Updated: 10 Oct 2004

Золотниковый клапан Аспина (Aspin) Золотниковый клапан Кросса (Cross) Золотниковый клапан Фроде (Froede) Золотниковый клапан Меллора (Mellors) Золотниковый клапан Нортона (Norton) Золотниковый клапан фирмы Lotus New Другие золотниковые клапана

ВВЕДЕНИЕ
Почти на протяжении всей своей истории наиболее предпочитаемыми для двигателей внутреннего сгорания были клапана тарельчатого типа ("the poppet type"). (этимология слова "poppet" представляет интерес сама по себе, но сейчас не об этом) Тем не менее некоторые изобретатели были привлечены явной простотой и однородностью движения золотниковых (ротационных) клапанов того или иного типа. Однако, как в паровых машинах, так и ДВС эта простота была слишком очевидной чтобы быть реальной и инженерные проблемы были пугающими.
Простая проблема, которая до сих пор остаётся нерешенной, состоит в том, что давление в цилиндре ДВС достигает очень большой величины в результате сжатия и взрыва топливно-воздушной смеси. Это производит большую (ударную) нагрузку на систему клапанов, однако решение существует; замечательное достоинство тарелчатого клапана состоит в том, что эта нагрузка только прижимает его плотнее к седлу и не воздействует на привод клапанного механизма.
Тогда как геометрия золотниковых клапанных систем принципиально другая; в концепции Аспина (Aspin, см.ниже) вертикальный клапанный конус выталкивается вверх по оси против поверхности своего седла скольжения, а горизонтальная клапанная система Кросса выдавливается вверх против верхней половины седла скольжения. В обеих случаях это может быть причиной черезмерного трения и "задира".

Было предложено большое количество схем золотниковых клапанов, большинство из которых так и остались только патентами. В Великобритании известны две системы золотниковых клапанов, которые привлекли наибольшее внимание, это вертикальная схема золотниковых клапанов Аспина и горизонтальная схема золотниковых клапанов Кросса.

Золотниковые клапана также пытались применить в паровых двигателях, но без заметного успеха.

СИСТЕМА ЗОЛОТНИКОВЫХ КЛАПАНОВ АСПИНА: 1933-1977
Эта концепция золотниковых клапанов представляет собою вертикальный клапан над цилиндром. Эта простая идея была предложена ещё в 1911 году Валлайлли (Vallillee,Patent 983328) который использовал вращающийся диск. Ряд других версий от других изобретателей были запатентованы позже.(см. список патентов внизу)

Слева: Одна из версий золотникового клапана Аспина. Обратите внимание на конический подшипник C, предназначенный для восприятия направленной вверх нагрузки от высокого давления в цилиндре. Эта версия не имела охлаждения ротора. Первым экспериментальным двигателем Аспина был 250 куб.см двигатель на базе 250 куб.см мотоциклетного двигателя Радж (Rudge). Он был построен в 1933 году. Аспин заявил что двигатель достигает мощности 18 л.с. при 7500 об./мин., 31 л.с. при 10000 об./мин. и был способен на максимальную скорость при 14000 об./мин. Двигатель имел степень сжатия 14:1, предполагалась значительная устойчивость от преждевременного воспламенения при использовании низкооктанового бензина, это приписывалось отсутствию горячей поверхности выхлопного тарельчатого клапана в цилиндре. Все эти цифры были удивительно высоки для технологии двигателей того времени и поэтому восприняты с некоторым недоверием. Обычным делом в этой истории являлись впечетляющие заявления о достижениях без подтверждения от независимого исследования. Испытания модифицированного по схеме Аспина 350 куб.см двигателя Velocette на фабрике Velocette в 1936 г. не обнаружили большей части преимуществ. В 1939г. Аспин решил что необходимо жидкостное охлаждение золотникового ротора чтобы предотвратить его поломку. Это изменение не снизило достаточно радикально проблему нагрева, но потребовалось чтобы свеча зажигания была перенесена из центрального положения поставлена сбоку цилиндра, причём так, чтобы вращающийся ротор открывал её в нужное время для зажигания. Золотниковый ротор к этому времени был изготовлен из особо прочной никилевой стали и вращался в алюминиево-бронзовой втулке. Преобразования снова были объявлены исключительно хорошими, но проблемы смазки остались, и двигатель требовал осторожного разогрева, так как большая нагрузка на холодный двигатель могла вызвать "задир" золотникового клапана.

