Тарельчатый клапан (также называемый грибной клапан [1] ) представляет собой клапан , как правило , используется для контроля времени и количества газа или пара поступает в двигатель.
Он состоит из отверстия или камеры с открытым концом, обычно круглой или овальной в поперечном сечении, и заглушки, обычно имеющей форму диска, на конце вала, известного как шток клапана. Рабочий конец этой заглушки, поверхность клапана, обычно шлифуется под углом 45 ° для уплотнения от соответствующего седла клапана, прилегающего к краю герметизируемой камеры. Вал проходит через направляющую клапана, чтобы поддерживать выравнивание.
Перепад давления с обеих сторон клапана может способствовать или ухудшать его работу. В выхлопных системах более высокое давление на клапан помогает герметизировать его, а во впускных системах более низкое давление помогает его открыть.
Тарельчатый клапан, скорее всего, был изобретен в 1833 году EAG Young из Newcastle and Frenchtown Railroad . Янг запатентовал свою идею, но пожар в Патентном бюро 1836 года уничтожил все записи о ней. [2]
Этимология [ править ]
Слово poppet разделяет этимологию с « марионеткой »: оно происходит от среднеанглийского popet («молодежь» или «кукла»), от среднефранцузского poupette , которое является уменьшительным от poupée . Использование слова « тарельчатый клапан» для описания клапана происходит от того же слова, которое применяется к марионеткам , которые, как и тарельчатый клапан, перемещаются телесно в ответ на дистанционное движение, передаваемое линейно. [3] [4] В прошлом «марионеточный клапан» был синонимом тарельчатого клапана ; [5] [6] однако это использование слова «марионетка» теперь устарело.
Операция [ править ]
Тарельчатый клапан принципиально отличается от золотникового и качающегося клапанов; вместо того, чтобы скользить или раскачиваться по седлу для открытия порта, тарельчатый клапан поднимается с седла с движением, перпендикулярным плоскости порта. Основное преимущество тарельчатого клапана заключается в том, что он не перемещается по седлу, поэтому не требует смазки. [7]
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 молока до изоляции стерильного воздуха в полупроводниковой промышленности.
Клапаны Presta и Schrader, используемые на пневматических шинах, 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 торпед с подводных лодок . Многие системы используют сжатый воздух для выталкивания торпеды из трубы , а тарельчатый клапан восстанавливает большое количество этого воздуха (вместе со значительным количеством морской воды), чтобы уменьшить контрольное облако пузырьков, которое в противном случае могло бы выдать подводное положение. [9]
Двигатель внутреннего сгорания [ править ]
Тарельчатые клапаны используются в большинстве поршневых двигателей для открытия и закрытия впускных и выпускных отверстий в головке цилиндров . 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 явлением, то есть открывался всасыванием двигателя 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 « поплавок клапана » ограничил скорость, на 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. При высоких оборотах в минуту (RPM) инерция пружины означает, что она не может реагировать достаточно быстро, чтобы вернуть клапан в его седло между циклами, что приводит к смещению клапана, также известному как «отскок клапана». В этой ситуации можно использовать десмодромные клапаны , которые, будучи закрытыми за счет положительного механического воздействия вместо пружины, могут переключаться на высоких скоростях, необходимых, например, в двигателях мотоциклов и автогонок .
Двигатель обычно управляет клапанами, нажимая на штоки кулачками и толкателями кулачков . Форма и положение кулачка определяют подъем клапана, а также то, когда и насколько быстро (или медленно) клапан открывается. Кулачки обычно размещаются на фиксированном распределительном валу, который затем соединяется с коленчатым валом , работающим на половине частоты вращения коленчатого вала в четырехтактном двигателе. 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. См. Изменение фаз газораспределения .
Для определенных применений шток клапана и диск изготовлены из различных стальных сплавов , или шток клапана может быть полым и заполненным натрием для улучшения переноса и теплопередачи . Хотя алюминиевая головка цилиндра является лучшим проводником тепла, для нее требуются стальные седла клапана , тогда как в чугунной головке цилиндра в прошлом часто использовались встроенные седла клапана. Поскольку шток клапана входит в смазку в камере кулачка, он должен быть изолирован от прорыва, чтобы предотвратить попадание газов из цилиндра в 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 такта впуска, и что выхлопные газы не будут войти в картер на такте выпуска. Изношенные направляющие клапана и / или дефектные сальники часто можно диагностировать по клубу синего дыма из выхлопной трубы при отпускании педали акселератора после того, как двигатель перебегает при высоком вакууме в коллекторе . Такое состояние возникает при переключении передач.
В многоклапанных двигателях 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 (четырехклапанный клапан). клапан головки блока цилиндров), что 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 [ править ]
В очень ранних конструкциях двигателей клапаны в блоке располагались «вверх дном» параллельно цилиндрам . Это была так называемая конструкция двигателя с L- образной головкой из-за формы цилиндра и камеры сгорания , которую также называли « двигателем с плоской головкой », поскольку верхняя часть головки блока цилиндров была плоской. Термин, предпочитаемый за пределами США (хотя иногда и использовавшийся там), был боковым клапаном ; 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, по которому следует всасываемый заряд, ограниченный поток воздуха.и эффективно предотвращал скорость выше 3600 об / мин, [11] и путь выхлопа через блок мог вызвать перегрев при длительной большой нагрузке. Эта конструкция превратилась в « Intake Over выхлопных газов », МОР или F-головке , где впускной клапан находился в головке и выпускной клапан был в блоке; позже оба клапана переехали в головку.
