Поппиеттік клапан – қозғалтқыштарда отын ағынын басқаруға арналған құрылғы. Құрылымы, жұмыс принципі, мақсаты туралы толық ақпарат алыңыз. Клапан түрлері.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Клапанның түрі
Type of valve
Попельді клапан (кейде саңырауқұлақ клапаны деп те аталады) – көбінесе бензиннің (газдың) немесе будың қозғалтқышқа кіруін немесе одан шығуын уақыт және мөлшер бойынша басқару үшін қолданылатын клапан, бірақ одан басқа да көптеген қолданыс орындары бар. Ол әдетте дөңгелек немесе овал пішіндес көлденең қимасы бар тесіктен немесе ашық камерадан және клапан діңгегі деп аталатын білік ұшындағы, көбінесе дискі тәрізді тығыннан тұрады. Бұл тығынның жұмыс жағы, клапан беті, әдетте 45° бұрышпен тегістеліп, жабылатын камера жиегіне орналасқан клапан ұясына тығыз жабысады. Білік өз осын сақтау үшін клапан бағыттайқышы арқылы жылғады. Клапанның екі жағындағы қысымның айырмашылығы оның жұмысына көмектесе немесе кедерілтесе мүмкін. Кәдеге беру (эвакуация) жүйелерінде клапанға қарсы жоғары қысым оның тығыз жабылуына көмектеседі, ал сору жүйелерінде төмен қысым оны ашуға көмектеседі. Попельді клапанды 1833 жылы америкалық Э. А. Г. Янг Ньюкасл және Френштаун темір жолы үшін ойлап тапты. Янг өз идеясына патент алған, бірақ 1836 жылы патент кеңсесінде болған өрттің салдарынан барлық құжаттары жойылды.
A poppet valve (also sometimes called mushroom valve) is a valve typically used to control the timing and quantity of petrol (gas) or vapour flow into or out of an engine, but with many other applications. It consists of a hole or open ended chamber, usually round or oval in cross section, and a plug, usually a disk shape on the end of a shaft known as a valve stem. The working end of this plug, the valve face, is typically ground at a 45° bevel to seal against a corresponding valve seat ground into the rim of the chamber being sealed. The shaft travels through a valve guide to maintain its alignment. A pressure differential on either side of the valve can assist or impair its performance. In exhaust applications higher pressure against the valve helps to seal it, and in intake applications lower pressure helps open it. The poppet valve was invented in 1833 by American E. A. G. Young of the Newcastle and Frenchtown Railroad. Young had patented his idea, but the Patent Office fire of 1836 destroyed all records of it.
Этимология
Poppet сөзінің этимологиясы "қуыршақ" сөзімен байланысты: ол орта ағылшын тіліндегі popet ("жас бала" немесе "қуыршақ") сөзінен, орта француз тіліндегі poupette сөзінен шыққан, ол poupée сөзінің кішіртілген түрі. Poppet сөзінің клапанды сипаттау үшін қолданылуы, қуыршақтарға қолданылатын сол сөзден туындаған, олар, poppet клапаны сияқты, сызықтық түрде берілетін қашықтықтан келетін әсерге дененің толық қозғалысымен жауап береді. Бұрын "қуыршақ клапан" термині poppet клапанымен синоним болған, алайда "қуыршақ" сөздерін қолдану қазір қолданыстан шығып қалған.
The word poppet shares etymology with "puppet": it is from the Middle English popet ("youth" or "doll"), from Middle French poupette, which is a diminutive of poupée. The use of the word poppet to describe a valve comes from the same word applied to marionettes, which, like the poppet valve, move bodily in response to remote motion transmitted linearly. In the past, "puppet valve" was a synonym for poppet valve; however, this usage of "puppet" is now obsolete.
