Клапан двигателя. Назначение, устройство, конструкция
Это деталь двигателя и одновременно крайнее звено газораспределительного механизма. Клапанная группа включает в себя: пружину, направляющую втулку, седло, механизм крепления пружины. Все эти детали работают в тяжёлых механических и тепловых условиях, испытывая колоссальные нагрузки.
Сопряжение седло-клапан, подвергается наибольшему воздействию высоких температур и ударных нагрузок. Кроме того, детали постоянно испытывают недостаток в смазке по причине высоких скоростей работы. Это вызывает их интенсивный износ.
Требования, предъявляемые к группе:
- Герметичность работы клапана в сопряжении с седлом;
- Высокий коэффициент обтекаемости, при входе и выходе рабочей смеси из камеры сгорания;
- Небольшой вес деталей группы;
- Детали должны быть высокопрочными и одновременно жёсткими;
- Стойкость к высоким температурам;
- Эффективная теплоотдача клапанов;
- Высокое сопротивление механическим и ударным нагрузкам;
- Противодействие коррозии.
Назначение и особенности устройства
Назначение клапана, открывать и закрывать отверстия в головке блока цилиндров для выпуска отработанных газов либо впуска новой рабочей смеси. К основным элементам детали относятся головка и стержень. Переход от стержня к головке служит для плавного отвода газов, чем он плавней, тем лучше будет наполнение, либо очистка камеры сгорания.
Отработанные газы, выходя из камеры сгорания, создают сильное избыточное давление, а чем меньше площадь тарелки клапана, тем меньшие нагрузки он испытывает, вот почему выпускной клапан двигателя делается меньшего диаметра, а требования к нему выше. Так, при работе, головка выпускного клапана нагревается до 800-900.°С на бензиновых двигателях и до 500-700°С на дизельных моторах, впускной, нагревается до 300°С.
Именно по этим причинам при изготовлении выпускных клапанов нужны сплавы и материалы, обладающие повышенной жаропрочностью и содержащие большое количество легирующих присадок. Клапана делают из 2-х частей: головку из жаростойкого материала, стержень из углеродистой стали. Для изготовления клапана ДВС эти заготовки сваривают и шлифуют.
Выпускные клапана, в месте контакта с цилиндром, покрывают твёрдым сплавом. Толщина сплава порядка 1,5-2,5 мм. Такое покрытие позволяет избежать коррозии.
По причине меньших нагрузок при изготовлении впускных клапанов используют хромистые или хромоникелевые стали со средним содержанием углерода. При вводе рабочей жидкости в камеру сгорания, топливо отводит часть температуры от клапана и его составляющих, из-за чего температурные перепады у него ниже.
На эффективность работы клапана большое влияние оказывает его форма. Чем более она обтекаемая, тем выше скорость входящего или выходящего заряда смеси. Чаще всего головку клапана делают плоской, для облегчения изготовления детали, удешевления её производства и сохранения жёсткости.
Однако, в двигателях, испытывающих повышенные нагрузки, например, форсированных, в связи со спецификой самого двигателя применяют впускные клапана с вогнутыми головками. Такое устройство уменьшает массу детали и инерционную силу, возникающую при работе.
Стыковка клапана с седлом осуществляется по тонкому ободку на поверхности головки цилиндров — фаске. Стандартный угол наклона фаски впускных клапанов составляет 45°, у выпускных 45° или 30°. При изготовлении головок цилиндра фаски шлифуют, а затем, при установке клапана, каждый притирают к седлу. Ширина ободка должна быть не менее 0,8мм.
Ободок не должен прерываться по всему периметру окружности тарелки клапана. Сочленение между клапаном и седлом нужно уплотнить наверняка, вот зачем угол фаски клапана, по наружной стороне фаски, делают меньше угла седла на 0,5-1°.
В некоторых двигателях, для большей сохранности изделия, применяют устройство принудительного вращения клапана. В процессе работы на фасках откладывается нагар, нарушается уплотнение, появляются механические повреждения, это резко снижает эффективность работы мотора. Проворачиваясь, клапан ДВС распределяет нагрузку равномерно по всей поверхности фаски и принудительно очищает ее.
После фаски головки, у клапана имеется специальный поясок, в виде цилиндра. Эта конструктивная особенность позволяет уберечь его от перегрева и обгорания, а так же делает головку более жёсткой. Кроме того, при притирке, диаметр клапана остаётся прежним.
Пружинное стопорное кольцо предотвращает падение клапана в камеру сгорания двигателя, в случае, если элементы крепления хвостовика поломаются.
