A Кулачковый двигатель - это поршневой двигатель где вместо обычного коленчатого вала поршни передают свое усилие на кулачок, который затем приводится во вращение. Выходная работа двигателя приводится в движение этим кулачком.
Кулачковые двигатели имеют успех. Фактически, первым двигателем, получившим сертификат летной годности от правительства США, был двигатель с радиальным кулачком. Вариант кулачкового двигателя, двигатель с наклонной шайбой (также близкий к нему двигатель с качающейся шайбой), был кратко популярен.
Их обычно называют двигателями внутреннего сгорания, хотя они также использовались в качестве гидравлических- и пневматических двигателей. Гидравлические двигатели, особенно с наклонной шайбой, широко и успешно используются. Однако двигатели внутреннего сгорания остаются почти неизвестными.
Некоторые кулачковые двигатели являются двухтактными, а не четырехтактными. Два современных примера - это KamTech и Earthstar, оба двигателя с радиальным кулачком. В двухтактном двигателе силы на поршень действуют равномерно вниз в течение всего цикла. В четырехтактном двигателе эти силы циклически меняются на противоположные: в фазе впуска поршень движется вверх, преодолевая пониженную депрессию впуска. Простой кулачковый механизм работает только с усилием в одном направлении. В первых двигателях Michel кулачок имел две поверхности: основную поверхность, на которой поршни работали во время работы, и другое кольцо внутри нее, которое давало десмодромное действие для ограничения положения поршня во время запуск двигателя.
Обычно требуется только один кулачок, даже для нескольких цилиндров. Таким образом, большинство кулачковых двигателей были или радиальными двигателями. Ранняя версия двигателя Мишеля была роторным двигателем, формой радиального двигателя, в котором цилиндры вращаются вокруг фиксированного кривошипа.
Короткое время задержки, которое производит кривошип, не обеспечивает более или менее постоянный объем для события сгорания. Система кривошипа достигает значительных механических преимущество на 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 помощью технологии компьютерного числового управления (ЧПУ), чтобы иметь механическое преимущество с задержкой. 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. Таким образом, двигатель KamTech на любой скорости и при любой нагрузке никогда не имеет огня, выходящего из выхлопа, потому что есть время для полного и полного сгорания, которое произойдет под высоким давлением над поршнем.
Несколько других преимуществ современных кулачковых двигателей:
Предположение о том, что кулачковые двигатели вышли из строя, когда речь идет о надежности, является в ошибке. После всесторонних испытаний, проведенных правительством США, двигатель Fairchild Model 447-C с радиальным кулачком удостоился самого первого Сертификата типа, одобренного Министерством торговли. В то время, когда авиационный кривошипный двигатель имел срок службы от 30 до 50 часов, модель 447-C была намного более надежной, чем любой другой авиационный двигатель, производившийся в то время. 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.
Одно из преимуществ состоит в том, что площадь поверхности подшипника может быть больше, чем у 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 Джорджем Мичеллом, который также разработал упорный блок с скользящей подушкой .
. Начался двигатель Мишель (не имеет отношения) с роликовыми толкателями, но во время разработки переключились на толкатели подшипников скольжения.
В отличие от коленчатого вала, кулачок может легко иметь более одного хода за один оборот. Это допускает более одного хода поршня за оборот. Для использования в самолетах это была альтернатива использованию блока снижения скорости воздушного винта : высокая частота вращения двигателя для улучшенного отношения мощности к весу в сочетании с более низкой частотой вращения воздушного винта для эффективного пропеллер. На практике конструкция кулачкового двигателя весила больше, чем комбинация обычного двигателя и коробки передач.
Единственными двигателями с кулачковым механизмом внутреннего сгорания, которые имели хоть какое-то успех, были двигатели с наклонной шайбой. Это были почти все осевые двигатели, у которых цилиндры располагались 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 авиационных двигателей с их уменьшенной лобовой площадью, позволяющей уменьшить фюзеляж и снизить лобовое сопротивление.
Двигатель, похожий на двигатель с наклонной шайбой, - это двигатель с качающейся шайбой, также известный как нулатор или Z-кривошипный привод. В нем используется подшипник, который чисто нулирует, а не также вращается, как в случае наклонной шайбы. Качающаяся шайба отделена от выходного вала подшипником вращения. Таким образом, двигатели с качающейся пластиной не являются кулачковыми двигателями.
В некоторых двигателях используются кулачки, но они не являются «кулачковыми двигателями» в описанном здесь смысле. Это разновидность роторного двигателя без поршня. Со времен Джеймса Ватта изобретатели искали роторный двигатель, который полагался бы на чисто вращательное движение, без возвратно-поступательного движения и проблем с балансировкой поршневого двигателя. Эти двигатели тоже не работают.
Большинство беспоршневых двигателей, использующих кулачки, например, используют 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 различную открытую длину и, таким образом, охватывают камеру сгорания переменного объема по мере вращения двигателя. Работа, совершаемая при вращении двигателя, вызывающая это расширение, - это термодинамическая работа, совершаемая двигателем, и то, что заставляет двигатель вращаться.