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:
- Снимите клапанную крышку двигателя.
- 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.
- 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.
- Проверните коленчатый вал на один оборот (360°) так, чтобы поршень 4-го цилиндра находился в ВМТ. Измерьте зазор под оставшимися клапанами. Запишите данные.
- 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
Устройство автомобилей
Завершающим звеном механизма газораспределения является клапанная группа, которая включает в себя клапан, пружину, детали крепления клапана и пружины, направляющую втулку и седло клапана.
Клапанная группа работает при больших механических и тепловых нагрузках. Наиболее нагруженным является сопряжение «клапан-седло». Эти детали подвергаются наибольшим ударным воздействиям при посадке клапана в седло, и работают в условиях высоких температур.
Сопряжение «клапан-седло-направляющая втулка» работает при недостаточном смазывании и высокой скорости перемещения клапана, что вызывает их интенсивное изнашивание.
Исходя из условий, в которых работают детали этой группы ГРМ, к клапанной группе предъявляются следующие требования:
- герметичное закрытие клапанов;
- малое сопротивление рабочей смеси и отработавшим газам при впуске и выпуске (хорошая обтекаемость);
- минимальная масса деталей;
- высокая прочность и жесткость;
- высокая тепловая стойкость;
- эффективный отвод тепла от клапана (особенно для выпускного);
- высокая износостойкость (особенно в сопряжении «втулка-клапан»);
- высокая коррозийная стойкость в сопряжении «седло-клапан».
***
Клапаны
Клапаны открывают и закрывают впускные и выпускные отверстия в головке блока цилиндров. Основные элементы клапана: головка 12 и стержень 9 (рис. 1). Головку клапана иногда называют тарелкой клапана.
Плавный переход от головки к стержню снижает сопротивление потоку газов при их истечении через газообменные отверстия.
Поскольку отработавшие газы удаляются через выпускной клапан при значительном давлении, головку этого клапана обычно выполняют меньшего диаметра, чему головку впускного клапана.
Температура головки выпускного клапана бензиновых двигателей достигает 800…900 ˚С, а в дизельных двигателях – 500…700 ˚С.
Температурная нагрузка на головки впускных клапанов значительно ниже, тем не менее она приводит к нагреву тарелки клапана до 300 ˚С.
Поэтому для изготовления выпускных клапанов применяются жаропрочные сплавы и материалы, в качестве которых обычно используют жаропрочные стали с большим содержанием легирующих присадок.
В целях экономии дорогостоящих жаростойких материалов выпускные клапаны изготовляют из двух частей. При этом для головки используется жаростойкий материал, а для стержня – углеродистые стали.
Головка и стержень в данном случае соединяются между собой стыковой сваркой.
Для повышения коррозийной стойкости и уменьшения изнашивания в выпускных клапанах рабочие поверхности фаски, а в некоторых случаях и поверхность головки со стороны цилиндра наплавляют слоем твердого сплава толщиной 1,5…2,5 мм (рис. 1).
Так как впускные клапаны омываются свежим зарядом и находятся в более легких температурных условиях, к материалу впускных клапанов предъявляются менее жесткие требования и для их изготовления используются хромистые и хромоникелевые среднеуглеродистые стали.
Обтекаемость клапана, работоспособность его фасок во многом зависит от формы головки. Для впускных клапанов чаще используют головки плоской формы (см. рис.
1 и 2), отличающиеся простотой конструкции и достаточной жесткостью. В форсированных двигателях иногда применяют впускные клапаны с вогнутыми головками (см. рис. 1, в).
Такие клапаны имеют меньшую массу, чем клапаны с плоской головкой и их движение вызывает меньшие инерционные нагрузки.
Головки выпускных клапанов выполняются или плоскими (рис. 1, 2 и 3, г), или выпуклыми (рис. 3, б). Выпуклая форма головки способствует улучшению обтекаемости клапана со стороны цилиндра и повышению его жесткости, но вместе с тем увеличивается и масса клапана, что отрицательно сказывается на его инерционности.
Сопряжение между тарелкой (головкой) клапана и седлом осуществляется по фаске – специальному пояску на боковой поверхности головки. Угол наклона фаски у впускных клапанов для большинства двигателей составляет 45˚, а у выпускных – 45 и 30˚. В процессе изготовления клапанов фаски головок шлифуют, а при установке на двигатель притирают к седлу.
