포핏 밸브

Poppet valve
밸브 스프링 및 밸브 스템 씰이 있는 포핏 밸브

포핏 밸브(버섯[1] 밸브라고도 함)는 일반적으로 엔진으로 유입되는 가스 또는 증기의 타이밍과 양을 제어하는 데 사용되는 밸브입니다.

이것은 구멍 또는 개방된 챔버(일반적으로 단면이 둥글거나 타원형)와 밸브 스템으로 알려진 샤프트 끝에 있는 디스크 모양 플러그로 구성됩니다.이 플러그의 작동 단부인 밸브 표면은 일반적으로 45° 베벨로 접지되어 씰링되는 챔버의 림에 해당하는 밸브 시트 접지를 씰링합니다.샤프트는 밸브 가이드를 통과하여 정렬 상태를 유지합니다.

밸브 양쪽의 압력 차이는 밸브의 성능을 보조하거나 손상시킬 수 있습니다.배기 장치에서는 밸브에 대한 압력이 높으면 밸브가 씰링되고 흡기 장치에서는 압력이 낮으면 밸브가 열립니다.

포핏 밸브는 1833년 뉴캐슬과 프렌치타운 철도의 American E.A.G. Young에 의해 발명되었다.영은 그의 아이디어에 특허를 냈지만, 1836년 특허청의 화재로 [2]모든 기록이 소실되었다.

어원학

팝펫이라는 단어는 "puppet"과 어원을 공유한다: 그것은 중세 영어 팝펫("youth" 또는 "doll")에서 유래했으며, 중세 프랑스어 푸페는 푸페의 약어이다.밸브를 설명하기 위해 poppet이라는 단어를 사용하는 것은 마리오네트에 적용되는 동일한 단어에서 유래합니다. 마리오네트는 포핏 밸브와 마찬가지로 [3][4]직선으로 전달되는 원격 움직임에 따라 신체적으로 움직입니다.과거에는 "puppet valve"가 puppet [5][6]valve의 동의어였지만, 이제는 "puppet"의 사용이 사용되지 않게 되었습니다.

설계.

자동 작동 흡기 밸브(빨간색)와 캠 작동 배기 밸브(파란색)가 있는 피스톤 엔진

포핏 밸브는 슬라이드 및 진동 밸브와는 근본적으로 다릅니다. 포트를 드러내기 위해 시트 위를 미끄러지거나 흔드는 대신 포핏 밸브가 포트의 평면에 수직 방향으로 움직이면서 시트에서 상승합니다.포핏 밸브의 주요 장점은 시트에서 움직임이 없어 [7]윤활이 필요하지 않다는 것입니다.

대부분의 경우 직동 밸브에 "밸런스 포핏"이 있는 것이 좋습니다.포핏의 모든 힘은 동일하고 반대되는 힘에 의해 무효화되기 때문에 포핏 이동에 필요한 힘은 줄어듭니다.솔레노이드 코일은 스프링력만 [8]상쇄해야 합니다.

포핏 밸브는 내연기관 및 증기기관에서 사용되는 것으로 가장 잘 알려져 있지만, 우유의 흐름을 제어하고 반도체 산업의 멸균 공기를 분리하는 등 많은 산업 공정에서 사용됩니다.

공압 타이어에 사용되는 Presta 및 Schrader 밸브는 포핏 밸브의 예입니다.Presta 밸브에는 스프링이 없으며 가압된 상태에서 개폐를 위한 압력 차이에 의존합니다.

포핏 밸브는 잠수함에서 어뢰를 발사하는 데 광범위하게 사용된다.많은 시스템이 압축 공기를 사용하여 어뢰를 튜브에서 배출하고 포핏 밸브는 대량의 공기를 회수합니다(대량의 바닷물과 함께). 그렇지 않으면 보트의 잠긴 [9]위치를 드러낼 수 있는 거품 구름을 감소시키기 위해서입니다.

