Двигатель Найта: от американской разработки к европейскому успеху.

Введение

Устаревшее американское изобретение, получившее развитие в Европе.

Двигатель Knight – это двигатель внутреннего сгорания, разработанный американцем Чарльзом Йельским Найтом (1868–1940), в котором вместо традиционных тарельчатых клапанов используются рукавные клапаны. Хотя в конечном итоге наибольшее количество этих двигателей было произведено в США, коммерческий успех конструкция Найта получила благодаря доработке в Англии. Французы уделили двигателю Knight более интенсивную разработку, чем любая другая страна. В конечном итоге патенты на двигатель Knight были выданы как минимум в восьми странах, а его производство осуществлялось примерно тридцатью компаниями.

История

Сначала Найт попытался заставить весь цилиндр двигателя возвратно-поступательно двигаться, чтобы открывать и закрывать выпускные и впускные порты. Хотя он запатентовал эту конструкцию, вскоре отказался от неё в пользу принципа двойной скользящей гильзы. При поддержке чикагского предпринимателя Л. Б. Килборна в 1903 году в Оук-Парке, штат Иллинойс, был построен экспериментальный двигатель. Исследования и разработки продолжались до 1905 года, когда прототип успешно прошёл строгие испытания в Элирии, штат Огайо. Разработав работоспособный двигатель (стоимостью около 150 000 долларов), Найт и Килборн представили полный автомобиль "Silent Knight" на Чикагском автосалоне в 1906 году. Автомобиль был оснащён 4-цилиндровым двигателем и стоил 3500 долларов.

Двигатель Knight

Конструкция Найта имеет два чугунных рукава на цилиндр, в некоторых моделях – бронзовые, скользящие один внутри другого, с поршнем внутри внутреннего рукава. Рукавами управляют небольшие шатуны, приводимые в действие эксцентриковым валом, и в их верхних концах выполнены окна (порты). Головка цилиндра (известная как "мусорная головка") представляет собой фиксированный, перевернутый поршень с собственным набором колец, выступающих внутрь внутреннего рукава. Головки отсоединяются по отдельности для каждого цилиндра. Конструкция отличается удивительной тишиной, а рукавные клапаны требуют минимального обслуживания. Однако производство было более дорогим из-за необходимости прецизионной шлифовки поверхностей рукавов. Что касается двигателей с одним рукавом, Continental заявила, что они дешевле и проще в производстве, чем двигатели с тарельчатыми клапанами. Также они потребляют больше масла на высоких оборотах и труднее запускаются в холодную погоду. Конструкция двигателя позволяет более центральное расположение свечей зажигания для обеспечения оптимального распространения пламени, больших окон для улучшения газодинамики и полусферических камер сгорания, что, в свою очередь, повышает мощность. Кроме того, рукавные клапаны требовали значительно меньше обслуживания, чем тарельчатые клапаны того времени, которые нуждались в регулировке, шлифовке и даже замене после всего нескольких тысяч миль. Однако адиабатические и изотермические характеристики, сопровождающие увеличение мощности, обеспечиваемое большими (по сравнению с современными тарельчатыми клапанами) окнами в рукавах, оказались ахиллесовой пятой концепции двойного рукавного клапана. Значительная часть преимущества, которое можно было получить от повышенной объемной эффективности, не могла быть реализована из-за невозможности отвода образующегося тепла с достаточным градиентом, чтобы избежать чрезмерных внутренних температур. Однако Гарри Рикардо отметил, что пока масляная пленка между рукавом и стенкой цилиндра достаточно тонкая, рукава прозрачны для тепла. В результате этих тепловых условий, вопреки общепринятой практике, площадь впускного окна была уменьшена до значительно меньшей, чем площадь выпускного окна. Более поздние двигатели с более тонкими рукавами, покрытыми сталью и баббитом, демонстрируют улучшенную теплоотдачу, но проблемы теплопередачи остаются характерными для конструкции, ограничивая развитие потенциала двигателя с двойными рукавными клапанами. Улучшения в конструкции и материалах более распространенных двигателей с тарельчатыми клапанами устранили большинство преимуществ, первоначально присущих рукавному варианту, поэтому к началу 1930-х годов производство Silent Knight было прекращено, и лишь несколько французских автопроизводителей продолжали его до войны. Найт и Килборн надеялись заинтересовать американских автопроизводителей двигателем, чтобы получить лицензии на его производство, но поначалу желающих не нашлось. Pierce-Arrow из Буффало, штат Нью-Йорк, протестировал двигатель в сравнении со своим собственным и обнаружил, что он мощнее на скоростях выше и способен развивать большую скорость. Однако они отклонили его как неподходящий для своего модельного ряда, поскольку считали, что скорость выше является небезопасной. Они также сочли расход масла (около 2 кварт на 70 миль) чрезмерным. Knight также получил негативную огласку в то же время, когда прототип автомобиля был заявлен на Glidden Tour 1906 года, но выбыл в первый же день из-за механической поломки.

