Válvula reguladora de pressão - Poppet valve
Uma válvula poppet (também chamada de válvula cogumelo ) é uma válvula normalmente usada para controlar o tempo e a quantidade de gás ou fluxo de vapor em um motor.
Consiste em um orifício ou câmara de extremidade aberta, geralmente redonda ou oval em seção transversal, e um plugue, geralmente em forma de disco na extremidade de um eixo conhecido como haste de válvula. A extremidade de trabalho deste bujão, a face da válvula, é tipicamente retificada em um chanfro de 45 ° para vedar contra uma sede de válvula correspondente aterrada na borda da câmara que está sendo vedada. O eixo passa por uma guia de válvula para manter seu alinhamento.
Um diferencial de pressão em qualquer lado da válvula pode ajudar ou prejudicar seu desempenho. Em aplicações de exaustão , a pressão mais alta contra a válvula ajuda a vedá-la e, em aplicações de admissão , a pressão mais baixa ajuda a abri-la.
A válvula poppet foi inventada em 1833 pela American EAG Young da Newcastle and Frenchtown Railroad . Young havia patenteado sua ideia, mas o incêndio no Escritório de Patentes de 1836 destruiu todos os registros dela.
Etimologia
A palavra boneco compartilha etimologia com " boneco ": é do inglês médio popet ("juventude" ou "boneca"), do francês médio poupette , que é um diminutivo de poupée . O uso da palavra gatilho para descrever uma válvula vem da mesma palavra aplicada a marionetes , que, como a válvula gatilho, se movem corporalmente em resposta ao movimento remoto transmitido linearmente. No passado, "válvula fantoche" era sinônimo de válvula poppet ; no entanto, esse uso de "fantoche" agora está obsoleto.
Operação
A válvula poppet é fundamentalmente diferente das válvulas deslizantes e oscilantes; em vez de deslizar ou balançar sobre uma sede para descobrir uma porta, a válvula poppet se levanta da sede com um movimento perpendicular ao plano da porta. A principal vantagem da válvula poppet é que ela não tem movimento na sede, portanto, não requer lubrificação.
Na maioria dos casos, é benéfico ter um "gatilho equilibrado" em uma válvula de ação direta. Menos força é necessária para mover o gatilho porque todas as forças no gatilho são anuladas por forças iguais e opostas. A bobina solenóide deve neutralizar apenas a força da mola.
As válvulas Poppet são mais conhecidas por seu uso em motores a vapor e de combustão interna, mas são usadas em muitos processos industriais, desde o controle do fluxo de leite até o isolamento do ar estéril na indústria de semicondutores.
As válvulas Presta e Schrader usadas em pneus pneumáticos são exemplos de válvulas de gatilho. A válvula Presta não tem mola e depende de um diferencial de pressão para abrir e fechar durante o enchimento.
As válvulas Poppet são amplamente utilizadas no lançamento de torpedos de submarinos . Muitos sistemas usam ar comprimido para expelir o torpedo do tubo , e a válvula poppet recupera uma grande quantidade desse ar (junto com uma quantidade significativa de água do mar) para reduzir a nuvem de bolhas que poderia trair o barco posição submersa.
Motor de combustão interna
As válvulas poppet são usadas na maioria dos motores alternativos para abrir e fechar as portas de admissão e exaustão na cabeça do cilindro . A válvula geralmente é um disco plano de metal com uma haste longa conhecida como "haste da válvula" presa a um lado.
Nos primeiros motores de combustão interna (c. 1900) era comum que a válvula de admissão fosse automática, ou seja, aberta pela sucção do motor e devolvida por uma leve mola. A válvula de escape teve que ser acionada mecanicamente para abri-la contra a pressão no cilindro. O uso de válvulas automáticas simplificava o mecanismo, mas a " válvula flutuante " limitava a velocidade na qual o motor podia funcionar e, por volta de 1905, válvulas de admissão operadas mecanicamente eram cada vez mais adotadas para motores de veículos.
A operação mecânica geralmente é feita pressionando a extremidade da haste da válvula, com uma mola geralmente sendo usada para retornar a válvula à posição fechada. Em altas rotações por minuto (RPM), a inércia da mola significa que ela não pode responder com rapidez suficiente para retornar a válvula à sua sede entre os ciclos, levando à flutuação da válvula, também conhecido como "salto da válvula". Nesta situação podem ser utilizadas válvulas desmodrômicas que, sendo fechadas por uma ação mecânica positiva em vez de por uma mola, são capazes de circular nas altas velocidades exigidas, por exemplo, em motores de motocicletas e automóveis .
