Como funcionam os motores de válvula de manga

Outubro de 1945: Um avião de transporte Junkers JU 88 obsoleto com um caça Focke-Wulf FW 190 no topo, em uma exposição de aeronaves britânicas e alemãs no Royal Aircraft Establishment em Farnborough, Inglaterra. Dê uma olhada em nossa animação de como o motor de válvula de manga funciona. Fox Photos / Getty Images

Durante a Segunda Guerra Mundial, os engenheiros do regime nazista desenvolveram alguns dos melhores e mais avançados armamentos aéreos da época. Um avião de combate alemão, o Focke-Wulf Fw 190, por um tempo superou qualquer coisa que os Aliados pudessem colocar no ar.

Felizmente para os Aliados, a engenharia do seu lado acabou usando o pêndulo da superioridade aérea a seu favor. Um motor robusto e não convencional do qual muitas pessoas provavelmente nunca ouviram falar ajudou a neutralizar o Fw 190 e o resto da Luftwaffe. À sua maneira, um motor ajudou a impulsionar os Aliados à vitória [fonte: Rickard].

O motor de válvula de manga, que tem sido usado em automóveis e aviões, impulsionou caças britânicos velozes, como o Hawker Typhoon e Hawker Tempest. Com sua potência bruta, eles ajudaram os Aliados a controlar os céus, fornecer suporte aéreo para as forças terrestres e, eventualmente, vencer a guerra.

Mas o que exatamente é um motor de válvula de manga, e qual é o seu nome engraçado? E por que não vemos ou ouvimos muito sobre eles hoje?

O motor recebe o nome de uma luva de metal de parede fina que desliza para cima e para baixo dentro de cada cilindro durante o processo de combustão. Normalmente, os orifícios na luva e no cilindro que a contém se alinham em intervalos previsíveis para expelir os gases de escape e sugar o ar fresco.

Apesar de seu honroso recorde nas forças armadas, a configuração complexa da válvula de manga perdeu para o que usamos nos motores de combustão interna hoje, válvulas de taco. Em aviões, é claro, motores a pistão de todos os tipos deram lugar a motores a jato.

Mas espere - não descarte a válvula de manga como uma relíquia histórica inútil ainda.

Pelo menos uma empresa está tentando trazer o venerável motor de válvula de manga de volta à ação, mas com alguns toques modernos.

Nas próximas páginas, vamos dar uma olhada no que faz o motor com válvula de manga girar. Também examinaremos por que caiu em desgraça, junto com as razões pelas quais está sendo convocado agora, mais de um século depois de sua invenção, para servir em um tipo diferente de "luta".

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Conteúdo

1. Tecnologia de motor com válvula de manga
2. Válvulas de manga por terra - uso em motores de automóveis
3. Válvulas de manga aérea - uso em motores de avião
4. Qual é o próximo?

Chegando como chegou no auge da Era Industrial, o motor de válvula de manga parece uma engenhoca que ficaria em casa em um romance steampunk. Os engenheiros modernos ficam maravilhados com sua inteligência. E cluck-cluck em sua alta complexidade.

Então aí, você foi avisado. Na verdade, é uma coisa muito bonita, uma vez que você entende como todas essas peças funcionam juntas. Agora arregace as mangas, porque estamos prestes a descer e sujar o funcionamento interno de um motor de válvula de manga.

Este motor tem tanta coisa acontecendo que quase desafia qualquer descrição. Mas vamos tentar. Os motores de válvula de manga, como suas contrapartes de válvula de taco, podem vir em muitas configurações diferentes. Um desses arranjos, os motores de válvula de manga radial usados ​​em aviões, parecem um pouco com o que você poderia obter se um robô Rock 'Em Sock' Em tivesse um bebê com uma sentinela "squiddie" de "Matrix".

Para entender o que um motor de válvula de manga é e faz, pode ser útil primeiro entender o que ele não é. Não é, em primeiro lugar, o sistema popular com o qual a maioria de nós está familiarizada, um motor de válvula poppet. As válvulas Poppet são o padrão de fato nos motores de combustão interna de hoje. Com eles, válvulas em forma de cogumelo sob a tensão de molas abrem e fecham ritmicamente para controlar a entrada e saída de combustível, ar e gases de exaustão de resíduos no cilindro.