При соприкосновении с кулачком распределительного вала, или коромыслом, торцы клапана подвергаются большим нагрузкам. Поэтому для предания им жёсткости и износостойкости, их закаливают, или надевают на них специальные колпачки из высокопрочных сплавов.
Впускные клапана снабжают специальными резиновыми маслосъёмными колпачками, для предотвращения попадания через зазор масла в камеру сгорания в период такта впуска.
Выпускные клапана, работая в экстремальных температурных режимах, могут заклинить в отверстии направляющей втулки. Что бы этого не произошло, их стержни делают меньшего диаметра вблизи головки, по сравнению с поверхностью на остальной длине.
Сухарики, удерживающие клапанные пружины, держатся за сам клапан при помощи крепления, обеспеченного выточками.
Диаметр стержня выпускных клапанов больше диаметра стержня впускных, головка клапана — меньше. Такой конструктивный приём позволяет отвести от клапана больше тепла и понизить его температуру. Однако этот приём увеличивает сопротивление потока газов, делая очистку камеры сгорания менее эффективной. При расчётах, этот параметр сложно узнать, поэтому им пренебрегают, считая давление при выпуске большим, чем давление при впуске, что компенсирует недостаток с лихвой.
Для увеличения эффекта охлаждения выпускного клапана внутри его делают пустотелым. Пустое пространство заполняют металлом с низкой температурой плавления, обычно жидким натрием. Нагреваясь от головки клапана, пары жидкого натрия поднимаются в верхнюю, боле холодную часть, забирая большую часть тепла с собой. Там они соприкасаются с менее нагретой частью стержня и отдают тепло ей.
Пружины клапана
Пружина работает в условиях больших нагрузок. Основная её задача заключается в создании надёжной и плотной стыковки клапана и седла. Испытывая нагрузки, пружина может сломаться, зачастую это происходит по причине вхождения её в резонанс. С целью предотвращения этого явления, витки пружины делают с переменным шагом.
Так же можно изготовить коническую или двойную пружину. Двойные пружины обладают дополнительным плюсом, так как наличие двух деталей повышает надёжность механизма и уменьшает общий размер пружин.
Дабы исключить возможность резонанса в двойной пружине, направление витков внутренней и внешней пружин делают разными. Так же это позволяет удержать обломки детали, в случае поломки пружины, осколки задержатся между витками.
Пружины для клапанов изготавливают из проволоки, материал которой — сталь. После придания формы, изделие закаляют и подвергают отпуску. Для повышения прочности, обдувают воздухом с добавлением абразивного материала.
Что бы избежать коррозии, пружины обрабатывают оксидом цинка или кадмия. Концы пружин шлифуют и придают им плоскую форму. Это делается для более эффективной фиксации торцов пружин со специальными неподвижными тарелками в блоке цилиндров. Тарелки изготавливают из стали с низким содержанием углерода, верхнюю тарелку фиксируют на клапане при помощи сухарика.
Втулки клапанов и их направляющие
Отвод тепла от стержня клапана и его перемещение в возвратно поступательной плоскости обеспечивают направляющие втулки. В процессе работы сами втулки подвергаются воздействию высоких температур, омываясь горячими отработанными газами. При возвратно поступательном движении клапана между ним и поверхностью втулки возникает трение. Если смазки поступает не достаточно, то трение идёт практически на сухую.
Именно по этой причине к материалу втулок применяют ряд требований, таких, как: стойкость к износу, высоким температурам, трению. Некоторые составы чугуна, алюминиевая бронза, керамика обладают всеми свойствами, необходимыми для создания детали, удовлетворяющей таким требованиям.
Для впускных клапанов, в связи с разницей в температуре нагрева, зазоры между направляющей втулкой и стержнем делаются меньше. Нижнюю часть втулки делают под конус для предотвращения заклинивания клапана.
Выточки под клапана (седла)
Долговечность и правильная работа двигателя внутреннего сгорания напрямую зависят от качества изготовления выточки под клапана. При неправильной стыковке клапана и седла не будет обеспечиваться должная герметичность камеры сгорания, и скорый выход мотора из строя неизбежен. Седла изготавливают непосредственно в головке цилиндра, в данном случае речь идёт о чугунных головках. Либо делают их вставными, из стали, например, в алюминиевых головках.
Вставные седла удерживаются в головке путём запрессовки, или развальцовки.
Количество клапанов в двигателе
Когда речь заходит о клапанах, многие задаются вопросом: «сколько клапанов в двигателе должно быть?» Однозначного ответа нет, определить чёткое количество можно только изучив конструктивные особенности мотора. Учитывая, что в четырёхтактной силовой установке клапан осуществляет такты впуска и выпуска, значит минимальное количество на один цилиндр — два, один впускной и один выпускной.
