Zawór grzybkowy - Poppet valve

Zawór grzybkowy i komponenty
Zawór grzybkowy i komponenty, w tym uszczelka olejowa trzonka zaworu. Żółta farba to oznaczenie siły sprężyny

Zawór grzybkowy (zwany również zawór grzyb ) jest zawór zwykle stosowane do kontrolowania czasu i ilości gazu lub pary wodnej do silnika.

Składa się z otworu lub otwartej komory, zwykle okrągłej lub owalnej w przekroju poprzecznym, oraz czopa, zwykle w kształcie dysku, na końcu wału, znanego jako trzpień zaworu. Roboczy koniec tego grzyba, powierzchnia czołowa zaworu, jest zwykle szlifowany pod kątem 45° w celu uszczelnienia odpowiedniego gniazda zaworu uziemionego w obrzeżu uszczelnianej komory. Wał przesuwa się przez prowadnicę zaworu, aby utrzymać swoje wyrównanie.

Różnica ciśnień po obu stronach zaworu może wspomóc lub pogorszyć jego działanie. W zastosowaniach wydechowych wyższe ciśnienie działające na zawór pomaga go uszczelnić, a w zastosowaniach dolotowych niższe ciśnienie pomaga go otworzyć.

Zawór grzybkowy został wynaleziony w 1833 roku przez amerykańskiego EAG Young z Newcastle i Frenchtown Railroad . Young opatentował swój pomysł, ale pożar Urzędu Patentowego w 1836 roku zniszczył wszystkie jego zapisy.

Etymologia

Słowo poppet ma wspólną etymologię ze słowem „ marionetka ”: pochodzi od średnioangielskiego popet („młodzież” lub „lalka”), od środkowofrancuskiego poupette , co jest zdrobnieniem od poupée . Użycie słowa grzybek do opisania zaworu pochodzi od tego samego słowa , które odnosi się do marionetek , które podobnie jak zawór grzybkowy poruszają się ciałem w odpowiedzi na ruch zdalny przekazywany liniowo. W przeszłości „zawór marionetkowy” był synonimem zaworu grzybkowego ; jednak to użycie „marionetki” jest już przestarzałe.

Operacja

Zawór grzybkowy zasadniczo różni się od zaworów suwakowych i oscylacyjnych; zamiast przesuwać się lub kołysać nad gniazdem w celu odsłonięcia otworu, zawór grzybkowy unosi się z gniazda ruchem prostopadłym do płaszczyzny otworu. Główną zaletą zaworu grzybkowego jest to, że nie porusza się on na gnieździe, dzięki czemu nie wymaga smarowania.

Ta animacja przedstawia zawór grzybkowy aktywowany ciśnieniem (czerwony) i zawór grzybkowy aktywowany krzywką (niebieski) w cylindrze silnika spalinowego.
Zawory grzybkowe w akcji na górze cylindra

W większości przypadków korzystne jest posiadanie „wyważonego grzybka” w zaworze bezpośredniego działania. Do przemieszczenia grzybka potrzebna jest mniejsza siła, ponieważ wszystkie siły działające na grzybek są niwelowane przez równe i przeciwne siły. Cewka elektromagnesu musi przeciwdziałać tylko sile sprężyny.

Zawory grzybkowe są najbardziej znane z zastosowania w silnikach spalinowych i parowych, ale są wykorzystywane w wielu procesach przemysłowych, od kontrolowania przepływu mleka po izolację sterylnego powietrza w przemyśle półprzewodników.

Przykładem zaworów grzybkowych są zawory Presta i Schrader stosowane w oponach pneumatycznych . Zawór Presta nie ma sprężyny i opiera się na różnicy ciśnień do otwierania i zamykania podczas napełniania.

Zawory grzybkowe są szeroko stosowane w wystrzeliwaniu torped z okrętów podwodnych . Wiele systemów wykorzystuje sprężone powietrze do wyrzucenia torpedy z wyrzutni , a zawór grzybkowy odzyskuje dużą ilość tego powietrza (wraz ze znaczną ilością wody morskiej), aby zredukować charakterystyczną chmurę bąbelków, które w przeciwnym razie mogłyby zdradzić łódź. pozycja zanurzona.

