dat het bijna elke beschrijving tart. Maar we zullen het proberen. Mouwklepmotoren kunnen, net als hun tegenhangers met stoterkleppen, in veel verschillende configuraties worden geleverd. Eén zo'n opstelling, de radiale huls-klepmotoren die in vliegtuigen worden gebruikt, lijken een beetje op wat je zou krijgen als een Rock 'Em Sock 'Em Robot een baby zou krijgen met een 'inktvis'-schildwacht uit 'The Matrix'.
Om te begrijpen wat een hulsklepmotor is en doet, kan het helpen om eerst te begrijpen wat het niet is. Het is niet in de eerste plaats het populaire systeem waarmee de meesten van ons bekend zijn, een schotelklepmotor. Schotelkleppen zijn de de facto standaard op de hedendaagse verbrandingsmotoren. Met hen openen en sluiten paddestoelvormige kleppen onder de spanning van veren ritmisch om de in- en uitgang van brandstof, lucht en uitlaatgassen in de cilinder te regelen.
Een hulsklep daarentegen gebruikt een glijdende, soms roterende huls om te regelen hoeveel lucht en brandstof bij elke compressieslag tot ontploffing worden gebracht. Het uitgangspunt van het ontsteken van brandstof en lucht om een set zuigers aan te drijven en een krukas te laten draaien is hetzelfde als bij andere verbrandingsmotoren.
Hier is nog een ander onderscheidend kenmerk van schuifafsluiters. Op ontwerpen waarbij de huls draait, worden de poorten die erin zijn gesneden uitgelijnd met de inlaatpoorten of uitlaatpoorten in de cilinder, afhankelijk van welk deel van de slag plaatsvindt. Een zuiger beweegt op en neer binnen elke huls, zelfs als de huls heen en weer schuift. De beweging van de huls wordt aangedreven door tandwielen die zijn verbonden met de krukas.
Nog steeds je hoofd krabben op wat er precies gebeurt? Dit zijn de stappen:
Vermenigvuldig dat nu met meerdere cilinders en gooi er een krukas in om ze te laten draaien, en je hebt een motor met hulsklep!
Als het ingewikkeld klinkt, nou, dat is omdat het zo is. Een van de belangrijkste nadelen van deze motoren was dat ze zo complex waren. Het is echter een beetje logischer als je het hele proces in actie ziet. Bekijk de video op deze pagina om deze beter te visualiseren.
Zet uw slag:mouwventielen en volumetrische efficiëntieDus waarom zou iemand met zo'n ingewikkelde motor willen rondneuzen? Ze waren tenslotte notoir dorstig naar smeerolie; en ze waren niet vriendelijk tegen onzuiverheden zoals gruis. Het antwoord is dat ze het voordeel van volumetrische efficiëntie bieden. Met andere woorden, ze zijn veel beter dan gewone motoren om lucht in en uit de verbrandingskamer te krijgen. Ook zorgt de opstelling van de poorten voor betere swirl-eigenschappen. Dat is technisch, ze creëren turbulente lucht, waardoor het lucht- en brandstofmengsel efficiënter verbrandt [bron:Raymond].
De in Indiana geboren Charles Yale Knight kocht rond 1901 een driewielige Knox-auto, zodat hij zijn boerderijdagboek in het middenwesten van de VS kon rapporteren en publiceren. Maar hij vond het gekletter van de kleppen van de auto een ernstige pijn in de oren. Dus deed hij wat elke zichzelf respecterende ondernemer met een achtergrond in industriële machines zou doen:hij wilde zelf een betere motor bouwen.
Met de steun van een rijke geldschieter ontwikkelde en testte hij prototypes. In 1906 had hij genoeg vooruitgang geboekt om zijn 4-cilinder, 40 pk sterke "Silent Knight"-auto te onthullen op de Chicago Auto Show.
De Knight-motor had niet één, maar twee mouwen per cilinder, waarbij de binnenste huls in de buitenste gleed. De zuiger gleed op zijn beurt in de binnenste huls. De ridder, trouw aan zijn naam, was indrukwekkend stil. Hoewel de Knight-motor superieur bleek te zijn aan de luide en fragiele schotelkleppen van zijn tijd, gaven Amerikaanse autofabrikanten het aanvankelijk de koude schouder.