Современные силовые установки наиболее часто используют конструкцию с четырьмя клапанами (двух впускных и двух выпускных) на каждый цилиндр. При открытии клапана в образовавшееся отверстие происходит заброс топливной смеси, или выход отработанных газов. Чем больше отверстие, тем эффективней будет наполнение или очистка. Соответственно коэффициент полезного действия мотора так же увеличится.
Увеличить отверстие за счёт увеличения тарелки клапана нельзя, поскольку её размер ограничен размером камеры сгорания. Поэтому для улучшения качества смесеобразования устанавливают большее количество клапанов на один цилиндр.
Встречаются схемы, в которых применяются два, три, и даже пять клапанов на цилиндр. Учитывая, что процесс наполнения более важен для работы двигателя, количество впускных клапанов в нечётных схемах всегда больше.
Как работают клапаны в двигателе?
Если Вы читали статью о работе двигателя, то знаете, что существует 4 такта работы мотора:
- впуск,
- сжатие,
- сгорание,
- выпуск.
В современных двигателях на каждый цилиндр приходится 4 клапана: два впускных и два выпускных — они работают попарно — т.е. два впускных клапана открываются одновременно и два выпускных одновременно (но отличное время от времени открытия впускных). Это контролируется распределительным валом. Во время такта впуска, когда цилиндр движется вниз, открывается пара впускных клапанов, чтобы смесь топлива и воздуха могла впрыснуться в камеру сгорания цилиндра. Затем клапан закрывается, цилиндр движется уже наверх, и, следовательно, происходит сжатие смеси. Когда цилиндр достигает верхней точки, происходит взрыв этой смеси (инициируемый свечой в бензиновых двигателях и крайней степенью сжатия в дизельных). Теперь цилиндр из-за возникшего по причине взрыва давления движется вниз, а, когда достигает крайней нижней точки, открывается пара выпускных клапанов, чтобы были выдавлены цилиндром отработавшие газы, когда тот снова начнёт двигаться вверх.
Ничего сложного, не правда ли? Но из чего состоит цепочка работы клапанов, откуда они знают, когда им открываться и закрываться. Увы и ах, но в эру умнейших компьютеров, эта операция контролируется всего лишь какими-то грушевидными отростками на валу, который приводится во вращения от коленчатого вала двигателя. Этот вал называется распределительным или распредвалом в обиходе.
К распредвалу идёт ремень или цепь ГРМ, которая имеет зубцы и предназначен для очень точной передачи оборотов коленчатого вала (который приводится в движение цилиндрами двигателя) распредвалу. На самом распредвале расположены так называемые
Распределительный вал, установленный в блоке цилиндров, имеет мелкие металлические нажимные цилиндры (кулачки), расположенные выше самого клапана и металлического толкателя, который находится между клапаном и кулачком. Когда распредвал крутится, крутятся и кулачки, и когда выступающая их часть поворачивается вниз, то она толкает толкатель, который передаёт толчок клапану, который и открывается. А когда кулачок перестаёт нажимать на толкатель, пружина клапана позволяет ему подняться обратно вверх, чтобы закрыться. Это называется
Двигатели, в которых могут загнуться клапана: Зачем они нужны
Интерференционные двигатели: Почему клапана могут загнуться?
Вы знаете, что такое «интерференционный двигатель»? Нет? Но тогда вы наверняка слышали, что существуют двигатели, в которых клапана могут встретиться с поршнями, в результате чего силовой агрегат серьезно выйдет из строя. Такие моторы и называют интерференционными. На самом деле многие читатели представляют, что это за двигатели. Особенно те, кому приходится часто менять ремень ГРМ, чтобы предотвратить его обрыв, который в интерференционных двигателях приводит к встрече клапанов с поршнями. Но почему при обрыве ремня или цепи ГРМ во многих автомобилях происходит подобное? И зачем нужны двигатели с большим риском повреждения в случае несвоевременного технического обслуживания? Давайте разбираться.
Вы наверняка знаете, что в двигателях внутреннего сгорания главную работу превращения кинетической энергии в механическую выполняют поршни блока цилиндров, которые под воздействием энергии, получаемой при сгорании топлива, начинают двигаться внутри блока силового агрегата, передавая энергию на коленвал. Но помимо поршней не менее важную работу выполняют клапана, которые движутся в головке блока двигателя вверх и вниз, открывая и закрывая впускные и выпускные порты блока цилиндров. Основная работа клапанов заключается в подаче топлива и кислорода в цилиндры двигателя, где топливо и воздух сжимаются поршнями, прежде чем топливная смесь воспламеняется, приводя в движение внутренние компоненты двигателя, благодаря чему ваша машина двигается.