Knight's design has two cast iron sleeves per cylinder, bronze in some models, sliding inside the other, with the piston inside the inner sleeve. The sleeves are operated by small connecting rods actuated by an eccentric shaft and have ports cut out at their upper ends. The cylinder head (known as the "junk head") is like a fixed, inverted piston with its own set of rings projecting down inside the inner sleeve. The heads are individually detachable for each cylinder. The design is remarkably quiet and the sleeve valves need little attention. It was, however, more expensive to manufacture due to the precision grinding required on the sleeves' surfaces. About the Single Sleeve valve engines, Continental declared it were cheaper and easier to manufacture than poppet valve motors. Also it uses more oil at high speeds and is harder to start in cold weather. The engine's design allows a more central location for the spark plugs to provide a better flame path, large ports for improved gas flow and hemispherical combustion chambers that in turn allows increased power. Additionally, the sleeve valves required very much less maintenance than poppet valves of the era, which needed adjustment, grinding and even replacement after only a few thousand miles. However, the adiabatic and isothermal characteristics accompanying the increased power afforded by the large (relative to contemporary poppet valve designs) port areas in the sleeves proved the double sleeve valve concept's Achilles heel. Much of the advantage to be gained from increased volumetric efficiency could not be realized due to the inability to transfer resultant heat in a sufficiently steep gradient to avoid excessive internal temperatures, however, Harry Ricardo pointed, about the single Sleeve valve, Burt McCollum type, that as long
as oil film between Sleeve and cylinder wall is kept thin enough, sleeves are transparent to heat. As a consequence of these thermal conditions, and contrary to conventional practice, the induction port area was reduced to substantially less than that of the exhaust port. Later engines having thinner, steel and white metal coated sleeves possess improved levels of heat dissipation, but thermal transfer problems remain characteristic of the design, thus limiting development of the potential inherent in the double sleeve valve engine. Improvements in design and materials of the more usual poppet valve engine eliminated most of the advantages initially held by the sleeve valved variant, so that by the early 1930s manufacture of the Silent Knight had ceased, with only a couple of French automobile makers continuing to the War. Knight and Kilbourne had hoped to interest US automobile manufacturers in the engine so that they could grant licenses for its manufacture, but initially there were no takers. Pierce Arrow of Buffalo, New York tested the engine against one of their own and found that it was more powerful at speeds above and would also go faster. However, they dismissed it as unsuitable for their range of cars because they believed that anything over was unsafe. They also considered the oil consumption (about 2 quarts per 70 miles) excessive. Knight also received some bad publicity at the same time when a prototype car was entered in the 1906 Glidden Tour, only to drop out on the first day due to mechanical failure.