Некоторое время Аспин испытывал регулятор скорости привода злотникового ротора, чтобы изменять скорость в течении цикла сгорания, но оставаться в синхронизации с кривошипно-шатунным механизмом; идея была в том, чтобы золотниковый ротор мог двигаться относительно медленно в течении сопровождающейся высоким трением части цикла. Это не привело к успеху, и конечно дополнительно усложнило (в принципе) красивую простоту конструкции.

В 1944 г. журнал "Autocar" испытал семейный автомобиль с двигателем Аспина.

В 1960-х годах конвертированный по схеме Аспина 8,6 литровый двигатель фирмы Leyland lorry был использован в качестве силовой установки на автобусе компании Northern Ireland. К этому времени Аспин использовал берилливое покрытие золотникового ротора чтобы снизить трение. Автобус работал успешно неизвестный период времени, описанный как "много тысяч миль", до тех пор пока потребление масла резко возрасло после того, как специальное покрытие ротора износилось. Никаких дальнейших испытаний не проводилось, так что результаты не могут быть слишком впечетляющими.

Аспин развивал свою концепцию золотниковых клапанов свыш более чем 30 лет, и здесь невозможно детально проследить эволюцию его идей. В сущности Аспин мог создать двигатель с высоким потреблением масла и хорошей надёжностью, или с нормальным потреблением масла, но имеющий склонность к задиранию золотникового клапана. Он так и не решил эту проблему, и многие другие тоже не смогли.

Последний патент золотникового клапана Аспина был получен в 1977 г. (US 4033317) и вскоре после этого он умер.

---

СИСТЕМА ЗОЛОТНИКОВЫХ КЛАПАНОВ КРОССА: 1920-1940
Роланд Кросс был выдающимся английским разработчиком горизонтального золотникового клапана. Он начал работу над двигателями с золотниковыми клапанами в 1920 г. Проект был свёрнут в 1945г. ввиду повышенного спроса на компоненты выпускаемые его компанией для обычных авиационных двигателей. Роланд Кросс умер в 1970 г.

Кросс разработал процесс производства высококачественных поршневых колец из маталлического прутка заготовленного для его двигателя с золотниковым ротором. Кстати, основанная им компания до сих пор существует. Смотрите Cross Manufacturing Company и обратите внимание на историю ("history") в обзорной таблице.

Слева: Золотниковый клапан Кросса. В отличии от Аспина, золотниковый клапан Кросса имел привод с постоянной скоростью от коленчатого вала. "Реакционный мост" ("reaction bridge") показанный на рисунке слева поглощает направленные вверх силы в горизонтальной клапанной сборке, и предположительно уменьшает действие газовых сил на золотниковый клапан. В настоящее время я не совсем уверен что представляю как это работает. Одной из проблем была неисправность свечи зажигания при разбрызгивании масла от золотникового клапана; снятие пятен масла было добавлено в поздних версиях двигателя чтобы устранить это. Разделение золотниковой втулки разрешало проблему сбалансированной нагрузки системы, посредством контроля усилий в клапане. Износ компенсировался, смазка и замена масла были хорошими и сообщалось что не было никакой опасности "задира". Проблемы уплотнения, где другие методы не помогли, были решены, и казалось возможным что Кросс получил эффективную и практичную конструкцию, которая при других обстоятельствах могла бы достигнуть мелкосерийного производства. Это было бы вероятно более прибыльным чем двигатель Ванкеля (Wankel). Но сдругой стороны Нортон (Norton) имел очень мало успеха с очень простой концепцией двигателя - см. внизу.

