Szelep (motor)

A szelep egy mechanikus része a forgalmazási a négyütemű hőerőgépek , amely lehetővé teszi a felvételi friss gázok és a kiürítését égett gázok. Általában egy szívószelep választja el a szívócsatornát az égéstérből , a kipufogószelep pedig ez utóbbit a kipufogócsatornától.

Szelepek főként három kategóriába sorolhatók: szelepénél - néven is ismert tulipán szelepek - rotációs szelepek, és kígyózik kabát szelepek. A legelterjedtebbek a szár- / tulipánszelepek, amelyek szinte az összes jelenlegi belső égésű motort felszerelik . Ezeket az utóbbi szelepeket leggyakrabban egy vezérműtengely működteti, és egy vagy több visszatérő rugó tartja .

Érdeklődés

A szelepek a hőmotorok fontos mechanikai elemei, mivel:

Szétválasztása a égéstérben a a szívó és kipufogó vezetékek, következésképpen biztosítsa a tömítést a kamra alatt sűrítési és égési fázisok a friss gázokat.

Az autó korai szakaszában az elosztást redőnytárcsákból kialakított automatikus szelepek biztosították, amelyeket a hengerben létrejövő vákuum nyitott beengedéskor és rugók hívtak vissza. Bár egyszerű, az ilyen típusú szelepek nyitása annál is inkább késik, ahogy a motor fordulatszáma nő. A motor ezért nem haladhatja meg az 1000–1300  fordulat / perc értéket .

A XXI .  Század elején a szinte minden belső égésű motorra szerelt szelep szárszelep (más néven tulipán). Általában vezérműtengely által működtetett rúd csúszik a hengerfejben , így a szelepfej nem fedi fel a csatornákat. Egy (vagy több) visszatérő rugó visszahelyezi helyzetébe. Ez a fajta szelep nagyon korán elengedhetetlen volt tulipán alakja miatt, amely "folyékony" gázkibocsátást és sík és vastag felületet adott, amely ellenáll a lángfrontnak .

Geometria

Anatómia

A szár / tulipán szelepek négy részből állnak: fej, nyak (vagy tulipán), szár és farok.

Szelepfej kör alakú, redőnylemezként működik a szívó- / kipufogócsatornák és az égéstér között. Amikor a szelep zárt helyzetben van, a hengerfejbe behúzott szelepülésen nyugszik, hogy biztosítsa a kamra tömítését, valamint a szelep helyes központosítását, elkerülve a deformációt. A szelepnek az üléssel érintkezésbe kerülő, csonka kúpos alakú részét „csapágynak” nevezzük; az ülés és a szár között kialakult szög általában 45 °, de 30 ° -ra csökkenthető, ha az emelési magasság (a nyitott szelep és a szelepülés közötti magasság) korlátozott.
A fej három különböző tulajdonságú alakot ölthet: domború , homorú vagy lapos. A domború fejek nagyobb merevséget nyújtanak, de másrészt nehezebbek, és ülésük érzékenyebb a hőmérséklet hatásaira; főleg kipufogószelepekhez használják. A konkáv fejek előnye, hogy nagy hőfeszültségek mellett is megtartják az ülés alakját; ez az oka annak, hogy általában versenymotorokra vannak felszerelve . Végül a lapos szelepeket használják a legszélesebb körben, mert nem igényelnek speciális megmunkálást . A gallér a fejet a rúddal összekötő részt nagy sugarú filé alkotja annak érdekében, hogy megkönnyítse a kamrából érkező hő elvezetését és elkerülje a szakaszváltás miatti rovátkolás hatását . A rúd hengeres rész, amelynek átmérője a fejének negyedének nagyságrendje, biztosítja a szelep függőleges irányítását. A rúd így csúszik a szelepvezetőben , amely egy hengeres nyílás a hengerfejben . A rúd átmérőjének növelésével megkönnyíti a hőleadás elvezetését a hengerfejhez, de a szelep nehezebb. farok A szelep vége támogatja a vezérműtengely által működtetett szelep működését . Egy vagy több horonnyal rendelkezik, leggyakrabban félkör alakú szakaszokkal, amelyek tartalmazzák azokat a kulcsokat, amelyek a visszatérő rugó feszültségét továbbítják a szelephez.

