Десмодромный клапан — это тарельчатый клапан поршневого двигателя , который надежно закрывается с помощью кулачка и рычажной системы, а не с помощью более традиционной пружины.
Клапаны в типичном четырехтактном двигателе пропускают смесь воздуха и топлива в цилиндр в начале цикла и выпускают отработанные 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 desmos ( δεσμός , что переводится как «связь» или «узел») и dromos ( δρόμος , «дорожка» или «путь»). Это обозначает основную характеристику клапанов, которые постоянно «привязаны» к распределительному валу.
Обычная система пружин клапанов подходит для традиционных двигателей массового производства, которые не развивают высокие обороты и имеют конструкцию, требующую минимального обслуживания. [1] В период первоначального развития десмодромных механизмов пружины клапанов 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 в пружинах клапанов, значительно увеличив их срок службы и эффективность. Однако многие пружины все равно выходили из строя при длительной работе выше 8000 об/мин. [2] Десмодромная система была разработана для решения этой проблемы, полностью устранив необходимость в пружине. Кроме того, по мере увеличения максимальных оборотов требуется более высокое усилие пружины для предотвращения смещения клапана , что приводит к увеличению пружин (с увеличенной массой пружины и, следовательно, большей инерцией), сопротивлению кулачка (поскольку пружинам клапанов требуется энергия для сжатия, что лишает двигатель мощности) и более высокому износу деталей на всех скоростях — проблемы, решаемые десмодромным механизмом.
Полностью контролируемое движение клапанов было задумано на самых ранних этапах разработки двигателей, но разработка системы, которая работала бы надежно и не была бы слишком сложной, заняла много времени. Десмодромные системы клапанов впервые упоминаются в патентах 1896 года Густава Миса. [ требуется ссылка ] Морской двигатель Остина 1910 года выдавал 300 л. с. и был установлен на скоростной катер под названием «Ирен I»; его полностью алюминиевый двигатель с двумя верхними клапанами имел два магнето, два карбюратора и десмодромные клапаны. [3] В гонках Grand Prix 1914 года Delage и Nagant (см. Pomeroy «Grand Prix Car») использовалась десмодромная система клапанов (совершенно непохожая на современную систему Ducati ). [4]
Azzariti, недолговечный итальянский производитель с 1933 по 1934 год, выпускал 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 Mercedes -Benz W196 Формулы-1 1954–1955 годов и спортивный гоночный автомобиль Mercedes-Benz 300SLR 1955 года имели десмодромный привод клапанов.
В 1956 году инженер Ducati Фабио Тальони разработал десмодромную систему клапанов для Ducati 125 Grand Prix, создав Ducati 125 Desmo.
Его цитировали:
Конкретная цель десмодромной системы — заставить клапаны соответствовать временной диаграмме как можно более последовательно. Таким образом, любая потеря энергии незначительна, кривые производительности более равномерны, а надежность выше.
Инженеры, которые пришли после него, продолжили эту разработку, и Ducati получила ряд патентов, связанных с десмодромной механикой. Десмодромный привод клапанов применялся в топовых моделях мотоциклов Ducati с 1968 года, с появлением одноцилиндровых мотоциклов Mark 3 с «широким корпусом».
В 1959 году братья Мазерати представили одну из своих последних разработок: десмодромный четырехцилиндровый двигатель объемом 2000 куб. см для своей последней модели OSCA Barchetta.
В современных двигателях отказ пружины клапана на высоких оборотах в основном устранен. Главным преимуществом десмодромной системы является предотвращение зависания клапана на высоких оборотах.
В традиционном пружинно-клапанном приводе по мере увеличения скорости двигателя инерция клапана в конечном итоге превзойдет способность пружины полностью закрыть его до того, как поршень достигнет верхней мертвой точки (ВМТ). Это может привести к нескольким проблемам. Во-первых, клапан не возвращается полностью на свое место до начала сгорания. Это позволяет преждевременно выходить газам сгорания, что приводит к снижению давления в цилиндре, что вызывает значительное снижение производительности двигателя. Это также может перегреть клапан, возможно, деформировав его и приведя к катастрофическому отказу. Во-вторых, и это самое разрушительное, поршень сталкивается с клапаном, и оба разрушаются. В двигателях с пружинно-клапанным приводом традиционным средством от поплавка клапана является усиление пружин. Это увеличивает давление седла клапана (статическое давление, которое удерживает клапан закрытым). Это полезно при более высоких скоростях двигателя из-за уменьшения вышеупомянутого поплавка клапана. Недостатком являются увеличенные силы на всех компонентах клапанного механизма и повышенное трение и связанная с этим температура и износ. Это не снижает мощность, потому что почти вся работа, затраченная на сжатие пружины, позже высвобождается, поскольку пружине позволяют разжаться.