Слева: Roland C Cross выглядит уверенно. Кросс предоставил два мотоцикла с золотниковыми клапанами в 1935 г. на ТТ гонках на острове Мэн, но одна машина оказалась слишком медленной и не прошла квалификацию, тогда как другая сошла с дистанции после двух остановок с "проблемами зажигания", о которых уже упоминалось выше в связи с замасливанием свечи.

Слева: Обложка буклета ф. "Cross company", опубликованного чтобы рекламировать его систему золотниковых клапанов. Дата неизвестна, но вероятно где-то около 1930 г. Учтите что номер телефона "Combe Down" имел только 3 цифры в те времена.

Слева: Одна из страниц буклета опубликованного "Cross company". Цифры мощности и потребления топлива приведённые здесь были исключительно хорошими для того времени. Производилось ли когда либо беспристрастное испытание двигателей к настоящему времени неизвестно.

---

ЗОЛОТНИКОВЫЙ КЛАПАН ФРЭДИ (FROEDE): 1950-е.
Вальтер Фрэди (Walter Froede) был ведущим программы гоночных мотоциклов геманской компании NSU, к тому времени NSU была крупнейшим производителем мотоциклов в мире.

Слева: Золотниковый клапан Фрэди в 125 куб.см двигателе гоночного мотоцикла. Золотниковый клапан окрашен розовым цветом. Двигатель наклонен в лево, и поршень показан в верхней мёртвой точке (ВМТ). Золотниковый клапан движется с постоянной скоростью составляющей 1/4 скорости коленчатого вала. Хотя сначала успешно показал себя в гонках, однако не был повторён, возможно вследствии поглощения NSU другой компанией. Феликс Ванкель (Felix Wankel) с 1930 по 1945 годы был привлечён в разработку золотниковых дисковых клапанов для использования в авиационных и торпедных двигателях, прежде чем появился его хорошо известный проект роторного двигателя, и в течение этого времени он работал на BMW, DVL, Daimler-Benz, Lilienthal и Junker Aircraft. В 1951 г. NSU проявила интерес к проекту его роторного двигателя, и он начал сотрудничать с ними. Представляется очень вероятным что он участвовал в разработке золотникового клапана показанного здесь.

Позже NSU представила знаменитый роторный ДВС Ванкеля, но его невысокая надёжность и краткий срок службы обанкротили компанию и она была поглощена Audi.

---

СИСТЕМА ЗОЛОТНИКОВОГО КЛАПАНА МЕЛЛОРСА: 1940-е гг.

Слева: Система привода золотниковых клапанов с помощью механизма "мальтийский крест" разработанная Меллорсом. Система золотниковых клапанов Меллорса имеет два конических клапана, один для впуска, другой для выпуска. Они двигаются не постоянно, а шагами по 90 гр., приводимые механизмом типа мальтийского креста. Когда неподвижные клапана прижаты к их втулке специальными пружинами, они таким образом охлаждаются. Непосредственно перед каждым перемещением они будут слегка приподниматся со своих посадочных мест лицевым кулачком. Золотниковый клапан таким образом становится способным свободно поворачиватся, а затем после остановки, будат установлен в свою следующую позицию. Использование механизма типа мальтийского крета, или Женевского механизма, было впервые предложено Меллорсом в 1914 г. в патенте на золотниковый клапан. Очевидно, что ведущий вал золотникового клапана внизу этого рисунка, поворачивается один раз за цикл, то есть с половиной скорости коленчатого вала. Механизм мальтийского креста может быть подвержен довольно существенному ускорению, и я не совсем уверен насколько хорошо он будет работать при высоких оборотах.