Ширина притертого пояска фаски для выпускных клапанов должна быть не менее 0,8 мм; для впускных клапанов допускается более узкий поясок, который, тем не менее, не должен прерываться по периметру окружности фаски.
Для обеспечения надежного контакта между клапаном и седлом по наружной кромке фаски клапана угол фаски клапана делают на 0,5…1˚ меньше угла фаски седла.
Коррозийный и механический износ фасок на клапане и седле резко снижает эффективность работы двигателя.
На фасках выпускных клапанов в процессе работы постепенно откладывается нагар, который тоже препятствует герметичному закрыванию выпускного отверстия.
Для предотвращения образования нагара на фасках выпускных клапанов и повышения их долговечности, в некоторых двигателях выпускной клапан в процессе работы принудительно проворачивается с помощью специального механизма (см. рис. 1, поз. 5).
Механизм принудительного вращения клапана (рис. 4) состоит из неподвижного корпуса 3, расположенных в углублениях этого корпуса пяти шариков 2 с возвратными пружинами 1, конической дисковой пружины 4, опорной тарелки 5 и пружины клапана 7. Все детали в собранном состоянии скрепляются пружинным кольцом 6.
При открытии клапана от усилия пружины дисковая пружина 4, опирающаяся при закрытом клапане на буртик корпуса 3, деформируется и ложится на шарики 2, которые в это время располагаются в мелкой части углубления корпуса. Под давлением пружины шарики перекатываются по углублению корпуса в более глубокую часть, поворачивая при этом коническую пружину 4, опорную тарелку 5, пружину клапана и сам клапан вокруг его оси.
После закрытия клапана, когда усилие пружины клапана уменьшается, коническая дисковая пружина 4 возвращается в исходное положение, при этом шарики освобождаются и возвратными пружинами 1 перемещаются в более мелкую часть углубления в корпусе 3, подготавливая механизм к следующему циклу работы.
В двигателях марок «ЗМЗ», «ЯМЗ» возможность проворачивания в процессе работы впускных и выпускных клапанов обеспечивается установкой между опорной тарелкой и сухарями промежуточной втулки (см. рис. 1, поз. 13; рис. 2, поз. 11; рис. 3, поз. 4).
Промежуточные втулки имеют небольшую контактную поверхность с подвижными опорными тарелками пружин, следовательно, трение между этими деталями невелико. Поэтому при открытии клапана вследствие вибрации всех деталей механизма клапан периодически поворачивается.
Ниже фаски головка клапана имеет цилиндрический поясок, который предохраняет ее от обгорания, сохраняет диаметр тарелки клапана при перешлифовке и обеспечивает жесткость головки.
Для предотвращения падения клапана в цилиндр при поломке хвостовика стержня или клапанной пружины, на его стержне может устанавливаться пружинное стопорное кольцо (см. рис. 3, д, поз. 1).
Торцы стержней (пятки клапанов), находящиеся в контакте с коромыслом или кулачком, подвергаются закаливанию. В некоторых двигателях вместо закаливания на концы стержней надеваются колпачки (см. рис. 1, поз. 21) из износостойких материалов и сплавов.
На стержень впускных клапанов надевают резиновый колпачок (см. рис. 3, е, поз. 5), который во время такта впуска препятствует проходу масла в камеру сгорания через зазор между стержнем и направляющей втулкой клапана.
Для предотвращения заклинивания выпускных клапанов в отверстии направляющей втулки при температурном расширении, их стержни вблизи головки выполняют несколько меньшего диаметра, чем по остальной длине.
Для крепления клапанных пружин на конце стержня выполняются одна или две выточки, в которые при сборке входят выступы сухарей 2 (рис. 3, д, е).
Для понижения температуры выпускных клапанов диаметр их головок уменьшают, а диаметр стержня увеличивают.
Такое техническое решение позволяет повысить тепловую стойкость клапана, но увеличивает сопротивление потоку выпускаемых газов.
Впрочем, поскольку выброс отработавших газов из цилиндра осуществляется под значительным давлением (по сравнению с давлением впуска), то этим недостатком пренебрегают.
