Двигатели и с тремя клапанами на цилиндр как работает

Сколько клапанов нужно двигателю? Ответ на этот вопрос был дан еще за несколько лет до первой мировой войны, когда компания Peugeot представила ничем не примечательный внешне, но невиданно быстроходный для того времени автомобиль. После нескольких убедительных побед в европейских Гран-при машину отправили покорять Новый Свет, где в Индианаполисе она не замедлила оправдать самые худшие ожидания американских гонщиков, нанеся по их амбициям чувствительный удар.

Секрет небывалой резвости Peugeot находился под капотом, где был установлен двигатель с четырьмя клапанами на цилиндр. Сегодня таким количеством клапанов никого не удивишь, но сто с лишним лет тому назад это было революционное решение.

Примечательно, что его автор Эрнест Анри пришел к идее использования четырех клапанов вместо двух лишь с целью избавиться от поломок клапанных пружин, не выдерживавших при увеличении оборотов двигателя инерционных нагрузок от массы клапанов.

Увеличение количества клапанов означало уменьшение их размеров, а значит, веса, что и привлекло внимание Анри.

О значительном приросте мощности поначалу речь не шла, но благодаря именно этому «побочному» эффекту, обеспечиваемому многоклапанным газораспределением, имя Анри теперь вписано в историю автомобилестроения.

Однако благодаря чему эффект обеспечивался? Мощность можно наращивать самыми разными способами.

Например, увеличивая объем двигателя, что, кстати, во времена Анри и было наиболее простым и самым распространенным решением вопроса.

Но можно, не изменяя объем мотора, увеличивать частоту вращения коленчатого вала, ведь мощность напрямую зависит от количества рабочих тактов, совершаемых в двигателе за единицу времени.

Плохо это тем, что от скорости вращения коленвала зависит время, отводимое на впуск горючей смеси и удаление отработанных газов. Чем коленвал быстрей крутится, тем хуже условия для качественного газообмена.

Надо открывать клапаны раньше и закрывать позднее, но в таком случае увеличивается период, когда впускной и выпускной клапан будут открыты одновременно.

Что хорошего в том, что часть горючей смеси, не дождавшись воспламенения, вылетит из цилиндра вслед за отработанными газами в выхлопную трубу, так и не выполнив свою главную задачу?

Стало быть, нужно увеличивать проходное сечение клапанов, чтобы за время их открытия требуемое количество горючей смеси без нерациональных потерь успело заполнить цилиндр, а отработанные газы как можно быстрее его покинули.

Однако тогда увеличиваются размеры клапанов, они становятся тяжелыми и при увеличении оборотов двигателя начинают ломать свои пружины.

Это, как уже понятно, вновь возвращает нас к Анри, решившему вместо двух больших по размерам и тяжелых клапанов поставить четыре маленьких и легких: два впускных и два выпускных.

Одновременно при этом почти в полтора раза увеличилась суммарная площадь проходного сечения клапанов и их общая пропускная способность, благодаря чему увеличивалось количество свежего заряда, наполнявшего цилиндр за отведенное на впуск время, а с ним росла и мощность, выработанная от сгорания. Кроме того, изменилось распределение поступившей в цилиндр горючей смеси, став более равномерным, что улучшило процесс сгорания и благоприятно отразилось на величине расхода топлива.

Тем не менее понадобилось более 70 лет, чтобы находка работавшего в Peugeot швейцарского конструктора наконец-то нашла применение не только на гоночных и спортивных автомобилях, но и заинтересовала производителей массовых моделей. Почему так случилось?

За все надо платить. Увеличение количества клапанов не только улучшало наполнение цилиндров горючей смесью и удаление отработанных газов, но и вело к усложнению конструкции двигателя, что отражалось на стоимости производства, а с ним — на конечной цене автомобиля.

Помимо этого приходилось учитывать, что эксплуатация более сложного двигателя предполагает увеличение затрат на его обслуживание и ремонт. Наконец, надежность. Были, оказывается, времена, когда производители относились к ней с большим трепетом, нежели сейчас, учитывая, что не ломается только та деталь, которой нет.

При увеличении количества деталей растет и вероятность неисправностей. В общем, пришлось ждать, пока преимущества перевесят цену, которую за них необходимо было заплатить.

