Пластинчатый клапан

Пластинчатые клапаны — это тип обратных клапанов , которые ограничивают поток жидкости в одном направлении, открываясь и закрываясь при изменении давления на каждой стороне. Современные версии часто состоят из гибкого металла или композитных материалов ( стекловолокно или углеродное волокно ).

Приложения

Традиционный

Пластинчатые клапаны, обычно представляющие собой клапан , закрывающий отверстие, являются одной из первых форм автоматического регулирования потока жидкостей газов и кожаный . Они использовались в течение тысяч лет в водяных насосах и в течение сотен лет в сильфонах для высокотемпературных кузниц и музыкальных инструментах, таких как церковные органы и аккордеоны . В природе сердечные клапаны работают схожим образом.

Насосы

Пластинчатые клапаны используются в некоторых конструкциях поршневых компрессоров, а также в нагнетательном элементе некоторых музыкальных инструментов, больших и малых.

Двухтактные двигатели

Пластинчатые клапаны обычно используются в высокопроизводительных версиях двухтактных двигателей , где они регулируют подачу топливно-воздушной смеси в цилиндр. создается вакуум Когда поршень поднимается в цилиндре, в картере под поршнем . Возникающий перепад давления открывает клапан, и топливно-воздушная смесь поступает в картер. Когда поршень опускается, он повышает давление в картере, заставляя клапан закрываться, чтобы удерживать смесь и создавать в ней давление для ее окончательной передачи в камеру сгорания . ^[1] Шведская мотоциклетная компания Husqvarna произвела двухтактный одноцилиндровый двигатель объемом 500 куб.см с впускным клапаном, управляемым пластинчатым клапаном, один из самых мощных в использовании этой схемы. Пластинчатые клапаны в двухтактных двигателях размещаются во впускных каналах, а также в управлении впуском в полость коленчатого вала.

Композитные материалы предпочтительны в гоночных двигателях, особенно в картинге , поскольку жесткость лепестков можно легко настроить и они относительно безопасны при выходе из строя. Удар на высокой скорости отрицательно сказывается на всех лепестковых клапанах, при этом металлические клапаны устают . Физическая инерция лепестковых клапанов означает, что они не так точны в работе, как поворотные клапаны . Двигатель с поворотным клапаном может работать лучше, чем двигатель с пластинчатым клапаном в небольшом диапазоне оборотов, но двигатель с пластинчатым клапаном часто работает лучше в более широком диапазоне оборотов. . Более сложные конструкции частично решают эту проблему за счет создания многоступенчатых язычков с меньшими и более отзывчивыми язычками внутри более крупных, которые обеспечивают больший объем на более поздних стадиях цикла. Тем не менее, современная технология отдает предпочтение лепестковым клапанам почти полностью исключая поворотные клапаны из-за их простоты, низких затрат на внедрение и меньшей массы вращения.

Роторные двигатели внутреннего сгорания Ванкеля

Yanmar Diesel , японский производитель двигателей, был пионером в внедрении пластинчатых клапанов для регулирования потока во впускных отверстиях своих небольших двигателей Ванкеля , продемонстрировав улучшение крутящего момента и производительности на низких оборотах и при частичной нагрузке двигателя. Toyota обнаружила преимущества впрыска свежего воздуха в выпускное отверстие Wankel RCE, а также использовала пластинчатый клапан в прототипах, где они тестировали концепцию SCRE ( роторный двигатель со стратифицированным зарядом ). Однако такая конструкция впускного канала так и не дошла до производственной линии RCE автомобильного размера. По словам Дэвида В. Гарсайда, который разработал линейку мотоциклов Norton с двигателями Ванкеля, данные других производителей RCE указывают на то, что лепестковые клапаны действительно улучшают характеристики на низких оборотах и при частичной нагрузке, но снижают выходную мощность двигателя на высоких оборотах. особенность считается неудобной для мотоциклетных двигателей.

Импульсные форсунки

Пластинчатые клапаны используются в дешевом, но неэффективном импульсном реактивном двигателе , таком как тот, который используется в двигателе Argus As 014 в немецком Фау-1 (летающей бомбе) . Клапаны в передней части цилиндрического двигателя открываются из-за низкого давления в камере сгорания, вызванного резонансом столба воздуха в двигателе, топливо впрыскивается в камеру сгорания и воспламеняется горячими газами сгорания предыдущего цикла. Как только заряд расширился и почти покинул двигатель, давление внутри снова падает до значений ниже атмосферного, и лепестковый клапан пропускает свежий воздух, и цикл повторяется. Некоторое давление набегающего воздуха из-за движения вперед помогает продувать и наполнять камеру сгорания новым, свежим воздухом, тем самым улучшая мощность двигателя на более высоких оборотах.

Проектирование и моделирование

Пластинчатые клапаны спроектированы с учетом градиента давления и массового расхода . ^[2] Градиент давления используется для оценки подъема клапана в открытом состоянии; подъемная сила и общая геометрия компонента (с учетом также коэффициента потери давления) затем используются для расчета массового расхода. Для высокоскоростных применений (компрессоры и двигатели) необходимо учитывать динамический отклик. Простой подход состоит в оценке первого собственного значения , которое сравнивается с частотой возбуждения. Конструкция лепестковых клапанов может быть уточнена с помощью моделирования. Динамика лепестков ^[3] может быть изучен без учета связи между жидкостью и конструкцией: в этом случае эволюция структурной части моделируется с использованием моделей с сосредоточенными параметрами или моделей FEM, коэффициенты расхода при различном подъеме клапана оцениваются с помощью экспериментов или моделирования CFD. Для изучения всей системы необходима интегрированная модель взаимодействия жидкости и конструкции .

См. также

Ссылки

^ Институт механики мотоциклов, Полное руководство по механике мотоциклов , 1984, стр. 79-80, Прентис-Холл, Инк., ISBN 0-13-160549-6
^ Гордон П. Блэр, Базовая конструкция двухтактных двигателей , 1990, Общество автомобильных инженеров Inc., ISBN 1-56091-008-9
^ Р. Бодий; МЭ Бьянколини; Э. Моттола (2009). «Нелинейное моделирование динамики лепесткового клапана». Международный журнал моделирования и тестирования транспортных систем . 4 (3): 150–184. дои : 10.1504/IJVSMT.2009.029387 .

Дальнейшее чтение

Ирвинг, ЧП (1967). Двухтактные силовые агрегаты . Лондон: Джордж Ньюнс.

[1] Институт механики мотоциклов, Полное руководство по механике мотоциклов , 1984, стр. 79-80, Прентис-Холл, Инк., ISBN 0-13-160549-6

[2] Гордон П. Блэр, Базовая конструкция двухтактных двигателей , 1990, Общество автомобильных инженеров Inc., ISBN 1-56091-008-9

[3] Р. Бодий; МЭ Бьянколини; Э. Моттола (2009). «Нелинейное моделирование динамики лепесткового клапана». Международный журнал моделирования и тестирования транспортных систем . 4 (3): 150–184. дои : 10.1504/IJVSMT.2009.029387 .

[1]

[2]

[3]