Radial motor

Animation af en stjernemotor

Den radiale motor er en form for frem- og tilbagegående forbrændingsmotor , hvor flere motorcylindre er anbragt radialt omkring krumtapakslen i en stjerne form. Radialmotorer, der drives på firetakts - Otto-processen , men også diesel- og totaktsmotorer eller kombinationer af disse designs er mulige. De bruges hovedsageligt som flymotorer . Faste huse og en roterende krumtapaksel er almindelige i disse motorer, men der er også bygget roterende motorer, hvor krumtapakslen er stationær, og cylinderstjernen roterer.

teknologi

I en radialmotor er akserne på alle cylindre i en cylinderrække anbragt i et plan vinkelret på krumtapakslens rotationsakse med ensartede vinkelintervaller radialt omkring denne akse.

Crank -drev

Hovedstang (peger øverst til højre) og otte hjælpestænger på en 9-cylindret radialmotor ( BMW 132 )

I modsætning til andre multi-cylindret motor koncepter, hver cylinder stjerne har kun en enkelt forkrøppet krumtapaksel. Mens i de fleste andre stempelmotorer hvert stempel er forbundet direkte til krumtapakslens krumtap via dens forbindelsesstang , er der i radialmotoren kun en direkte forbindelse med en af forbindelsesstængerne, nemlig hovedstangen (også kendt som moder forbindelsesstang ; i animationen over den lysere farvede øverste forbindelsesstang). Ved foden af hovedforbindelsesstangen på krumtapakslens side er der kuglelejer anbragt i en ring omkring forbindelsesstangøjlen, der løber på tappen; de resterende forbindelsesstænger ( kaldet sekundære forbindelsesstænger ) er forbundet til hovedforbindelsesstangen via disse sfæriske lejer. Dette design betyder, at alle stempler i et cylinderplan kan virke på en enkelt krumtap via den respektive forbindelsesstang uden nogen langsgående forskydning. Som med alle hoved- / sekundære forbindelsesstangforbindelser er kraftlinjen for de sekundære forbindelsesstænger - afhængigt af krumtapakslens position - ikke altid ligefrem lige mellem stempelstiften og midten af krumtapstangen, men nogle gange lidt bukket ved excentrikken drejepunkt for det sfæriske leje. Dette resulterer i lidt forskellige stempelslag af de sekundære forbindelsesstangstempler sammenlignet med hovedstangstemplet (i millimeterområdet). Da den komplekse forbindelsesstangfod på hovedstangstangen, som er stærkt belastet af de sfæriske lejer, normalt ikke er delelig til samling, dvs. kun kan fremstilles uden et aftageligt forbindelsesstangdæksel, en krumtapaksel, der kan deles på krumtappen bruges normalt til gengæld.

Da oscillationen af alle bevægelige komponenter finder sted i præcis ét plan, skabes der ingen frie massemomenter. Forbindelsesstængernes og stemplernes roterende inertikræfter kan - generelt i motorer med et lige antal cylindre eller i motorer med et ulige antal cylindre på fem eller flere - balanceres næsten fuldstændigt af modvægtene på krankbanerne, hvilket resulterer i lav vibrationsdrift.

Ventilstyring

Firetakts radiale motorer har sædvanligvis en OHV ventilstyring med push- stænger og vippearme i topstykkerne. I det enkleste tilfælde styres ventilerne af en nedtrappet kamtromle anbragt i krumtaphuset . Imidlertid er design med en knastaksel pr. Cylinder eller ventil også mulig. Under Anden Verdenskrig , et stort antal nippel fire-takts slide blev motorer anvendt på den britiske side , hvor gassen udveksling blev kontrolleret gennem skiftevis udgivet åbninger i cylinderen foring .

Boligstruktur

Som regel er den propelle gear i den forreste del af det kompakte krumtaphus integreret i mange modeller , i den bageste del er der normalt en central radial kompressor, der drives af den bageste krumtapaksel til at oplade motoren og den tilhørende enheder såsom brændstofpumper, generatorer, startere og blandingsforberedelsen .

Motor smøring

Da konstruktionen uden en udpræget strukturel top eller bund gør det umuligt at anvende en oliefad på det laveste punkt i oliekredsløbet, bruges normalt tørsumpsmøring , ofte endda med flere returpumper.

Antal cylindre

I en radialmotor når alle en stjernes stempler top dødpunkt efter hinanden for hver krumtapakselomdrejning .

Da der med firetaktsprocessen kun er et arbejdsslag for hver anden krumtapakselrotation, har motoren brug for to omdrejninger (720 ° krumtapvinkel) for at tænde alle cylindre. For at fordele arbejdscyklusser for alle cylindre jævnt over denne 720 ° krankvinkel = to krumtapakselomdrejninger, affyres hver anden cylinder, der når det øverste dødpunkt, kontinuerligt; cylinderen imellem er altid i det øverste dødpunkt i gasudvekslingscyklussen (afslutning på at skubbe ud / begyndelse af sugning). For eksempel med en syvcylindret radialmotor resulterer dette i en tændingssekvens i rækkefølgen 1-3-5-7-2-4-6 . Antallet af cylindre i en cylinderstjerne er altid ulige i firetaktsmotorer, da denne konsekvent jævne fyringssekvens med de samme krumtapvinkelintervaller - som er nødvendig for lavt vibrationsmoment - kun kan opnås med et ulige antal cylindre . Ellers ville to tilstødende cylindre afslutte den ene efter den anden ved den fulde cyklus af alle fire cyklusser i alle cylindre, der afviger fra den normale cyklus, hvilket ville forstyrre den ensartede rækkefølge af arbejdscyklusserne med hensyn til krumtap vinkel.

