Тарельчатый клапан - Poppet valve

Тарельчатый клапан и компоненты
Тарельчатый клапан и компоненты, включая сальник штока клапана. Желтая краска - это сила пружины маркировка

А тарельчатый клапан (также называемый грибовидный клапан[1]) это клапан обычно используется для управления синхронизацией и количеством потока газа или пара в двигатель.

Он состоит из отверстия или камеры с открытым концом, обычно круглой или овальной в поперечном сечении, и пробки, обычно имеющей форму диска, на конце вала, известного как шток клапана. Рабочий конец этого плунжера, поверхность клапана, обычно шлифуется под углом 45 ° для уплотнения от соответствующего седло клапана притерли к краю герметизируемой камеры. Вал проходит через направляющая клапана чтобы поддерживать его выравнивание.

Перепад давления с обеих сторон клапана может способствовать или ухудшать его работу. В выхлоп применения более высокое давление на клапан помогает герметизировать его, а в прием приложения более низкое давление помогает открыть его.

Тарельчатый клапан, скорее всего, был изобретен в 1833 году E.A.G. Молодой из Ньюкасл и французская железная дорога. Янг запатентовал свою идею, но Пожар Патентного ведомства 1836 г. уничтожил все записи об этом.[2]

Этимология

Слово кукла акции этимология с "кукольный ": это из Средний английский попет («юность» или «кукла»), от Среднефранцузский пупетка, который является миниатюрный из пупе. Использование слова кукла для описания клапана происходит от того же слова, что и марионетки, которые, как и тарельчатый клапан, перемещаются телесно в ответ на дистанционное движение, передаваемое линейно.[3][4] В прошлом «марионеточный клапан» был синонимом тарельчатый клапан;[5][6] однако это использование слова «марионетка» теперь устарело.

Операция

Тарельчатый клапан принципиально отличается от золотникового и качающегося клапанов; вместо того, чтобы скользить или раскачиваться над седлом для открытия порта, тарельчатый клапан поднимается из седла с движением, перпендикулярным плоскости порта. Основное преимущество тарельчатого клапана заключается в том, что он не перемещается по седлу, поэтому не требует смазки.[7]

На этой анимации показан тарельчатый клапан, активируемый давлением (красный), и тарельчатый клапан, активируемый кулачком (синий), в цилиндре двигателя внутреннего сгорания.
Тарельчатые клапаны в действии в верхней части цилиндра

В большинстве случаев полезно иметь «уравновешенную тарелку» в клапане прямого действия. Для перемещения тарелки требуется меньшее усилие, поскольку все силы, действующие на тарелку, сводятся на нет равными и противоположными силами. Катушка соленоида должна противодействовать только силе пружины.[8]

Тарельчатые клапаны наиболее известны своим использованием в двигателях внутреннего сгорания и паровых двигателях, но они используются во многих промышленных процессах, от управления потоком молоко для изоляции стерильного воздуха в полупроводниковой промышленности.

Преста и Клапаны Schrader используется на пневматических шины являются примерами тарельчатых клапанов. Клапан Presta не имеет пружины и полагается на перепад давления для открытия и закрытия при накачивании.

Тарельчатые клапаны широко используются при запуске торпеды из подводные лодки. Многие системы используют сжатый воздух для выталкивания торпеды из трубка, а тарельчатый клапан собирает большое количество этого воздуха (вместе со значительным количеством морской воды), чтобы уменьшить контрольное облако пузырьков, которое в противном случае могло бы выдать положение лодки под водой.[9]

Двигатель внутреннего сгорания

Тарельчатые клапаны используются в большинстве поршневые двигатели открыть и закрыть впуск и выпуск порты в крышка цилиндра. Клапан обычно представляет собой плоский металлический диск с длинным стержнем, известным как «стержень клапана», прикрепленным к одной стороне.

В ранних двигателях внутреннего сгорания (около 1900 г.) впускной клапан был обычным делом, то есть открывался за счет всасывания в двигателе и возвращался легкой пружиной. Выпускной клапан нужно было приводить в действие механически, чтобы открыть его против давления в цилиндре. Использование автоматических клапанов упростило механизм, но "клапан поплавок "ограничивали скорость, с которой мог работать двигатель, и примерно к 1905 году впускные клапаны с механическим приводом все чаще применялись для двигателей транспортных средств.