Méretezési kritériumok

Két fő szempont határozza meg a szelepek méreteit:

Így bármely belső égésű motor szelepe megfelel a következő kritériumoknak:

A szelepfejben lévő hőmérsékleti gradiens arányos a szelepülék átmérőjével , ezért a szelep tartományával, valamint a beáramló hőárammal , maga a beáramló levegő hőmérsékletének és a beáramló levegő mennyiségének függvénye. égett az üzemanyag. Raymond Brun az ipari dízelmotorok és a közlekedés tudománya és technikája című könyvében a következőket írja:

hol van a szelepben lévő hőáram bemeneti felülete és az áramlás kimeneti felülete.

A szelep ülése tehát nem lehet túl vékony, és nem is túl kicsi átmérőjű, mert a fej hőjét rosszul elvezetik és így gyengítik. De a túl nagy átmérő hátránya a kemény széntartalmú korom és maradványok felhalmozódása . Az ülés és a fej vetített felületének 25% -a közötti valós érintkezési terület jó kompromisszumot kínál e különböző kritériumok között.

Megkötések és anyagok

A szelepek nagyon erős mechanikai és hőterhelésnek vannak kitéve. Az égett gázok hőmérséklete a kamrában könnyen eléri a 800  ° C-ot , ekkor a kipufogószelep különösen sérülékeny. Valóban, ha a szívószelepet a friss gázok hűtötték (nyitott helyzetben), akkor a kipufogószelepeket intenzíven melegítik a forró gázok áthaladása a szakaszán keresztül a ciklus végén. A szelepülésnek rövid idő alatt nagy mennyiségű hőt is ki kell ürítenie .

A játékba hozott tehetetlenségi erők szintén jelentősek; a szelepfej másodpercenként csaknem 70-szer érintkezhet a szelepülettel, tudva, hogy a motor fordulatszáma elérheti a 8000  fordulat / perc értéket , és egyes szikragyújtású motoroknál még a dupláját is meghaladja (sportmotorok) . Végül a szelepeket korróziónak teszik ki benzin, adalékanyagok, kenőanyagok vagy akár égési maradványok.

Ezeknek a terheléseknek a viselésére a szelepeket különböző anyagokból tervezték. A rúdnak alacsony súrlódási együtthatóval, alacsony tágulási együtthatóval és jó kopásállósági tulajdonságokkal kell rendelkeznie. Az előző bekezdésben leírtak szerint a fejnek ellenállónak kell lennie ütésekkel és korrózióval szemben. Az aluminizáló edzést néha gyakorolják a szívószelepek ülésein, amelyek ily módon keménységet érnek el , mint a kipufogószelepekben alkalmazott erősebb anyagok keménysége .

A Mahle GmbH gyártótól származó bimetall szelepek például a fejéhez magasan ötvözött acélból készülnek , míg a szárak krómozott vagy nitrált acélból készülnek, hogy javítsák csúszási és kopásállósági tulajdonságukat. Egyes szelepszárak szintén üregesek, hogy nátriumot helyezzenek beléjük , megkönnyítve a hűtést. Ezek az üregek kétharmadát nátrium töltötte meg, amely folyadék 97,5  ° C- nál kezdődik , és amely a szelepfejből hőt visz át a száron keresztül a szelep mozgásain keresztül. A nátrium lítium- és káliumsókkal helyettesíthető .

Szelephelyzet

A hengerfej szelepeinek az égéstérhez viszonyított helyzete számos, és lényegében a kamra alakjától függ. A szelepek így elhelyezhetők a dugattyú felett, párhuzamosan vagy anélkül, vagy akár oldalirányban is.

A jelenlegi motorok általában felső szelepes motorok, amelyek a dugattyú fölé helyezett V szelepekből állnak. Ez az elrendezés jobb gázáramlást és jobb kompressziós arányt biztosít, mint az oldalsó szelepes motorok . Ez utóbbi motorok a szívó- és kipufogógáz-visszavezetést nem a henger fejénél végzik, mint a felső szelepes motoroknál, hanem a henger melletti oldalkamrán keresztül. Ez a rendszer egyszerűsíti az időzítés meghajtását azáltal, hogy közelebb hozza a főtengelyhez .

Speciális szelepek

Annak ellenére, hogy nem igazán sikerült megállapodniuk, vannak még más típusú szelep, mint wiggly kabát szelepek vagy keverőcsapokra. A kétütemű motoroknál nem szelepről (hanem lámpákról) beszélünk, mivel a dugattyú a szelep szerepét tölti be, ha feltárja vagy bezárja ezeket a motorblokkba húzott lámpákat .