Но как только нефтяной кризис 1970-х годов вынудил автомобилестроителей обратить внимание на компактные модели с малолитражными двигателями, а более простые способы улучшения их мощности и экономичности были исчерпаны, час «многоклапанников» пробил. 

Моторы с числом клапанов на цилиндр более двух начали появляться как грибы после дождя и стали вытеснять из производственных программ автозаводов стремительно устаревающие «двухклапанники».

Дольше всех держались дизели, в основном из-за того, что были сравнительно малооборотными.

Плюс к этому многие дизели были турбированными, а стало быть, воздух в их цилиндры поступал не за счет разряжения в освобождающемся над поршнем пространстве во время такта впуска, а принудительно нагнетался. Однако в конце концов сдались и они. 

Судя по тому, что в настоящее время предложенное Эрнестом Анри количество клапанов на цилиндр стало самым распространенным в двигателестроении вариантом, похоже, помимо инженерного таланта швейцарец обладал еще и даром провидения. 

Но почему не три или пять клапанов и больше? Причина та же, что долго сдерживала применение четырехклапанной технологии. Право на жизнь получают конструкции, преимущества которых перевешивают свойственные им недостатки.

Что, например, помешало развитию схем с пятью и более клапанами, ведь по эффективности газообмена они лучше четырехклапанного газораспределения? Первая причина понятна – такие ГРМ более сложные конструктивно со всеми вытекающими из этого обстоятельства последствиями для затрат не только на их изготовление, но и на производство головки цилиндров и других узлов. Однако одновременно с количеством клапанов возрастают потери на трение в клапанном механизме, которые частично компенсируют выгоды, полученные от увеличения числа клапанов, из-за чего оно уже не дает тех результатов, которые хотелось бы получить. Это вторая причина, но помимо этого требуется уменьшать размеры клапанов, что сказывается на прочности и требует использования более дорогих материалов с высокими прочностными характеристиками.

И главное – частокол из клапанов создает трудности с размещением в головке цилиндров деталей, не имеющих к ГРМ отношения, например, свечей зажигания и накаливания, топливных форсунок, которые оказывают весомое влияние на оптимизацию рабочего процесса, протекающего в двигателе.

Прямой впрыск бензина способствует более существенному улучшению характеристик, поэтому когда возникла необходимость переноса форсунок из впускного коллектора, где они располагаются при распределенном впрыске, в головку цилиндров, стало ясно, что число клапанов свыше четырех – перебор, если только конструкторы специально не преследуют достижение максимально возможной мощности.

Газообмен, в котором за впуск отвечают два клапана, а за выпуск – один, плох тем, что он менее эффективен.

Поэтому трехклапанный ГРМ может быть интересен, только когда перевесят его преимущества в компактности, дешевизне изготовления, надежности и упрощении обслуживания и ремонта.

Было время, когда освободившееся место четвертого клапана использовалось для размещения второй свечи и оптимизации зажигания, но сейчас лишь две лазейки оставляют моторам с числом клапанов на цилиндр менее четырех возможность выхода на рынок. 

Первая – тенденция к уменьшению размеров силовых агрегатов, их миниатюризация, downsizing, одним словом. Вторая – выпуск автомобилей, в народе называемых бюджетниками, при производстве которых экономят на всем с целью максимального удешевления. Для них два или три клапана на цилиндр – это по-прежнему так же нормально, как и в доисторические по меркам автомобилестроения времена.

Означает это только одно – идеального числа клапанов все-таки не существует. Все определяет баланс между достоинствами и недостатками, чему подтверждение то, как долго оставался невостребованным потенциал четырехклапанного газораспределения, хотя его возможности и эффективность были наглядно доказаны более 100 лет назад.   

• Сергей БОЯРСКИХ Фото автора и из открытых источников 
• ABW.BY

Как работает двигатель внутреннего сгорания

Ко всем статьям 13 августа 2021

Читатели Mafin Media уже знакомы с типами двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и запросто отличат VR-образную «шестерку» от рядной «четверки» и вспомнят о недостатках и преимуществах роторно-поршневого двигателя. В новом материале расскажем простыми словами, как устроено «автомобильное сердце».

Механические самоходные транспортные средства активно разрабатывались еще в XVIII веке. Но именно в 1880-х годах немецкие конструкторы Готтлиб Даймлер и Карл Бенц установили первые бензиновые двигатели на мотоцикл и трехколесную коляску.