En anden fordel ved et ulige antal cylindre er krumtaphusets bedre stabilitet og stivhed, hvilket skyldes, at der med et ulige antal cylindre er et område uden husgennembrud i forhold til hver cylinderboring. Det resulterende overlap giver strukturelle fordele. Uden yderligere foranstaltninger bliver huset betydeligt stivere end med et lige antal cylindre.

Med praktiske motordesign med hensyn til boring / slagforhold, forbindelsesstanglængde og samlet diameter kan der arrangeres op til ni cylindre pr. Cylinderplan omkring huset. Op til elleve cylindre blev dog også brugt i roterende motorer (f.eks. Siemens & Halske Sh.III ) og op til tolv cylindre i stationære motorer ( Nordberg Radial Engines ).

To-takts stjernemotorer kan også fremstilles med et lige antal cylindre; for eksempel byggede Adolf Schnürle i 1940 en 8-cylindret totakts dieselmotor og omkring 10 år senere byggede Ludwig Elsbett en 4-cylindret totakts diesel motor i sin bil - Prototype brugt.

Design

Ni-cylindret radialmotor fra en Boeing Stearman PT-13D

Oprindeligt var radialmotorer kun designet i en enkelt række . Når der var behov for mere effekt, for hvilken man ikke kunne arrangere nok cylindre ved siden af hinanden, blev der udviklet to-raders radialmotorer (også kaldet dobbeltradiale motorer ): To cylinderstjerner blev arrangeret efter hinanden. Med yderligere stigende ydelseskrav blev der også produceret firerækkede radialmotorer, såsom Pratt & Whitney Wasp Major med 28 cylindre i fire rækker.

To eller flere cylinderstjerner er forskudt i luftkølede motorer, så den bageste stjernes cylindre kommer til at stå bag mellemrummene i den forreste stjerne. Fordelen ved dette arrangement er en bedre strøm af køleluft over alle cylindre. Derudover er tændingsintervallet lidt mere jævnt. I tilfælde af vandkølede motorer blev stjernerne ikke forskudt, dette kaldes en radialmotor i serien .

Vandkølede radialmotorer er blevet bygget relativt sjældent. Ansøgninger var f.eks. Konstruktion af motorer til tropiske klimaer, der kunne køles mere pålideligt med vand, eller senere konstruktion af kompakte radialmotorer med flere rækker, såsom Jumo 222 , en firfoldet radialmotor uden cylinderforskydning , som er en hybrid af radialmotoren in-line.

Radialmotorer kan også implementeres som roterende motorer . I flymotorer fra første verdenskrig blev krumtapakslen fikseret, mens cylindrene roterede med propellen fastgjort til den . Karburatoren sad på krumtapakslens (hule) lejeblad. Det var først efter krigen, at stående radialmotorer blev brugt i stort antal. Megola motorcyklen (1921) havde også en roterende motor i forhjulet. Huset roterede med hjulets hastighed, krumtapakslen roterede bagud med fem gange hjulets hastighed. Huset på planetgearet imellem var fast forbundet med forgaflen.

fordele og ulemper

fordele

I begyndelsen af udviklingen af flymotorer viste det sig, at radialmotorer var bedre end konventionelle in-line motorer. Radialmotorer var lettere end sammenlignelige in-line motorer. Den korte samlede længde var til gavn for flydesignerne i udviklingen af manøvredygtige jagerfly; takket være den gode massebalance blev der overført små vibrationer til filigran flyrammer.

I den militære sektor blev den lavere følsomhed af luftkølede radialmotorer for bombardement set som en fordel, da der ikke er risiko for beskadigelse af et væskekølekredsløb og derfor intet tab af kølevæske; Et tab af kølevæske resulterer altid i motorfejl inden for meget kort tid. Fordi luftkølede radiale motorer ikke kræver korrosion-følsomme køler, dens følsomhed var imod saltvandskorrosion i bærerinsert at være lavere, hvilket US Navy forespørgsel om deres indsat på hangarskibe fly (indtil indførelsen af jetfly ) udelukkende mønster med radialmotorer.

ulempe

Sammenlignet med andre designs har radialmotorer et større frontareal og dermed højere luftmodstand. Udviklingen af lav- modstand NACA hætte forbedret situationen i forhold til de tidligere fælles fritstående cylindre, den Townend ring eller tætsiddende fairings, men kunne ikke helt opveje den ulempe i forhold til in- line og V-motorer . I dobbelt- og flere radialmotorer er træk -ulempen mindre udtalt på grund af arrangementet af flere cylinderstjerner med det samme frontareal.