Даймлер-Найт

Практически проигнорировав два письменных обращения инженера Эдварда Манвилла, директора Daimler, Найт передумал и решил попытаться заинтересовать английских производителей своим двигателем. В 1907 году Найт отправился в Лондон на одной из своих машин, где ему удалось встретиться с соотечественником Перси Мартином, также директором Daimler. Инженеры Daimler протестировали двигатель, и результаты оказались достаточно обнадеживающими, чтобы Daimler создала секретную команду для полной разработки концепции Найта. Двигатели были установлены в некоторые модели 1909 года. Чтобы противостоять критике со стороны конкурентов, Daimler попросил RAC (Королевский автомобильный клуб) провести собственные независимые испытания Daimler Knight. Инженеры RAC взяли два двигателя Knight и запустили их под полной нагрузкой на 132 часа без остановки. Затем те же двигатели были установлены в туристический автомобиль и проехали 2000 миль (3219 км) на гоночной трассе Бруклендс, после чего их сняли и снова испытали на стенде в течение 5 часов. Инженеры RAC сообщили, что при разборке двигателей не было обнаружено заметного износа, цилиндры и поршни были чистыми, а клапаны также не имели признаков износа. RAC был настолько впечатлен, что присудил Daimler Дьюар Трофи в 1909 году. Отчеты RAC привели к росту стоимости акций Daimler с 0,85 до 18,75 фунтов стерлингов, европейские права были приобретены у Daimler и использованы компаниями Panhard et Levassor и Mercedes. Заинтересованный возможностями двигателя "Тихий рыцарь", председатель Daimler связался с Найтом в Чикаго, и Найт поселился в Англии недалеко от Ковентри в 1907 году. Daimler заключил контракт с доктором Фредериком Ланчестером в качестве консультанта, и в строжайшей секретности была проведена масштабная переработка и усовершенствование конструкции Найта. Конструкция Найта была доведена до практической реализации. Daimler полностью отказалась от двигателей с тарельчатыми клапанами и продолжала использовать свои двигатели с рукавными клапанами до середины 1930-х годов, получив более ранний старт в Европе, где они также прослужили дольше. Mercedes производила свой 4-литровый Knight 16/50 до 1924 года, а Simson Supra Knight 1925–26 годов, вероятно, была последним немецким автомобилем с двигателем Knight. Во Франции, помимо Peugeot и Mors, две марки автомобилей класса люкс использовали двигатель Knight в качестве стандартного оборудования в период с 1923 по 1940 год: Avions Voisin и Panhard et Levassor. Voisin также построила радиальный двигатель с воздушным охлаждением, использующий принцип Knight, в 1935 году, что стало последним применением технологии Knight. Panhard et Levassor Dynamic, выпускавшийся до лета 1940 года, был последним серийным легковым автомобилем с двигателем Knight.

Having virtually ignored two written approaches by engineer Edward Manville, a director of Daimler, Knight changed his mind and decided to try to interest English manufacturers in his engine. In 1907 Knight went with one of his cars to London where he managed to see fellow American Percy Martin, also a director of Daimler. Daimler's engineers tested the engine and the results were sufficiently encouraging for Daimler to set up a secret team to fully develop Knight's concept. engines would be installed in some of its 1909 models. To combat criticism from its competitors, Daimler had the RAC (Royal Automobile Club) carry out their own independent tests on the Daimler Knight. RAC engineers took two Knight engines and ran them under full load for 132 hours nonstop. The same engines were then installed in a touring car and driven for 2000 mile (3219 km) on the Brooklands race track, after which they were removed and again run on the bench for 5 hours. RAC engineers reported that, when the engines were dismantled, there was no perceptible wear, the cylinders and pistons were clean, and the valves showed no signs of wear either. The RAC was so impressed that it awarded Daimler the 1909 Dewar Trophy. The RAC reports caused Daimler's share price to rise, £0.85 to £18.75, European rights were purchased from them and used by Panhard et Levassor and Mercedes. Attracted by the possibilities of the "Silent Knight" engine, Daimler's chairman had contacted Knight in Chicago and Knight settled in England near Coventry in 1907. Daimler contracted Dr. Frederick Lanchester as their consultant for the purpose and a major re design and refinement of Knight's design took place in great secrecy. Knight's design was made a practical proposition. Daimler dropped poppet valve engines altogether and kept their silent sleeve valve engines until the mid 1930s. gaining an earlier start in Europe, where it also lasted longer. Mercedes built their 4 litre Knight 16/50 until 1924, while the Simson Supra Knight of 1925 26 was probably the last German Knight engined car. In France, besides Peugeot and Mors, two brands of luxury automobiles used the Knight engine as standard equipment between 1923 and 1940: Avions Voisin and Panhard et Levassor. Voisin also built an air cooled radial engine using the Knight principle in 1935 which was their last use of Knight technology. The Panhard et Levassor Dynamic, produced until the summer of 1940, was the last Knight engined passenger car to be built in series.