Более эффективным является способ принудительного охлаждения выпускных клапанов. Для этого стержень выпускного клапана делают пустотелым (см. рис. 1, а, в) и заполняют металлическим натрием, который имеет низкую температуру плавления (97 ˚С). При работе жидкий натрий, нагреваясь от головки клапана, испаряется, поглощая большое количество теплоты. Поднявшись в верхнюю часть стержня, пары натрия конденсируются и передают теплоту верхней части стержня, которая работает в менее теплонапряженных условиях.
***
Клапанные пружины
Клапанная пружина должна обеспечивать плотную посадку клапана в седло. Она работает в условиях резко меняющихся динамических нагрузок, способных вызвать резонанс и последующую поломку пружины.
Чаще всего применяют цилиндрические винтовые пружины с постоянным шагом витков. Для предотвращения резонансных явлений могут применяться пружины с переменным шагом, конические пружины и двойные пружины.
При использовании двойных пружин возрастает надежность работы ГРМ и уменьшается общий размер пружин.
Направление витков внутренней и внешней пружин выполняют разным, чтобы исключить резонанс и, в случае поломки одной из пружин, предотвратить попадание обломков между витками второй пружины.
Клапанные пружины изготавливают навивкой проволоки из пружинной стали. После навивки пружины подвергаются термической обработке (закалка и отпуск), а для повышения усталостной прочности обдуваются стальной дробью.
Концевые витки пружин шлифуются для получения плоской кольцевой опорной поверхности. Для повышения коррозионной стойкости пружины оксидируют, оцинковывают и кадмируют.
Пружины опираются на головку блока цилиндров через специальные неподвижные тарелки (см. рис. 2, поз. 4), которые штампуются, как и верхние подвижные тарелки из малоуглеродистой стали. Верхняя тарелка пружины фиксируется на клапане с помощью сухарей.
***
Направляющие втулки клапанов
Направляющая втулка обеспечивает перемещение клапана и отвод теплоты от его стрежня во время работы. При этом нижний конец самой втулки (особенно выпускного клапана) омывается горячими газами. При недостаточном поступлении смазочного материала в зазоры между стержнем клапана и внутренней поверхностью втулки трение между этими деталями приближается к полусухому.
По этой причине к материалу направляющих втулок предъявляются требования высокой износостойкости, достаточной жаростойкости и хорошей теплопроводности. Кроме того, он должен обладать высокими антифрикционными качествами. Этим требованиям удовлетворяют перлитные серые чугуны, алюминиевые бронзы, спекаемая хромистая или хромоникелевая керамика.
Пористая структура данных материалов хорошо удерживает смазочный материал.
Для фиксации в головке блока цилиндров втулки выполняются с выточкой под пружинное кольцо (см. рис. 3, а, поз. 1) или с наружными заплечиками.
Зазор между направляющей втулкой и стержнем клапана для впускных клапанов устанавливается меньше, чем для выпускных, из-за разной температуры нагрева.
Для предотвращения заклинивания клапана во втулке при высокой температуре и перекоса (в приводе клапана непосредственно от распределительного вала) нижнюю внутреннюю поверхность втулки выполняют конусной (см. рис.
3, г) или уменьшают диаметр стержня клапана у головки (см. рис. 1, б).
***
Седла клапанов
Седло клапана обеспечивает долговечность контактной зоны клапана с головкой блока цилиндров. В головках из алюминиевого сплава используют стальные седла, а в чугунных головках они растачиваются непосредственно в теле (см.
рис. 2, а). Для изготовления вставных седел используют специальные легированные чугуны или жаростойкие стали. Для повышения износостойкости фаски седел выпускных клапанов наплавляются слоем твердого сплава (см. рис. 1, поз. 18).
Седло представляет собой кольцо с цилиндрической или конической наружной поверхностью. Крепится седло в головке с натягом при запрессовке или путем расчеканивания головки (см. рис. 3, к).
Стальные седла могут крепиться развальцовкой верхней части седла (см. рис. 3, л). При креплении седел запрессовкой на их наружной поверхности часто выполняются кольцевые проточки (см. рис.
3, з, и), которые в процессе запрессовки заполняются металлом головки.
Цилиндрические седла вставляются до упора, а конические – с небольшим торцевым зазором.
Для получения надежного уплотнения поясок седла шириной около 2 мм выполняют с переменным углом (см. рис. 3, ж).