내연기관에서의 사용

일반적인 오버헤드 캠축 엔진의 포핏 밸브

포핏 밸브는 대부분의 피스톤 엔진에서 실린더 헤드를 통해 연소실로 유입되는 흡기 및 배기 가스의 흐름을 제어하는 데 사용됩니다.연소실 내부에 있는 포핏 밸브의 측면은 평평한 디스크이고, 다른 측면은 디스크 모양에서 가늘어져 "밸브 스템"이라고 불리는 얇은 원통형 로드로 변합니다.

소재와 내구성

일반적인 현대 양산 엔진에서 밸브는 고체이며 강철 합금으로 제작됩니다.그러나 일부 엔진은 열 전달을 개선하기 위해 나트륨이 채워진 중공 밸브를 사용합니다.

대부분의 최신 엔진은 알루미늄 실린더 헤드를 사용합니다.이렇게 하면 열이 더 잘 전달되지만 강철 밸브 시트 인서트를 사용해야 합니다. 오래된 주철 실린더 헤드의 경우 밸브 시트가 실린더 헤드의 일부인 경우가 많습니다.밸브 스템 주위에 0.4~0.6mm(0.016~0.024인치)의 갭이 있으므로 밸브 스템 씰을 사용하여 이 갭을 통해 연소 가스가 빠져나가거나 오일이 연소실로 유입되는 것을 방지합니다.일반적으로 고무 립 타입의 씰이 사용됩니다.밸브 가이드 마모 및/또는 오일 씰 결함의 일반적인 증상은 스로틀이 갑자기 닫힐 때와 같이 흡기 매니폴드 진공이 증가할 때 배기 파이프에서 푸른 연기가 뿜어져 나오는 것입니다.

역사적으로 밸브에는 두 가지 주요 문제가 있었는데, 두 가지 모두 현대 야금의 개선으로 해결되었습니다.첫 번째는 초기 내연기관에서 밸브의 마모율이 높기 때문에 밸브를 정기적으로 원래대로 되돌리는 밸브 작업이 필요했다는 것입니다.둘째, 엔진 노킹을 방지하고 밸브에 윤활유를 제공하기 위해 1920년대부터 가솔린(가솔린)에 납 첨가제가 사용되었습니다.밸브(예: 스테인리스강) 및 밸브 시트(예: 스텔라이트)의 최신 재료는 1990년대 중반까지 많은 산업 국가에서 납이 첨가된 휘발유를 단계적으로 폐기할 수 있게 했다.

작동 방법

다음 항목도 참조하십시오.캠축

1890년대와 1900년대의 초기 엔진은 연소실의 진공에 의해 열리고 가벼운 스프링에 의해 닫히는 "자동" 흡기 밸브를 사용했습니다.배기 밸브를 기계적으로 구동하여 실린더의 압력에 맞서 열어야 했다.자동 밸브를 사용하면 메커니즘이 간소화되었지만, 밸브 플로트는 엔진이 작동할 수 있는 속도를 제한했고, 약 1905년까지 차량 엔진에 기계적으로 작동되는 흡기 밸브가 점점 더 많이 채택되었습니다.

기계적 작동은 일반적으로 밸브 스템의 끝을 누르는 방식으로 이루어지며, 스프링은 밸브를 닫힘 위치로 되돌리는 데 사용됩니다.높은 엔진 속도(RPM)에서 밸브 트레인의 중량은 밸브 스프링이 밸브를 충분히 빨리 닫을 수 없음을 의미하며, 밸브 플로트 또는 밸브 바운스가 발생합니다.데스모드로믹 밸브는 밸브 스프링을 사용하는 대신 두 번째 로커 암을 사용하여 밸브를 기계적으로 닫으며, 때로는 높은 RPM으로 작동하는 엔진에서 밸브 플로트를 방지하는 데 사용됩니다.