Knight en zijn financiële weldoener L.B. Kilbourne deed het aanzienlijk beter in het buitenland. Na enkele verfijningen aan het ontwerp vond de Knight-motor zijn weg naar Daimler-auto's in Engeland (niet te verwarren met Daimler-Benz).
De Silent Knight was een hit en al snel wilden andere fabrikanten meedoen aan de actie van de mouwventielen - inclusief autofabrikanten in de Verenigde Staten. Willys-auto's en lichte vrachtwagens, Daimler en Mercedes-Benz gebruikten onder meer de Knight-hulsklepmotor [bron:Wells].
Door de jaren 1920 was het ontwerp van de mouwklep echter verder gevorderd dan Knight's sleeve-in-a-sleeve-configuratie. Ontwerpen met één mouw, waaronder de Burt-McCollum, waren lichter, minder complex en minder duur om te bouwen, en hadden daarom de voorkeur boven fabrikanten. Met verdere aanpassingen van motorfabrikanten zoals Bristol en Rolls-Royce zouden ze zelfs de lucht in gaan.
Harry R. Ricardo (later "Sir" Harry Ricardo), geboren in Londen in 1885, wachtte niet tot de universiteit om met zijn ingenieursstudies te beginnen. Hij observeerde en verdiepte zich in de knie van een plaatselijke machinist als een jonge jongen, en zou vanuit de werkplaats van de machinist naar huis gaan om zijn nieuwe kennis toe te passen in het bouwen van motoren. Hij zou later zeggen:
"Als kind was ik altijd gefascineerd door motoren en mechanische bewegingen in het algemeen, en vooral door het grote mysterie over hoe dergelijke dingen eigenlijk werden gemaakt... terugkijkend denk ik dat ik meer van de werkelijke waarde heb geleerd van deze vroege en zeer grove pogingen tot ontwerp en fabricage dan van iets anders" [bron:University of Cambridge].
Ricardo, in zijn werkende ingenieur volwassenheid, was een ongeneeslijke overpresteerder. Naast het tweaken van de motoren van tanks die hielpen de patstelling van de Eerste Wereldoorlog te doorbreken, leidde hij baanbrekend onderzoek naar het toekennen van octaangetalen aan verschillende soorten brandstof.
Misschien wel zijn meest opvallende bijdrage in de jaren van de Tweede Wereldoorlog was zijn werk aan het verbeteren van de motor met hulsklep.
Ricardo theoretiseerde in de jaren twintig dat een vliegtuigmotor met hulsklep meer pk's zou kunnen genereren dan een vergelijkbare motor met klepstoter omdat deze een hogere compressieverhouding zou kunnen genereren.
Het bleek zo dat tegen 1941 Britse vliegtuigen, waaronder het steunpilaar Supermarine Spitfire-gevechtsvliegtuig, een beuk kregen van de Duitse superieure Focke-Wulf Fw 190. De Fw 190's voerden ook bijna ongestraft grondaanvalsaanvallen uit op geallieerde installaties, omdat niets kon vang ze op lage hoogte nadat ze hun bommen hebben laten vallen.
De Hawker Typhoon met hulsklepmotor, die in 1942 in dienst kwam, bracht daar verandering in. Aangedreven door een 2180 pk sterke Napier Sabre-motor, betekende het extra opstaan van de "Tiffy's" dat hij niet alleen snelle Luftwaffe-indringers kon neerschieten, maar ook bommen kon vervoeren. Later in de oorlog zouden met bommen en raketten uitgeruste Typhoons cruciaal blijken te zijn bij het ondersteunen van geallieerde grondtroepen terwijl ze de strop om de nazi's aanhaalden en de oorlog in Europa beëindigden [bron:Rickard].
Ondanks het voorbeeldige militaire record van de motor met hulsklep, was het schrijven aan de muur:straalmotoren zouden vanaf de naoorlogse jaren de commerciële en militaire luchtvaart domineren.
De erfenis van Knight, Ricardo en anderen zou niet helemaal verdwijnen - motorenthousiastelingen zouden de hulsklepmotor in de komende decennia herdenken met zelfgemaakte modellen en op websites. Sommige vliegende modelvliegtuigen gebruiken miniatuur hulsklepmotoren. En het is denkbaar dat de technologie een heropleving kan ervaren in enkele van 's werelds grootste en snelstgroeiende automarkten.