Самоходный экипаж Бенца приводился в движение одноцилиндровым мотором мощностью 1,5 л. с. (традиционно мощность принято измерять в лошадиных силах и киловаттах).

За почти полтора столетия «самоходной» истории принцип работы ДВС кардинально не изменился: колеса приводятся в движение механической энергией, получаемой благодаря сгоранию топливно-воздушной смеси внутри двигателя.

Топливно-воздушная смесь — это «коктейль» из собственно топлива и воздуха. Для бензинового двигателя рабочее соотношение в среднем составляет 1 к 15, то есть 1 единица топлива и 15 единиц воздуха.

Если добавить больше горючего (обогатить смесь), пострадает экономичность, если меньше (обеднить) — мощность. Со слишком обедненной или обогащенной смесью мотор вообще может отказываться заводиться.

Готовиться смесь может по-разному. В устаревших карбюраторных двигателях горючее «готовится» в отдельном механизме авто — карбюраторе. После смешивания воздуха с топливом смесь подается в двигатель и там сгорает. У карбюраторных моторов много минусов, а их ремонтопригодность сегодня уже не так востребованна. Поэтому самые популярные системы подачи топлива — инжекторные (от англ.

inject — впрыскивать). В зависимости от конструкции мотора топливо подается либо во впускной коллектор — трубопровод, через который авто получает воздух из окружающей среды, — либо напрямую в цилиндры. Подобные решения сложнее, но позволяют экономить топливо и снижать количество вредных выбросов в атмосферу. Основная деталь инжекторного впрыска — форсунка.

Именно она впрыскивает топливо:.

Самое важное происходит в корпусе двигателя, который объединяет блок цилиндров (слева на фото) и головку блока цилиндров (справа на фото).

Блок цилиндров содержит полые внутри цилиндрические трубки, в которых размещаются поршни.

Головка блока цилиндров (ГБЦ) монтируется на блок цилиндров и образует герметичные (т. е. непроницаемые для посторонних жидкостей и газов) камеры сгорания.

Внутри камеры сгорания устанавливаются поршни — детали цилиндрической формы, совершающие возвратно-поступательные движения под действием сгорания смеси.

Поршни — часть кривошипно-шатунного механизма (КВШ), комплекса деталей, который преобразует движения поршня во вращение коленчатого вала. Последний и двигает колеса автомобиля. Так выглядит КВШ вместе с поршнями двигателя:

В головке блока цилиндров находятся упомянутые выше форсунки — вместе со свечами зажигания (в бензиновом моторе) и клапанами. Свечи зажигания производят электрическую искру, предназначенную для воспламенения топливно-воздушной смеси.

! — Если автомобиль оснащен непосредственным впрыском топлива (в камеру сгорания), форсунки находятся в ГБЦ, а если впрыск распределительный — форсунки установлены во впускном коллекторе вблизи впускных клапанов.

Клапаны относятся к механизму газораспределения и внешне напоминают большие гвозди:

Такая форма дана им неслучайно: нижней, выпуклой частью они закрывают и открывают впускные и выпускные отверстия в камере сгорания, поочередно впуская подготовленную топливно-воздушную смесь или воздух и выпуская отработанные газы. Соответственно, в зависимости от своей роли клапаны бывают впускными и выпускными.

Обычно на один цилиндр приходится от двух до четырех клапанов. За то, чтобы «доступ» в камеру сгорания открывался вовремя, и отвечает механизм газораспределения (ГРМ), в который выходят клапаны. В зависимости от мотора ГРМ приводится в действие ремнем или цепью.

Рассмотрим цилиндр в разрезе:

Любой двигатель функционирует согласно циклу, состоящему из нескольких тактов, то есть ходов (движений) поршня. Большинство автомобильных моторов — четырехтактные.

Рассмотрим такты бензинового двигателя:

1. Впуск: открывается впускной клапан, в камеру сгорания попадает топливно-воздушная смесь, а поршень идет вниз.
2. Сжатие: оба клапана закрыты, поршень идет вверх, сжимая и нагревая смесь.
3. Рабочий ход: оба клапана закрыты, под действием электрической искры от свечи зажигания сжатая и разогретая топливно-воздушная смесь воспламеняется, образовавшиеся при этом газы толкают поршень вниз.
4. Выпуск: выпускной клапан открыт, поршень идет вверх, выталкивая отработанные газы в сторону выхлопной трубы.