대부분의 양산 엔진에서 캠축은 여러 중간 메커니즘(예: 푸시로드, 롤러 로커 및 밸브 리프터)을 통해 밸브의 개방을 제어합니다.캠축의 캠 모양은 밸브 리프트에 영향을 미치고 밸브가 열리는 타이밍을 결정합니다.

밸브의 수 및 위치

플랫헤드 엔진(밸브는 밝은 파란색으로 표시됨)
오버헤드 캠축 엔진
다음 항목도 참조하십시오.멀티밸브

초기의 플랫헤드 엔진(L-헤드 엔진이라고도 함)은 밸브가 [10]실린더와 평행한 "상향 하향" 방향으로 실린더 옆에 위치하는 것을 보았습니다.이러한 설계는 단순하고 저렴한 구조를 위해 만들어졌지만, 흡기 및 배기 가스의 비틀림 경로는 공기 흐름에 큰 단점을 가지고 있으며, 이로[11] 인해 엔진 RPM이 제한되고 지속적인 고부하 상태에서 엔진 블록이 과열될 수 있습니다.플랫헤드 디자인은 많은 초기 오토바이와 여러 자동차에 사용된 흡기 오버 배기(IOE) 엔진으로 진화했습니다.IOE 엔진에서 흡기 밸브는 실린더 바로 위에 위치했지만(나중의 오버헤드 밸브 엔진과 마찬가지로), 배기 밸브는 실린더 옆에 거꾸로 놓여 있습니다.

이러한 설계는 1904년부터 1960년대 후반/1970년대 초중반 사이에 오버헤드 밸브(OHV) 엔진으로 대체되었으며, 흡기 밸브와 배기 밸브는 모두 실린더 바로 위에 위치하였다(엔진 하단에 캠축이 위치).1950년대부터 1980년대 사이에 OHV 엔진은 주로 오버헤드 캠축(OHC) 엔진으로 대체되었다.밸브의 위치는 OHV 엔진과 OHC 엔진 간에는 대체로 동일하지만, OHC 엔진은 캠축이 밸브와 함께 엔진 상단에 위치하고 OHC 엔진에는 실린더당 더 많은 밸브가 있는 경우가 많습니다.대부분의 OHC 엔진에는 실린더당 2개의 밸브가 사용되는 설계와 달리, 대부분의 OHC 엔진에는 실린더당 1개의 흡기 밸브와 1개의 배기 밸브가 있습니다(4개 밸브).그러나 일부 OHC 엔진은 실린더당 3개 또는 5개의 밸브를 사용했습니다.

증기 엔진에서의 사용

미국 특허 339,809의 밸런스 포핏 밸브.고압 증기는 A에서 유입되어 B에서 배출됩니다.밸브 스템 D가 위로 이동하여 밸브 디스크 C를 엽니다.
샤펠론의 개조된 4-6-2 기관차 중 하나에 있는 진동식 포핏 밸브.

제임스 와트는 1770년대에 그의 빔 엔진의 실린더로 들어가는 증기의 흐름을 제어하기 위해 포핏 밸브를 사용하고 있었다.이 장치를 사용한 1774년의 와트 빔 엔진의 단면도는 Thurston 1878:[12]98에 나와 있으며, Lardner(1840)는 와트의 포핏 [13]밸브 사용에 대한 설명을 제공합니다.

예를 들어 증기 엔진의 어드미션 밸브와 같은 고압 애플리케이션에서 사용되는 경우, 밀봉 포핏 밸브를 돕는 동일한 압력도 개방에 필요한 힘에 크게 기여한다.이로 인해 두 개의 밸브 플러그가 공통 스템에 장착되고 한쪽 플러그에 가해지는 [14][15]압력이 다른 쪽 플러그에 가해지는 압력의 균형을 이루는 균형 잡힌 포핏 또는 더블 비트 밸브가 개발되었습니다.이들 밸브에서 밸브를 여는 데 필요한 힘은 압력과 두 밸브 개구부 면적 차이에 의해 결정된다.Sickels는 1842년에 2비트 포핏 밸브의 밸브 기어를 특허 취득했다.1889년 사이언스지에 패들 증기 엔진에 사용되는 평형 포핏 밸브(기사에서 "이중 또는 균형 또는 미국식 꼭두각시 밸브"라고 부름)에 대한 비판이 보고되었다. 그 성격상 15%가 [16]누출되어야 한다.

