Тарельчатый клапан (иногда его также называют грибовидным клапаном [1] ) — это клапан, который обычно используется для управления временем и количеством бензина (газа) или пара, поступающего в двигатель или выходящего 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]
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 тарельчатого клапана ; [5] [6] однако, такое использование «puppet» теперь устарело.
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]
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».
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 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]
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 механически приводиться в действие, 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.
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 в более поздних двигателях 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.
Джеймс Уатт использовал тарельчатые клапаны для управления потоком пара в цилиндры своих лучевых двигателей в 1770-х годах. Иллюстрация в разрезе 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. Сиккельс 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 двигателей гребных пароходов, что по своей природе они должны пропускать 15 процентов. [17]
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 двухсекционных 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.
RPM 2200 — 3600