Десмодромная система избегает некоторых недостатков пружинных клапанов, поскольку она не подвержена высоким нагрузкам, связанным со сжатием жестких пружин. Однако она все равно должна преодолевать инерцию самого 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 держателя пружины клапана. Однако десмодромная система должна иметь дело с инерцией двух коромысел на клапан, поэтому это преимущество во многом зависит от мастерства конструктора. Другим недостатком является точка контакта между кулачками и коромыслами. Относительно легко использовать роликовые толкатели в обычных клапанных механизмах, хотя это и добавляет значительную движущуюся массу. В десмодромной системе ролик был бы необходим на одном конце коромысла, что значительно увеличило бы его момент инерции и свело бы на нет его преимущество «эффективной массы». Таким образом, системы Desmo, как правило, должны иметь дело с трением скольжения между кулачком и коромыслом и, следовательно, могут иметь больший износ. Контактные точки на большинстве коромысел Ducati имеют твердое хромирование для уменьшения этого износа. Другим недостатком является сложность включения гидравлических регуляторов зазора клапанов в десмодромную систему; таким образом, требуются частые регулировки зазора клапанов (зазора). Кроме того, каждый клапан требует двух регулировок зазора — одну для открывающего коромысла и другую для закрывающего коромысла. Однако для большинства двигателей с высокими оборотами с обычными пружинными клапанными механизмами гидравлические регуляторы зазора встречаются редко, поэтому они также требуют периодических проверок и регулировок зазора клапанов.
До того, как динамика привода клапана могла быть проанализирована компьютером, [ когда? ] десмодромный привод, казалось, предлагал решения для проблем, которые ухудшались с ростом скорости двигателя. С тех пор кривые подъема, скорости, ускорения и рывка для кулачков моделировались компьютером [6], чтобы показать, что динамика кулачков не такая, какой она казалась. При надлежащем анализе проблемы, связанные с регулировкой клапана, гидравлическими толкателями , толкателями, коромыслами и, прежде всего, с поплавком клапана , стали делом прошлого без десмодромного привода.
Сегодня [ когда? ] большинство автомобильных двигателей используют верхние кулачки , приводящие в движение плоский толкатель для достижения самого короткого, 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 привода.
До того, как численные методы вычисления стали общедоступными, ускорение достигалось только путем дифференциации профилей подъема кулачка дважды, один раз для скорости и еще раз для ускорения. Это порождает так много мешанины (шума), что вторая производная (ускорение) была бесполезно неточной. Компьютеры позволили интегрировать из кривой рывка, третьей производной подъема, которая удобно представляет собой ряд смежных прямых линий, вершины которых можно настроить для получения любого желаемого профиля подъема.
Интеграция кривой рывка дает плавную кривую ускорения, в то время как третий интеграл дает по сути идеальную кривую подъема (профиль кулачка). С такими кулачками, которые в основном не похожи на те, что раньше проектировали «художники», шум клапана (отрыв) исчез, а эластичность клапанного механизма стала объектом пристального внимания.
Сегодня [ когда? ] большинство кулачков имеют зеркальные (симметричные) профили с идентичным положительным и отрицательным ускорением при открытии и закрытии клапанов. Однако некоторые высокоскоростные (с точки зрения оборотов двигателя) двигатели теперь используют асимметричные профили кулачков, чтобы быстро открывать клапаны и устанавливать их обратно в седла более плавно, чтобы уменьшить износ. Кроме того, серийные автомобили используют асимметричные профили кулачков с конца 1940-х годов, как это было показано в Ford V8 1948 года. [7] В этом двигателе как впускной, так и выпускной профили имели асимметричную конструкцию. Более современные применения асимметричных распредвалов включают 2,3-литровые двигатели Cosworth Crate, которые используют агрессивные профили для достижения 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 объединенной массы возвратно-поступательных компонентов (в частности, клапана, толкателя и пружины).