В большинстве таких конструкций распределительный вал оставался относительно близко к коленчатому валу, а клапаны управлялись посредством толкателей и коромысел . Это привело к значительным потерям энергии в двигателе, но было проще, особенно в V-образном двигателе, где один распределительный вал может приводить в действие клапаны обоих рядов 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 ), система, известная как верхний распределительный вал ; если есть только один распределительный вал, это единственный верхний распредвал или двигатель SOHC . Часто бывает два распределительных вала, один для впускных и один для выпускных клапанов, что создает двойной верхний кулачок , или DOHC . Распределительный вал приводится в движение коленчатым валом - через шестерни, цепь или ремень ГРМ .
Износ клапана [ править ]
На заре двигателестроения большой проблемой был тарельчатый клапан. Металлургия отсутствовала, а быстрое открытие и закрытие клапанов головок цилиндров приводило к быстрому износу. Их нужно будет повторно заземлить в процессе, известном как « работа клапана ». Добавление тетраэтилсвинца в бензин несколько уменьшило эту проблему: свинец, покрывающий седла клапана, по сути, смазывал металл. [ необходима цитата ] В более современных автомобилях 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 детонацию 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 высокоэффективных двигателях или двигателях с турбонаддувом иногда используются штоки клапанов, заполненные натрием . 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 низкую компрессию в пораженном цилиндре и потеря мощности.
Паровой двигатель [ править ]
Джеймс Ватт использовал тарельчатые клапаны для управления потоком пара в цилиндры своих балочных двигателей в 1770-х годах. Изображение в разрезе лучевой машины Ватта 1774 года, использующей это устройство, можно найти в Thurston 1878: 98, [12], а 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 вносит значительный вклад в силу, необходимую для их открытия. Это привело к разработке уравновешенного тарельчатого клапана или клапана с двойным ударом , в котором два плунжера клапана перемещаются на общем штоке, при этом давление на один затвор 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. Sickelsзапатентовал 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 в лопастных паровых двигателях. по своей природе он должен давать утечку на 15 процентов. [16]
Тарельчатые клапаны использовались на паровозах , часто в сочетании с редуктором клапана Ленца или Капротти . Британские примеры включают:
- LNER Класс B12
- LNER Класс D49
- LNER Класс P2
- LMS Stanier Класс 5 4-6-0
- БР стандарт 5 класса
- BR стандартный класс 8 71000 Герцог Глостерский .
Sentinel Waggon Works использовала тарельчатые клапаны в своих паровозах и паровозах. Реверс достигался простой системой скользящих распределительных валов .
Многие локомотивы во Франции, особенно те, что были перестроены по конструкции Андре Чапелона, такие как SNCF 240P , использовали тарельчатые клапаны с качающимся кулачком Ленца, которые приводились в действие клапанной передачей Walschaert, которой локомотивы уже были оснащены.
Тарельчатый клапан был также использован на американской железной дороги Пенсильвании «ы Т1 дуплекса локомотивы , хотя клапаны обычно не удалась , поскольку локомотивы были обычно работают в избытке 160 км / ч (100 миль в час), а клапаны не были предназначены для напряжений такие скорости. Тарельчатые клапаны также давали локомотиву характерный «гудящий» звук.
См. Также [ править ]
- Двойной ударный клапан
- Пружины пневматического клапана
- Язычковый клапан
- Предохранительный клапан
- Поворотный клапан
- Рукавный клапан
- Предохранительный клапан
Ссылки [ править ]
- ^ А.Л. Дайк (1921), Энциклопедия автомобилей и бензина Дайка , Сент-Луис, А.Л. Дайк, заархивировано из оригинала 11.06.2016
- ^ Белый, Джон Х. (1979). История американского локомотива . Северный Челмсфорд, Массачусетс: Courier Corporation. п. 145.
- ^ " Poppet в Merriam-Webster" . Merriam-webster.com. Архивировано 17 октября 2011 года . Проверено 6 декабря 2011 .
- ^ " Марионетка в Merriam-Webster" . Merriam-webster.com. Архивировано 12 января 2012 года . Проверено 6 декабря 2011 .
- ^ « Марионеточный клапан из словаря Вебстера 1913 года» . Websters-online-dictionary.org. Архивировано из оригинала на 2006-02-21 . Проверено 6 декабря 2011 .
- ^ "Патент США № 339809," Марионеточный клапан ", выдан 13 апреля 1886 г." . Patimg1.uspto.gov. Архивировано 10 января 2017 года . Проверено 6 декабря 2011 .
- ^ Фессенден, Чарльз Х. (1915). Клапанные шестерни . Нью-Йорк: Макгроу Хилл. стр. 159 -168. Архивировано 3 июня 2016 года.
- Перейти ↑ Wahl, Philipp (2013). Золотниковые и поршневые клапаны . Эсслинген: Festo AG & Co. KG.
- ^ Руководство по торпедной трубке books.google.com
- ^ "fsoc" . fsoc . Архивировано 18 марта 2018 года . Проверено 24 апреля 2018 года .
- ^ «Удобное руководство по двигателям Клинтона» (PDF) . 1956. с. 2. Архивировано 3 октября 2015 г. (PDF) . Проверено 2 октября 2015 года .
Об / мин 2200 - 3600
- ^ Терстон, RH (1878). История развития парового двигателя . Нью-Йорк: Appleton & Co., стр.98 .
- ^ Ларднер, Дионисий (1840). Паровая машина объяснена и проиллюстрирована . Лондон: Тейлор и Уолтон. стр. 189 -91. Архивировано 4 октября 2013 года.
- ^ Жак Мушли, Клапан и клапанный механизм для локомотивов и других двигателей, Патент США 1824830, выдан 29 сентября 1931 г.
- ^ Герман Г. Мюллер, пара клапаны двигателя, патент США 1983803, выданный 11 декабря 1934 года.
- ↑ Критика Э. Н. Дикерсона 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