Дизайн
Попельді клапан, сырғанамалы және тербелісті клапандардан өзгеше. Портты ашу үшін орындыққа сырғанау немесе шайқалудың орнына, попельді клапан порт жазықтығына перпендикуляр қозғалыспен орындықтың үстінен көтеріледі. Попельді клапанның басты артықшылығы – ол орындықта қозгалмайды, сондықтан майлау қажет емес. Көп жағдайда тікелей әрекет ететін клапанда «тепе-теңдік попельді клапан» болуы тиімді. Попельді клапанды жылжыту үшін аз күш қажет, себебі клапанға түсетін барлық күштер тең және қарама-қарсы күштермен теңестіріледі. Соленоидты катушка тек серіппе күшіне қарсы тұруы керек. Попельді клапандар ішкі жану және бу машиналарында қолданылуымен кеңінен танымал, бірақ импульстік ағынды басқару қажет болғанда жалпы пневматикалық және гидравликалық тізбектерде де қолданылады. Импульс қажет болған жағдайда дифференциалдық қысым мен серіппе жүктемесінің комбинациясымен басқаруға болады. Пневматикалық дөңгелектерде қолданылатын Presta және Schrader клапандары – попельді клапанның мысалдары. Presta клапаны серіппесіз болады және үрленген кезде ашылу және жабылу үшін қысым айырмасына тәуелді. Попельді клапандар су асты кемелерінен торпедаларды ұшыру кезінде кеңінен қолданылады. Көптеген жүйелер торпеданы түтікшенің ішінде шығару үшін қысылған ауаны пайдаланады, ал попельді клапан осы ауаны көп мөлшерде (сонымен қатар маңызды көлемде теңіз суын) қайтарып алады, бұл қайықтың су астындағы орнын көрсетуі мүмкін көпіршіктер бұлтын азайту үшін.
The poppet valve is different from both slide and oscillating valves. Instead of sliding or rocking over a seat to uncover a port, the poppet valve lifts from the seat with a movement perpendicular to the plane of the port. The main advantage of the poppet valve is that it has no movement on the seat, thus requiring no lubrication. In most cases it is beneficial to have a "balanced poppet" in a direct acting valve. Less force is needed to move the poppet because all forces on the poppet are nullified by equal and opposite forces. The solenoid coil has to counteract only the spring force. Poppet valves are best known for their use in internal combustion and steam engines, but are used in general pneumatic and hydraulic circuits where a pulsed flow control is wanted. The pulse can be controlled by a combination of differential pressure and spring load as required. Presta and Schrader valves used on pneumatic tyres are examples of poppet valves. The Presta valve has no spring and relies on a pressure differential for opening and closing while being inflated. Poppet valves are employed extensively in the launching of torpedoes from submarines. Many systems use compressed air to expel the torpedo from the tube, and the poppet valve recovers a large quantity of this air (along with a significant amount of seawater) in order to reduce the tell tale cloud of bubbles that might otherwise betray the boat's submerged position.
Ішкі жанатын қозғалтқыштарда пайдалану
Поршендік көптеген қозғалтқыштарда цилиндр басы арқылы жанар камераға кіретін және шығатын газдар ағынын басқару үшін шүмекті клапандар қолданылады. Шүмекті клапанның жанар камерасының ішінде орналасқан жағы жалпақ диск болып келеді, ал екінші жағы диск пішінінен бастап "клапан мойыны" деп аталатын жұқа цилиндрлік таяққа дейін тартылады.
Poppet valves are used in most piston engines to control the flow of intake and exhaust gasses through the cylinder head and into the combustion chamber. The side of the poppet valve which sits inside the combustion chamber is a flat disk, while the other side tapers from the disk shape to a thin cylindrical rod called a "valve stem".
Материалдар мен беріктігі
Қазіргі заманғы көп өндірілетін қозғалтқыштарда клапандар қатты болат қорытпаларынан жасалған. Дегенмен, кейбір қозғалтқыштарда жылу алмасуды жақсарту үшін натриймен толтырылған қуыс клапандар қолданылады. Көптеген заманауи қозғалтқыштар алюминий цилиндр бас басын пайдаланады. Бұл жақсырақ жылу алмасуды қамтамасыз етеді, бірақ болат клапан отырықтарын орнатуды қажет етеді; ал ескі құйма темір цилиндр бас басында клапан отырықтары көбінесе бас бастың бір бөлігі болып табылады. Клапан сағасының айналасында бос кеңістік болады, сондықтан майдың сору камерасына және жану камерасына өтуіне жол бермес үшін клапан сағасы май тығыздағышы қолданылады. Әдетте, резеңке ернек түріндегі тығыздағыш пайдаланылады. Тозған клапан жетектерінің және/немесе ақаулы май тығыздағыштарының белгілі бір көрінісі – дроссель кенеттен жабылатын кезде, сору коллекторында вакуумның артуынан шығатын түтін құбырынан көк түтін шығуы. Тарихи тұрғыдан алғанда, клапандармен байланысты екі маңызды мәселе болды, екеуі де қазіргі металлургия жетістіктері арқылы шешілді. Біріншісі, ертедегі ішкі жану қозғалтқыштарында клапандардың жоғары тозу деңгейі клапандарды кезең-кезеңмен қайта өңдеуді талап етті. Екіншісі, 1920 жылдан бері бензинге (газолинге) қозғалтқыштың соққысын болдырмау және клапандарды майлау үшін қорғасын қоспалары қосылды. Клапандарға арналған заманауи материалдар (мысалы, тот баспайтын болат) және клапан отырықтарына арналған материалдар (мысалы, стеллит) 1990 жылдардың ортасына дейін көптеген дамыған елдерде қорғасынды бензиннен бас тартуға мүмкіндік берді.