Вот очень красивая и странно успокаивающая анимация поршней и клапанов двигателя в действии. С помощью этого ролика вы поймете, как работает двигатель внутреннего сгорания:
Как вы видели, движение клапанов осуществляется с помощью распределительного вала – распредвала (или валов/распредвалов). Распредвал приводится в движение за счет ремня или цепи (или нескольких ремней или цепей). Ремень или цепь соединяется с коленчатым валом (коленвалом) двигателя. Эти ремни или цепи называются ремни/цепи газораспределительного механизма (ГРМ) двигателя, поскольку именно они приводят в движение распредвал. На распредвале есть кулачки, которые, двигаясь, контролируют время открытия и закрытия клапанов двигателя. Это объяснение простыми словами. Конечно, на самом деле все немного сложнее.
Смотрите также: Как работает система газораспределения и почему так важно следить за ремнем ГРМ?
Таким образом, клапана одновременно двигаются с поршнями двигателя вверх и вниз. Но именно из-за этого принципа работы клапанов и поршней во многих двигателях может случиться драма – клапана могут встретиться с поршнями.
Обычно, когда все работает хорошо, открытие и закрытие клапанов синхронизировано так, что при открытии клапана и поршни никогда не занимают одинаковое пространство в блоке цилиндров.
Когда поршень находится в самом вверху блока цилиндра двигателя и не может больше двигаться вверх, то в этом положении клапана закрыты, так как в этот момент происходит сжатие (это положение называют верхняя мертвая точка).
Верхняя мертвая точка — положение поршня в цилиндре, соответствующее максимальному расстоянию между любой точкой поршня и осью вращения коленчатого вала
Когда положение поршня находится в верхней мертвой точке, клапан (клапана) при правильной работе двигателя не должен находиться на пути поршня.
Смотрите также: По каким принципам работает двигатель Инфинити с изменяемой степенью сжатия, подробная информация
А теперь мы поговорим непосредственно об интервенционных движках, где может произойти ужасное: клапана могут встретиться во время работы двигателя с поршнями. Это может случиться при обрыве ремня или цепи ГРМ. Естественно, если подобное произойдет во время работы мотора, то двигатель выйдет из строя. Ведь при повреждении цепи/ремня ГРМ клапана перестают перемещаться, что означает, что некоторые из них застрянут в открытом положении и обязательно встретятся с поршнями.
Если поршень имеет достаточно большой ход в цилиндре, что позволяет ему фактически встретиться с открытым клапаном, то такие двигатели в науке называют интерференционными. Если же поршни не могут добраться до клапанов, то это обычные свободно работающие моторы.
Итак, если этот поршень попал в клапана, это очень и очень плохие новости для автовладельца. Клапана могут изгибаться, загибаться или ломаться. Также в результате подобного краха поршень может получить некоторый ущерб, в результате чего поршень внутри цилиндра двигателя будет сильно поврежден. Как правило, в этом случае владельца автомобиля ждет адский счет за восстановительный ремонт мотора.
Вот какой звук может появиться, если произойдет худшее:
В свободно работающих двигателях при обрыве ремня или цепи ГРМ подобного разрушения клапанов и поршней не происходит, поскольку в этом случае мотор просто останавливает свою работу, а клапана и поршни не могут встретиться. В этом случае вам нужно просто заменить ремень или цепь ГРМ на новые.
Читая это, кто-то, наверное, подумал: черт возьми, зачем кому-то нужно было создавать такие двигатели, где клапана могут встретиться с поршнями? Ведь при создании подобных моторов было ясно, что обрыв ремня или цепи ГРМ – вполне распространенное явление в мире. Кто создал такой двигатель и зачем?
Например, почти каждый современный двигатель Nissan является двигателем интерференции
Ответ: таких инженеров и конструкторов немало. Сегодня многие автомобильные компании выпускают двигатели, где при обрыве ремня ГРМ или цепи ГРМ клапана встречаются с поршнями. И скорее всего, у большинства наших читателей в автомобиле установлен такой мотор. Но главный вопрос: почему сегодня многие автопроизводители создают такие двигатели?
Основная причина в том, что все автокомпании хотят выпускать хорошие двигатели. В современном мире понятие «хороший двигатель» включает: мощность, крутящий момент, экономичность, эффективность и т. п. Но для обеспечения таких характеристик моторам необходима высокая степень сжатия.
