Тарельчатый клапан
( Тарельчатый клапан также иногда называемый грибовидным клапаном) [1] ) — это клапан, который обычно используется для управления моментом 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 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 на обеих сторонах 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 ведомстве 1836 года уничтожил все записи о ней. [2]
Этимология
[ редактировать ]Слово « кукла » разделяет этимологию со словом « марионетка »: оно происходит от среднеанглийского popet («юноша» или «кукла»), от среднефранцузского poupette , уменьшительного слова 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.
Дизайн
[ редактировать ]
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.
Presta и Клапаны 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]
Использование в двигателях внутреннего сгорания.
[ редактировать ]
 | Этот раздел нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( март 2022 г. ) |
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».
Материалы и долговечность
[ редактировать ]В типичных современных двигателях массового производства клапаны цельные и изготовлены из стальных сплавов . заполненные натрием используются полые клапаны , Однако в некоторых двигателях для улучшения теплопередачи .
Во многих современных двигателях используется алюминиевая головка блока цилиндров. Хотя это обеспечивает лучшую теплопередачу, для этого необходимо седла клапана использовать стальные вставки ; 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 сальник для предотвращения попадания масла во впускной коллектор и камеру сгорания используется 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, когда дроссельная заслонка резко закрывается.
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, присадки, содержащие свинец с 1920-х годов в бензин (бензин) использовались , 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 с натриевым охлаждением
[ редактировать ]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]
Метод срабатывания
[ редактировать ]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 для предотвращения 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.
Количество и расположение клапанов
[ редактировать ]
В ранних двигателях с плоской головкой (также называемых двигателями с L-образной головкой ) клапаны располагались рядом с цилиндром (цилиндрами) 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 может 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 по конец 1960-х / начало-середину 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.
Использование в паровых двигателях
[ редактировать ]
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 у Терстона 1878:98, [13] и 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 площадей 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 Ленца или клапанным механизмом Капротти . Британские примеры включают:
- ЛНЭР Класс B12
- ЛНЭР Класс D49
- ЛНЭР Класс P2
- LMS Станье Класс 5 4-6-0
- Стандарт БР 5 класса
- Стандартный класс BR 8 71000 Герцог Глостерский .
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 Американской Пенсильванской железной дороги , T1 дуплексных локомотивах 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.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ А.Л. Дайк (1921), Энциклопедия автомобилей и бензина Дайка , Сент-Луис, А.Л. Дайк, заархивировано из оригинала 11 июня 2016 г.
- ^ Уайт, Джон Х. (1979). История американского локомотива . Норт-Челмсфорд, Массачусетс: Курьерская корпорация. п. 145.
- ^ « Кукла в Мерриам-Вебстере» . Merriam-webster.com. Архивировано из оригинала 17 октября 2011 г. Проверено 6 декабря 2011 г.
- ^ « Марионетка в Мерриам-Вебстере» . Merriam-webster.com. Архивировано из оригинала 12 января 2012 г. Проверено 6 декабря 2011 г.
- ^ « Кукольный клапан из словаря Вебстера 1913 года» . Websters-online-dictionary.org. Архивировано из оригинала 21 февраля 2006 г. Проверено 6 декабря 2011 г.
- ^ «Патент США № 339809 «Кукольный клапан», выдан 13 апреля 1886 г.» . Patimg1.uspto.gov. Архивировано из оригинала 10 января 2017 года . Проверено 6 декабря 2011 г.
- ^ Фессенден, Чарльз Х. (1915). Клапанные шестерни . Нью-Йорк: МакГроу Хилл. стр. 159–168 . Архивировано из оригинала 3 июня 2016 г.
- ^ Валь, Филипп (2013). Поршневые золотниковые клапаны и тарельчатые клапаны . Эсслинген: Festo AG & Co. KG.
- ^ ВМС США (февраль 2009 г.). Руководство по торпедному аппарату . ISBN 9781935327639 – через Google Книги.
- ^ Кэмерон, Кевин (22 апреля 2020 г.). «Некоторые факты о клапанах, наполненных натрием» . Циклический мир . Октан Медиа, ООО . Проверено 9 июля 2023 г.
- ^ "фсоц" . фсоц . Архивировано из оригинала 18 марта 2018 года . Проверено 24 апреля 2018 г.
- ^ «Полезное руководство по двигателям Клинтона» (PDF) . 1956. с. 2. Архивировано (PDF) из оригинала 3 октября 2015 г. Проверено 2 октября 2015 г.
2200 — 3600 об/мин.
- ^ Терстон, Р.Х. (1878 г.). История развития парового двигателя . Нью-Йорк: Appleton & Co., стр. 98 .
- ^ Ларднер, Дионисий (1840). Паровой двигатель объяснен и проиллюстрирован . Лондон: Тейлор и Уолтон. стр. 189–91 . Архивировано из оригинала 4 октября 2013 г.
- ^ Жак Мушли, Клапан и клапанный механизм для локомотивов и других двигателей, патент США № 1824830, выдан 29 сентября 1931 г.
- ^ Герман Г. Мюллер, Клапан парового двигателя, патент США № 1 983 803, выдан 11 декабря 1934 г.
- ↑ Критика Э.Н. Дикерсона в лекции в Электрическом клубе Нью-Йорка 17.01.1889, опубликованная Science vol.13 No.314, 8 февраля 1889 г., стр.95 sciencemag.org