Десмодромный привод клапанов двигателя внутреннего сгорания

Введение

Механизм привода клапанов двигателя внутреннего сгорания

В общем механическом смысле, термин "десмодромический" используется для обозначения механизмов, имеющих различные системы управления для привода в разных направлениях. Десмодромический клапан – это тарельчатый клапан двигателя внутреннего сгорания, который принудительно закрывается кулачковым механизмом и системой рычагов, а не более традиционной пружиной. Клапаны в типичном четырехтактном двигателе обеспечивают поступление воздушно-топливной смеси в цилиндр в начале цикла и выпуск отработавших газов в конце цикла. В обычном четырехтактном двигателе клапаны открываются кулачком, а закрываются возвратной пружиной. Десмодромический клапан имеет два кулачка и два привода для принудительного открытия и закрытия без использования возвратной пружины.

Этимология

Слово происходит от греческих слов desmos (δεσμός, переводится как "связь" или "узел") и dromos (δρόμος, "трасса" или "путь"). Это указывает на основную характеристику клапанов, которые непрерывно "связаны" с распределительным валом.

Идея

Общая система пружин клапанов вполне приемлема для традиционных серийных двигателей, не рассчитанных на высокие обороты и имеющих конструкцию, не требующую частого обслуживания. На ранних этапах разработки десмодромического привода пружины клапанов были серьезным ограничивающим фактором производительности двигателя, поскольку они ломались из-за усталости металла. В 1950-х годах новые процессы вакуумной плавки позволили удалить примеси из металла пружин клапанов, значительно увеличив их срок службы и эффективность. Однако многие пружины все равно выходили из строя при длительной работе на оборотах выше 8000 в минуту. Десмодромический привод был разработан для решения этой проблемы путем полного отказа от использования пружин. Более того, с увеличением максимальных оборотов требуется большая сила пружины для предотвращения "плавания" клапанов, что приводит к увеличению размеров пружин (и, следовательно, к увеличению массы пружины и, как следствие, инерции), сопротивлению кулачка (поскольку для сжатия пружин клапанов требуется энергия, что снижает мощность двигателя) и повышенному износу деталей на всех режимах работы – проблемам, которые решает десмодромический механизм.

Сравнение с обычными клапанными системами

В современных двигателях проблема обрыва пружины клапана на высоких оборотах в основном решена. Главное преимущество десмодромической системы – предотвращение "плавания" клапана на высоких оборотах. В традиционных системах с пружинным приводом клапанов, с увеличением скорости вращения двигателя, инерция клапана в конечном итоге преодолевает усилие пружины, не позволяя ей полностью закрыть клапан до достижения поршнем верхней мертвой точки (ВМТ). Это может привести к ряду проблем. Во-первых, клапан не успевает полностью вернуться в седло перед началом сгорания. Это приводит к преждевременному выпуску отработанных газов, снижению давления в цилиндре и, как следствие, к значительному падению мощности двигателя. Также это может привести к перегреву клапана, его деформации и, в конечном итоге, к катастрофическому разрушению. Во-вторых, и это наиболее опасно, поршень сталкивается с клапаном, что приводит к их полному уничтожению. В двигателях с пружинным приводом клапанов традиционным способом борьбы с "плаванием" клапана является увеличение жесткости пружин. Это повышает прижимное усилие клапана (статическое давление, удерживающее клапан в закрытом положении). Это полезно на высоких оборотах двигателя, поскольку уменьшает вышеупомянутое "плавание" клапана. Однако, это увеличивает нагрузку на все компоненты газораспределительного механизма, а также трение, температуру и износ. Стоит отметить, что это не снижает мощность, поскольку почти вся энергия, затраченная на сжатие пружины, впоследствии высвобождается при ее разжатии. Десмодромическая система позволяет избежать некоторых недостатков пружинных клапанов, поскольку не подвержена высоким нагрузкам, связанным со сжатием жестких пружин. Однако, ей все равно необходимо преодолевать инерцию самого клапана, которая зависит от распределения массы движущихся частей. Эффективная масса традиционного клапана с пружиной включает в себя половину массы пружины для симметричных пружин и полную массу тарелки пружины. Десмодромическая система же должна учитывать инерцию двух коромысел на клапан, поэтому это преимущество во многом зависит от квалификации конструктора. Другой недостаток – точка контакта между кулачками и коромыслами. В обычных газораспределительных механизмах относительно легко использовать роликовые толкатели, хотя это и увеличивает общую подвижную массу. В десмодромической системе ролик пришлось бы размещать на одном конце коромысла, что значительно увеличило бы его момент инерции и нивелировало бы преимущество в "эффективной массе". Таким образом, в системах десмо обычно приходится иметь дело со скользящим трением между кулачком и коромыслом, что может приводить к повышенному износу. Контактные поверхности коромысел Ducati обычно подвергаются твердому хромированию для снижения износа. Еще один недостаток – сложность интеграции гидравлических компенсаторов зазоров клапанов в десмодромическую систему, что требует частой регулировки зазоров (люфта) клапанов. Кроме того, для каждого клапана требуется две регулировки зазоров – одна для открывающего коромысла и другая для закрывающего. Однако, большинство высокооборотистых двигателей с традиционными пружинными системами привода клапанов также не используют гидравлические компенсаторы зазоров, поэтому и им требуется периодическая проверка и регулировка зазоров клапанов.