Uma válvula de manga, por outro lado, usa uma manga deslizante, às vezes rotativa para controlar quanto ar e combustível são detonados a cada curso de compressão. A premissa básica de acender combustível e ar para acionar um conjunto de pistões e girar o virabrequim é a mesma que com outros motores de combustão interna.

Aqui está outra característica distinta das válvulas de manga. Em designs onde a luva gira, as portas cortadas nela se alinham com as portas de admissão ou de escape no cilindro, dependendo de qual parte do curso está ocorrendo. Um pistão se move para cima e para baixo dentro de cada manga, mesmo quando a manga desliza para frente e para trás. O movimento da luva é conduzido por engrenagens conectadas ao virabrequim.

Ainda coçando a cabeça no que, exatamente, acontece? Aqui estão as etapas:

• Curso de compressão: o pistão se aproxima do ponto morto superior, todas as portas do cilindro estão fechadas e a vela de ignição dispara e inflama a mistura de combustível / ar
• Curso de combustão: a ignição força o pistão de volta ao cilindro; conforme o pistão vai para o ponto morto inferior, a camisa (ou luva) muda para alinhar suas aberturas de recorte com as portas de escape do cilindro
• Curso de exaustão: o gás de exaustão é expelido quando o pistão sobe de novo; as portas de exaustão fecham
• AVC de admissão: a luva gira para o outro lado, expondo as portas de entrada de ar; o pistão desce, puxando ar fresco; a manga muda para fechar a porta de entrada para o próximo golpe de tiro e, em seguida, todo o processo se repete

Agora multiplique isso por vários cilindros e jogue um virabrequim para que eles girem, e você terá um motor de válvula de manga!

Se parece complicado, bem, é porque é. Um dos principais choques contra esses motores era que eles eram tão complexos. Faz um pouco mais de sentido, porém, quando você vê todo o processo em ação. Confira o vídeo desta página para melhor visualizá-lo.

Prepare o seu redemoinho: válvulas de manga e eficiência volumétrica

Então, por que alguém iria querer brincar com um motor tão complicado? Afinal, eles eram notoriamente sedentos de óleo lubrificante; e eles não gostavam de impurezas como areia. A resposta é que eles oferecem a vantagem de eficiência volumétrica. Em outras palavras, eles são muito melhores do que os motores normais para fazer entrar e sair o ar da câmara de combustão. Além disso, a disposição das portas fornece melhores características de redemoinho. Isso é engenharia para, eles criam ar turbulento, fazendo com que a mistura de ar e combustível queime com mais eficiência [fonte: Raymond].

Nascido em Indiana, Charles Yale Knight comprou um automóvel Knox de três rodas por volta de 1901 para que pudesse relatar e publicar seu jornal agrícola no meio-oeste dos EUA. Mas ele descobriu que o barulho criado pelas válvulas do carro era uma dor de cabeça. Então, ele fez o que qualquer empresário que se preze com experiência em maquinário industrial faria: ele se propôs a construir ele mesmo um motor melhor.

Com o apoio de um patrocinador rico, ele desenvolveu e testou extensivamente protótipos. Em 1906, ele havia feito progresso suficiente para revelar seu carro "Silent Knight" de 40 cavalos e 4 cilindros no Salão do Automóvel de Chicago.

O motor Knight apresentava não uma, mas duas mangas por cilindro, com a manga interna deslizando dentro da externa. O pistão, por sua vez, deslizou para dentro da manga interna. O Cavaleiro, fiel ao seu apelido, estava impressionantemente quieto. Mesmo que o motor Knight se mostrasse superior às válvulas de gatilho barulhentas e frágeis de sua época, as montadoras americanas deram-lhe o ombro frio, inicialmente.

Knight e seu benfeitor financeiro L.B. Kilbourne se saiu consideravelmente melhor no exterior. Depois de alguns refinamentos no design, o motor Knight chegou aos carros da Daimler na Inglaterra (não deve ser confundido com Daimler-Benz).

O Silent Knight foi um sucesso e logo outros fabricantes queriam participar da ação das válvulas de manga - incluindo fabricantes de automóveis nos Estados Unidos. Carros e caminhões leves Willys, Daimler e Mercedes-Benz, entre outros, usaram o motor Knight com válvula manga [fonte: Wells].