O motor normalmente opera as válvulas empurrando as hastes com cames e seguidores de came . A forma e a posição do came determinam a elevação da válvula e quando e com que rapidez (ou lentamente) a válvula é aberta. Os cames são normalmente colocados em um eixo de comando de válvulas fixo que é então engrenado no virabrequim , funcionando a meia velocidade do virabrequim em um motor de quatro tempos . Em motores de alto desempenho, o eixo de comando é móvel e os comandos têm altura variável, portanto, ao mover axialmente o eixo de comando em relação à rotação do motor, a elevação da válvula também varia. Veja o tempo de válvula variável .
Para certas aplicações, a haste e o disco da válvula são feitos de diferentes ligas de aço , ou a haste da válvula pode ser oca e preenchida com sódio para melhorar o transporte e a transferência de calor . Embora seja um melhor condutor de calor, uma cabeça de cilindro de alumínio requer inserções de sede de válvula de aço , enquanto uma cabeça de cilindro de ferro fundido costumava empregar sedes de válvula integrais no passado. Como a haste da válvula se estende para lubrificação na câmara de came, ela deve ser vedada contra blow-by para evitar que os gases do cilindro escapem para o cárter , mesmo que a folga da haste para a válvula seja muito pequena, normalmente 0,04-0,06 mm, então uma borracha A vedação tipo lábio é usada para garantir que o excesso de óleo não seja sugado do cárter no curso de indução e que os gases de escapamento não entrem no cárter no curso de escapamento. Guias de válvula desgastadas e / ou retentores de óleo defeituosos podem frequentemente ser diagnosticados por um sopro de fumaça azul do tubo de escape ao liberar o pedal do acelerador após permitir que o motor supere a velocidade , quando há alto vácuo no coletor . Tal condição ocorre ao mudar de marcha.
Em motores multiválvulas , a configuração convencional de duas válvulas por cilindro é complementada por um mínimo de uma válvula de admissão extra (cabeçote de três válvulas) ou, mais comumente, com uma admissão extra e uma válvula de escape extra (quatro cabeça do cilindro da válvula), o último significando RPM mais altos são, teoricamente, alcançáveis. Cinco designs de válvula (com três válvulas de admissão e duas válvulas de escape) também estão em uso. Mais válvulas por cilindro significa melhor fluxo de gás e menores massas alternadas podem ser alcançadas, levando a uma maior eficiência do motor e, em última análise, maior potência e melhor economia de combustível. Os motores multivalves também permitem uma vela de ignição localizada no centro, o que melhora a eficiência da combustão e reduz a detonação.
Posição da válvula
Nos primeiros projetos de motores, as válvulas ficavam "de cabeça para baixo" no bloco, paralelas aos cilindros . Esse era o chamado projeto de motor de cabeça L , devido ao formato do cilindro e da câmara de combustão , também chamado de " motor de cabeça chata ", pois o topo da cabeça do cilindro era plano. O termo preferido fora dos EUA (embora ocasionalmente usado lá também) era sidevalve ; portanto, seu uso em nome do Ford Sidevalve Owners 'Club, com sede no Reino Unido. Embora este projeto tenha uma construção simplificada e barata, ele tinha duas desvantagens principais: o caminho tortuoso seguido pela carga de admissão limitava o fluxo de ar e impedia eficazmente velocidades superiores a 3600 RPM, e o caminho do escapamento através do bloco poderia causar superaquecimento sob sustentado carga pesada. Este projeto evoluiu para " Intake Over Exhaust ", IOE ou F-head , onde a válvula de admissão ficava no cabeçote e a válvula de escape no bloco; mais tarde, ambas as válvulas se moveram para a cabeça. Embora tenha desaparecido em grande parte dos motores automotivos na década de 1960, o layout de cabeça plana ainda é amplamente usado para pequenos motores monocilíndricos (onde a potência não é uma preocupação), como os encontrados em máquinas de jardim, geradores e pequenas motocicletas.
Na maioria desses projetos, o eixo de comando permanecia relativamente próximo ao virabrequim e as válvulas eram operadas por meio de hastes e balancins . Isso levava a perdas significativas de energia no motor, mas era mais simples, especialmente em um motor em V, onde um eixo de comando pode acionar as válvulas de ambos os bancos de cilindros ; por esse motivo, os projetos de motor pushrod têm persistido por mais tempo nessas configurações do que em outras.