***
Тепловой зазор в газораспределительном механизме
Главная страница
Дистанционное образование
- Группа ТО-81
- Группа М-81
- Группа ТО-71
Специальности
Учебные дисциплины
Олимпиады и тесты
Клапаны, устройство и назначение клапана
Кла́пан — это устройство, предназначенное для открытия, закрытия, а также регулирования потока горючей смеси, которая попадает в цилиндры двигателя и выпуска отработавших газов.
Для нормальной работы четырехтактного двигателятребуется, как минимум, по два клапана на каждый цилиндр — впускной клапан и выпускной клапан. В данный момент широкое распространение получили клапаны тарельчатого типа со стержнем. Для качественного наполнения цилиндра горючей смесью диаметр тарелки впускного клапана делается немного больше, чем у выпускного.
Из чего изготавливают клапана
Седла клапанов изготавливаются из чугуна или стали, затем запрессовываются в головку блока цилиндров. Клапаны во время работы двигателя подвержены значительным механическим и тепловым нагрузкам, поэтому необходимо подбирать специальный сплав для изготовления детали.
Клапана для высокофорсированных двигателей должны хорошо охлаждаться, поэтому в них применяют клапаны с полым стержнем, с наполнением натрия внутри. При достижении рабочей температуры натрий плавится и начинает перетекать от тарелки клапана, к стержню равномерно распределяя тепло. Для равномерности теплопередачи и уменьшения нагара на фасках клапана применяют механизмы вращения клапана.
Виды ГРМ
Существуют следующие виды газораспределительных механизмов: нижнеклапанный ГРМ и верхнеклапанный ГРМ. Сегодня, на современных автомобилях, используются только верхнеклапанные ГРМ, когда клапаны располагаются в головке цилиндров.
Клапан удерживается в закрытом состоянии с помощью клапанной пружины, а открывается при нажатии на стержень клапана. Клапанные пружины должны иметь определенную жесткость (оптимальную, чтобы не увеличивать ударную нагрузку на седло клапана) для гарантированного закрытия клапана во время работы.
Чтобы снизить потери на трение в ГРМ применяют ролики, которые установлены на рычагах и толкателях привода клапанов. Применение роликов в клапанном механизме заменяет трение скольжения, на трение качение, что значительно уменьшает потери на привод клапанов.
При открытии впускного клапана проходит топливно-воздушная смесь (или воздух) наполняя цилиндр двигателя. Чем больше площадь проходного сечения, тем полнее заполнится цилиндр, что приводит к повышению выходных показателей цилиндра при рабочем ходе.
Для улучшения очистки цилиндров от продуктов сгорания увеличивают диаметр тарелки выпускного клапана. Правда, размеры тарелок клапанов ограничены размером камеры сгорания, выполненной в головке цилиндров. Многое также зависит от регулировки клапанов.
Применение четырех клапанов на цилиндр началось еще в 1912 г. на двигателе автомобиля PeugeotGranPrix. Широкое использование такой схемы в серийном производстве легковых автомобилях началось только в конце 1970-х гг. Сегодня ГРМ с четырьмя клапанами на цилиндр стали практически стандартными для двигателей европейских и японских легковых автомобилей.
Mercedes выпускает двигатели, которые имеют по три клапана на цилиндр, два впускных и один выпускной, с двумя свечами зажигания (по одной с каждой стороны от выпускного клапана).
Существует практика использования даже 5 клапанов на цилиндр (3 впускных и 2 выпускных). Такой технологией практикует автомобильная группа Volksvagen-Audi, но при этом значительно усложняется привод клапанного механизма.
Выпускной клапан
Выпускной клапан — элемент газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания. Обеспечивает выпуск отработавших газов из камеры сгорания.
Камера сгорания должна быть герметичной в момент, когда в ней вспыхивает топливо.
После того как энергия вспышки израсходована, из камеры необходимо удалить отработавшие газы, заполнить ее воздухом и бензином, и подготовить к новой вспышке.
Для удаления выхлопных газов в головке блока цилиндров установлены тарельчатые клапана, обеспечивающие надежную герметизацию камеры сгорания в момент, когда они закрыты.
Конструкция выпускного клапана
Выпускные клапаны расположены в головке блока цилиндров. Впуск топливо-воздушной смеси в цилиндр происходит при условии разрежения в камере сгорания, а выпуск – в условиях повышеного давления.