Dus, was de motor met hulsklep een evolutionair doodlopende weg, voor zover de opmars van interne verbranding?
Laten we het zo zeggen. Net zoals Hollywood graag oude concepten recycleert en er een nieuwe draai aan geeft als er weinig nieuwe ideeën zijn, doet de auto-industrie dat ook. Elektrische auto's, zoals u zich misschien herinnert, waren een groot probleem voordat (ironisch genoeg) de elektrische starter auto's met verbrandingsmotor zeer praktisch maakte. Elektriciteit verdween zo goed als uit het reguliere autorijden totdat milieuproblemen ze rond de eeuwwisseling uit het graf terugbrachten.
En op dezelfde manier zou de koffer zich kunnen ontvouwen met de sluimerende motor met hulsklep. Zoals het gezegde luidt:"Wat oud is, is weer nieuw."
Het in San Carlos, Californië gevestigde Pinnacle Technologies rekent op de opgehoopte vraag naar schoon, goedkoop transport in Azië om zijn moderne interpretatie van de hulsklep op te pakken. Een nieuwe motor is gebaseerd op wat het bedrijf omschrijft als een viertakt, met vonkontsteking (SI), tegenovergestelde zuiger, hulskleparchitectuur.
Pinnacle-oprichter Monty Cleeves zegt dat zijn gepatenteerde motor een efficiëntieverbetering van 30 tot 50 procent kan opleveren ten opzichte van de huidige verbrandingsmotoren [bron:Pinnacle Engines].
"Deze motortechnologie biedt het brandstofverbruik en de CO2-uitstoot van een hybride tegen een prijs die de hele wereld zich kan veroorloven", zei Cleeves in een door het bedrijf uitgegeven verklaring
Pinnacle zegt dat het zich geen zorgen maakt dat elektrische voertuigen de technologie binnenkort overbodig maken. In plaats daarvan gelooft het dat er een grote kans is om snelgroeiende markten zoals India en China te bedienen. Zij en andere ontwikkelingslanden willen de uitstoot van broeikasgassen terugdringen en tegelijkertijd de levensstandaard van hun burgers verbeteren door middel van het bezit van motorvoertuigen. Aangezien elektrische voertuigen en hybrides nog steeds een aanzienlijke prijspremie hebben, zegt Pinnacle dat de opnieuw ontworpen hulsklep een goede "brugtechnologie" is totdat elektriciteit voor iedereen betaalbaarder wordt.
Pinnacle, dat enkele miljoenen dollars aan durfkapitaal heeft ontvangen, zei dat het een licentieovereenkomst nastreefde met een Aziatische autofabrikant en verwachtte dat de productie in 2013 zou beginnen.
Als een grote nerd op het gebied van militaire vliegtuigen had ik voorafgaand aan deze opdracht gehoord van sleeve-valve-motoren. Maar dat was ongeveer de omvang ervan. Gezien hun status als voetnoot in de geschiedenis, had ik ze altijd alleen in abstracto beschouwd. In tegenstelling tot een schotelklepmotor die je op je eigen oprit kunt bestuderen, waren deze 'hulsklepdingen' voor mij gewoon een vergeten, zij het eigenaardige, technologie, zoals stoomlocomotieven. Dus toen ik gebruik maakte van de kracht van de Interwebs om ze in actie te zien, werd ik meteen getroffen door zowel ontzag als bewondering. Hoe hebben mensen 100 jaar geleden alle noodzakelijke hoeken, toleranties, gewichtsbalansen en meer bedacht om deze ongelooflijk complexe machines tot leven te brengen? Het feit dat ondernemers tegenwoordig het concept nieuw leven willen inblazen, spreekt boekdelen over het genie en de visie van die oorspronkelijke pioniers. Je zou kunnen stellen dat de originele, twintigste-eeuwse hulsklepmotoren "over-engineered" waren - dat wil zeggen, ze waren te ingewikkeld voor hun eigen bestwil. Of het kan gewoon zo zijn dat ze, bij gebrek aan de vooruitgang in de materiaalwetenschap en de precisie van computerondersteund ontwerp waar we tegenwoordig van genieten, hun tijd alleen maar vooruit waren.
