Введение

Тип клапана

Клапан-золотник (также иногда называемый тарельчатым клапаном) – это клапан, обычно используемый для управления временем и количеством подачи бензина (газа) или пара в двигатель или из него, но имеющий множество других применений. Он состоит из отверстия или открытой камеры, как правило, круглой или овальной в поперечном сечении, и плунжера, обычно в форме диска на конце вала, известного как стержень клапана. Рабочая поверхность плунжера, тарельчатая поверхность клапана, обычно шлифуется под углом 45° для обеспечения герметичности относительно соответствующего седла клапана, выполненного на краю герметизируемой камеры. Стержень перемещается через направляющую клапана для поддержания его выравнивания. Разность давлений по обе стороны клапана может способствовать или препятствовать его работе. В выпускных системах более высокое давление на клапан помогает обеспечить его герметичность, а во впускных системах более низкое давление помогает его открыть. Клапан-золотник был изобретен в 1833 году американцем Э. А. Г. Янгом из Ньюкаслской и Френштаунской железной дороги. Янг запатентовал свою идею, но пожар в Патентном бюро в 1836 году уничтожил все записи о ней.

Этимология

Слово "poppet" имеет общую этимологию со словом "puppet": оно происходит от среднеанглийского popet ("юноша" или "кукла"), от среднефранцузского poupette, являющегося уменьшительной формой от poupée. Использование слова "poppet" для описания клапана связано с тем же словом, которое применялось к марионеткам, которые, подобно клапану poppet, двигаются целиком в ответ на дистанционное воздействие, передаваемое по прямой. Ранее "puppet valve" (марионеточный клапан) было синонимом "poppet valve", однако данное употребление слова "puppet" устарело.

Дизайн

Клапан-золотник отличается от скользящих и колебательных клапанов. Вместо скольжения или качания над седлом для открытия порта, клапан-золотник поднимается от седла движением, перпендикулярным плоскости порта. Основное преимущество клапана-золотника заключается в отсутствии движения по седлу, что исключает необходимость в смазке. В большинстве случаев в клапане прямого действия целесообразно использовать "сбалансированный золотник". Для перемещения золотника требуется меньше усилий, поскольку все силы, действующие на него, компенсируются равными и противоположными силами. Электромагнитная катушка должна противодействовать только силе пружины. Клапаны-золотники наиболее известны своим применением в двигателях внутреннего сгорания и паровых двигателях, но также используются в общих пневматических и гидравлических схемах, где требуется импульсное управление потоком. Импульс может регулироваться комбинацией разности давлений и нагрузки пружины по мере необходимости. Клапаны Presta и Schrader, используемые в пневматических шинах, являются примерами клапанов-золотников. Клапан Presta не имеет пружины и полагается на разность давлений для открытия и закрытия во время накачивания. Клапаны-золотники широко используются при запуске торпед с подводных лодок. Многие системы используют сжатый воздух для выброса торпеды из торпедного аппарата, а клапан-золотник восстанавливает значительное количество этого воздуха (вместе со значительным количеством морской воды) для уменьшения заметного облака пузырьков, которое в противном случае могло бы выдать подводное положение лодки.

Использование в двигателях внутреннего сгорания

Тарельчатые клапаны используются в большинстве поршневых двигателей для управления потоком впускных и выпускных газов через головку блока цилиндров и в камеру сгорания. Сторона тарельчатого клапана, находящаяся внутри камеры сгорания, представляет собой плоский диск, а противоположная сторона сужается от формы диска к тонкому цилиндрическому стержню, называемому "стволом клапана".