После этого цикл повторяется. У дизельного двигателя вместо свечи установлена форсунка, и смесь воспламеняется не при помощи искры, а от сжатия — впрыска дизельного топлива через форсунку под большим давлением. Впускной клапан при этом подает в камеру сгорания только воздух. Кстати, в некоторых современных бензиновых моторах форсунка тоже впрыскивает топливо непосредственно в цилиндр.

Каждый автомобиль обладает набором бортовой электроники — проводов, аккумулятора, стартера и т. д. Аккумулятор за время поездок накапливает достаточно энергии, чтобы при помощи специального механизма — стартера — раскрутить коленвал и завести мотор.

Мощность от двигателя к колесам передается с помощью коробки передач, редуктора и приводных валов.

Если мотор соединить с колесами напрямую, автомобиль после запуска начнет движение на одной-единственной передаче, с небольшой скоростью, а после торможения сразу заглохнет.

Об этих передачах и о типах коробок (автоматах, вариаторах, механиках и т. д.) Mafin Media расскажет в следующем материале.

Устройство, принцип работы и регулировка клапанного механизма двигателя

Клапанный механизм является непосредственно исполнительным устройством ГРМ, который осуществляет своевременную подачу топливовоздушной смеси в цилиндры двигателя и дальнейший выпуск отработавших газов. Ключевыми элементами системы являются клапаны, которые также обеспечивают герметичность камеры сгорания. Они испытывают большие нагрузки, поэтому к их работе предъявляются особые требования.

Устройство клапанного механизма

Для работы обычного двигателя необходимо минимум два клапана на каждый цилиндр. Один впускной и один выпускной. Сам клапан состоит из стержня и тарелки (головка). Место соприкосновения тарелки с ГБЦ называю седлом. Впускные клапаны имеют больший диаметр тарелки, чем выпускные. Это обеспечивает лучшее наполнение камеры сгорания топливовоздушной смесью.

Устройство клапанного механизма

Весь клапанный механизм состоит из следующих основных элементов:

• впускной и выпускной клапаны;
• направляющие втулки (обеспечивают точное направление движения клапанов);
• пружина (возвращает клапан в исходное положение);
• седло клапана (место соприкосновения тарелки с корпусом);
• сухари (два сухаря обеспечивают опорную поверхность для пружины и фиксируют всю конструкцию);
• маслосъемные колпачки или маслоотражательные кольца (не дает маслу попасть в цилиндр);
• толкатель (передает нажимное усилие от кулачка распредвала).

Кулачки на распределительном вале нажимают на клапаны. Их возврат в исходное положение обеспечивается за счет пружины. Пружина крепится на стержне с помощью сухарей и тарелки пружины. Для гашения резонансных колебаний на стержне могут устанавливаться не одна, а две пружины с разносторонней навивкой.

Направляющие втулки клапанов

Направляющая втулка представляет собой деталь цилиндрической формы. Она снижает трение и обеспечивает ровный и правильный ход стержня. В работе эти детали также подвергаются нагрузкам и воздействию температуры. Поэтому для ее изготовления применяются износостойкие и жаростойкие сплавы. Втулки выпускного и впускного клапанов несколько отличаются друг от друга в связи с разницей в нагрузках.

Особенности работы

Клапаны постоянно подвержены воздействиям высокой температуры и давления. Это требует особого внимания к конструкции и материалам данных деталей.

Особенно это касается выпускной группы, так как через них выходят горячие газы. Тарелка выпускного клапана в бензиновых двигателях может разогреваться до 800˚С – 900 ˚С, а в дизельных 500˚С – 700˚С.

Нагрузка на тарелку впускного в несколько раз ниже, но и она достигает 300˚С, что также немало.

Именно поэтому в их производстве применяются жаропрочные сплавы металлов, содержащие легирующие присадки. Также выпускные клапаны часто имеют полый стержень с натриевым наполнителем. Это делается для лучшей терморегуляции и охлаждения тарелки. Натрий внутри стержня плавится, течет и забирает часть тепла с тарелки и переносит его на стержень. Так можно избежать перегрева детали.

Клапанный механизм двигателя

На седле в процессе работы может образоваться нагар. Чтобы избежать этого, применяют конструкции, которые вращают клапан. Седло представляет собой кольцо из высокопрочных стальных сплавов, которое напрессовывается непосредственно на головку цилиндров для более плотного контакта.