Это значит, что после сгорания газы стремятся просочиться наружу, и для их выпуска достаточно открыть клапан.
Поэтому, кстати, выпускные клапана всегда меньше, чем впускные — всасывающая сила разрежения уступает силе давления, выталкивающей газы наружу.
Клапанный механизм требует точной регулировки. Если клапан закрывается слишком рано, недогоревшие газы очень быстро сожгут его
Для надежной герметизации камеры сгорания во всех современных двигателях используются тарельчатые клапаны. Преимуществ у такой конструкции несколько.
Клапан, состоящий из тарелки, и стержня, прост и надежен, как гвоздь. Переход от фаски к стержню выполнен плавно, что придает клапану необходимую прочность.
Кроме того, коническая форма перехода способствует уменьшению сопротивления газов и улучшению герметизации.
Принцип работы выпускного клапана
Выпускной клапан открывается от усилия кулачка распределительного вала. Возвратно-поступательные движения шток клапан совершает во втулке, запрессованной в головку блока цилиндров.
В головке же находится и седло клапана. По сути, это углубление, чья форма соответствует форме верхней части тарелки. Седло и тарелка с высокой точностью притираются друг к другу. Это исключает прорыв газов из камеры сгорания в момент, когда клапана закрыты.
При появлении первой трещины на тарелке процесс разрушения приобретает характер цепной реакции. Чем больше трещина, тем больше перегрев от прорывающихся наружу струй несгоревшего топлива
Верхняя часть стержня выпускного клапана имеет выточку. В нее устанавливаются «сухари» – разрезанное на две половины коническое кольцо. С их помощью тарелка пружины держится на клапане. Пружина создает усилие, необходимое для возврата клапана в закрытое положение.
Отдельные автомобильные двигатели имеют специальный механизм для принудительного проворачивания клапана. Таким образом обеспечивается равномерный износ детали.
Выпуск отработанных газов происходит в тот момент, когда поршень цилиндра движется от нижней мертвой точки к верхней. Выпускной клапан ДВС работает в условиях повышенной нагрузки. Нагрев головки клапана во время работы двигателя может достигать 800 градусов.
Характерные поломки выпускных клапанов
Агрессивные отработанные газы вызывают коррозию выпускных клапанов. Продукты неполного сгорания топлива приводят к прогоранию.
После определенного периода работы тарелка выпускного клапана и седло в головке блока покрываются нагаром.
Высокая температура накаляет нагар. Происходит выжигание опорной поверхности выпускного клапана. Это влечет за собой потерю герметичности. Появляются нарушения в работе двигателя: падает мощность, затрудняется запуск двигателя.
В образовавшиеся щели устремляется под давлением струя горячих неотработанных газов. Это еще сильнее нагревает головку клапана. Как результат – деформация головки и разрушение клапана.
При разрушении клапана работа цилиндра фактически прекращается.
Способы защиты от перегрева
Чтобы противостоять эрозии от перегрева выпускные клапаны изготавливаются из жаростойкой стали (хромникельвольфраммолибденовая сталь).
При замене разрушенного клапана притирка к седлу — абсолютно обязательна. Если клапан не притереть, его придется менять снова, и очень скоро
Основа сплава, из которого производятся выпускные клапана — никель. Этот металл повышает сопротивляемость клапана к механическому износу. Поскольку выпускной клапан подвергается большей термической нагрузке, чем впускной, он имеет другую структуру. Стержень выпускного клапана делается полым. Внутренняя полость заполняется металлическим натрием. Это необходимо для улучшения теплообмена.
Современные технологии дают возможность дополнительно защитить выпускные клапаны от агрессивного воздействия.
Самый универсальный способ — плазменно-порошковая наплавка. Кроме этого, существуют методы лазерного легирования и наплавки токами высокой частоты. Эти методы защиты увеличивают стоимость детали, но существенно продлевают срок ее службы.
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:
- Снимите клапанную крышку двигателя.
- 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.
- 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.
- Проверните коленчатый вал на один оборот (360 °), чтобы поршень 4-го цилиндра оказался в ВМТ. Измерьте зазор под остальными клапанами. Запишите данные.
- 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.
Загрузка...
