Десмодромный клапан представляет собой тарельчатый клапан двигателя, совершающий возвратно-поступательное движение, который принудительно закрывается с помощью кулачка и системы рычагов, а не с помощью более традиционной пружины.
Клапаны типичного четырехтактного двигателя пропускают топливовоздушную смесь в цилиндр в начале цикла и выбрасывают отработавшие газы в конце цикла. В обычном четырехтактном двигателе клапаны открываются кулачком и закрываются возвратной пружиной. Десмодромный клапан имеет два кулачка и два привода для принудительного открытия и закрытия без возвратной пружины.
Слово происходит от греческих слов десмос ( δεσμός , что переводится как «связь» или «узел») и дромос ( δρόμος , «след» или «путь»). Это указывает на основную характеристику клапанов, которые постоянно «привязаны» к распределительному валу.
Обычная система клапанных пружин подходит для традиционных двигателей массового производства, которые не имеют высоких оборотов и имеют конструкцию, не требующую особого обслуживания. [1] В период первоначального развития десмодромных двигателей клапанные пружины были основным ограничением производительности двигателя, поскольку они ломались из-за усталости металла. В 1950-х годах новые процессы вакуумной плавки помогли удалить примеси из металла клапанных пружин, значительно увеличив их срок службы и эффективность. Однако многие пружины все равно выходят из строя при длительной работе со скоростью выше 8000 об/мин. [2] Десмодромная система была разработана, чтобы решить эту проблему, полностью устранив необходимость в пружине. Более того, по мере увеличения максимальных оборотов в минуту требуется более высокая сила пружины, чтобы предотвратить всплывание клапана , что приводит к увеличению размера пружин (с увеличенной массой пружины и, следовательно, большей инерцией), сопротивлению кулачка (поскольку пружинам клапана требуется энергия для сжатия, лишая двигатель мощности). ), а также повышенный износ деталей на всех скоростях — проблемы, решаемые десмодромным механизмом.
Полностью контролируемое движение клапанов было задумано на заре разработки двигателя, но разработка системы, которая работала бы надежно и не была слишком сложной, заняла много времени. Системы десмодромных клапанов впервые упоминаются в патентах Густава Меса в 1896 году. [ нужна цитация ] Судовой двигатель Остина 1910 года производил 300 л.с. и был установлен на скоростном катере под названием «Ирен I»; его полностью алюминиевый двигатель с двумя верхними клапанами имел два магнето, два карбюратора и десмодромные клапаны. [3] На Гран-при Делажа и Нагана 1914 года (см. Помроя «Автомобиль Гран-при») использовалась десмодромная система клапанов (полностью отличающаяся от современной системы Ducati ). [4]
Azzariti, недолговечный итальянский производитель с 1933 по 1934 год, производил двухцилиндровые двигатели объемом 173 куб.см и 348 куб.см, некоторые из которых имели десмодромный клапанный механизм, при этом клапан закрывался отдельным распределительным валом. [5]
Гоночный автомобиль Формулы-1 Mercedes -Benz W196 1954–1955 годов и спортивный гоночный автомобиль Mercedes-Benz 300SLR 1955 года имели десмодромное срабатывание клапана.
В 1956 году Фабио Тальони , инженер Ducati, разработал десмодромную клапанную систему для Ducati 125 Grand Prix, создав Ducati 125 Desmo.
Его процитировали:
Конкретная цель десмодромной системы — заставить клапаны максимально последовательно соблюдать временную диаграмму. Таким образом, любые потери энергии незначительны, кривые производительности более однородны, а надежность выше.
Инженеры, пришедшие после него, продолжили эту разработку, и Ducati владела рядом патентов, касающихся десмодромики. Десмодромный клапан применяется на мотоциклах Ducati высшего класса с 1968 года, с появлением «широких» одноцилиндровых двигателей Mark 3.
В 1959 году братья Мазерати представили одну из своих последних разработок: десмодромный четырехцилиндровый двигатель объемом 2000 куб.см для своей последней OSCA Barchetta.
В современных двигателях отказ клапанной пружины на высоких оборотах в основном устраняется. Основным преимуществом десмодромной системы является предотвращение всплывания клапана на высоких оборотах.
При традиционном срабатывании пружинного клапана по мере увеличения частоты вращения двигателя инерция клапана в конечном итоге преодолевает способность пружины полностью закрыть его до того, как поршень достигнет верхней мертвой точки (ВМТ). Это может привести к нескольким проблемам. Во-первых, клапан не полностью возвращается на свое место до начала сгорания. Это позволяет газам сгорания выходить преждевременно, что приводит к снижению давления в цилиндре, что приводит к значительному снижению производительности двигателя. Это также может привести к перегреву клапана, что может привести к его деформации и катастрофическому выходу из строя. Во-вторых, и это наиболее разрушительно, поршень сталкивается с клапаном, и оба разрушаются. В двигателях с пружинно-клапанными двигателями традиционным средством борьбы с люфтом клапанов является усиление пружин. Это увеличивает давление седла клапана (статическое давление, которое удерживает клапан закрытым). Это выгодно при более высоких оборотах двигателя из-за уменьшения вышеупомянутого смещения клапана. Недостаток заключается в том, что двигателю приходится прилагать больше усилий, чтобы открыть клапан на всех оборотах. Более высокое давление пружины вызывает большее трение (следовательно, температуру и износ) в клапанном механизме.