Также для правильной работы механизма должен соблюдаться регламентированный тепловой зазор. От высоких температур детали расширяются, что может привести к неправильной работе клапана.

Зазор выставляется между кулачками распредвала и толкателями путем подбора специальных металлических шайб определенной толщины или самих толкателей (стаканов).

Если в двигателе применяются гидрокомпенсаторы, то зазор регулируется автоматически.

Слишком большой тепловой зазор, будет препятствовать полному открытию клапана, а следовательно, цилиндры будут менее эффективно наполняться свежим зарядом. Маленький зазор (или его отсутствие) не позволит клапанам закрыться до конца, что приведет к их прогару и снижению компрессии в двигателе.

Количество клапанов

В классическом варианте четырехтактному двигателю для работы достаточно иметь по два клапана на каждый цилиндр.

Но к современным моторам предъявляются все большие требования по мощности, расходу топлива и экологичности, поэтому для них этого уже становится недостаточно.

Поскольку чем больше клапанов, тем более эффективно происходит наполнение цилиндра свежим зарядом. В разное время на двигателях пробовались следующие схемы:

• трехклапанные (впуск – 2, выпуск – 1);
• четырехклапанные (впуск – 2, выпуск – 2);
• пятиклапанные (впуск – 3, выпуск – 2).

Лучшее наполнение цилиндров и их очистка обеспечиваются при использовании большего числа клапанов на один цилиндр. Но при этом усложняется конструкция двигателя.

На сегодняшний день наиболее популярными являются моторы с 4 клапанами на цилиндр. Первые такие двигатели появились еще в 1912 году на автомобиле Peugeot Gran Prix. Тогда широкого применения данное решение не получило, но начиная с 1970 года начали активно выпускаться серийные автомобили с таким количеством клапанов.

Устройство привода

За правильную и своевременную работу клапанного механизма отвечает распределительный вал и привод ГРМ. Конструкция и количество распредвалов для каждого типа двигателя выбирается индивидуально.

Деталь представляет собой вал, на котором выполнены кулачки определенной формы. Проворачиваясь, они оказывают давление на толкатели, гидрокомпенсаторы или коромысла и открывают клапана.

Тип схемы зависит от конкретного двигателя.

Газораспределительный механизм

Распредвал находится непосредственно в головке блока цилиндров. Привод к нему идет от коленчатого вала. Это может быть цепная, ременная или зубчатая передача.

Наиболее надежной является цепная, но она требует дополнительных конструктивных решений. Например, успокоитель для гашения вибрации цепи и натяжитель.

Скорость вращения распределительного вала в два раза ниже, чем скорость вращения коленчатого вала. Так обеспечивается согласование их работы.

От количества клапанов зависит количество распределительных валов. Существует две основных схемы:

• SOHC (одновальная);
• DOHC (двухвальная).

При наличии только двух клапанов достаточно одного распредвала. Вращаясь, он обеспечивает попеременное открытие впускного и выпускного клапанов.

В наиболее распространенных четырехклапанных двигателях устанавливаются два распредвала. Один обеспечивает работу впускных, а другой выпускных клапанов.

В двигателях с V-образных расположением цилиндров устанавливается четыре распредвала. По два на каждую сторону.

Кулачки распредвала не толкают стержень клапана напрямую. Существует несколько типов “посредников”:

• роликовые рычаги (коромысло);
• механические толкатели (стаканы);
• гидравлические толкатели.

Роликовые рычаги имеют более предпочтительную конструкцию. На гидротолкатель давят так называемые коромысла, которые качаются на вставных осях. Чтобы снизить трение на рычаге предусмотрен ролик, который контактирует непосредственно с кулачком.

В другой схеме используются гидравлические толкатели (компенсаторы зазора), которые расположены непосредственно на стержне. Гидрокомпенсаторы автоматически регулируют тепловой зазор и обеспечивают мягкую и менее шумную работу механизма.

Это небольшая деталь состоит из цилиндра с поршнем и пружиной, каналов для масла и обратного клапана. Для работы гидротолкателя используется масло, которое подается из системы смазки двигателя.

Более подробно про гидрокомпенсаторы можно прочитать в отдельной статье на нашем сайте.