Механическое действие обычно осуществляется нажатием на конец штока клапана, при этом пружина обычно используется для возврата клапана в закрытое положение. На высоком число оборотов в минуту (Об / мин), инерция пружины означает, что она не может среагировать достаточно быстро, чтобы вернуть клапан в его седло между циклами, что приводит к смещению клапана, также известному как «отскок клапана». В этой ситуации десмодромные клапаны могут использоваться, которые, будучи закрытыми за счет положительного механического воздействия вместо пружины, могут переключаться с высокой скоростью, необходимой, например, в мотоцикл и автогонки двигатели.

Двигатель обычно управляет клапанами, нажимая на штоки с кулачки и кулачковые подписчики. Форма и положение кулачка определяют подъем клапана и когда и как быстро (или медленно) открывается клапан. Кулачки обычно размещаются на неподвижном распредвал который затем ориентирован на коленчатый вал, работающего на половине частоты вращения коленчатого вала в четырехтактный двигатель. В высокопроизводительных двигателях распределительный вал подвижен, а кулачки имеют разную высоту, поэтому при аксиальном перемещении распределительного вала относительно частоты вращения двигателя высота подъема клапана также изменяется. Видеть изменение фаз газораспределения.

Для определенных применений шток клапана и диск изготавливаются из различной стали. сплавы, или шток клапана может быть полым и заполненным натрий улучшить высокая температура транспорт и трансфер. Хотя алюминиевая головка цилиндра является лучшим проводником тепла, она требует использования стали. седло клапана вставки, где чугун В прошлом в головке блока цилиндров часто использовались встроенные седла клапана. Поскольку шток клапана входит в смазку в камере кулачка, он должен быть герметизирован от прорыва, чтобы предотвратить попадание газов из цилиндра в камеру. картер несмотря на то, что зазор между штоком и клапаном очень мал, обычно 0,04-0,06 мм, поэтому используется резиновое манжетное уплотнение, чтобы гарантировать, что избыточное масло не будет втягиваться из картера во время хода впуска, и что выхлопной газ не попадает в картер на такте выпуска. Изношенные направляющие клапана и / или неисправные сальники часто можно диагностировать по клубу синего дыма из выхлопной трубы при отпускании педали акселератора. педаль после того, как двигатель перебегает, когда коллекторный вакуум. Такое состояние возникает при переключении передач.

В многоклапанный Двигатели, обычная установка с двумя клапанами на цилиндр дополняется как минимум дополнительным впускным клапаном (трехклапанная головка блока цилиндров) или, что более часто, дополнительным впускным и дополнительным выпускным клапаном (четырехклапанная головка блока цилиндров) Последнее означает, что более высокие обороты теоретически достижимы. Также используются пять конструкций клапана (с тремя впускными и двумя выпускными клапанами). Больше клапанов на цилиндр означает улучшенный поток газа и меньшие возвратно-поступательные массы, что приводит к повышению эффективности двигателя и, в конечном итоге, к более высокой выходной мощности и лучшей экономии топлива. Мультиклапанные двигатели также позволяют устанавливать свечу зажигания по центру, что улучшает эффективность сгорания и снижает детонацию.

Положение клапана

В очень ранних конструкциях двигателей клапаны в блоке располагались вверх дном, параллельно цилиндры. Это был так называемый L-образная головка конструкция двигателя, из-за формы цилиндра и камера сгорания, также называемый 'двигатель с плоской головкой 'как вершина крышка цилиндра был плоским. Термин, предпочитаемый за пределами США (хотя иногда и там использовался), был боковой клапан; следовательно, его использование в названии Британского клуба владельцев боковых клапанов Ford.[10] Хотя эта конструкция была сделана для упрощенной и дешевой конструкции, у нее было два основных недостатка: извилистый путь, сопровождаемый ограниченным расходом всасывания. поток воздуха и эффективно предотвращает скорость выше 3600 об / мин,[11] а путь выхлопа через блок может вызвать перегрев при длительной большой нагрузке. Этот дизайн превратился в "Впуск на выпуск ", IOE или же F-голова, где впускной клапан находился в головке, а выпускной - в блоке; позже оба клапана переехали в головку.

