Тарельчатый клапан ( также иногда называемый грибовидным клапаном [1] ) — это клапан, который обычно используется для управления временем и количеством бензина (газа) или потока пара в двигатель или из него, но имеет и множество других применений.
Он состоит из отверстия или камеры с открытым концом, обычно круглого или овального сечения, и заглушки, обычно в форме диска на конце вала, известной как шток клапана. Рабочий конец этой заглушки, торец клапана, обычно шлифуется под углом 45° для уплотнения соответствующего седла клапана, притертого к краю уплотняемой камеры. Вал проходит через направляющую клапана , поддерживая его соосность.
Перепад давления по обе стороны клапана может способствовать или ухудшать его работу. В системах выхлопа более высокое давление на клапан помогает его герметизировать, а в системах впуска более низкое давление помогает его открыть.
Тарельчатый клапан был изобретен в 1833 году американцем ЕАГ Янгом из Ньюкаслской и Френчтаунской железной дороги . Янг запатентовал свою идею, но пожар в Патентном бюро 1836 года уничтожил все записи о ней. [2]
Слово « кукла » разделяет этимологию со словом « марионетка »: оно происходит от среднеанглийского popet («юноша» или «кукла»), от среднефранцузского poupette , которое является уменьшительным от poupée . Использование слова «тарелка» для описания клапана происходит от того же слова, которое применяется к марионеткам , которые, как и тарельчатый клапан, движутся телесно в ответ на удаленное движение, передаваемое линейно. [3] [4] В прошлом «марионеточный клапан» был синонимом тарельчатого клапана ; [5] [6] Однако такое использование слова «марионетка» устарело.
Тарельчатый клапан отличается как от золотниковых, так и от качающихся клапанов. Вместо того, чтобы скользить или покачиваться по седлу, чтобы открыть порт, тарельчатый клапан поднимается с седла, совершая движение, перпендикулярное плоскости порта. Основным преимуществом тарельчатого клапана является то, что он не перемещается по седлу и поэтому не требует смазки. [7]
В большинстве случаев полезно иметь «сбалансированную тарелку» в клапане прямого действия. Для перемещения тарелки требуется меньше силы, поскольку все силы, действующие на тарелку, сводятся на нет равными и противоположными силами. Соленоидная катушка должна противодействовать только силе пружины. [8]
Тарельчатые клапаны наиболее известны благодаря использованию в двигателях внутреннего сгорания и паровых двигателях, но также используются в пневматических и гидравлических схемах общего назначения, где требуется импульсное управление потоком. При необходимости пульс можно контролировать с помощью комбинации перепада давления и нагрузки пружины.
Клапаны Presta и Schrader, используемые на пневматических шинах , являются примерами тарельчатых клапанов. Клапан Presta не имеет пружины, и его открытие и закрытие во время накачивания осуществляется за счет перепада давления.
Тарельчатые клапаны широко используются при запуске торпед с подводных лодок . Многие системы используют сжатый воздух для вытеснения торпеды из аппарата , а тарельчатый клапан восстанавливает большое количество этого воздуха (вместе со значительным количеством морской воды), чтобы уменьшить характерное облако пузырьков, которое в противном случае могло бы выдать лодку. подводное положение. [9]
Тарельчатые клапаны используются в большинстве поршневых двигателей для регулирования потока впускных и выхлопных газов через головку блока цилиндров в камеру сгорания . Сторона тарельчатого клапана, которая находится внутри камеры сгорания, представляет собой плоский диск, а другая сторона сужается от формы диска до тонкого цилиндрического стержня, называемого «штоком клапана».
В типичных современных двигателях массового производства клапаны цельные и изготовлены из стальных сплавов . Однако в некоторых двигателях для улучшения теплопередачи используются полые клапаны, заполненные натрием .
Во многих современных двигателях используется алюминиевая головка блока цилиндров. Хотя это обеспечивает лучшую теплопередачу, требует использования стальных вставок седла клапана ; в старых чугунных головках цилиндров седла клапанов часто являются частью головки блока цилиндров. Вокруг стержня клапана имеется зазор размером 0,4–0,6 мм (0,016–0,024 дюйма), поэтому для предотвращения попадания масла во впускной коллектор и камеру сгорания используется сальник стержня 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 с клапанами существовало две основные проблемы, обе из которых были решены благодаря усовершенствованиям современной металлургии . Во-первых, в ранних двигателях внутреннего сгорания высокая степень износа клапанов означала, что требовалась регулярная перешлифовка клапанов . Во-вторых, с 1920-х годов в бензин (бензин) использовались присадки, содержащие свинец , для предотвращения детонации двигателя и обеспечения смазки клапанов. Современные материалы для клапанов (например, нержавеющая сталь) и седел клапанов (например, стеллит ) позволили к середине 1990-х годов отказаться от использования этилированного бензина во многих промышленно развитых странах.