Forgószelepek

A forgószelepek a XX .  Század elején jelentek meg , számos szabadalom ellenére sem fognak sikert elérni. Az első forgószelepek egy üreges hengerből állnak, amelyek két csatornát alkotnak: egy szívócsatornát és egy kipufogócsatornát. A henger forgása lehetővé teszi a kamra egymás utáni összekapcsolását a szívócsővel vagy a kipufogócsővel.

A rendszer alternatív változatát később Roland Claude Cross mérnök javasolta  ; a hengeres szelepet már nem oldalirányban, hanem a fejnél helyezzük el, merőlegesen a dugattyúhengerre. A forgóhenger-szelepek fő hátránya a nagy súrlódás.

Anekdotikusabban, vannak olyan forgószelepek is, amelyek a mérleg elvén működnek, amelyek feltárhatják vagy nem fedhetik fel a légcsatornákat. A szelepet így konkáv alakú membrán zárja le. Ez a típusú szelep különösen rontja a gázbevitel és a kipufogógáz folyékonyságát, ami gyenge motorteljesítményhez vezet .

Ostya hüvelyes szelepek

A vándorköpennyel ellátott szelepek ismét átveszik a motorblokkba húzott lámpák elvét, azzal a különbséggel, hogy a dugattyú már nem játszik szerepet a szelepben. A dzseki , amelyben lámpákat is gyártanak, ezt a szerepet tölti be azzal, hogy mozgékony a motorblokkhoz képest . Ne feledje, hogy az ilyen típusú rendszerrel felszerelt motorokat néha „szelepteleneknek” nevezik, bár a bélés olyan lumenet fed le vagy takar, mint a szárszelepek. A bélés felváltva mozog jobbról balra, majd balról jobbra egy különcnek köszönhetően, így nyitva és zárva a szívó- és kipufogónyílásokat.

Charles Yale lovagrendszer

Az amerikai Charles Yale Knight  (de) által 1905-ben szabadalmaztatott , ezt a kettős hüvelyes rendszert nevezetesen a Panhard autógyártó használta , de vannak példák a Voisin („Laboratóriumi versenyautó”), a Peugeot és a Minerva által Belgiumban. A Knight rendszer két koncentrikus ing inget használ  ; ez az eszköz nem volt túl tartós, mert a bélések gyorsan játszanak , ami nagyban befolyásolja a tömítésüket, de a hamu felhalmozódása a béléseken folyamatos használat révén javította a Knight rendszer motorjainak teljesítményét, amelynek hátránya, hogy az ellenkező irányú mozgás a két bélés közül a kenőolajlemez nyírása következtében a kenés hiánya következett be.

Burt-McCollum rendszer

A Burt-McCollum rendszer, amely a két mérnökről, Peter Burtról és James Harry Keighly McCollumról kapta a nevét, akik csak néhány hét különbséggel szabadalmaztatták ugyanezt a koncepciót. A szabadalmi bejelentések dátuma 1909. augusztus 6. és június 22.. A mérnököket Argyll skót építtető vette fel . Ez a rendszer egyetlen köpenyből állt, amely egyesítette a felfelé és lefelé irányuló lineáris mozgást és a részleges forgásmozgást.

Az első építtető, aki a Burt-McCollum egyhüvelyes rendszert használta, a skót "Argyll" vállalat volt, amely a Knight kétujjú rendszerénél sokkal jobb terjesztési rendszer szabadalmaival is rendelkezett.

1939-ben a brit Bristol repülőgép-motorgyártó jelentősen tökéletesítette ezt a rendszert, csak egyetlen nitridált acél ostyakabátot használva a Burt és McCollum szabadalmak szerint. Az így felszerelt Bristol Hercules motorok híresek megbízhatóságukról, 3000 órás földelési idejükről, kiváló hatékonyságukról és ésszerű olajfogyasztásukról, bár magasabbak, mint egy hagyományos motoré. A hatékonyság javulása annak a ténynek köszönhető, hogy az égéstérben nem mozognak nagyon magas hőmérsékletű kipufogószelepek, ez a forró pont hiánya csökkenti a detonáció (kopogás) kockázatát, lehetővé téve, hogy ezek a motorok soványabb keverékkel és magasabb kompressziós arány, mint a hagyományos repülőgép-hajtóműveknél. A Bristol Centaurus a Bristol által gyártott hüvelyes köpenyes radiális motorok sorozatának legújabb fejlesztése .

Az ilyen pólók forgalmazásának fejlesztési munkája többek között Roy Fedden és Harry Ricardo mérnököknek köszönhető .

1943 elején a Napier cégnek sikerült megbízhatóvá tenni Saber repülőgép-motorját , folyadékhűtéses, 24 hengeres H-motorral , egyszerű, hullámos béléssel. E korszak egyik legerősebb motorja lett.