Десмодромная система позволяет избежать этой проблемы, поскольку ей не приходится преодолевать силу пружины. Ему еще предстоит преодолеть инерцию открытия и закрытия клапана, а это зависит от распределения массы движущихся частей. Эффективная масса традиционного клапана с пружиной включает половину массы пружины клапана для симметричных пружин и всю массу тарелки пружины клапана. Однако десмодромная система должна учитывать инерцию двух коромысел на каждый клапан, поэтому это преимущество во многом зависит от навыков проектировщика. Еще одним недостатком является место контакта между кулачками и коромыслами. Роликовые толкатели относительно легко использовать в обычных клапанных механизмах, хотя это приводит к значительному увеличению движущейся массы. В десмодромной системе ролик потребуется на одном конце коромысла, что значительно увеличит его момент инерции и сведет на нет его преимущество в «эффективной массе». Таким образом, десмо-системам обычно приходится иметь дело с трением скольжения между кулачком и коромыслом, и поэтому они могут иметь больший износ. Точки контакта на большинстве коромысел Ducati твердохромированы, чтобы уменьшить износ. Другим возможным недостатком является то, что было бы очень сложно включить регуляторы зазора гидравлического клапана в десмодромную систему, поэтому клапаны необходимо периодически регулировать, но это справедливо для типичных мотоциклов, ориентированных на производительность, поскольку зазор клапана обычно регулируется с помощью прокладки под кулачком. последователь.
До тех пор, пока динамику привода клапана можно было анализировать с помощью компьютера, [ когда? ] десмодромный привод, казалось, предлагал решение проблем, которые ухудшались с увеличением частоты вращения двигателя. С тех пор кривые подъемной силы, скорости, ускорения и рывка кулачков моделировались на компьютере [6] , чтобы показать, что динамика кулачков не такая, какой казалась. При правильном анализе проблемы, связанные с регулировкой клапанов, гидрокомпенсаторами , толкателями, коромыслами и, прежде всего, поплавком клапана , ушли в прошлое без десмодромного привода.
Сегодня [ когда? ] в большинстве автомобильных двигателей используются верхние распредвалы , приводящие в движение плоский толкатель, чтобы добиться кратчайшего, легкого и неэластичного пути от кулачка к клапану , тем самым избегая упругих элементов, таких как толкатель и коромысло . Компьютеры позволили довольно точно моделировать ускорение систем клапанного механизма.
До того, как методы численных вычислений стали доступны, ускорение можно было достичь только путем дифференцирования профилей подъема кулачка дважды: один раз по скорости и второй раз по ускорению. Это генерирует столько хэша (шума), что вторая производная (ускорение) оказывается бесполезно неточной. Компьютеры позволили интегрировать кривую рывка, третью производную подъемной силы, которая представляет собой серию смежных прямых линий, вершины которых можно регулировать для получения любого желаемого профиля подъемной силы.
Интегрирование кривой рывка дает плавную кривую ускорения, а третий интеграл дает практически идеальную кривую подъемной силы (профиль кулачка). С такими кулачками, которые по большей части не похожи на те, что раньше проектировали «художники», исчезал шум клапанов (подъем) и подвергалась тщательному анализу эластичность клапанного механизма.
Сегодня [ когда? ] большинство кулачков имеют зеркальный (симметричный) профиль с одинаковым положительным и отрицательным ускорением при открытии и закрытии клапанов. Однако в некоторых высокоскоростных (с точки зрения оборотов двигателя) двигателях теперь используются асимметричные профили кулачков, чтобы быстро открывать клапаны и более плавно возвращать их на место, чтобы уменьшить износ. Кроме того, с конца 1940-х годов в серийных автомобилях использовались асимметричные профили кулачков, как это было в Ford V8 1948 года. [7] В этом двигателе впускной и выпускной профили имели асимметричную конструкцию. К более современным применениям асимметричных распределительных валов относятся 2,3-литровые моторы Cosworth, которые используют агрессивные профили и достигают тормозной мощности более 280 лошадиных сил. [8] Асимметричный кулачок либо открывает, либо закрывает клапаны медленнее, чем мог бы, при этом скорость ограничивается контактным напряжением Герца между изогнутым кулачком и плоским толкателем, тем самым обеспечивая более контролируемое ускорение совокупной массы возвратно-поступательных компонентов (в частности, клапан, толкатель и пружина).
