stringtranslate.com

тарельчатый клапан

Тарельчатые клапаны с пружинами клапанов, цангами стержней клапанов и сальниками

Тарельчатый клапан (иногда его также называют грибовидным клапаном [1] ) — это клапан, который обычно используется для управления временем и количеством потока бензина (газа) или паров в двигатель или из него, но имеет и множество других применений.

Он состоит из отверстия или камеры с открытым концом, обычно круглой или овальной в поперечном сечении, и заглушки, обычно в форме диска на конце вала, известного как шток клапана. Рабочий конец этой заглушки, лицевая поверхность клапана, обычно шлифуется под углом 45° для уплотнения соответствующего седла клапана, шлифованного в ободок герметизируемой камеры. Вал проходит через направляющую клапана для поддержания его выравнивания.

Перепад давления по обе стороны клапана может способствовать или ухудшать его работу. В выхлопных системах более высокое давление на клапан помогает его герметизировать, а в впускных системах более низкое давление помогает его открыть.

Тарельчатый клапан был изобретен в 1833 году американцем И. А. Г. Янгом из Newcastle and Frenchtown Railroad . Янг запатентовал свою идею, но пожар в патентном бюро 1836 года уничтожил все записи о ней. [2]

Этимология

Слово poppet имеет общую этимологию с « puppet »: оно происходит от среднеанглийского popet («юноша» или «кукла»), от среднефранцузского poupette , которое является уменьшительным от poupée . Использование слова poppet для описания клапана происходит от того же слова, применяемого к марионеткам , которые, как и тарельчатый клапан, двигаются телом в ответ на дистанционное движение, передаваемое линейно. [3] [4] В прошлом «puppet valve» было синонимом poppet valve ; [5] [6] однако, такое использование «puppet» теперь устарело.

Дизайн

Поршневой двигатель с автоматически активируемым впускным клапаном (красный) и выпускным клапаном, активируемым кулачком (синий)

Тарельчатый клапан отличается как от скользящих, так и от качающихся клапанов. Вместо того, чтобы скользить или качаться по седлу, чтобы открыть порт, тарельчатый клапан поднимается из седла движением, перпендикулярным плоскости порта. Главное преимущество тарельчатого клапана заключается в том, что он не имеет движения на седле, поэтому не требует смазки. [7]

В большинстве случаев выгодно иметь «сбалансированную тарелку» в клапане прямого действия. Для перемещения тарелки требуется меньшее усилие, поскольку все силы на тарелке аннулируются равными и противоположными силами. Соленоидная катушка должна противодействовать только силе пружины. [8]

Тарельчатые клапаны наиболее известны по их использованию в двигателях внутреннего сгорания и паровых двигателях, но используются в общих пневматических и гидравлических контурах, где требуется импульсное управление потоком. Импульс может контролироваться комбинацией дифференциального давления и нагрузки пружины по мере необходимости.

Примерами тарельчатых клапанов являются клапаны Presta и Schrader, используемые в пневматических шинах . Клапан Presta не имеет пружины и использует 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 извлекает большое количество этого воздуха (вместе со значительным количеством морской воды) для того, чтобы уменьшить предательское облако пузырьков, которое в противном случае могло бы выдать подводное положение лодки. [9]

Использование в двигателях внутреннего сгорания

Тарельчатые клапаны в типичном двигателе с верхним распределительным валом

Тарельчатые клапаны используются в большинстве поршневых двигателей для управления потоком впускных и выпускных газов через головку цилиндра и в камеру сгорания . Сторона тарельчатого клапана, которая находится внутри камеры сгорания, представляет собой плоский диск, в то время как другая сторона сужается от формы диска к тонкому цилиндрическому стержню, называемому «шток клапана».

Материалы и долговечность

В типичных современных двигателях массового производства клапаны сплошные и изготовлены из стальных сплавов . Однако в некоторых двигателях используются полые клапаны, заполненные натрием , для улучшения теплопередачи .

Во многих современных двигателях используется алюминиевая головка блока цилиндров. Хотя это обеспечивает лучшую теплопередачу, это требует использования стальных вставок седел клапанов ; в старых чугунных головках блока цилиндров седла клапанов часто являются частью головки блока цилиндров. Вокруг штока клапана имеется зазор 0,4–0,6 мм (0,016–0,024 дюйма), поэтому для предотвращения попадания масла во впускной коллектор и камеру сгорания используется сальник штока клапана . Обычно используется резиновое манжетное уплотнение. Распространенным признаком изношенных направляющих клапанов и/или неисправных сальников является клуб синего дыма из выхлопной трубы в моменты повышенного вакуума во впускном коллекторе , например, при резком закрытии дроссельной заслонки.