No entanto, na década de 1920, o projeto da válvula de manga avançou além da configuração manga dentro da manga de Knight. Os designs de manga única, incluindo o Burt-McCollum, eram mais leves, menos complexos e menos caros de construir e, portanto, preferíveis aos fabricantes. Com novas modificações de fabricantes de motores como Bristol e Rolls-Royce, eles iriam até mesmo voar para o céu.

1940: A equipe de terra se prepara para carregar um Hawker Typhoon com bombas. Fox Photos / Getty Images

Harry R. Ricardo (mais tarde "Sir" Harry Ricardo), nascido em Londres em 1885, não esperou até a faculdade para começar seus estudos de engenharia. Ele observou e absorveu no joelho de um maquinista local quando menino, e voltava para casa da oficina do maquinista para aplicar seus novos conhecimentos na construção de motores. Ele diria mais tarde:

"Quando criança, sempre fui fascinado por motores e movimentos mecânicos em geral e, acima de tudo, pelo grande mistério de como essas coisas eram realmente feitas ... olhando para trás, acho que aprendi mais sobre o valor real com esses primeiros e muito rudes tentativas de design e fabricação mais do que qualquer outra coisa "[fonte: University of Cambridge].

Ricardo, na idade adulta de engenheiro, foi um superestimador incurável. Além de ajustar os motores dos tanques que ajudaram a quebrar o impasse da Primeira Guerra Mundial, ele liderou pesquisas inovadoras para atribuir classificações de octanagem a diferentes tipos de combustível.

Talvez sua contribuição mais notável nos anos da Segunda Guerra Mundial tenha sido seu trabalho para tornar o motor de válvula de manga melhor.

Ricardo teorizou na década de 1920 que um motor de avião com válvula de manga poderia gerar maior potência do que um motor com válvula de manga comparável porque poderia gerar uma taxa de compressão mais alta.

Acontece que, em 1941, aeronaves britânicas, incluindo o avião de combate Supermarine Spitfire, estavam levando uma surra do Focke-Wulf Fw 190 da Alemanha. Os Fw 190s também lançaram ataques ao solo em instalações aliadas com quase impunidade, já que nada poderia pegá-los em baixa altitude depois que lançaram suas bombas.

O Hawker Typhoon com motor a válvula de manga, entrando em serviço em 1942, mudou isso. Impulsionado por um motor Napier Saber de 2.180 cavalos de potência, o "Tiffy" extra para levantar e avançar significava que ele poderia não apenas abater rápidos intrusos da Luftwaffe, mas também carregar bombas. Mais tarde na guerra, os tufões equipados com bombas e foguetes se provaram essenciais no apoio às forças terrestres aliadas enquanto apertavam os nazistas e terminavam a guerra na Europa [fonte: Rickard].

Apesar do histórico militar exemplar do motor com válvula de manga, a escrita estava na parede: os motores a jato dominariam a aviação comercial e militar dos anos do pós-guerra em diante.

O legado de Knight, Ricardo e outros não iria embora completamente - os entusiastas do motor iriam homenagear o motor de válvula de manga com modelos feitos em casa e em sites da Web nas décadas seguintes. Alguns aeromodelos usam motores miniatura com válvula de manga. E é concebível que a tecnologia possa experimentar um ressurgimento em alguns dos maiores mercados automotivos de crescimento mais rápido do mundo.

Então, o motor de válvula manga foi um beco sem saída evolutivo, no que diz respeito ao avanço da combustão interna?

Vamos colocar desta forma. Assim como Hollywood gosta de reciclar conceitos antigos e dar um toque novo a eles quando estão ficando sem novas ideias, o mesmo acontece com a indústria automobilística. Os carros elétricos, você deve se lembrar, eram um grande negócio antes (ironicamente) do motor de arranque elétrico tornar os carros de combustão interna altamente práticos. A eletricidade praticamente desapareceu do automobilismo convencional até que as preocupações ambientais os trouxeram de volta da sepultura perto da virada do século.

E assim, da mesma forma, o caso poderia estar se desenrolando com o adormecido motor de válvula de manga. Como diz o ditado, "o que é velho é novo novamente."

A Pinnacle Technologies, sediada em San Carlos, Califórnia, está contando com a demanda reprimida por transporte limpo e barato na Ásia para abocanhar sua interpretação moderna da válvula manga. Um novo motor é baseado no que a empresa descreve como um quatro tempos, ignição por faísca (SI), pistão oposto, arquitetura de válvula de manga.