Снятие стакана клапана магнитом

Механические толкатели (стаканы) представляют собой втулку, закрытую с одной стороны. Они устанавливаются в корпус ГБЦ и непосредственно передают усилие на стержень клапана. Основные их недостатки заключаются в необходимости периодической регулировки зазоров и стуке при работе на непрогретом двигателе.

Стук при работе

Основной неисправностью клапанов (не считая прогара) считается появляющийся стук на холодном или горячем двигателе. Стук на холодном двигателе исчезает после набора температуры.

Когда они разогреваются и расширяются, тепловой зазор закрывается. Также причиной может стать вязкость масла, которое не поступает в нужном объеме в гидрокомпенсаторы.

Загрязнение масляных каналов компенсатора также может вызывать характерный стук.

На горячем двигателе клапана могут стучать из-за низкого давления масла в системе смазки, загрязнения масляного фильтра или неправильного теплового зазора. Также следует учитывать естественный износ деталей. Неисправности могут быть в самом клапанном механизме (износ пружины, направляющей втулки, гидротолкателей и т.д.).

Регулировка зазора

Регулировку проводят только на холодном двигателе. Текущий тепловой зазор определяется специальными металлическими плоскими щупами разной толщины. Для изменения зазора на коромыслах имеется специальный регулировочный винт, который проворачивается. В системах с толкателями или регулировочными шайбами регулировка происходит путем подбора деталей нужной толщины.

Регулировка клапанов для механизма с коромыслами

Рассмотрим пошаговый процесс регулировки клапанов для двигателей с толкателями (стаканами) или шайбами:

1. Снимите клапанную крышку двигателя.
2. Проверните коленчатый вал так, чтобы поршень 1-го цилиндра находился в ВМТ. Если это сложно сделать по меткам, то можно выкрутить свечу и вставить в колодец отвертку. Ее максимальное перемещение вверх покажет мертвую точку.
3. С помощью набора плоских щупов измерьте зазор в приводе клапанов под теми кулачками, которые не нажимают на толкатели. Щуп должен иметь плотный, но не слишком свободный ход. Запишите номер клапана и величину зазора.
4. Проверните коленчатый вал на один оборот (360°) так, чтобы поршень 4-го цилиндра находился в ВМТ. Измерьте зазор под оставшимися клапанами. Запишите данные.
5. Проверьте, в каких клапанах зазор не попадает в допуск. Если такие имеются, то подберите толкатели нужной толщины, снимите распредвалы и установите новые стаканы. На этом процедура закончена.

Проверку зазора рекомендуется проводить каждые 50-80 тысяч километров пробега. Данные о стандартных зазорах можно найти в руководстве по ремонту автомобиля.

Величина допускаемого зазора для впускных и выпускных клапанов иногда может отличаться.

Правильно настроенный и отрегулированный газораспределительный механизм обеспечит ровную и плавную работу ДВС. Также это положительно скажется на ресурсе мотора и комфорте водителя.

(3

Клапанный механизм двигателя, его устройство и принцип работы

Клапанный механизм представляет собой непосредственно исполнительный механизм ГРМ, который обеспечивает своевременную подачу топливовоздушной смеси в цилиндры двигателя и последующий выпуск выхлопных газов. Ключевыми элементами системы являются клапаны, которые в том числе должны обеспечивать герметичность камеры сгорания. Они испытывают большие нагрузки, поэтому к их работе предъявляются особые требования.

Основные элементы клапанного механизма

Для нормальной работы двигателя требуется как минимум два клапана на цилиндр, впускной и выпускной. Сам клапан состоит из стержня и головки в виде тарелки. Седло — это место контакта головки клапана с головкой блока цилиндров. Впускные клапана имеют больший диаметр головки, чем выпускные. Это обеспечивает лучшее заполнение камеры сгорания топливовоздушной смесью.

Основные элементы механизма:

• впускные и выпускные клапана — предназначены для ввода топливовоздушной смеси и вывода отработанных газов из камеры сгорания;
• направляющие втулки — обеспечивают точное направление движения клапанов;
• пружина — возвращает клапан в исходное положение;
• седло клапана — место контакта тарелки с ГБЦ;
• сухари — служат опорой для пружины и закрепляют всю конструкцию);
• маслосъемные колпачки или маслоотражательные кольца — предотвращает попадание масла в цилиндр;
• толкатель — передает нажатие от кулачка распределительного вала.