Исторически сложилось так, что у клапанов было две основные проблемы, обе из которых были решены за счет усовершенствований в современной металлургии . Первая заключалась в том, что в ранних двигателях внутреннего сгорания высокие скорости износа клапанов означали, что требовалась регулярная переточка клапанов. Во-вторых, свинцовые добавки использовались в бензине с 1920-х годов для предотвращения стука двигателя и обеспечения смазки клапанов. Современные материалы для клапанов (например, нержавеющая сталь) и седел клапанов (например, стеллит ) позволили отказаться от этилированного бензина во многих промышленно развитых странах к середине 1990-х годов.

Выпускные клапаны с натриевым охлаждением

Выпускные клапаны подвергаются воздействию очень высоких температур и в экстремально высокопроизводительных приложениях могут охлаждаться натрием . Клапан полый и заполнен натрием, который плавится при относительно низкой температуре и в жидком состоянии отводит тепло от горячей головки клапана к штоку, откуда оно может передаваться к головке цилиндра. Распространено в поршневых двигателях Второй мировой войны, теперь встречается только в высокопроизводительных двигателях. [10]

Метод приведения в действие

Ранние двигатели в 1890-х и 1900-х годах использовали «автоматический» впускной клапан, который открывался вакуумом в камере сгорания и закрывался легкой пружиной. Выпускной клапан должен был приводиться в действие механически, чтобы открыться против давления в цилиндре. Использование автоматических клапанов упростило механизм, но поплавок клапана ограничивал скорость, с которой мог работать двигатель, и примерно к 1905 году механически управляемые впускные клапаны все чаще применялись для двигателей транспортных средств.

Механическое управление обычно осуществляется путем нажатия на конец штока клапана, при этом для возврата клапана в закрытое положение обычно используется пружина. При высоких оборотах двигателя ( RPM ) вес клапанного механизма означает , что пружина клапана не может закрыть клапан достаточно быстро, что приводит к поплавку клапана или подпрыгиванию клапана . Десмодромные клапаны используют второе коромысло для механического закрытия клапанов (вместо использования пружин клапана) и иногда используются для предотвращения поплавка клапана в двигателях, работающих на высоких оборотах.

В большинстве двигателей массового производства распределительный вал (ы) управляет открытием клапанов через несколько промежуточных механизмов (таких как толкатели , роликовые коромысла и толкатели клапанов ). Форма кулачков на распределительном валу влияет на подъем клапана и определяет момент открытия клапанов.

Количество и расположение клапанов

Ранние двигатели с плоской головкой (также называемые двигателями с L-образной головкой ) имели клапаны, расположенные рядом с цилиндром(ами), в «перевернутой» ориентации параллельно цилиндру. [11] Хотя эта конструкция была сделана для упрощенной и дешевой конструкции, извилистый путь впускных и выхлопных газов имел серьезные недостатки для воздушного потока, что ограничивало обороты двигателя [12] и могло привести к перегреву блока двигателя при длительной высокой нагрузке. Конструкция с плоской головкой эволюционировала в двигатель с впуском над выпуском (IOE) , используемый во многих ранних мотоциклах и нескольких автомобилях. В двигателе IOE впускные клапаны были расположены непосредственно над цилиндром (как и более поздние двигатели с верхним расположением клапанов ), однако выпускной клапан оставался рядом с цилиндром в перевернутой ориентации.

Эти конструкции были в значительной степени заменены двигателем с верхним расположением клапанов (OHV) в период с 1904 года до конца 1960-х/начала-середины 1970-х годов, в котором впускные и выпускные клапаны расположены непосредственно над цилиндром (с распределительным валом, расположенным в нижней части двигателя). В свою очередь, двигатели OHV были в значительной степени заменены двигателями с верхним расположением распределительного вала (OHC) в период с 1950-х по 1980-е годы. Расположение клапанов в целом одинаково у двигателей OHV и OHC, однако в двигателях OHC распределительный вал расположен в верхней части двигателя с клапанами, и двигатели OHC часто имеют больше клапанов на цилиндр. Большинство двигателей OHC имеют дополнительный впускной и дополнительный выпускной клапан на цилиндр (четырехклапанная головка цилиндра) по сравнению с конструкцией двух клапанов на цилиндр, используемой большинством двигателей OHV. Однако некоторые двигатели OHC использовали три или пять клапанов на цилиндр.

Использование в паровых двигателях

Сбалансированный тарельчатый клапан из патента США 339 809. Пар высокого давления входит в A и выходит в B. Шток клапана D движется вверх, открывая диски клапана C.