От сжатия зависит, насколько топливо и воздушная смесь будут сжаты в цилиндрах двигателя. Чем больше сжать топливную смесь, тем больше энергии вы получите от 1 литра топлива. Как видите, чем больше степень сжатия, тем больше мощности получается при сгорании топлива, что, в свою очередь, снижает его расход в определенный момент времени.
Большое сжатие также означает, что толкание поршней в цилиндре будет происходить дальше и дальше вверх. Сами понимаете, что это также означает, что верхняя часть поршня в двигателе с большой степенью сжатия достигнет места, где могут появиться открытые клапана. В итоге теоретически при рассинхронизации газораспределительного механизма клапана и поршни могут встретиться в одном месте и повредить друг друга.
Кстати, это также объясняет, почему почти все дизельные двигатели являются интерференционными: по своей природе дизели – очень мощные компрессионные моторы (двигатели с большой степенью сжатия).
Преимущества высокой компрессии настолько хороши, что многие разработчики двигателей решают, что лучше производить силовые агрегаты, в которых есть риск встретиться клапанам с поршнями. Но если вы будете строго следовать рекомендациям производителя и своевременно менять цепь или ремень ГРМ (как правило, примерно каждые 100 000 км или около того, как видите, не так часто, как, например, моторное масло с фильтрами), то тогда вам действительно не нужно беспокоиться о возможном выходе двигателя из строя из-за обрыва. Правда, если вы будете приобретать оригинальные ремни и цепи ГРМ.
Но, к сожалению, все равно у многих автолюбителей есть беспокойство по поводу обрыва цепи или ремня ГРМ. Даже если своевременно менять их. Да, тогда в 99,9% случаев вряд ли двигатель выйдет из строя из-за встречи клапанов с поршнями. Но тем не менее вероятность подобного события никто не отменял. А когда у нас есть беспокойство, то нет нужного удовлетворения от владения автомобилем, в отличие от спокойствия автовладельцев, чьи автомобили оснащены обычными двигателями, в которых клапана с поршнями не могут встретиться при обрыве цепи/ремня ГРМ.
Хотя в целом это довольно разумный компромисс. Но, как видите, для того чтобы двигатель в 99,9% случаев не вышел из строя, нужно периодически прилагать определенные усилия и нести траты. Но тем не менее на данный момент подобные интерференционные двигатели, наверное, – лучшее решение в автопромышленности, которое помогло разработчикам улучшить экономичность и мощность современных автомобилей, а также снизить уровень выбросов вредных веществ в атмосферу.
Так что если ваша машина оснащена двигателем, в котором при обрыве ремня/цепи ГРМ гнет клапана, то просто своевременно меняйте ремень и цепь. Когда менять, вы можете узнать из руководства к автомашине или в техническом центре. Также советуем для замены ремня/цепи ГРМ обращаться в проверенные автомастерские или в дилерские технические центры. Помните, что лучше переплатить, чем потом получить поврежденные клапана и поршни в двигателе.
В том числе на опасность загиба клапанов о поршни стоит обратить внимание всем покупателям подержанных машин. Дело в том, что предыдущий владелец мог и не менять ремень/цепь вовремя. Поэтому если вы приобрели подержанный автомобиль, то советуем поменять ремень или цепь на новые как можно скорее. Если, конечно, ваша машина оснащена мотором, в котором есть риск повреждения клапанов о поршни.
Клапан двигателя
Клапан – деталь газораспределительного механизма. Клапанный механизм (механизм привода клапанов) является составной частью газораспределительного механизма (ГРМ).
ГРМ бывает нижнеклапаннымм и верхнеклапаннымм. Современные силовые агрегаты повсеместно имеют верхнее расположение клапанов.
Клапан реализует прямую подачу в цилиндры определенной порции топливно-воздушной смеси или только воздуха, а также осуществляет выпуск отработавших газов. Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания для нормальной работы требуется не менее двух клапанов на один цилиндр.
Клапаны бывают двух видов, что зависит от их прямой функции:
- впускной клапан;
- выпускной клапан;
Сегодня на современные моторы устанавливаются клапаны тарельчатого типа, которые имеют стержень. Устройство клапана включает в себя так называемую тарелку клапана. Наиболее распространенная конструкция ДВС получила клапаны, которые находятся в головке блока цилиндров (ГБЦ). То место, где клапан контактирует с ГБЦ, получило название седло клапана. Седло клапана ДВС стальное или чугунное, запрессовано в головку блока цилиндров.
Максимально качественное наполнение цилиндра двигателя топливно-воздушной смесью или воздухом требует того, чтобы диаметр тарелки впускного клапана был больше, чем у выпускного клапана. Впускные и выпускные клапаны имеют определенные отличия по этой причине. Впускной клапан зачастую получает больший диаметр своей тарелки. Это сделано для того, чтобы улучшить наполнение цилиндров топливно-воздушной смесью или только воздухом.