Кулачки на распределительном валу давят на клапаны, возврат которых в исходное положение обеспечивается пружиной. Пружина прикреплена к стержню с помощью сухарей и пружинной тарелки. Для гашения резонансных колебаний на стержне могут устанавливаться не одна, а две пружины с разносторонней навивкой.

Направляющая втулка представляет собой цилиндрическую деталь. Она снижает трение и обеспечивает плавную и правильную работу стержня. В процессе эксплуатации эти детали также подвержены нагрузкам и температуре. Поэтому для их изготовления используются износостойкие и жаропрочные сплавы. Втулки выпускных и впускных клапанов немного отличаются друг от друга из-за разницы в нагрузке.

Как работает клапанный механизм

Клапаны постоянно подвергаются воздействию высоких температур и давлений. Это требует особого внимания к конструкции и материалам этих деталей.

Особенно это касается выпускной группы, так как через нее выходят горячие газы. Тарелка выпускного клапана на бензиновых двигателях может нагреваться до 800˚C — 900˚C, а на дизельных 500˚C — 700C.

Нагрузка на тарелку впускного клапана в несколько раз меньше, но достигает 300˚С, что тоже немало.

Поэтому при их производстве используются жаропрочные металлические сплавы с легирующими добавками. Кроме того, выпускные клапаны обычно имеют полый стержень с натриевым наполнителем. Это необходимо для лучшей терморегуляции и охлаждения тарелки. Натрий внутри стержня плавится, течет и забирает часть тепла от пластины и передает его стержню. Таким образом можно избежать перегрева детали.

Во время работы на седле может образовываться нагар. Чтобы этого не произошло, используются конструкции для поворота клапана. Седло представляет собой кольцо из высокопрочного стального сплава, которое запрессовывается непосредственно в головку блока цилиндров для более плотного контакта.

Кроме того, для правильной работы механизма необходимо соблюдать регламентированный тепловой зазор. Высокие температуры вызывают расширение деталей, что может привести к неправильной работе клапана.

Регулировка зазора между кулачками распредвала и толкателями осуществляется подбором специальных металлических шайб определенной толщины или самих толкателей (стаканов).

Если в двигателе используются гидрокомпенсаторы, тогда зазор регулируется автоматически.

Очень большой тепловой зазор препятствует полному открытию клапана, и поэтому цилиндры будут менее эффективно заполняться свежей смесью. Небольшой зазор (или его отсутствие) не позволит клапанам закрыться до конца, что приведет к прогару клапана и снижению компрессии двигателя.

Классификация по количеству клапанов

В классической версии четырехтактного двигателя для работы требуется только два клапана на цилиндр.

Но к современным двигателям предъявляются все новые и новые требования с точки зрения мощности, расхода топлива и бережного отношения к окружающей среде, поэтому для них этого уже недостаточно.

Поскольку чем больше клапанов, тем эффективнее будет заполнение цилиндра новым зарядом. В разное время на двигателях опробовали следующие схемы:

• трехклапанные (впускных — 2, выпускной — 1);
• четырехклапанные (впускных — 2, выпускных — 2);
• пятиклапанные (впускных — 3, выпускных — 2).

Лучшее наполнение и очистка цилиндров достигается за счет большего количества клапанов на цилиндр. Но это усложняет конструкцию двигателя.

Сегодня наиболее популярны двигатели с 4-мя клапанами на цилиндр. Первый из этих двигателей появился в 1912 году на автомобиле Peugeot Gran Prix. В то время это решение не получило широкого распространения, но с 1970 года стали активно выпускаться серийные автомобили с таким количеством клапанов.

Конструкция привода

Распределительный вал и привод ГРМ отвечают за правильную и своевременную работу клапанного механизма. Конструкция и количество распредвалов под каждый тип двигателя подбираются индивидуально.

Деталь — это вал, на котором расположены кулачки определенной формы. Когда они проворачиваются, то оказывают давление на толкатели, гидрокомпенсаторы или коромысла и открывают клапаны.

Тип схемы зависит от конкретного двигателя.

Распределительный вал расположен непосредственно в головке блока цилиндров. Привод к нему идет от коленчатого вала. Это может быть цепь, ремень или шестеренка.

Самый надежный — цепной, но он требует вспомогательных устройств. Например, гаситель колебаний цепи (успокоитель) и натяжитель.