In a typical modern mass production engines, the valves are solid and made from steel alloys. However some engines use hollow valves filled with sodium, to improve heat transfer. Many modern engines use an aluminium cylinder head. Although this provides better heat transfer, it requires steel valve seat inserts to be used; in older cast iron cylinder heads, the valve seats are often part of the cylinder head. A gap of is present around the valve stem, therefore a valve stem oil seal is used to prevent oil being drawn into the intake manifold and combustion chamber. Typically, a rubber lip type seal is used. A common symptom of worn valve guides and/or defective oil seals is a puff of blue smoke from the exhaust pipe at times of increased intake manifold vacuum, such as when the throttle is abruptly closed. Historically, there were two major issues with valves, both of which have been solved by improvements in modern metallurgy. The first was that in early internal combustion engines, high wear rates of valves meant that a valve job to regrind the valves was required at regular intervals. Secondly, lead additives had been used in petrol (gasoline) since the 1920s, to prevent engine knocking and provide lubrication for the valves. Modern materials for the valves (such as stainless steel) and valve seats (such as stellite) allowed for leaded petrol to be phased out in many industrialised countries by the mid 1990s.
Натриймен салқындатылған шығыс клапандары
Қоқыс шығару клапандары өте жоғары температураға ұшырайды, ал ең жоғары өнімділікте қолданылатын қозғалтқыштарда натриймен салқындатылуы мүмкін. Клапан ішкі қуыс болып, салыстырмалы түрде төмен температурада ерітін натриймен толтырылады. Еріген натрий ыстық клапан басынан жылуды сабаққа жеткізеді, онда ол цилиндр басына өткізіледі. Бұл технология екінші дүниежүзілік соғыс кезеңіндегі поршенді қозғалтқыштарда кеңінен қолданылған, қазір тек жоғары өнімділік қозғалтқыштарында ғана кездеседі.
Exhaust valves are subject to very high temperatures and in extreme high performance applications may be sodium cooled. The valve is hollow and filled with sodium, which melts at a relatively low temperature and, in its liquid state, convects heat away from the hot valve head to the stem where it may be conducted to the cylinder head. Common in second world war piston engines, now only found in high performance engines.
Қозғалтқыштың іске қосу әдісі
1890-1900 жылдардағы алғашқы қозғалтқыштарда "автоматты" сору клапаны қолданылған, ол жану камерасындағы вакуум арқылы ашылып, жеңіл серіппемен жабылатын. Кәдегі клапанды цилиндрдегі қысымға қарсы ашу үшін механикалық түрде қозғау қажет болды. Автоматты клапандарды қолдану механизмді жеңілдетті, бірақ клапанның қалқып кетуі қозғалтқыштың жылдамдығын шектеді, ал шамамен 1905 жылдан бастап көлік қозғалтқыштарында механикалық түрде жұмыс істейтін кіріс клапандары жиі қолданыла бастады. Механикалық жұмыс әдетте клапан сабағының соңына басым жасау арқылы жүзеге асырылады, ал клапанды жабық күйге қайтару үшін көбінесе серіппе қолданылады. Жоғары қозғалтқыш айналымдарында (RPM) клапан механизмінің салмағы клапан серіппесінің клапанды жеткілікті тез жаба алмайтынын білдіреді, бұл клапанның қалқып кетуіне немесе секіруіне әкеледі. Дезмодромикалық клапандар клапандарды механикалық түрде жабу үшін екінші тіреу қолды пайдаланады (клапан серіппелерін пайдаланудың орнына) және кейде жоғары айналымдарда жұмыс істейтін қозғалтқыштарда клапанның қалқып кетуін болдырмау үшін қолданылады. Көптеген сериялық өндірілген қозғалтқыштарда, білік(тер) клапандардың ашылуын бірнеше аралық механизмдер арқылы (мысалы, иінтіректер, роликтер және клапан көтерушілер) басқарады. Біліктің өзіндегі тістің пішіні клапанның көтерілуіне әсер етеді және клапандардың ашылу уақытын анықтайды.