Silnik spalinowy

Zawory grzybkowe są stosowane w większości silników tłokowych do otwierania i zamykania otworów wlotowych i wylotowych w głowicy cylindrów . Zawór jest zwykle płaskim metalowym dyskiem z długim prętem zwanym „trzpieniem zaworu” przymocowanym z jednej strony.

We wczesnych silnikach spalinowych (ok. 1900 r.) było powszechne, że zawór wlotowy był automatyczny, tj. otwierany przez zasysanie w silniku i powracający przez lekką sprężynę. Zawór wydechowy musiał być napędzany mechanicznie, aby otworzyć go wbrew ciśnieniu w cylindrze. Zastosowanie zaworów automatycznych uprościło mechanizm, ale „ pływanie zaworów ” ograniczało prędkość, z jaką mógł pracować silnik, i około 1905 r. coraz częściej stosowane były mechaniczne zawory wlotowe w silnikach pojazdów.

Operacja mechaniczna polega zwykle na dociśnięciu końca trzpienia zaworu, przy czym sprężyna zwykle służy do powrotu zaworu do pozycji zamkniętej. Przy wysokich obrotach na minutę (RPM) bezwładność sprężyny oznacza, że ​​nie może ona reagować wystarczająco szybko, aby przywrócić zawór do jego gniazda między cyklami, co prowadzi do pływania zaworu, znanego również jako „odbicie zaworu”. W tej sytuacji można zastosować zawory desmodromiczne , które, zamykane siłą mechaniczną zamiast sprężyną, są w stanie pracować cyklicznie z dużymi prędkościami wymaganymi na przykład w silnikach motocyklowych i wyścigowych .

Silnik normalnie obsługuje zawory poprzez popychanie trzpieni za pomocą krzywek i popychaczy krzywkowych . Kształt i położenie krzywki określa skok zaworu oraz kiedy i jak szybko (lub wolno) otwiera się zawór. Krzywki są zwykle umieszczane na nieruchomym wale rozrządu, który jest następnie połączony z wałem korbowym , pracującym z połową prędkości wału korbowego w silniku czterosuwowym . W silnikach o wysokich osiągach wałek rozrządu jest ruchomy, a krzywki mają różną wysokość, więc poprzez osiowe przesuwanie wałka rozrządu w stosunku do obrotów silnika zmienia się również skok zaworów. Zobacz zmienny rozrząd zaworów .

W niektórych zastosowaniach trzpień zaworu i dysk są wykonane z różnych stopów stali lub trzpień zaworu może być pusty i wypełniony sodem w celu usprawnienia transportu i wymiany ciepła . Chociaż aluminiowa głowica cylindra jest lepszym przewodnikiem ciepła, wymaga stalowych wkładek gniazd zaworowych, podczas gdy żeliwna głowica cylindrów często wykorzystywała w przeszłości integralne gniazda zaworów. Ponieważ trzpień zaworu rozciąga się do smarowania w komorze krzywki, musi być uszczelniony przed przedmuchem, aby zapobiec wydostawaniu się gazów z cylindra do skrzyni korbowej , mimo że luz między trzpieniem a zaworem jest bardzo mały, zwykle 0,04-0,06 mm, więc guma uszczelnienie wargowe służy do zapewnienia, że ​​nadmiar oleju nie zostanie zassany ze skrzyni korbowej podczas suwu ssania, a spaliny nie przedostaną się do skrzyni korbowej podczas suwu wydechu. Zużyte prowadnice zaworów i/lub wadliwe uszczelnienia olejowe można często zdiagnozować po dymieniu z rury wydechowej po zwolnieniu pedału przyspieszenia po wybiegu silnika, gdy występuje wysokie podciśnienie w kolektorze . Taki stan występuje podczas zmiany biegów.