In modern engines, valve spring failure at high RPM has been mostly remedied. The main benefit of the desmodromic system is the prevention of valve float at high rpm. In traditional spring valve actuation, as engine speed increases, the inertia of the valve will eventually overcome the spring's ability to close it completely before the piston reaches top dead centre (TDC). This can lead to several problems. First, the valve does not completely return to its seat before combustion begins. This allows combustion gases to escape prematurely, leading to a reduction in cylinder pressure which causes a major decrease in engine performance. This can also overheat the valve, possibly warping it and leading to catastrophic failure. Second, and most damaging, the piston collides with the valve and both are destroyed. In spring valve engines the traditional remedy for valve float is to stiffen the springs. This increases the seat pressure of the valve (the static pressure that holds the valve closed). This is beneficial at higher engine speeds because of a reduction in the aforementioned valve float. The drawback is increased forces on all valvetrain components and increased friction and associated temperature and wear. It should be noted it does not decrease power because nearly all work put into compressing the spring is later released as the spring is allowed to uncompress. The desmodromic system avoids some of the shortcomings of spring loaded valves because it is not subject to the high loads associated with compressing stiff springs. However, it must still overcome the inertia of the valve itself, and that depends on the mass distribution of the moving parts. The effective mass of a traditional valve with spring includes one half of the valve spring mass for symmetric springs and all of the valve spring retainer mass. However, a desmodromic system must deal with the inertia of the two rocker arms per valve, so this advantage depends greatly on the skill of the designer. Another disadvantage is the contact point between the cams and rocker arms. It is relatively easy to use roller tappets in conventional valvetrains, although it does add considerable moving mass. In a desmodromic system the roller would be needed at one end of the rocker arm, which would greatly increase its moment of inertia and negate its "effective mass" advantage. Thus, desmo systems have generally needed to deal with sliding friction between the cam and rocker arm and therefore may have greater wear. The contact points on most Ducati rocker arms are hard chromed to reduce this wear. Another disadvantage is the difficulty in incorporating hydraulic valve lash adjusters to a desmodromic system; thus frequent valve clearance (lash) adjustments are required. Additionally, each valve requires two lash adjustments one for the opening rocker and another for the closing rocker. However, it is rare for most high RPM engines with conventional spring loaded valvetrains to incorporate hydraulic lash adjusters – so they too require periodic checks and adjustments of valve lash.