Что касается выпускного клапана, в увеличении диаметра его тарелки необходимость также присутствует. Это необходимо для лучшей очистки цилиндров от продуктов сгорания. Отметим, что размер тарелки впускного и выпускного клапанов ограничен размерами самой камеры сгорания, которая изготовлена в ГБЦ. Качественное наполнение цилиндров и очистка реализуются не путем увеличения диаметра тарелки одного клапана, а путем установки большего количества клапанов на один цилиндр.
Клапаны ДВС в процессе работы мотора испытывают серьезные механические и тепловые нагрузки. По этой причине их изготавливают из особых жаростойких и износостойких металлических сплавов. Кромка тарелки клапана может быть усиленной, иногда сама тарелка усиливается при помощи керамического напыления. Что касается стержня, то для впускного клапана предусмотрен цельнометаллический стержень. Выпускной клапан имеет полый стержень, дополнительно получает натриевое наполнение для улучшения охлаждения тарелки клапана.
Повышенное внимание уделяется вопросу охлаждения именно выпускных клапанов, особенно для производительных силовых агрегатов. Выпускные клапана подвержены тепловой нагрузке намного больше впускных. Как уже было сказано, клапаны в таких моторах имеют полый стержень, который внутри наполнен натрием. Такое решение является эффективным способом охлаждения. Указанный натрий при выходе мотора на рабочую температуру плавится внутри полого стержня клапана, а затем в расплавленном виде течет. Так осуществляется перенос избытков тепла от разогретой тарелки клапана к его стержню.
Место прилегания тарелки клапана к блоку называется фаской. Для того чтобы фаска не страдала от скопления нагара, а также было реализовано равномерное распределение тепла, в конструкции клапанного механизма используются решения для вращения (проворачивания) клапана в процессе работы ДВС.
Современное устройство наиболее распространенного двигателя предполагает схему с четырьмя клапанами, что означает наличие двух впускных и двух выпускных клапанов на каждый отдельный цилиндр. В момент открытия (клапан опускается) впускного клапана образуется кольцевой проход. Через этот проход между тарелкой клапана и седлом клапана в цилиндр попадает топливно-воздушная смесь или только воздух. От площади проходного сечения будет зависеть эффективность наполнения цилиндра, что далее влияет на показатели производительности при рабочем ходе поршня.
Могут также встречаться двухклапанные, трехклапанные и пятиклапанные схемы устройства ГРМ. В первом случае используется только один впускной и один выпускной клапан на цилиндр. Для трехклапанных схем характерно наличие двух впускных и одного выпускного клапана. Схема на пять клапанов означает, что стоят три впускных и два выпускных клапана. Количество клапанов на цилиндр зависит от общего размера камеры сгорания конкретного двигателя, реализации привода клапанов, степени форсировки мотора, а также ряда других факторов.
Открытие клапана реализовано при помощи нажатия на клапанный стержень. За открытие отвечает привод клапана. Указанный привод обеспечивает передачу усилия от распределительного вала (распредвала). В современных двигателях используются две базовые схемы привода клапанов: привод посредством гидравлических толкателей клапана и реализация привода при помощи роликовых рычагов.
Закрытие клапана в процессе работы ДВС осуществляется при помощи специальной пружины определенной жесткости. Жесткость такой пружины должна быть ограниченной, чтобы не создавать больших ударных нагрузок на седла клапанов. Сила воздействия пружины заставляет тарелку клапана герметично перекрывать впускной или выпускной канал. Пружина клапана крепится на стержне посредством тарелки клапанной пружины и сухарей. Во время работы мотора, особенно под нагрузкой, могут возникать резонансные колебания на клапанах. Для устранения этого нюанса могут быть установлены сразу две клапанные пружины с разнонаправленными витками.
Жесткость таких пружин меньше по сравнению с решениями, которые получили только по одной пружиной. Использование двух пружин подразумевает то, что они навиты в разные стороны. Это сделано для предотвращения заклинивания клапана в результате поломки одной пружины. Так инженеры исключили риск попадания витков одной пружины клапана между витками другой. Для уменьшения трения клапанный механизм конструктивно имеет вышеупомянутые ролики (роликовый рычаг), которые находятся на толкателях и рычагах привода клапанов.
Читайте также
Как работают клапаны двигателя | 17koles.ru
Клапан, который пропускает в цилиндр смесь воздуха и топлива, называется впускным. Клапан, через который отработанные газы покидают двигатель, называется выпускным. Для эффективной работы двигателя при любой скорости эти клапаны должны открываться в определенные моменты.