W wielu zaworów silników konwencjonalna konfiguracja dwóch zaworów, na cylindrze jest uzupełnione co najmniej dodatkowego zaworu dolotowego (trzy zawór głowicy), lub częściej, z dodatkowym wlocie i z zaworem wylotowym (cztero dodatkowy głowicy cylindrów zaworu), to ostatnie oznacza, że ​​teoretycznie osiągalne są wyższe obroty na minutę. Stosowanych jest również pięć konstrukcji zaworów (z trzema zaworami wlotowymi i dwoma zaworami wylotowymi). Więcej zaworów na cylinder oznacza lepszy przepływ gazu i mniejsze masy posuwisto-zwrotne, co prowadzi do lepszej wydajności silnika, a ostatecznie do wyższej mocy wyjściowej i większej oszczędności paliwa. Silniki wielozaworowe pozwalają również na centralnie umieszczoną świecę zapłonową, co poprawia wydajność spalania i zmniejsza detonację.

Pozycja zaworu

W bardzo wczesnych konstrukcjach silników zawory były „do góry nogami” w bloku, równolegle do cylindrów . Był to tak zwany silnik z głowicą L , ze względu na kształt cylindra i komory spalania , zwany także „ silnikiem z płaską głowicą ”, ponieważ górna część głowicy cylindra była płaska. Terminem preferowanym poza Stanami Zjednoczonymi (chociaż tam też czasami używano) był sidevalve ; stąd jego użycie w imieniu klubu Ford Sidevalve Owners' Club z siedzibą w Wielkiej Brytanii. Chociaż ten projekt został stworzony z myślą o uproszczonej i taniej konstrukcji, miał dwie główne wady: kręta ścieżka, po której następuje ładunek dolotowy, ograniczała przepływ powietrza i skutecznie zapobiegała prędkościom większym niż 3600 obr./min, a ścieżka wydechu przez blok mogła powodować przegrzanie duże obciążenie. Ten projekt ewoluował w „ Intake Over Exhaust ”, IOE lub F-head , gdzie zawór wlotowy znajdował się w głowicy, a zawór wydechowy w bloku; później oba zawory przesunęły się do głowy. Chociaż w latach 60. w dużej mierze zniknął z silników samochodowych, układ z płaską głowicą jest nadal szeroko stosowany w małych jednocylindrowych silnikach (gdzie moc nie jest problemem), takich jak te, które można znaleźć w maszynach ogrodniczych, generatorach i małych motocyklach.

W większości takich konstrukcji wałek rozrządu pozostawał stosunkowo blisko wału korbowego, a zawory były obsługiwane za pomocą popychaczy i wahaczy . Doprowadziło to do znacznych strat energii w silniku, ale było prostsze, zwłaszcza w silniku V, w którym jeden wałek rozrządu może uruchamiać zawory obu rzędów cylindrów ; z tego powodu konstrukcje silników popychacza przetrwały dłużej w tych konfiguracjach niż inne.

Bardziej nowoczesne konstrukcje mają wałek rozrządu na górze głowicy cylindra, popychający bezpośrednio trzpień zaworu (ponownie przez popychacze, zwane również popychaczami ), system znany jako górny wałek rozrządu ; jeśli jest tylko jeden wałek rozrządu, jest to pojedyncza krzywka lub silnik SOHC . Często występują dwa wałki rozrządu, jeden dla zaworów dolotowych i jeden dla zaworów wydechowych, tworząc podwójną krzywkę górną lub DOHC . Wałek rozrządu napędzany jest wałem korbowym  – poprzez koła zębate, łańcuch lub pasek rozrządu .

Zużycie zaworu

Na początku budowy silnika głównym problemem był zawór grzybkowy. Brakowało metalurgii , a szybkie otwieranie i zamykanie zaworów głowic cylindrów prowadziło do szybkiego zużycia. Musiałyby zostać ponownie zmielone w procesie znanym jako „ praca zaworowa ”. Dodanie tetraetyloołowiu do benzyny nieco zredukowało ten problem, ołowiana powłoka gniazd zaworów w efekcie smarowałaby metal. W nowocześniejszych pojazdach i odpowiednio obrobionych starszych silnikach gniazda zaworów mogą być wykonane z ulepszonych stopów, takich jak stellit, a zawory ze stali nierdzewnej. Te ulepszenia ogólnie wyeliminowały ten problem i pomogły uczynić paliwo bezołowiowe normą.