Слева: Золотниковый клапан Меллорса в разрезе. Обратите внимание на зависимые секции и два маленьких рычага вверху. Это возможно было применение метода компенсации усилия в клапанах, но я подозреваю что это было неправильным пониманием роли двух рычагов, которые поднимали клапана в то время когда они находились в повороте. Тэд Амброс Меллорс (Ted Ambrose Mellors) был гонщик мотоциклист международного класса; он стал европейским чемпионом в 1938 году. Он разработал и запатентовал свой клапан в начале 1940-х годов, во время второй мировой войны. См. патент 559830, март 1944 г. Он умер в 1946 г.: Смотри Ted Mellors Biographical Notes (Внешний сайт)

Слева: Система золотниковых клапанов Меллорса установлена на 250 куб.см двигатель "New Imperial". Две прикреплённые болтами крышки со стороны головки цилиндра показывают расположение клапанов.

Слева: Прототип двигателя оборудованного ротационными клапанами Меллорса в настоящее время. Установка механизма "мальтийский крест". Два мальтийских креста обозначенные буквой А переводятся штырями на противоположных сторонах центрального диска В. Фотография дружески предоставлена Джоном Вудом (John Wood).

---

ДВИГАТЕЛЬ НОРТОНА С ЗОЛОТНИКОВЫМИ КЛАПАНАМИ: 1960-е гг.
Джо Крэйг Нортон (Joe Craig Norton), инженер-разработчик, потратил два с половиной года работы на горизонтальные золотниковые клапана предложенные Лаури Бондом (Laurie Bond). (Автор трёхколёсного (мотоцикла?) "Bond") Конструкция золотниковых клапанов почти повторяет технологию Кросса.
Имеются обычные проблемы со смазкой, покрытием, сбоями зажигания и в результате двигатель оказался менее мощный чам стандартная версия. Определённо - никакого успеха.

Слева: Головка цилиндров с золотниковым клапаном приспособленная на мотоциклетном двигателе "Manx Norton". Цилиндрический клапан на верху приводится конической шестеренчатой передачей от вертикального вала, который приводится от другого вертикального вала через две небольшие шестерни. Этот последний вертикальный вал приводится через коническую передачу от коленчатого вала. Почему здесь используется два вертикальных вала для меня в настоящее время загадка; в сущности это может быть просто выравнивание, позволяющее использовать нижнюю часть существующего двигателя. Фотография дружески предоставлена Джоном Вудом (John Wood).

Слева: Золотниковая головка цилиндров Нортона, вид снизу. Сцепление для вертикального ведущего вала можно увидеть вверху справа. Фотография дружески предоставлена Джоном Вудом (John Wood).

---

ЗОЛОТНИКОВЫЙ КЛАПАН ДВУХТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ФИРМЫ LOTUS: 1991Г.
В начале 1990-х годов ряд призводителей рассматривали двухтактные двигатели с нагнетателем как прогрессивный путь. Так как двухтактный двигатель имел один рабочий такт на оборот коленчатого вала, показатель мощность/вес потенциально являлся очень хорошим. Инженерные проблемы возникшие при создании двигателя, который мог бы конкурировать с обычным четырёхтактным, оказались однако серьёзными.

Слева: Проект золотниковых клапанов двухтактного двигателя ф.Lotus: 1991 г. Этот двухтактный двигатель был "прямоточного" типа, с выхлопными окнами открывающимися когда поршень двигался вниз. Поскольку не имеется никакого предварительного выхлопного такта, цилиндр очищается от выхлопных газов продувкой воздуха от внешнего компрессора, а затем подаётся топливно-воздушная смесь. Золотниковый ротор был как у Кросса или горизонтального типа, вращаемый зубчатым ремнём со скоростью коленчатого вала поскольку двигатель двухтактный. При повороте статора внутри золотника синхронизация впуска и относительная длительность фаз продувки воздухом и подачи смеси могут изменятся. Это объяснялось тем, что при прямоточном действии можно избежать проблем перегрева и смазки, как в других золотниковых клапанах, которые пропускают выхлопные газы через клапан. Однако насколько я могу предполагать, здсь на золотниковый клапан действует полное давление при сгорании, и я буду удивлён если это сможет работать.