Материалы и долговечность

В типичных современных двигателях массового производства клапаны твердые и изготовлены из стальных сплавов. Однако некоторые двигатели используют полые клапаны, заполненные натрием, для улучшения теплоотвода. Многие современные двигатели используют алюминиевую головку блока цилиндров. Хотя это обеспечивает лучшую теплопередачу, это требует использования вставок клапанных седел из стали; в старых головках блока цилиндров из чугуна клапанные седла часто являются частью головки блока цилиндров. Вокруг стержня клапана имеется зазор, поэтому используется сальниковое уплотнение стержня клапана для предотвращения попадания масла во впускной коллектор и камеру сгорания. Обычно используется уплотнение с резиновой губой. Распространенным симптомом изношенных направляющих клапанов и/или неисправных сальников является периодическое появление сизого дыма из выхлопной трубы при повышенном разрежении во впускном коллекторе, например, при резком закрытии дроссельной заслонки. Исторически с клапанами было связано две основные проблемы, обе из которых были решены благодаря достижениям в современной металлургии. Первая заключалась в том, что в ранних двигателях внутреннего сгорания высокие скорости износа клапанов требовали регулярной притирки клапанов. Вторая заключалась в использовании свинцовых присадок в бензине с 1920-х годов для предотвращения детонации и обеспечения смазки клапанов. Современные материалы для клапанов (например, нержавеющая сталь) и клапанных седел (например, стеллит) позволили постепенно отказаться от использования свинцового бензина во многих индустриально развитых странах к середине 1990-х годов.

Выхлопные клапаны с натриевым охлаждением

Выхлопные клапаны подвергаются очень высоким температурам, а в экстремально высокопроизводительных двигателях могут охлаждаться с помощью натрия. Клапан имеет полый корпус, заполненный натрием, который плавится при относительно низкой температуре и в жидком состоянии отводит тепло от горячей тарелки клапана к стержню, где оно может проводиться к головке блока цилиндров. Широко использовались в поршневых двигателях времён Второй мировой войны, в настоящее время встречаются только в высокопроизводительных двигателях.

Способ приведения в действие

Ранние двигатели 1890-х и 1900-х годов использовали "автоматический" впускной клапан, который открывался разрежением в камере сгорания и закрывался легкой пружиной. Выхлопной клапан требовал механического привода для открытия против давления в цилиндре. Использование автоматических клапанов упрощало конструкцию, но склонность клапанов к "зависанию" ограничивала скорость работы двигателя, и примерно к 1905 году механически управляемые впускные клапаны стали все чаще применяться в автомобильных двигателях. Механический привод обычно осуществляется путем нажатия на конец стержня клапана, при этом пружина обычно используется для возвращения клапана в закрытое положение. На высоких оборотах двигателя (RPM) вес газораспределительного механизма означает, что пружина клапана не может достаточно быстро закрыть клапан, что приводит к "зависанию" или "отскоку" клапана. Дезмодромические клапаны используют второй коромысло для механического закрытия клапанов (вместо пружин клапанов) и иногда применяются для предотвращения "зависания" клапанов в двигателях, работающих на высоких оборотах. В большинстве серийно выпускаемых двигателей распределительный вал (Camshaft) 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.

Количество и расположение клапанов

Ранние двигатели с плоской головкой (также называемые двигателями с L-образной головкой) имели клапаны, расположенные рядом с цилиндром, в «перевернутой» ориентации, параллельно цилиндру. Хотя эта конструкция упрощала и удешевляла производство, извилистый путь впускных и выпускных газов создавал серьезные проблемы для воздушного потока, что ограничивало обороты двигателя и могло приводить к перегреву блока двигателя при длительной высокой нагрузке. Конструкция с плоской головкой развилась в двигатель с впуском над выпуском (IOE), который использовался во многих ранних мотоциклах и нескольких автомобилях. В двигателе IOE впускные клапаны располагались непосредственно над цилиндром (как и в более поздних двигателях с верхними клапанами), однако выпускной клапан оставался рядом с цилиндром в перевернутой ориентации. Эти конструкции в значительной степени были заменены двигателем с верхним расположением клапанов (OHV) в период с 1904 по конец 1960-х – начало 1970-х годов, при котором впускные и выпускные клапаны располагались непосредственно над цилиндром (при этом распределительный вал находился в нижней части двигателя). В свою очередь, двигатели OHV были в значительной степени заменены двигателями с верхним распределительным валом (OHC) в период с 1950-х по 1980-е годы. Расположение клапанов в основном одинаково для двигателей OHV и OHC, однако в двигателях OHC распределительный вал расположен в верхней части двигателя вместе с клапанами, и в двигателях OHC часто больше клапанов на цилиндр. Большинство двигателей OHC имеют дополнительный впускной и дополнительный выпускной клапан на цилиндр (четырехклапанная головка блока цилиндров) по сравнению с конструкцией с двумя клапанами на цилиндр, используемой большинством двигателей OHV. Однако некоторые двигатели OHC использовали три или пять клапанов на цилиндр.