Kolejnym problemem jest spalenie zaworu (przegrzanie). Powoduje to nadmierne zużycie zaworów i wadliwe uszczelnienie oraz stukanie silnika (gorący zawór powoduje przedwczesne zapalenie się paliwa). Można go rozwiązać za pomocą układów chłodzenia zaworów, które wykorzystują wodę lub olej jako chłodziwo. W wysokowydajnych lub turbodoładowanych silnikach czasami stosuje się trzpienie zaworów wypełnione sodem . Te trzpienie zaworów działają następnie jako rura cieplna . Główną przyczyną spalonych zaworów jest brak luzu zaworowego na popychaczu; zawór nie może się całkowicie zamknąć. Zmniejsza to jego zdolność do przewodzenia ciepła do głowicy cylindra przez gniazdo i może umożliwić przepływ gorących gazów spalinowych między zaworem a jego gniazdem. Spalone zawory spowodują niską kompresję w dotkniętym cylindrze i utratę mocy.

Silnik parowy

Odciążony zawór grzybkowy z patentu USA 339,809. Para pod wysokim ciśnieniem wchodzi w A i wychodzi w B. Trzpień zaworu D porusza się w górę, aby otworzyć tarcze zaworu C
Oscylacyjny zawór grzybkowy w jednej z przebudowanych lokomotyw 4-6-2 firmy Chapelon .

James Watt używał zaworów grzybkowych do kontrolowania przepływu pary do cylindrów swoich silników belkowych w latach siedemdziesiątych XVIII wieku. Przekrojowa ilustracja silnika belki Watta z 1774 roku używającego tego urządzenia znajduje się w Thurston 1878:98, a Lardner (1840) dostarcza ilustrowany opis użycia zaworu grzybkowego przez Watta.

W przypadku zastosowania w zastosowaniach wysokociśnieniowych, na przykład jako zawory wlotowe w silnikach parowych, to samo ciśnienie, które pomaga uszczelnić zawory grzybkowe, ma również znaczny wpływ na siłę wymaganą do ich otwarcia. Doprowadziło to do opracowania zbalansowanego zaworu grzybkowego lub podwójnego zaworu , w którym dwa grzyby zaworu poruszają się na wspólnym trzpieniu, a ciśnienie na jednym grzybie w dużej mierze równoważy ciśnienie na drugim. W tych zaworach siła potrzebna do otwarcia zaworu jest określona przez ciśnienie i różnicę między obszarami dwóch otworów zaworu. Sickels opatentował przekładnię zaworową dla zaworów grzybkowych z podwójnym uderzeniem w 1842 roku. W 1889 roku w czasopiśmie Science pojawiła się krytyka dotycząca zaworów grzybkowych równowagowych (nazywanych w artykule „podwójnym lub zrównoważonym lub amerykańskim zaworem marionetkowym”) stosowanych w silnikach parowców łopatkowych, że ze swej natury musi przeciekać 15 proc.

Zawory grzybkowe były stosowane w lokomotywach parowych , często w połączeniu z przekładnią zaworową Lentz lub Caprotti . Przykłady brytyjskie obejmują:

Zakłady Sentinel Waggon Works stosowały zawory grzybkowe w swoich wagonach parowych i lokomotywach parowych. Cofanie zostało osiągnięte dzięki prostemu systemowi przesuwnego wałka rozrządu .

Wiele lokomotyw we Francji, szczególnie tych przebudowanych według projektów Andre Chapelona, ​​takich jak SNCF 240P , używało zaworów grzybkowych z krzywką oscylacyjną Lentz, które były obsługiwane przez przekładnię zaworową Walschaert, w którą lokomotywy były już wyposażone.

Zawór grzybkowy również stosowane w amerykańskim Pennsylvania kolejowe jest T1 dupleksu lokomotywy , chociaż zawory powszechnie powiodła się, ponieważ lokomotywy zwykle obsługiwane w nadmiarze 160 km / h (100 mph) i zawory nie zostały przeznaczone dla naprężeń takie prędkości. Zawory grzybkowe nadawały również lokomotywie charakterystyczny dźwięk „szurania”.

Zobacz też

Bibliografia