Недостатки

До того, как динамику привода клапанов можно было анализировать с помощью компьютера, десмодромический привод казался предлагающим решения проблем, которые усугублялись с увеличением скорости двигателя. С тех пор кривые подъема, скорости, ускорения и рывка для кулачков моделировались на компьютере, чтобы показать, что динамика кулачков оказалась не такой, как представлялось. При правильном анализе проблемы, связанные с регулировкой клапанов, гидравлическими толкателями, штангами, коромыслами и, прежде всего, пропуском клапанов, стали делом прошлого без использования десмодромического привода. Сегодня большинство автомобильных двигателей используют верхние распредвалы, приводящие в действие плоские толкатели для достижения кратчайшего, легкого и наименее упругого пути от кулачка к клапану, тем самым избегая упругих элементов, таких как штанги и коромысла. Компьютеры позволили достаточно точно моделировать ускорение систем привода клапанов. До появления легкодоступных методов численного вычисления ускорение можно было определить только путем двойного дифференцирования профилей подъема кулачка, один раз для скорости и еще раз для ускорения. Это создавало так много шума, что вторая производная (ускорение) была бесполезно неточной. Компьютеры позволили интегрировать по кривой рывка, третьей производной подъема, которая представляет собой серию смежных прямых линий, вершины которых можно регулировать для получения любого желаемого профиля подъема. Интегрирование кривой рывка дает плавную кривую ускорения, а третий интеграл – практически идеальную кривую подъема (профиль кулачка). С такими кулачками, которые в основном не похожи на те, что проектировали "художники" ранее, клапанный шум (отрыв) исчез, а упругость привода клапанов подверглась тщательному изучению. Сегодня большинство кулачков имеют зеркальные (симметричные) профили с одинаковым положительным и отрицательным ускорением при открытии и закрытии клапанов. Однако некоторые высокооборотистые двигатели (по оборотам в минуту) теперь используют асимметричные профили кулачков, чтобы быстро открывать клапаны и более плавно возвращать их в седла, чтобы уменьшить износ. Кроме того, асимметричные профили кулачков использовались в серийных автомобилях с конца 1940-х годов, как видно на Ford V8 1948 года. В этом двигателе как впускные, так и выпускные профили имели асимметричную конструкцию. Более современные применения асимметричных распределительных валов включают в себя 2,3-литровые двигатели Cosworth, которые используют агрессивные профили для достижения мощности более 280 л.с. Асимметричный кулачок открывает или закрывает клапаны медленнее, чем мог бы, при этом скорость ограничивается напряжением Герца при контакте между изогнутым кулачком и плоским толкателем, тем самым обеспечивая более контролируемое ускорение совокупной массы движущихся компонентов (в частности, клапана, толкателя и пружины). В отличие от этого, десмодромический привод использует два кулачка на клапан, каждый из которых имеет отдельное коромысло (рычажный толкатель). Максимальное ускорение клапана ограничено напряжением задира кулачка-толкателя и, следовательно, определяется как движущейся массой, так и площадью контакта кулачка. Максимальная жесткость и минимальное контактное напряжение лучше всего достигаются с помощью обычных плоских толкателей и пружин, на которых напряжение при подъеме и закрытии не зависит от силы пружины; оба возникают на базовом круге, где нагрузка пружины минимальна, а радиус контакта максимален. Изогнутые (рычажные) толкатели десмодромических кулачков создают более высокое контактное напряжение, чем плоские толкатели для одного и того же профиля подъема, тем самым ограничивая скорость подъема и закрытия. При обычных кулачках напряжение наиболее высоко при полном подъеме, при вращении с нулевой скоростью (начало запуска двигателя), и уменьшается с увеличением скорости, поскольку инерционная сила клапана противодействует давлению пружины, в то время как десмодромический кулачок практически не имеет нагрузки при нулевой скорости (при отсутствии пружин), его нагрузка полностью инерционна и, следовательно, увеличивается с увеличением скорости. Его наибольшее инерционное напряжение действует на его наименьшем радиусе. Силы ускорения для любого из методов увеличиваются пропорционально квадрату скорости, обусловленному кинетической энергией. Пропуск клапанов был проанализирован и выяснилось, что он в основном вызван резонансом в клапанных пружинах, который генерировал колебательные волны сжатия между витками, подобно пружине Slinky. Высокоскоростная съемка показала, что при определенных резонансных скоростях клапанные пружины перестают контактировать на одном или обоих концах, оставляя клапан плавающим перед ударом о кулачок при закрытии. По этой причине сегодня иногда используются до трех концентрических клапанных пружин, вложенных друг в друга; не для большей силы (внутренние не имеют значительной жесткости пружины), а для работы в качестве демпферов для уменьшения колебаний во внешней пружине. Ранним решением проблемы колебательной массы пружины была пружина типа "мышеловка" или шпилечная пружина, использованная на двигателях Norton Manx. Они избегали резонанса, но были громоздкими для размещения внутри головок цилиндров. Клапанные пружины, которые не резонируют, являются прогрессивными, намотанными с переменным шагом или переменным диаметром, называемыми пружинами "улей" из-за их формы. Количество активных витков в этих пружинах изменяется в течение хода, более плотно намотанные витки находятся на статической стороне, становясь неактивными при сжатии пружины или, как в пружине "улей", где витки малого диаметра вверху более жесткие. Оба механизма уменьшают резонанс, поскольку сила пружины и ее движущаяся масса изменяются в зависимости от хода. Этот прогресс в конструкции пружин устранил пропуск клапанов, который был первоначальным стимулом для десмодромического привода клапанов.