Джеймс Уатт использовал тарельчатые клапаны для управления потоком пара в цилиндры своих лучевых двигателей в 1770-х годах. Разрезная иллюстрация лучевого двигателя Уатта 1774 года, использующего это устройство, находится в Thurston 1878:98, [13] а Ларднер (1840) дает иллюстрированное описание использования Уаттом тарельчатого клапана. [14]

При использовании в приложениях высокого давления, например, в качестве впускных клапанов на паровых двигателях, то же самое давление, которое помогает герметизировать тарельчатые клапаны, также вносит значительный вклад в усилие, необходимое для их открытия. Это привело к разработке сбалансированного тарельчатого или двухтактного клапана , в котором два плунжера клапана движутся на общем штоке, причем давление на один плунжер в значительной степени уравновешивает давление на другой. [15] [16] В этих клапанах усилие, необходимое для открытия клапана, определяется давлением и разницей между площадями двух клапанных отверстий. Сикельс запатентовал клапанный механизм для двухтактных тарельчатых клапанов в 1842 году. В журнале Science в 1889 году была опубликована критика равновесных тарельчатых клапанов (названных в статье «двойным или сбалансированным или американским кукольным клапаном»), используемых для лопастных пароходных двигателей, что по своей природе они должны пропускать 15 процентов. [17]

Качающийся тарельчатый клапан на одном из восстановленных локомотивов 4-6-2 компании Chapelon .

Тарельчатые клапаны использовались на паровозах , часто в сочетании с клапанным механизмом Lentz или Caprotti . Британские примеры включают:

Sentinel Waggon Works использовала тарельчатые клапаны в своих паровых вагонах и паровозах. Реверсирование достигалось простой системой скользящего кулачкового вала .

На многих локомотивах во Франции, особенно на тех, которые были перестроены по проекту Андре Шапелона, например, на SNCF 240P , использовались тарельчатые клапаны Ленца с качающимся кулачком, которые управлялись клапанным механизмом Вальшарта, которым уже были оснащены локомотивы.

Тарельчатый клапан также использовался на двухрядных локомотивах T1 Американской Пенсильванской железной дороги , хотя клапаны часто выходили из строя, поскольку локомотивы обычно эксплуатировались на скорости свыше 160 км/ч (100 миль/ч), а клапаны не были рассчитаны на нагрузки таких скоростей. Тарельчатые клапаны также придавали локомотиву характерный «пыхтящий» звук.

Смотрите также

Ссылки

  1. AL Dyke (1921), Dyke's Automobile and Gasoline Encyclopedia, Сент-Луис, AL Dyke, архивировано с оригинала 2016-06-11
  2. ^ Уайт, Джон Х. (1979). История американского локомотива . Северный Челмсфорд, Массачусетс: Courier Corporation. стр. 145.
  3. ^ "Poppet at Merriam-Webster". Merriam-webster.com. Архивировано из оригинала 2011-10-17 . Получено 2011-12-06 .
  4. ^ "Puppet at Merriam-Webster". Merriam-webster.com. Архивировано из оригинала 2012-01-12 . Получено 2011-12-06 .
  5. ^ "Кукольный клапан из словаря Вебстера 1913 года". Websters-online-dictionary.org. Архивировано из оригинала 21-02-2006 . Получено 06-12-2011 .
  6. ^ "Патент США № 339809, "Кукольный клапан", выдан 13 апреля 1886 г.". Patimg1.uspto.gov. Архивировано из оригинала 10 января 2017 г. Получено 06.12.2011 .
  7. ^ Фессенден, Чарльз Х. (1915). Valve Gears. Нью-Йорк: McGraw Hill. С. 159–168. Архивировано из оригинала 2016-06-03.
  8. ^ Валь, Филипп (2013). Поршневые золотниковые клапаны и тарельчатые клапаны. Эсслинген: Festo AG & Co. KG.
  9. ВМС США (февраль 2009 г.). Руководство по торпедным аппаратам. ISBN 9781935327639– через Google Книги.
  10. ^ Кэмерон, Кевин (22 апреля 2020 г.). «Некоторые факты о натриевых клапанах». Cycle World . Octane Media, LLC . Получено 9 июля 2023 г. .
  11. ^ "fsoc". fsoc . Архивировано из оригинала 18 марта 2018 . Получено 24 апреля 2018 .
  12. ^ "A Handy Guide to Clinton Engines" (PDF) . 1956. стр. 2. Архивировано (PDF) из оригинала 3 октября 2015 г. Получено 2 октября 2015 г. RPM 2200 — 3600
  13. ^ Терстон, Р. Х. (1878). История развития парового двигателя. Нью-Йорк: Appleton & Co., стр. 98.
  14. ^ Ларднер, Дионисий (1840). Паровой двигатель объяснен и проиллюстрирован. Лондон: Тейлор и Уолтон. С. 189–91. Архивировано из оригинала 2013-10-04.
  15. Жак Мошли, Клапан и клапанный механизм для локомотивов и других двигателей, патент США 1,824,830, выдан 29 сентября 1931 г.
  16. Герман Г. Мюллер, Клапан парового двигателя, патент США 1,983,803, выдан 11 декабря 1934 года.
  17. Критика Э. Н. Дикерсона в лекции в Электрическом клубе Нью-Йорка 17/01/1889, опубликованная в журнале Science, том 13, № 314, 8 февраля 1889 г., стр. 95, sciencemag.org