Выпускные клапаны подвергаются воздействию очень высоких температур, а в приложениях с очень высокими эксплуатационными характеристиками могут иметь натриевое охлаждение. 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. Распространен в поршневых двигателях времен Второй мировой войны, сейчас встречается только в высокопроизводительных двигателях. [10]
В ранних двигателях 1890-х и 1900-х годов использовался «автоматический» впускной клапан, который открывался за счет вакуума в камере сгорания и закрывался легкой пружиной. Выпускной клапан должен был иметь механический привод, чтобы открыть его против давления в цилиндре. Использование автоматических клапанов упростило механизм, но поплавок клапана ограничивал скорость, с которой мог работать двигатель, и примерно к 1905 году впускные клапаны с механическим управлением все чаще применялись в двигателях транспортных средств.
Механическое действие обычно осуществляется путем нажатия на конец штока клапана, при этом для возврата клапана в закрытое положение обычно используется пружина. При высоких оборотах двигателя ( об/мин ) вес клапанного механизма означает, что пружина клапана не может закрыть клапан достаточно быстро, что приводит к его плаванию или подпрыгиванию клапана . В десмодромных клапанах используется второй коромысло для механического закрытия клапанов (вместо использования клапанных пружин) и иногда используется, чтобы избежать всплывания клапана в двигателях, работающих на высоких оборотах.
В большинстве двигателей массового производства распределительный вал (ы) управляет открытием клапанов посредством нескольких промежуточных механизмов (таких как толкатели , роликовые коромысла и толкатели клапанов ). Форма кулачков на распределительном валу влияет на подъем клапанов и определяет момент открытия клапанов.
В ранних двигателях с плоской головкой (также называемых двигателями с L-образной головкой ) клапаны располагались рядом с цилиндром (ами) в «перевернутой» ориентации параллельно цилиндру. [11] Хотя эта конструкция была упрощена и дешева, 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 большой нагрузке. Конструкция с плоской головкой превратилась в двигатель с системой впуска над выпуском (IOE) , который использовался во многих ранних мотоциклах и некоторых автомобилях. В двигателе IOE впускные клапаны располагались непосредственно над цилиндром (как и в более поздних двигателях с верхним расположением клапанов ), однако выпускной клапан остается рядом с цилиндром в перевернутом положении.
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, при этом впускной и выпускной клапаны расположены непосредственно над цилиндром (при этом распределительный вал расположен в нижней части цилиндра). двигатель). В свою очередь, в период с 1950-х по 1980-е годы двигатели OHV в значительной степени были заменены двигателями с верхним расположением распределительного вала (OHC) . Расположение клапанов в двигателях с верхним расположением клапанов и верхним расположением клапанов в целом одинаковое, однако в двигателях с верхним расположением клапанов распределительный вал расположен в верхней части двигателя с клапанами, а двигатели с верхним расположением клапанов часто имеют больше клапанов на цилиндр. Большинство двигателей с верхним расположением клапанов имеют дополнительный впускной и дополнительный выпускной клапан на цилиндр (четырехклапанная головка блока цилиндров) по сравнению с конструкцией с двумя клапанами на цилиндр, используемой в большинстве двигателей с верхним расположением клапанов. Однако в некоторых двигателях с верхним расположением клапанов используется три или пять клапанов на цилиндр.
Джеймс Уатт использовал тарельчатые клапаны для управления потоком пара в цилиндры своих лучевых двигателей в 1770-х годах. Изображение в разрезе лучевого двигателя Уатта 1774 года, использующего это устройство, можно найти в Thurston 1878:98, [13] , а Ларднер (1840) дает иллюстрированное описание использования Уаттом тарельчатого клапана. [14]
При использовании в приложениях с высоким давлением, например, в качестве впускных клапанов паровых двигателей, то же давление, которое помогает герметизировать тарельчатые клапаны, также вносит значительный вклад в усилие, необходимое для их открытия. Это привело к разработке сбалансированного тарельчатого или двухходового клапана , в котором два плунжера клапана вращаются на общем штоке, при этом давление на один плунжер в значительной степени уравновешивает давление на другой. [15] [16] В этих клапанах сила, необходимая для открытия клапана, определяется давлением и разницей между площадями двух отверстий клапана. В 1842 году компания Sickels запатентовала клапанный механизм для двухходовых тарельчатых клапанов. В 1889 году в журнале Science сообщалось о критике равновесных тарельчатых клапанов (названных в статье «двойным или сбалансированным или американским марионеточным клапаном»), используемых в лопастных пароходных двигателях. что по своей природе он должен пропускать 15 процентов. [17]
Тарельчатые клапаны использовались на паровозах , часто в сочетании с клапанным механизмом Ленца или Капротти . Британские примеры включают:
Компания Sentinel Waggon Works использовала тарельчатые клапаны в своих паровозах и паровозах. Реверс достигался с помощью простой системы скользящего распределительного вала .
Многие локомотивы во Франции, особенно те, которые были перестроены по проектам Андре Шапелона, 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 дуплексных локомотивах T1 Американской Пенсильванской железной дороги , хотя клапаны обычно выходили из строя, поскольку локомотивы обычно эксплуатировались со скоростью, превышающей 160 км/ч (100 миль в час), а клапаны не были рассчитаны на нагрузки такие скорости. Тарельчатые клапаны также придавали локомотиву характерный «пыхтящий» звук.
2200 — 3600 об/мин.