Before the days when valve drive dynamics could be analyzed by computer, desmodromic drive seemed to offer solutions for problems that were worsening with increasing engine speed. Since those days, lift, velocity, acceleration, and jerk curves for cams have been modelled by computer to reveal that cam dynamics are not what they seemed. With proper analysis, problems relating to valve adjustment, hydraulic tappets, push rods, rocker arms, and above all, valve float, became things of the past without desmodromic drive. Today most automotive engines use overhead cams, driving a flat tappet to achieve the shortest, lightest weight, and most inelastic path from cam to valve, thereby avoiding elastic elements such as pushrod and rocker arm. Computers have allowed for fairly accurate acceleration modelling of valve train systems. Before numerical computing methods were readily available, acceleration was only attainable by differentiating cam lift profiles twice, once for velocity and again for acceleration. This generates so much hash (noise) that the second derivative (acceleration) was uselessly inaccurate. Computers permitted integration from the jerk curve, the third derivative of lift, that is conveniently a series of contiguous straight lines whose vertices can be adjusted to give any desired lift profile. Integration of the jerk curve produces a smooth acceleration curve while the third integral gives an essentially ideal lift curve (cam profile). With such cams, which mostly do not look like the ones "artists" formerly designed, valve noise (lift off) went away and valve train elasticity came under scrutiny. Today, most cams have mirror image (symmetric) profiles with identical positive and negative acceleration while opening and closing valves. However, some high speed (in terms of engine RPM) motors now employ asymmetrical cam profiles in order to quickly open valves and set them back in their seats more gently to reduce wear. As well, production vehicles have employed asymmetrical cam lobe profiles since the late 1940s, as seen in the 1948 Ford V8. In this motor both the intake and exhaust profiles had an asymmetric design. More modern applications of asymmetrical camshafts include Cosworth's 2.3 liter crate motors, which use aggressive profiles to reach upwards of 280 brake horsepower. An asymmetric cam either opens or closes the valves more slowly than it could, with the speed being limited by Hertzian contact stress between curved cam and flat tappet, thereby ensuring a more controlled acceleration of the combined mass of the reciprocating componentry (specifically the valve, tappet and spring). In contrast, desmodromic drive uses two cams per valve, each with separate rocker arm (lever tappets). Maximum valve acceleration is limited by the cam to tappet galling stress, and therefore is governed by both the moving mass and the cam contact area. Maximum rigidity and minimum contact stress are best achieved with conventional flat tappets and springs whose lift and closure stress is unaffected by spring force; both occur at the base circle, where spring load is minimum and contact radius is largest. Curved (lever) tappets of desmodromic cams cause higher contact stress than flat tappets for the same lift profile, thereby limiting rate of lift and closure. With conventional cams, stress is highest at full lift, when turning at zero speed (initiation of engine cranking), and diminishes with increasing speed as inertial force of the valve counters spring pressure, while a desmodromic cam has essentially no load at zero speed (in the absence of springs), its load being entirely inertial, and therefore increasing with speed. Its greatest inertial stress bears on its smallest radius. Acceleration forces for either method increase with the square of velocity resulting from kinetic energy. Valve float was analyzed and found to be caused largely by resonance in valve springs that generated oscillating compression waves among coils, much like a Slinky. High speed photography showed that at specific resonant speeds, valve springs were no longer making contact at one or both ends, leaving the valve floating before crashing into the cam on closure. For this reason, today as many as three concentric valve springs are sometimes nested inside one other; not for more force (the inner ones having no significant spring constant), but to act as snubbers to reduce oscillations in the outer spring. An early solution to oscillating spring mass was the mousetrap or hairpin spring used on Norton Manx engines. These avoided resonance but were ungainly to locate inside cylinder heads. Valve springs that do not resonate are progressive, wound with varying pitch or varying diameter called beehive springs from their shape. The number of active coils in these springs varies during the stroke, the more closely wound coils being on the static end, becoming inactive as the spring compresses or as in the beehive spring, where the small diameter coils at the top are stiffer. Both mechanisms reduce resonance because spring force and its moving mass vary with stroke. This advance in spring design removed valve float, the initial impetus for desmodromic valve drive.

Примеры

Известные примеры включают успешные гоночные автомобили Mercedes-Benz W196 и Mercedes-Benz 300 SLR и, как правило, современные мотоциклы Ducati. Мотоциклы Ducati с десмодромическими клапанами выиграли множество гонок и чемпионатов, включая чемпионаты мира Superbike в 1990–1992, 1994–1996, 1998–1999, 2001, 2003–2004, 2006, 2008 и 2011 годах. Возвращение Ducati в мотогонки класса Grand Prix было обеспечено двигателем V4 объемом 990 куб. см, установленным на мотоцикле GP3 (Desmosedici), который одержал несколько побед, включая дубль на финальной гонке MotoGP с двигателями объемом 990 куб. см в Валенсии, Испания, в 2006 году. С началом эры двигателей объемом 800 куб. см в 2007 году они по-прежнему считаются одними из самых мощных двигателей в этом виде спорта и помогли Кейси Стоунеру выиграть чемпионат MotoGP 2007 года, а Ducati – чемпионат конструкторов на мотоцикле GP7 (Desmosedici).