В большинстве таких конструкций распределительный вал оставался относительно близко к коленчатому валу, а клапаны управлялись через толкатели и коромысла. Это привело к значительным потерям энергии в двигателе, но было проще, особенно в V двигатель где один распределительный вал может приводить в действие клапаны обоих ряды цилиндров; по этой причине конструкции двигателей с толкателем сохранялись в этих конфигурациях дольше, чем в других.

В более современных конструкциях распределительный вал находится наверху головки блока цилиндров, давя непосредственно на шток клапана (опять же через толкатели кулачка, также известные как толкатели ), систему, известную как верхний распредвал; если есть только один распределительный вал, это одинарный верхний кулачок или же SOHC двигатель. Часто есть два распределительных вала, один для впускных и один для выпускных клапанов, что создает двойной верхний кулачок, или же DOHC. Распределительный вал приводится в движение коленчатый вал - через шестерни, цепь или ремень ГРМ.

Износ клапана

На заре двигателестроения большой проблемой был тарельчатый клапан. Металлургия не хватало, а быстрое открытие и закрытие клапанов на головках цилиндров приводило к быстрому износу. Их нужно будет повторно заземлить в процессе, известном как "работа клапана ". Добавление тетраэтилсвинец к бензин В некоторой степени эта проблема уменьшалась, поскольку свинцовое покрытие седел клапанов фактически смазывало металл.[нужна цитата ] В более современных транспортных средствах и правильно обработанных старых двигателях седла клапанов могут быть изготовлены из улучшенных сплавов, таких как стеллит и клапаны из нержавеющей стали. Эти усовершенствования в целом устранили эту проблему и помогли сделать неэтилированный бензин нормой.

Загорание клапана (перегрев) - еще одна проблема. Это вызывает чрезмерный износ клапана и дефектное уплотнение, а также стук двигателя (горячий клапан вызывает преждевременное воспламенение топлива). Ее можно решить с помощью клапанных систем охлаждения, в которых в качестве охлаждающей жидкости используется вода или масло. В высокой производительности или турбо заряженный двигатели иногда натрий -заполненные штоки клапанов. Эти штоки клапанов затем действуют как тепловая труба. Основной причиной сгоревших клапанов является недостаточный зазор клапана на толкателе; клапан не может полностью закрыться. Это снижает его способность проводить тепло к головке цилиндров через седло и может позволить горячим газам сгорания проходить между клапаном и его седлом. Сгоревшие клапаны вызовут низкий сжатие в пораженном цилиндре и потеря мощности.

Паровой двигатель

Сбалансированный тарельчатый клапан из патента США 339809. Пар высокого давления входит в A и выходит из B. Шток клапана D перемещается вверх, открывая тарелки клапана C.
Качающийся тарельчатый клапан на одной из реконструированных Chapelon 4-6-2 локомотивы.

Джеймс Ватт использовал тарельчатые клапаны для регулирования потока пара в цилиндры его балочные двигатели в 1770-х гг. Частичное изображение лучевой машины Ватта 1774 года, использующей это устройство, можно найти в Thurston 1878: 98,[12] и Ларднер (1840) дает иллюстрированное описание использования Ваттом тарельчатого клапана.[13]

При использовании в системах с высоким давлением, например, в качестве впускных клапанов в паровых двигателях, то же давление, которое помогает герметизировать тарельчатые клапаны, также значительно увеличивает силу, необходимую для их открытия. Это привело к разработке сбалансированной тарелки или двухтактный клапан, в котором два плунжера клапана движутся на общем штоке, а давление на один плунжер в значительной степени уравновешивает давление на другом.[14][15] В этих клапанах сила, необходимая для открытия клапана, определяется давлением и разницей между площадями двух отверстий клапана. Sickels запатентовал клапанный механизм для двухходовых тарельчатых клапанов в 1842 году. В журнале Science в 1889 году была опубликована критика уравновешивающих тарельчатых клапанов (названных в статье «двойным, или сбалансированным, или американским марионеточным клапаном»), используемых для двигателей пароходов по своей природе он должен давать утечку на 15 процентов.[16]