Слева: Вид сбоку золотниковых клапанов двухтактного двигателя ф. Lotus. Когда проект ф.Lotus был опубликован в печати, было заявлено что он находится в "ранней стадии" разработки и не приводилось никаких цифр о его преимуществах. Я нигде не мог найти никаких дальнейших ссылок на это, и видимо здесь далеко от создания и даже постройки прототипа. Интерес к двухтактным двигателям сошёл на нет после ужесточения стандартов эмисси (выхлопа) в 1990-х.

---

ДРУГИЕ СИТЕМЫ ЗОЛОТНИКОВЫХ КЛАПАНОВ
· Золотниковый клапан Брауна(Brown) был разработан J & E Brown of Wednesbury, Staffordshire. Он впервые появился в 1938 г. использованный для модернизации 490 куб.см двигателя мотоцикла Norton. Он снова возник после второй мировой войны и удостоился высокой похвалы в издании The Motor Cycle за 16 октября 1947г. Планировался выпуск набора для переделки кулачкового механизма мотоцикла Norton, но очевидно не появился, и клапан Брауна тоже не появлялся.

· Джон Анелай (John Anelay) предложил сферическую систему золотниковых клапанов в 1955г. Детали появятся позже.

---

СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ ЗОЛОТНИКОВЫХ КЛАПАНОВ.
Золотниковые системы клапанов не исчезли; это только кажется что технологии не исследуются.

Вот современная разработка:The Coates Spherical Rotary Valve System. Один из патентов ф.Coates представлен в таблице ниже. Вебсайт Coates заявляет что использует эти клапана "для обоснованного удаления как системы жидкой смазки, так и водяного охлаждения из верхней части головки цилиндров", что кажется отчасти выходящим за рамки экспериментов Аспина и Кросса.
Однако вероятно более значимо то, что золотниковые клапана Coates, которые, если вебсайт будет в дальнейшем работать, являются горизонтальными аналогично клапанам Кросса, чем менее успешными вертикальными клапанами Аспина.

---

ПАТЕНТЫ ЗОЛОТНИКОВЫХ КЛАПАНОВ.
Несколько патентов золотниковых клапанов в Великобритании. (список не полный)

Patent No	Date	Name	Type
373 660	.	Cross	Horizontal rotary valve
408 756	.	Cross	Horizontal rotary valve
411 010	.	Cross	Horizontal rotary valve
448 368	.	Cross	Horizontal rotary valve
463 412	Mar 1937	Aspin	Vertical rotary valve
559 830	Mar 1944	Mellors	Horizontal rotary valve
570 286	Jun 1945	Aspin	Vertical rotary valve
570 354	July 1945	Aspin	Vertical rotary valve

Here is a small and almost certainly incomplete list of rotary valve patents in the USA.

Patent No	Date	Name	Type
983 328	Feb 1911	Vallillee	Vertical rotary valve
??? ???	1914	Mueller	Vertical rotary valve
??? ???	1921	Francis	rotary valve
??? ???	1921	Dennison	Vertical rotary valve
??? ???	1921	Echard	Vertical rotary valve
??? ???	1925	Crawford	Vertical rotary valve
??? ???	1926	Peacey	Vertical rotary valve
Some more recent patents:
4 008 694	Feb 1977	Monn	Horizontal rotary valve
4 404 934	Sep 1983	Asaka et al	Horizontal rotary valve
4 658 776	Apr 1987	Coman
4 773 364	Sep 1988	Hansen	Vertical rotary valve
4 788 945	Dec 1988	Negre
4 852 532	Aug 1989	Bishop	Horizontal rotary valve
4 944 261	Jul 1990	Coates	Horizontal rotary valve
5 000 136	Mar 1991	Hansen	Vertical rotary valve
5 052 349	Oct 1991	Buelna
5 490 485	Feb 1996	Kutlucinar
5 503 124	Apr 1996	Wallis
5 941 206	Aug 1999	Smith et al
5 967 108	Feb 1996	Kutlucinar	Horizontal rotary valve
6 257 191	Jul 2001	Kutlucinar	Horizontal rotary valve
6 293 242	Sep 2001	Kutlucinar	Horizontal rotary valve

---