Скорость вращения распределительного вала составляет половину скорости вращения коленчатого вала. Таким образом обеспечивается их скоординированная работа.

Количество распредвалов зависит от количества клапанов. Существуют две основные схемы:

• SOHC  — с одним валом;
• DOHC  — два вала.

Для одного распределительного вала достаточно всего двух клапанов. Он вращается и осуществляет поочередное открытие впускных и выпускных клапанов. Самые распространенные четырехклапанные двигатели имеют два распредвала. Один гарантирует работу впускных клапанов, а другой — выпускных клапанов. Двигатели типа V оснащены четырьмя распредвалами. По два с каждой стороны.

Кулачки распредвала не толкают стержень клапана напрямую. Существует несколько видов «посредников»:

• роликовые рычаги (коромысло);
• толкатели механические (стаканы);
• гидравлические толкатели.

Роликовые рычаги имеют более предпочтительное устройство. Так называемые коромысла, качаются на вставных осях и давят на гидротолкатель. Для уменьшения трения на рычаге предусмотрен ролик, который непосредственно контактирует с кулачком.

В другой схеме используются гидравлические толкатели (компенсаторы зазора), которые расположены непосредственно на стержне.

Гидрокомпенсаторы автоматически регулируют тепловой зазор и обеспечивают более плавную и тихую работу механизма. Эта небольшая часть состоит из цилиндра с поршнем и пружиной, масляных каналов и обратного клапана.

Гидравлический толкатель работает за счет масла, подаваемого из системы смазки двигателя.

Механические толкатели (стаканы) представляют собой закрытые втулки с одной стороны. Они устанавливаются в корпусе головки блока цилиндров и напрямую передают усилие на стержень клапана. Его основные недостатки — необходимость периодически регулировать зазоры и стуки при работе с непрогретым двигателем.

Шум при работе

Основная неисправность клапана — это стук на холодном или горячем двигателе. Стук на холодном двигателе исчезает после повышения температуры.

Когда они нагреваются и расширяются, тепловой зазор закрывается. Кроме того, причиной может быть вязкость масла, которое не течет в нужном объеме в гидрокомпенсаторы.

Загрязнение масляных каналов компенсатора также может быть причиной характерного постукивания.

Клапаны могут стучать на горячем двигателе из-за низкого давления масла в системе смазки, грязного масляного фильтра или неправильного теплового зазора. Также необходимо учитывать естественный износ деталей. Неисправности могут быть в самом клапанном механизме (износ пружины, направляющей втулки, гидравлических толкателей и т. д.).

Регулировка зазора

Регулировки производятся только на холодном двигателе. Текущий тепловой зазор определяется специальными плоскими металлическими щупами разной толщины. Для изменения зазора на коромыслах есть специальный регулировочный винт, который проворачивается. В системах с толкателем или регулировочными шайбами регулировка производится путем выбора деталей необходимой толщины.

Рассмотрим пошаговый процесс регулировки клапанов для двигателей с толкателями (стаканами) или шайбами:

1. Снимите клапанную крышку двигателя.
2. Проверните коленчатый вал так, чтобы поршень первого цилиндра оказался в верхней мертвой точке. Если по меткам это сделать сложно, можно открутить свечу зажигания и вставить отвертку в колодец. Ее максимальное перемещение вверх будет мертвой точкой.
3. Используя набор плоских щупов измерьте зазор в приводе клапанов под кулачками, которые не нажимают на толкатели. Щуп должен иметь плотный, но не слишком свободный ход. Запишите номер клапана и значение зазора.
4. Проверните коленчатый вал на один оборот (360 °), чтобы поршень 4-го цилиндра оказался в ВМТ. Измерьте зазор под остальными клапанами. Запишите данные.
5. Проверьте, в каких клапанах зазор находится вне допуска. Если такие есть, подберите толкатели нужной толщины, снимите распредвалы и установите новые стаканы. На этом процедура завершена.

Рекомендуется проверять зазоры каждые 50-80 тысяч километров пробега. Значения стандартных зазоров можно найти в руководстве по ремонту автомобиля.

Обратите внимание, что зазоры впускных и выпускных клапанов могут иногда различаться.

Правильно отрегулированный и настроенный газораспределительный механизм обеспечит плавную и равномерную работу двигателя внутреннего сгорания. Это также положительно скажется на ресурсах двигателя и комфорте водителя.