Тарельчатые клапаны использовались на паровозы, часто в сочетании с Ленц или же Редуктор клапана Caprotti. Британские примеры включают:

Сторожевой вагоностроительный завод использовали тарельчатые клапаны в своих паровозах и паровозах. Реверс был достигнут простым скольжением распредвал система.

Многие локомотивы во Франции, особенно те, которые были перестроены по проектам Андре Чапелона, такие как SNCF 240P, использовали тарельчатые клапаны Lentz с качающимся кулачком, которые приводились в действие клапанным механизмом Walschaert, которым уже были оснащены локомотивы.

Тарельчатый клапан также использовался на американских Пенсильванская железная дорога с Т1 дуплексные локомотивы, хотя клапаны обычно выходили из строя, потому что локомотивы обычно эксплуатировались на скорости более 160 км / ч (100 миль в час), а клапаны не были предназначены для нагрузок на таких скоростях. Тарельчатые клапаны также давали локомотиву характерный «гудящий» звук.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ А.Л. Дайк (1921), Энциклопедия автомобилей и бензина Дайка, Сент-Луис, А. Л. Дайк, в архиве из оригинала на 2016-06-11
  2. ^ Белый, Джон Х. (1979). История американского локомотива. Северный Челмсфорд, Массачусетс: Courier Corporation. п. 145.
  3. ^ "Тарелка at Merriam-Webster ". Merriam-webster.com. В архиве из оригинала от 17.10.2011. Получено 2011-12-06.
  4. ^ "Кукольный at Merriam-Webster ". Merriam-webster.com. В архиве из оригинала 12.01.2012. Получено 2011-12-06.
  5. ^ "Марионеточный клапан из словаря Вебстера 1913 г. ". Websters-online-dictionary.org. Архивировано из оригинал 21 февраля 2006 г.. Получено 2011-12-06.
  6. ^ «Патент США № 339809,« Марионеточный клапан », выдан 13 апреля 1886 г.». Patimg1.uspto.gov. В архиве с оригинала от 10 января 2017 г.. Получено 2011-12-06.
  7. ^ Фессенден, Чарльз Х. (1915). Шестерни клапана. Нью-Йорк: Макгроу Хилл. стр.159 –168. В архиве из оригинала от 03.06.2016.
  8. ^ Валь, Филипп (2013). Поршневые золотниковые и тарельчатые клапаны. Эсслинген: Festo AG & Co. KG.
  9. ^ Торпедный аппарат Руководство books.google.com
  10. ^ "fsoc". fsoc. В архиве с оригинала 18 марта 2018 г.. Получено 24 апреля 2018.
  11. ^ «Удобное руководство по двигателям Клинтона» (PDF). 1956. с. 2. В архиве (PDF) с оригинала 3 октября 2015 г.. Получено Второе октября, 2015. Р. П. М. 2200 - 3600
  12. ^ Терстон, Р. Х. (1878). История развития парового двигателя. Нью-Йорк: Appleton & Co., стр.98.
  13. ^ Ларднер, Дионисий (1840). Паровая машина объяснила и проиллюстрировала. Лондон: Тейлор и Уолтон. стр.189 –91. В архиве из оригинала от 04.10.2013.
  14. ^ Жак Мушли, Клапанные и клапанные механизмы для локомотивов и других двигателей, Патент США 1824830, выдан 29 сентября 1931 г.
  15. ^ Герман Г. Мюллер, Клапан парового двигателя, патент США 1 983 803, выдан 11 декабря 1934 г.
  16. ^ Критика Э. Дикерсон в лекции для Электрического клуба Нью-Йорка 17 января 1889 г., сообщается в издании Science, том 13, № 314, 8 февраля 1889 г., стр. 95 sciencemag.org