Projetos mais modernos têm a árvore de cames no topo da cabeça do cilindro, empurrando diretamente sobre a haste da válvula (novamente por meio de seguidores de came, também conhecidos como tuchos ), um sistema conhecido como árvore de cames suspensa ; se houver apenas um eixo de comando, este é um único comando no cabeçote ou motor SOHC . Freqüentemente, existem duas árvores de cames, uma para as válvulas de admissão e outra para as válvulas de escape, criando o came duplo à cabeça , ou DOHC . O eixo de comando é acionado pelo virabrequim - por meio de engrenagens, uma corrente ou uma correia dentada .
Desgaste da válvula
Nos primeiros dias da construção do motor, a válvula poppet era um grande problema. Faltava metalurgia , e a rápida abertura e fechamento das válvulas nas cabeças dos cilindros levava a um rápido desgaste. Eles precisariam ser retificados em um processo conhecido como " trabalho de válvula ". Adicionar tetraetil - chumbo à gasolina reduziu um pouco esse problema, o revestimento de chumbo das sedes da válvula lubrificaria o metal. Em veículos mais modernos e em motores mais antigos devidamente usinados, as sedes das válvulas podem ser feitas de ligas aprimoradas, como a estelite e as válvulas de aço inoxidável. Essas melhorias geralmente erradicaram esse problema e ajudaram a tornar o combustível sem chumbo a norma.
A queima da válvula (superaquecimento) é outro problema. Isso causa desgaste excessivo da válvula e vedação defeituosa, bem como batidas do motor (a válvula quente faz com que o combustível entre em ignição prematuramente). Isso pode ser resolvido por sistemas de resfriamento de válvula que usam água ou óleo como refrigerante. Em motores de alto desempenho ou turboalimentados , às vezes são utilizadas hastes de válvula preenchidas com sódio . Essas hastes de válvula atuam então como um tubo de calor . Uma das principais causas de válvulas queimadas é a falta de folga da válvula no taco; a válvula não pode fechar completamente. Isso reduz sua capacidade de conduzir calor para a cabeça do cilindro através da sede e pode permitir que gases de combustão quente fluam entre a válvula e sua sede. Válvulas queimadas causarão baixa compressão no cilindro afetado e perda de potência.
Motor a vapor
James Watt estava usando válvulas de gatilho para controlar o fluxo de vapor nos cilindros de seus motores de feixe na década de 1770. Uma ilustração em corte do motor de feixe de Watt de 1774 usando o dispositivo é encontrada em Thurston 1878: 98, e Lardner (1840) fornece uma descrição ilustrada do uso da válvula poppet por Watt.
Quando usada em aplicações de alta pressão, por exemplo, como válvulas de admissão em motores a vapor, a mesma pressão que ajuda a vedar as válvulas de gatilho também contribui significativamente para a força necessária para abri-las. Isso levou ao desenvolvimento do gatilho balanceado ou válvula de duplo batimento , em que dois plugues de válvula montam em uma haste comum, com a pressão em um plugue equilibrando amplamente a pressão no outro. Nessas válvulas, a força necessária para abrir a válvula é determinada pela pressão e pela diferença entre as áreas das duas aberturas da válvula. Sickels patenteou uma engrenagem de válvula para válvulas de gatilho de duplo batimento em 1842. Críticas foram relatadas na revista Science em 1889 às válvulas de gatilho de equilíbrio (chamadas pelo artigo de "válvula de marionete dupla ou balanceada americana") em uso para motores de vapor de pás, que por sua natureza deve vazar 15 por cento.
Válvulas de gatilho têm sido usadas em locomotivas a vapor , muitas vezes em conjunto com a engrenagem de válvula Lentz ou Caprotti . Os exemplos britânicos incluem:
- LNER Classe B12
- LNER Classe D49
- LNER Classe P2
- LMS Stanier Class 5 4-6-0
- BR padrão classe 5
- BR padrão classe 8 71000 Duque de Gloucester .
A Sentinel Waggon Works usava válvulas poppet em seus vagões a vapor e locomotivas a vapor. A reversão foi conseguida por um sistema simples de eixo de comando deslizante .
Muitas locomotivas na França, particularmente aquelas reconstruídas com os projetos de André Chapelon, como a SNCF 240P , usavam válvulas de came oscilante Lentz, que eram operadas pela engrenagem de válvula Walschaert com a qual as locomotivas já estavam equipadas.
A válvula reguladora de pressão também foi utilizada na American Pensilvânia ferroviária de T1 duplex locomotivas , embora as válvulas vulgarmente falhou porque as locomotivas foram normalmente operado em excesso de 160 km / h (100 mph), e as válvulas de não foram feitos para as tensões de tais velocidades. As válvulas de gatilho também davam à locomotiva um som "chiado" distinto.