Konventionel luftkøling er også mindre gunstig med hensyn til luftmodstand, og på grund af asymmetri i køleluftstrømmen betyder det uundgåeligt, at ikke alle cylindre eller cylinderområder altid fungerer ved samme temperatur, og at individuelle cylindre kan risikere overophedning eller underkøling .

Cylinderarrangementet-især i flerrækkede motorer-gør routingen af de enkelte udstødnings- og indsugningsledninger fra og til alle topstykker mere kompleks i forhold til in-line eller V-motorer, hvor kun få opsamlingslinjer kan forbinde alle cylindre af en bank.

Da nogle af cylindrene er designet til at hænge ned, er det muligt, at når motoren slukkes, vil motorolie sive forbi stempelskørtet og stemplet ringer ind i forbrændingskammeret; dette fører til øget olieforbrug og kort røgdannelse ved start. I værste fald, når motoren startes, kan for meget olie, der er sivet ind, føre til en hydraulisk blokering af en cylinder og dermed til skade eller ødelæggelse af motoren.

historie

Roterende dobbelt radial motor fra 1914 i Deutsches Museum

De første radialmotorer blev bygget af Félix Théodore Millet i 1889 og i 1899 af Stephen Balzer . De første radialmotorer med et opretstående krumtaphus fulgte i begyndelsen af det 20. århundrede og blev brugt som flymotorer af luftfartspionerer som Louis Blériot . Op til slutningen af første verdenskrig var roterende motorer det fremherskende design af radialmotorer. Stjerneformede stationære motorer fik først accept efter Første Verdenskrig, men erstattede derefter helt de uøkonomiske roterende motorer.

Selvom radialmotorer primært blev brugt inden for luftfart, var der andre applikationer i både og landkøretøjer. Den Megola motorcykel med en 5-cylindret rotationsmotor i forhjulet blev meget kendt på grund af sin ydeevne og usædvanlige design. M4A1-varianten af den amerikanske Sherman- tank, der blev brugt i Anden Verdenskrig, blev drevet af en konverteret Wright J-5 Whirlwind-flymotor i et stjernedesign. "Volkswagen" -prototypen udviklet af Porsche til Zündapp blev også drevet af en 5-cylindret radialmotor.

På grund af sit store frontareal til et givet antal cylindre var den enkeltradede radialmotor uegnet til højhastighedsflyvning; og med introduktionen af strømlinet monoplan i militær luftfart i 1930'erne viste vandkølede V-motorer sig at være overlegen i forhold til luftkølede radialmotorer. Først med introduktionen af dobbelt radialmotorer med dobbelt så mange cylindre og det samme overfladeareal blev radialmotorer igen konkurrencedygtige.

For større fly som de amerikanske langdistancebombefly i Anden Verdenskrig, som alle var udstyret med radialmotorer, var motorens større frontareal næppe signifikant i forhold til flyets samlede størrelse. Den massive brug af radialmotorer i USAAF bragte amerikanske radialmotorer til et meget højt udviklingsniveau. Luftkølede radialmotorer blev den dominerende motortype inden for civil luftfart efter Anden Verdenskrig.

I 1954 beskrev ingeniøren Heinz Gartmann den radiale motor som et resultat af en optimeringsproces:

”Flymotorerne startede med en cylinder. [Senere] blev flere cylindre placeret bag hinanden, fire, otte, endda fireogtyve. Motorerne blev meget lange. Derfor blev to rækker cylindre sat ved siden af hinanden, og V-motoren blev installeret . Til sidst tog de to V-motorer og lavede X-motoren ud af dem . Senest kunne endnu flere cylindre rumme i radialmotoren. Ni cylindre lavede en stjerne. Flere stjerner i træk resulterede i op til 36 cylindre i en motor. Hvert gram overflødig vægt blev sparet, så motorerne endelig lignede ægte perler. En enkelt radialmotor kan klare så meget som to ekspresslokomotiver og vejer mindre end hjulene på en. "

Fremskridtet i udviklingen af udstødningsgasturbiner resulterede i udviklingen af turbo-sammensatte motorer , som f.eks. Blev brugt i Lockheed Super Constellation . I sammensatte motorer som Wright R-3350 med tre turbiner og hydrauliske koblinger hver blev udstødningsgassernes kinetiske energi også brugt til at drive propelakslen.

Da propell -turbinemotor med luftstråle (PTL, turboprop ) med samme og højere effekt blev tilgængelig, forkastede de radialmotorer fra markedet på grund af deres enkle konstruktion, store pålidelighed og forbedrede økonomiske effektivitet. Da radialmotoren konkurrerer med de billigere og mere kompakte boxermotorer i det lavere effektområde og PTL -motorer i dag dækker de højere effektområder økonomisk, bruges radialmotorer sjældent.

Pratt & Whitney R-985 AN14B radialmotor med Townend-ring
Skær dobbelt radial motor op
Vandkølet russisk 42-cylindret in-line radialmotor Zvezda M503 til havbrug
En Nordberg diesel totakts radialmotor, der blev brugt som et stationært pumpedrev i Florida
Wright R-1820 radialmotor i en Sikorsky H-34 helikopter