포핏 밸브는 종종 렌츠 또는 카프로티 밸브 기어와 함께 증기 기관차에 사용되어 왔습니다.영국의 예는 다음과 같습니다.

Sentinel Waggon Works는 증기 마차와 증기 기관차에 포핏 밸브를 사용했습니다.후진은 단순한 슬라이딩 캠축 시스템에 의해 수행되었습니다.

프랑스의 많은 기관차, 특히 SNCF 240P와 같은 Andre Chapelon의 설계로 개조된 기관차는 렌츠 진동 캠 포핏 밸브를 사용했는데, 렌츠는 기관차가 이미 갖추고 있던 월샤르트 밸브에 의해 작동되었다.

포핏 밸브는 또한 American Pennsylvania Railway의 T1 이중 기관차에도 사용되었지만, 기관차가 일반적으로 160km/h(100mph)를 초과하여 운행되었기 때문에 밸브가 일반적으로 고장 났으며, 밸브는 그러한 속도의 응력을 의도하지 않았습니다.포핏 밸브는 기관차에 독특한 "츄잉" 소리를 내기도 했다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ A.L. Dyke (1921), Dyke's Automobile and Gasoline Encyclopedia, St. Louis, A. L. Dyke, archived from the original on 2016-06-11
  2. ^ White, John H. (1979). A History of the American Locomotive. North Chelmsford, MA: Courier Corporation. p. 145.
  3. ^ "Poppet at Merriam-Webster". Merriam-webster.com. Archived from the original on 2011-10-17. Retrieved 2011-12-06.
  4. ^ "Puppet at Merriam-Webster". Merriam-webster.com. Archived from the original on 2012-01-12. Retrieved 2011-12-06.
  5. ^ "Puppet valve from 1913 Webster's dictionary". Websters-online-dictionary.org. Archived from the original on 2006-02-21. Retrieved 2011-12-06.
  6. ^ "U.S. Patent No. 339809, "Puppet Valve", issued April 13, 1886". Patimg1.uspto.gov. Archived from the original on January 10, 2017. Retrieved 2011-12-06.
  7. ^ Fessenden, Charles H. (1915). Valve Gears. New York: McGraw Hill. pp. 159–168. Archived from the original on 2016-06-03.
  8. ^ Wahl, Philipp (2013). Piston spool valves and poppet valves. Esslingen: Festo AG & Co. KG.
  9. ^ 어뢰관 매뉴얼 books.google.com
  10. ^ "fsoc". fsoc. Archived from the original on 18 March 2018. Retrieved 24 April 2018.
  11. ^ "A Handy Guide to Clinton Engines" (PDF). 1956. p. 2. Archived (PDF) from the original on October 3, 2015. Retrieved October 2, 2015. R. P. M. 2200 — 3600
  12. ^ Thurston, R.H. (1878). A History of the Growth of the Steam Engine. New York: Appleton & Co. pp. 98.
  13. ^ Lardner, Dionysius (1840). The steam engine explained and illustrated. London: Taylor and Walton. pp. 189–91. Archived from the original on 2013-10-04.
  14. ^ Jacques Mouchly, 기관차 및 기타 엔진용 밸브 및 밸브 기어, 미국 특허 182만4830은 1931년 9월 29일에 발행되었다.
  15. ^ 허먼 G.뮬러, 증기 엔진 밸브, 미국 특허 1,983,803은 1934년 12월 11일에 발행되었습니다.
  16. ^ 이엔의 비판Dickerson은 뉴욕 전기클럽 강연에서, 사이언스 vol.13 No.314, 1889년 2월 8일 p.95 sciencemag.org에 의해 보고되었다.