Franciaországban és a második világháború után egyedülálló Bristol-engedéllyel rendelkező ostyahüvelyes motorokat gyártottak, amelyeket a Noratlas repülőgépekre szereltek fel .

Az 1970-es években egy angol verseny sebességváltó-gyártó, Mike Hewland ( Car & Driver review , 1974. július) egyedülálló burkolólemez-elrendezésű motorprototípusokat fejlesztett ki, a "Burt-McCollum rendszert", amelyet nagy sebességű autókban terveztek használni. . azt közli, hogy kapott 72  LE egyetlen henger 500  cm 3 , a fajlagos fogyasztása 172  g HP -1  H -1 gazdaságos változata. 10.000  fordulat / perc fölött járatta motorját , a dugattyú maximális hőmérséklete nem haladta meg a 150  ° C-ot , és a motor kreozoton működött . A magas olaj fogyasztása motorok dupla kabát „Knight rendszer” tenné őket ma már elfogadhatatlan, de néhány publikáció az idő adta motorok szimpla bélés a „Burt-McCollum” telepített rendszer Argyll autók, olaj fogyasztása mintegy 1000 mérföld per gallon , ami körülbelül negyed liter / száz kilométer. Az angol mérnök, Harry Ricardo által végzett mérések azt mutatták, hogy az egyszemélyes vándorkabátos motoroknál jobb a mechanikai hatásfok, mint a szárszelepes motoroké.

Gyártási folyamat

A szárszelepek általában egyfémesek, bár hajlamosak bimetálissá válni, miközben a különböző anyagokból készült fejet és szárat egymás után hegesztik . A szelepeket korábban kovácsolással nyertük  ; egy rudat, amelynek átmérője valamivel nagyobb, mint a rúd, a végén felmelegítik, hogy megpuhuljon, és hátratolják a fej kialakításához.

Ez a folyamat azonban feszültséget okoz az anyagban az alkatrész nem egyenletes melegítése miatt. Ez az oka annak, hogy ezt a technikát most az extrudálási folyamat váltja fel . A művelet most egy olyan gömbtől indul, amelynek átmérője megközelítőleg megegyezik a végső szelep fejének kétharmadával. A gömb extrudálásával így kialakul a fej és a szár.

Megjegyzések és hivatkozások

  1. "  Szelepek: A szelepek szüntelen érkezése és menése  " , Mahle-n: Teljesítmény vezérelte (hozzáférés : 2010. január 20. )
  2. "  The Valve  " , on Mécamotors (hozzáférés : 2010. január 17. )
  3. "  Technika: Szelepek  " , a Motorlegenden ,2005. augusztus 2(hozzáférés : 2009. január 19. ) , p.  1
  4. "  Technika: A négy szelepes időzítés  " a Motorlegenden ,2005. augusztus 2(hozzáférés : 2010. január 21. ) , p.  1
  5. Sovanna Pan, „  Hőmotorok - elosztórendszer  ” ,2004. október 18(megtekintés : 2010. január 22. )
  6. "  Technika: Szelepek  " , a Motorlegenden ,2005. augusztus 2(hozzáférés : 2009. január 20. ) , p.  2
  7. Raymond Brun (1981) , A szelepek geometriája , p.  124., c.  IX - A hengerfej és a szelepek . Hozzáférés: 2010. január 27
  8. Raymond Brun (1981) , A szelepek geometriája , p.  131., c.  IX - A hengerfej és a szelepek . Hozzáférés: 2010. január 27
  9. "  Technika: Szelepek  " , a Motorlegenden ,2005. augusztus 2(megtekintés : 2009. január 20. ) , p.  3
  10. Christian Decroly, "  A vezérműtengely-hajtások különböző módjai  " , a Tract-old-motoroknál ,2003. december 15(megtekintés : 2010. január 20. )
  11. "  Szelepeltávolítás: egyszerűsítés (?)  " (Hozzáférés : 2010. január 22. )
  12. profil , n o  67
  13. "  Technika: A négy szelepes időzítés  " a Motorlegenden ,2005. augusztus 2(hozzáférés : 2010. január 21. ) , p.  4

Függelékek

Bibliográfia

  • Raymond Brun, Az ipari dízelmotorok és közlekedés tudománya és technológiája , Vol.  2, Technip ,tizenkilenc nyolcvan egy, 445  p. ( ISBN  978-2-7108-0473-4 , online olvasás )

Kapcsolódó cikkek