За этот процесс отвечают грушевидные детали (кулачки), которые крепятся к распределительному валу, вращающемуся под действием цепи, ремня или набора шестерен.
Распределительный вал может находиться в верхней части блока. В этом случае над каждым кулачком вала располагаются небольшие металлические цилиндры (толкатели). Когда конец толкателя упирается в коромысло, кулачок воздействует на ножку клапана, который удерживается в поднятом (закрытом) состоянии с помощью сильной пружины.
Двигатель с верхним расположением распределительного вала
В подобной конструкции вал, расположенный в верхней части двигателя, работает под управлением ремня с внутренними зубьями, и контуры кулачков напрямую взаимодействует с толкателями, расположенными над клапанами.
Когда толкатель давит на кулачок, он задействует коромысло, которое ослабляет пружину и открывает клапан. При дальнейшем вращении контура пружина возвращается в первоначальное положение, и клапан закрывается. Такая конструкция характерна для двигателя с верхним расположением клапанов в головке цилиндра.
В некоторых двигателях отсутствуют толкатели, и клапаны открываются и закрываются с помощью двойных или одинарных распределительных валов.
Такая конструкция носит название двигателя с одним распределительным валом и клапанами в головке. В ней меньше подвижных частей, поэтому она является более мощной и может работать на высоких скоростях. В любом случае, между деталями присутствует зазор, чтобы клапан мог свободно закрываться и открываться, когда те расширяются при нагревании.
Зазоры между ножкой клапана и коромыслом или кулачком необходимы для нормальной работы системы, а их отсутствие может вызвать серьезные повреждения составных частей.
При слишком большом зазоре клапаны будут открываться слишком рано, а закрываться слишком поздно, что снизит мощность двигателя и увеличит уровень производимого им шума.
При малом зазоре клапаны не будут нормально закрываться, что приведет к ослаблению компрессии.
В некоторых двигателях зазоры регулируются автоматически под давлением смазочной жидкости.
Распределительный вал с толкателями
При конструкции, согласно которой распределительный вал находится в блоке цилиндров, длинные штанги толкателей воздействуют на коромысла, открывающие клапаны. Двигатели с верхним расположением клапанов в головке цилиндра считаются менее эффективными, чем двигатели с одним распределительным валом и клапанами в головке, т.к. большое количество подвижных частей ограничивает скорость, при которой двигатель может безопасно работать.
В двигателе с верхним расположением распределительного вала и штангами коленчатый вал находится в головке цилиндров.
При вращении вала каждый клапан открывается с помощью толкателя, штанги и коромысла. Клапан удерживается в закрытом состоянии пружиной.
Количество зубьев на звездочке ведущей цепи в два раза превышает количество зубьев на шестерне распределительного вала, поэтому вал вращается в два раза медленнее, чем двигатель.
Двигатель с одним распределительным валом и клапанами в головке
В некоторых моделях кулачки напрямую воздействуют на короткие рычаги, именуемые пальцами.
Двигатель с одним распределительным валом и клапанами в головке содержит меньше деталей для управления клапанами. Кулачки напрямую взаимодействуют с толкателями или короткими рычагами (пальцами), которые, в свою очередь, открывают и закрывают клапаны.
Такая система обладает меньшим весом и технической сложностью, т.к. в ней отсутствуют штанги толкателей и коромысла.
Для управления распределительным валом с помощью звездочки на коленчатом вале часто используется длинная цепь, которая иногда провисает. Эта проблема решается добавлением промежуточных звездочек и нескольких коротких цепей с большим натяжением.
Кроме того, могут быть использованы нерастягиваемые резиновые маслоупорные ремни с зубьями, которые цепляются к звездочкам на распределительном и коленчатом валах.
Клапан ДВС
Большое разнообразие материалов из которых изготавливают клапаны двс может поставить перед сложным выбором. В этой статье пойдет речь о технологиях производства клапана в каких случаях использовать те или иные клапаны, их достоинства и недостатки, облегчение и проточка «тюльпана», а также поговорим о защищающих покрытиях и методах их нанесения. Эта информация предоставлена, чтобы помочь Вам сделать обоснованное решение при модернизации клапанного механизма.
1.Технологии производства клапанов.
При изготовлении выпускных клапанов особое внимание уделяется методам изготовления и материалам способным длительно выдерживать высокую температуру и при этом сохранять прочность. К впускным требования не столь жесткие так как они имеют дополнительное охлаждение свежей топливовоздушной смесью. Необходимым свойствам соответствуют многие сплавы при соблюдении определенных технологиях, но всегда приходится чем-то жертвовать к тому же вес детали получается большим. Проводится много исследований и выявление новых материалов не стоит на месте. Множество запатентованных технологий еще не нашли своего применения на практике.