Напротив, в десмодромном приводе на каждый клапан используются два кулачка, каждый с отдельным коромыслом (толкателями рычага). Максимальное ускорение клапана ограничено напряжением истирания между кулачком и толкателем и, следовательно, определяется как движущейся массой, так и площадью контакта кулачка. Максимальная жесткость и минимальное контактное напряжение лучше всего достигаются с помощью обычных плоских толкателей и пружин, напряжение подъема и закрытия которых не зависит от силы пружины; оба происходят в базовой окружности [9] , где нагрузка пружины минимальна, а радиус контакта наибольший. Изогнутые (рычажные) толкатели [10] десмодромных кулачков вызывают более высокое контактное напряжение, чем плоские толкатели при том же профиле подъема, тем самым ограничивая скорость подъема и закрытия.
В случае обычных кулачков напряжение является самым высоким при полном подъеме, при повороте на нулевой скорости (начало запуска двигателя), и уменьшается с увеличением скорости, поскольку инерционная сила клапана противодействует давлению пружины, в то время как десмодромный кулачок практически не имеет нагрузки на нулевой скорости ( при отсутствии пружин) его нагрузка полностью инерционная и поэтому увеличивается с увеличением скорости. Наибольшее инерционное напряжение приходится на наименьший радиус. Силы ускорения для любого метода увеличиваются пропорционально квадрату скорости, возникающей из-за кинетической энергии . [11]
Был проанализирован люфт клапана, и выяснилось, что он вызван в основном резонансом пружин клапана, который генерирует колеблющиеся волны сжатия между катушками, очень похоже на Slinky . Высокоскоростная фотография показала, что на определенных резонансных скоростях пружины клапана больше не соприкасались с одним или обоими концами, оставляя клапан плавающим [12] перед тем, как врезаться в кулачок при закрытии.
По этой причине сегодня [ когда? ] иногда до трех концентрических клапанных пружин вложены одна в другую; не для большей силы (внутренние не имеют значительной жесткости пружины), а для того, чтобы действовать как демпферы для уменьшения колебаний внешней пружины. [ нужна цитата ]
Раннее решение [ когда? ] колеблющейся пружинной массой была мышеловка или пружина-шпилька [13], используемая в двигателях Norton Manx [14] . Они избегали резонанса, но их было неудобно размещать внутри головок цилиндров.
Клапанные пружины, которые не резонируют, являются прогрессивными, намотанными с различным шагом или диаметром, которые по своей форме называются ульевыми пружинами [15] . Количество активных витков в этих пружинах варьируется во время хода, более близко намотанные витки находятся на статическом конце и становятся неактивными при сжатии пружины или, как в пружине улья, где витки небольшого диаметра наверху более жесткие. Оба механизма уменьшают резонанс, поскольку сила пружины и ее движущая масса меняются в зависимости от хода. Это усовершенствование конструкции пружины позволило устранить скольжение клапана , что является первоначальным стимулом для десмодромного привода клапана.
Известные примеры включают успешные гоночные автомобили Mercedes-Benz W196 и Mercedes-Benz 300 SLR и, чаще всего, современные мотоциклы Ducati .
Мотоциклы Ducati с десмодромными клапанами выиграли множество гонок и чемпионатов, в том числе чемпионаты мира по супербайку с 1990 по 1992, 1994–96, 1998–99, 2001, 2003–04, 2006, 2008 и 2011 годы. Возвращение Ducati в мотогонки Гран-при было обусловлено с десмодромным двигателем V4 объемом 990 куб.см на мотоцикле GP3 ( Desmosedici ), который впоследствии одержал несколько побед, в том числе один-два финиша на финальной гонке MotoGP с двигателем объемом 990 куб.см в Валенсии, Испания, в 2006 году. В 2007 году они, как правило, по-прежнему считаются самыми мощными двигателями в спорте и помогли Кейси Стоунеру участвовать в чемпионате MotoGP 2007 года, а Ducati — в чемпионате конструкторов на мотоцикле GP7 (Desmosedici).
Таким образом, если пренебречь всеми остальными факторами, чем быстрее можно заставить двигатель вращаться, тем больше мощности можно будет генерировать. К сожалению, по крайней мере в 1950-е годы клапанные пружины часто уставали и ломались, когда двигатели работали в течение значительных периодов времени со скоростью намного выше 8000 об / мин.
В 1910 году Герберт Остин решил построить морской двигатель, который на тот момент был очень передовым.
Он производил 300 л.с. и был установлен на катере «Ирен I», названном в честь его старшей дочери, вышедшей замуж за полковника Уэйта.
Полностью алюминиевый двухцилиндровый двигатель имел два магнето, два карбюратора и десмодронные клапаны.
{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)