O fundador da Pinnacle, Monty Cleeves, diz que seu motor patenteado pode render uma melhoria de eficiência de 30 a 50 por cento em relação aos motores de combustão interna atuais [fonte: Pinnacle Engines].

"Esta tecnologia de motor fornece economia de combustível e emissões de CO2 de um híbrido a um preço que o mundo inteiro pode pagar", disse Cleeves em um comunicado emitido pela empresa

A Pinnacle diz que não está preocupada com os veículos elétricos tornando sua tecnologia obsoleta tão cedo. Em vez disso, acredita que há uma grande oportunidade de atender a mercados em rápido crescimento, como Índia e China. Eles e outros países em desenvolvimento querem reduzir as emissões de gases de efeito estufa e, ao mesmo tempo, melhorar o padrão de vida de seus cidadãos, por meio da propriedade de veículos motorizados. Visto que os veículos elétricos e híbridos ainda têm um preço premium significativo, a Pinnacle diz que sua válvula de manga reformulada é uma boa "tecnologia de ponte" até que a eletricidade se torne mais acessível para todos.

A Pinnacle, que recebeu vários milhões de dólares em capital de risco, disse que estava buscando um acordo de licenciamento com um fabricante de automóveis asiático e que espera que a produção comece em 2013.

Nota do autor: Como funcionam os motores de válvula de manga

Como um grande geek de aeronaves militares, eu tinha ouvido falar de motores de válvula de manga antes desta missão. Mas isso era quase tudo. Dado seu status de nota de rodapé na história, sempre pensei neles apenas no abstrato. Ao contrário de um motor de válvula poppet que você pode estudar em sua própria garagem, essas "coisas de válvula de manga" eram para mim apenas uma tecnologia esquecida, embora pitoresca, como locomotivas a vapor. Então, quando usei o poder das Interwebs para vê-los em ação, fiquei instantaneamente impressionado com admiração e admiração. Como as pessoas, 100 anos atrás, descobriram todos os ângulos, tolerâncias, balanços de peso necessários e muito mais para dar vida a essas máquinas incrivelmente complexas? O fato de que os empreendedores de hoje procuram dar uma nova vida ao conceito diz muito sobre o gênio e a visão desses pioneiros originais. Pode-se argumentar que os motores originais com válvula de manga do século XX foram "superexplorados" - ou seja, eram complicados demais para seu próprio bem. Ou pode simplesmente ser que, sem os avanços na ciência dos materiais e a precisão do design auxiliado por computador que desfrutamos hoje, eles estavam apenas à frente de seu tempo.

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• Como funcionam os aviões

Fontes

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• Rickard, J. "Hawker Typhoon". Historyofwar.org. 30 de abril de 2007. (15 de fevereiro de 2012) http://www.historyofwar.org/articles/weapons_hawker_typhoon.html
• Roush, Wade. "A Pinnacle está além de Detroit como o mercado para seu motor de pistão oposto." Xconomy. 4 de outubro de 2011. (14 de fevereiro de 2012) http://www.xconomy.com/san-francisco/2011/10/04/pinnacle-looks-beyond-detroit-as-the-market-for-its -opposed-piston-engine /? single_page = true
• Smith, Sam. "Os 10 motores mais incomuns de todos os tempos." Carro e motorista. Outubro de 2010. (16 de fevereiro de 2011) http://www.caranddriver.com/features/the-10-most-unusual-engines-of-all-time-feature
• Departamento de Engenharia da Universidade de Cambridge. "Sir Harry Ricardo, F.R.s. - Um Pioneiro ou o Motor de Combustão Interna." (12 de fevereiro de 2012) http://www-g.eng.cam.ac.uk/125/achievements/ricardo/#9.%20SLEEVE
• Wells, Jerry. "Motor de válvula de manga Pioneer." Enginehistory.org. (17 de fevereiro de 2012) http://www.enginehistory.org/pioneering_sleeve_valve.shtml
• YouTube.com. "Animação radial da válvula de manga Bristol Hercules." 8 de abril de 2009. (16 de fevereiro de 2012) http://www.youtube.com/watch?v=_vrvep_YOio
• YouTube.com. "Motor de válvula de manga da Brotherhood, operação de manga." 20 de agosto de 2010. (17 de fevereiro de 2012) http://www.youtube.com/watch?feature=endscreen&v=sPd6VJQeSYw&NR=1