Напротив, десмодромный привод использует два кулачка на клапан, каждый с отдельным коромыслом (рычажные толкатели). Максимальное ускорение клапана ограничено напряжением заедания кулачка к толкателю и, следовательно, регулируется как движущейся массой, так и площадью контакта кулачка. Максимальная жесткость и минимальное контактное напряжение лучше всего достигаются с помощью обычных плоских толкателей и пружин, подъемное и закрывающее напряжение которых не зависит от силы пружины; оба происходят на 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 для того же профиля подъема, тем самым ограничивая скорость подъема и закрытия.
С обычными кулачками напряжение максимально при полном подъеме, при повороте на нулевой скорости (начало проворачивания двигателя), и уменьшается с увеличением скорости, поскольку инерционная сила клапана противодействует давлению пружины, в то время как десмодромный кулачок по существу не имеет нагрузки при нулевой скорости (при отсутствии пружин), его нагрузка полностью инерционна и, следовательно, увеличивается со скоростью. Его наибольшее инерционное напряжение приходится на его наименьший радиус. Силы ускорения для любого метода увеличиваются пропорционально квадрату скорости, возникающей из-за кинетической энергии . [11]
Был проанализирован поплавок клапана, и было обнаружено, что он в основном вызван резонансом в пружинах клапана, которые генерируют колебательные волны сжатия между катушками, во многом как пружина Slinky . Высокоскоростная съемка показала, что при определенных резонансных скоростях пружины клапана больше не контактируют с одним или обоими концами, оставляя клапан плавающим [12] перед тем, как врезаться в кулачок при закрытии.
По этой причине сегодня [ когда? ] иногда вкладывают друг в друга до трех концентрических пружин клапана; не для увеличения силы (внутренние не имеют значительной жесткости пружины), а для того, чтобы они действовали как демпферы для уменьшения колебаний внешней пружины. [ нужна ссылка ]
Ранним решением [ когда? ] для колеблющейся пружинной массы была мышеловка или шпильковая пружина [13], используемая в двигателях Norton Manx [14] . Они избегали резонанса, но были неудобны для размещения внутри головок цилиндров.
Клапанные пружины, которые не резонируют, являются прогрессивными, навитыми с переменным шагом или переменным диаметром, называемыми пружинами улья [15] из-за их формы. Количество активных витков в этих пружинах меняется во время хода, более плотно навитые витки находятся на статическом конце, становясь неактивными по мере сжатия пружины или как в пружине улья, где витки малого диаметра наверху более жесткие. Оба механизма уменьшают резонанс, поскольку сила пружины и ее движущаяся масса изменяются с ходом. Это достижение в конструкции пружины устранило поплавок клапана , первоначальный импульс для десмодромного привода клапана.
Известными примерами являются успешные гоночные автомобили Mercedes-Benz W196 и Mercedes-Benz 300 SLR, а также, чаще всего, современные мотоциклы Ducati .
Мотоциклы Ducati с десмодромными клапанами выиграли множество гонок и чемпионатов, включая чемпионаты мира по супербайку с 1990 по 1992, 1994–96, 1998–99, 2001, 2003–04, 2006, 2008 и 2011 годы. Возвращение Ducati в гонки Гран-при по мотокроссу было осуществлено с помощью десмодромного двигателя V4 объемом 990 куб. см на мотоцикле GP3 ( Desmosedici ), который впоследствии одержал несколько побед, включая первое и второе место в финальной гонке MotoGP в классе 990 куб. см в Валенсии, Испания, в 2006 году. С началом эры 800 куб. см в 2007 году они, как правило, по-прежнему считаются самыми мощными двигателями в этом виде спорта и помогли Кейси Стоунеру победить в чемпионате MotoGP 2007 года, а Ducati — в Кубок конструкторов на мотоцикле GP7 (Desmosedici).
Таким образом, пренебрегая всеми другими факторами, чем быстрее можно заставить двигатель вращаться, тем больше мощности можно выработать. К сожалению, по крайней мере до 1950-х годов клапанные пружины часто уставали и ломались, когда двигатели работали в течение значительных периодов времени со скоростью, намного превышающей 8000 об/мин.
В 1910 году Герберт Остин решил построить морской двигатель, который в то время был очень передовым. Он выдавал 300 л. с. и был установлен на скоростном катере под названием "Irene I", который был назван в честь его старшей дочери, вышедшей замуж за полковника Уэйта. Полностью алюминиевый двухклапанный двигатель OHV имел два магнето, два карбюратора и десмодронные клапаны.