Early engines in the 1890s and 1900s used an "automatic" intake valve, which was opened by the vacuum in the combustion chamber and closed by a light spring. The exhaust valve had to be mechanically driven to open it against the pressure in the cylinder. Use of automatic valves simplified the mechanism, but valve float limited the speed at which the engine could run, and by about 1905 mechanically operated inlet valves were increasingly adopted for vehicle engines. Mechanical operation is usually by pressing on the end of the valve stem, with a spring generally being used to return the valve to the closed position. At high engine speeds (RPM), the weight of the valvetrain means the valve spring cannot close the valve as quickly enough, leading to valve float or valve bounce. Desmodromic valves use a second rocker arm to mechanically close the valves (instead of using valve springs) and are sometimes used to avoid valve float in engines that operate at high RPM. In most mass produced engines, the camshaft(s) control the opening of the valves, via several intermediate mechanisms (such as pushrods, roller rockers and valve lifters). The shape of the cams on the camshaft influence the valve lift and determine the timing of when the valves open.
Клапандардың саны мен орналасуы
Ертедегі жалпақ бас қозғалтқыштарда (оларды L бас қозғалтқыштары деп те атайды) клапандар цилиндрдің жанында, цилиндрге параллель, "көккерілген" күйде орналасқан. Бұл конструкцияны жасау оңай және арзан болғанымен, сору және шығарынды газдардың қисық жолы ауа ағынына елеулі кедергі келтіріп, қозғалтқыштың айналу жылдамдығын шектеді және ұзақ ауыр жүктеме кезінде қозғалтқыш блогының қызып кетуіне себеп болуы мүмкін. Жалпақ бас конструкциясы көптеген ерте мотоциклдерде және бірнеше автомобильдерде қолданылған, сору шығарудан жоғары (IOE) қозғалтқышына дамыды. IOE қозғалтқышында сору клапандары цилиндрдің үстінде (кейінгі жоғары клапанды қозғалтқыштар сияқты) орналасқан, бірақ шығару клапаны цилиндрдің жанында, көккерілген күйде сақталады. Бұл конструкциялар 1904 жылдан 1960 жылдардың соңына дейін / 1970 жылдардың басына дейін жоғары клапанды (OHV) қозғалтқыштармен ауыстырылды, онда сору және шығару клапандары цилиндрдің үстінде орналасқан (ал кәмшафт қозғалтқыштың төменгі бөлігінде орналасқан). Өз кезегінде, OHV қозғалтқыштары 1950 жылдардан 1980 жылдарға дейін негізінен жоғары кәмшафтты (OHC) қозғалтқыштармен алмастырылды. OHV және OHC қозғалтқыштарында клапандардың орналасуы шамамен бірдей, бірақ OHC қозғалтқыштарында кәмшафт клапандармен бірге қозғалтқыштың үстінде орналасқан, сонымен қатар OHC қозғалтқыштарында цилиндрге қарағанда көбірек клапандар болады. Көптеген OHC қозғалтқыштарында цилиндрге қосымша сору және қосымша шығару клапандары бар (төрт клапанды цилиндр басы), бұл көптеген OHV қозғалтқыштарында қолданылатын цилиндрге екі клапанды конструкциямен салыстырылады. Дегенмен, кейбір OHC қозғалтқыштарында цилиндрде үш немесе бес клапан қолданылған.
Early flathead engines (also called L head engines) saw the valves located beside to the cylinder(s), in an "upside down" orientation parallel to the cylinder. Although this design made for simplified and cheap construction, the twisting path of the intake and exhaust gasses had major drawbacks for the airflow, which limited engine RPM and could cause the engine block to overheat under sustained heavy load. The flathead design evolved into intake over exhaust (IOE) engine, used in many early motorcycles and several cars. In an IOE engine, the intake valves were located directly above the cylinder (like the later overhead valve engines), however the exhaust valve remains beside the cylinder in an upside down orientation. These designs were largely replaced by the overhead valve (OHV) engine between 1904 until late 1960s/early to mid 1970s, whereby the intake and exhaust valves are both located directly above the cylinder (with the camshaft located at the bottom of the engine). In turn, OHV engines were largely replaced by the overhead camshaft (OHC) engines between 1950s until 1980s. The location of the valves is broadly the same between OHV and OHC engines, however OHC engines saw the camshaft located to the top of the engine with the valves and OHC engines often have more valves per cylinder. Most OHC engines have an extra intake and an extra exhaust valve per cylinder (four valve cylinder head), compared with the design of two valves per cylinder used by most OHV engines. However some OHC engines have used three or five valves per cylinder.