Все то множество технологий и их недостатки я описывать подробно не буду, поверхностно пройдемся по основным. Как делается тарелка клапана:
Торцевая раскатка- раскалённый стержень клапана выступает из матрицы и вращающийся под углом к оси матрицы пауссон раскатывает по кругу стержень, который постепенно подается в матрицу до придания необходимой формы. Создается направленная микроструктура метала, параллельная профилю тарелки клапана, что увеличивает прочность.
1-торец заготовки. 2-матрица. 3-паусон. 4-готовая тарелка клапана. 5-стержень.
В следующем методе заготовку подают в матрицу и похожим образом раскатывают тарелку клапана, при этом еще выдавливается ножка в отверстие что тоже дает направленную микроструктуру, подобную волокнам древесины. Существует еще несколько методов имеющих сходство с описанным.
Клапан изготавливают из стали марок: 40Х9С2, 40XH, 40Х10С2М, 20ХН4ФА, 55Х20Г9АН4, 45Х14Н-14В2М, титановых сплавов ПТ-3В, ВТ3, ВТ-14, ВТ6, с намного низкой температурной стойкостью (только впускные клапаны) ВТ18У и ВТ25У и других сплавов. Клапаны из сплавов на основе интерметаллида TiAl имеют сравнимо низкую плотность металла, соответственно и меньший вес с большей твердостью и жаропрочностью даже в сравнении с привычными сплавами на основе титана. Но возникают трудности при изготовлении по привычным технологиям, позволяющим добавить прочность, из-за низкой пластичности. В таком случае изготавливают методом литья, но в этом случае, в структуре металла образуется пористость, которая удаляется только высокотемпературным газоизостатированием, очень дорогая процедура, составляющая себестоимость клапана.
Широко применяется комбинированная система, когда стержень выполняется из низколегированных сплавов с большей твердостью, а тарелка из жаропрочных. Готовые детали в последствии свариваются различными методами или напрессовываются, конструкция считается не очень надежной.
Другой вариант изготовления, стержень и торец клапана изготавливаются из одного сплава, в последствии деформационной и термо обработки создаются разные микроструктуры метала, в головке обеспечиваются высокая твердость и сопротивление ползучести в тарелке высокая термостойкость. Опять же технологии изготовления очень дорогостоящие. Не стану описывать остальные методы, имеющие по 3-4 переходных зоны по микроструктуре и технологию отжига, все они принципиально схожи с выше описанным.
Горячая штамповка в торец- раскалённый стержень просто вдавливается в матрицу в которой метал распределяется как попало с нарушением микроструктуры, самый простой и бюджетный способ, не имеющий необходимой прочности.
2. Виды клапанов
Широко распространены всего два вида тарельчатых клапанов «Тюльпан» и «Т-образный».
Стоит разобраться в недостатках и преимуществах чтобы сделать свой выбор. И так самый распространенный это тюльпан, имеет большой запас прочности обтекаемую форму, часто большой вес.
Т- образный предназначен в большей степени для тюнингованного мотора работящего преимущественно на высоких оборотах. Имеет минимальный радиус перехода от ножки к тарелке, небольшой вес в следствии чего уменьшается нагрузка на газораспределительный механизм продлевая срок службы, сдвигает порог зависания клапана что позволяет использовать стандартные клапанные пружины, не прибегая к усиленным, отбирающих свою долю мощности, меньший износ направляющих втулок, лучшая продувка. О надежности поговорим чуть ниже.
3. Облегчение клапана типа «Тюльпан»
Из экономических соображений многие стремятся самостоятельно облегчить клапаны, покупка новых Т- образных выливается в кругленькую сумму, обычно это клапаны на основе титана, имеющие небольшой вес минимальную металлоёмкость и лучшие характеристики прочности и жаростойкости, однако в виду трудоемкого производства таких деталей себестоимость очень высока.
Выше я уже говорил, что Тюльпан изначально имеет большой запас прочности и есть возможность его облегчить ценой надежности, неоправданного риска попасть на очередную капиталку. Мало кого этот факт останавливает и начинаются поиски тех кто уже опробовал и сделать именно также, соблюдая размеры оппонента. В сети по этой теме можно найти много положительного опыта, реже попадаются печальный исход доработки.
А теперь давайте разберемся почему это происходит. В начале я описывал технологии производства клапанов и материалов. Если вы читали внимательно, то уже поняли, что большое значение имеет технология производства и созданная микроструктура в металле пусть хоть в результате термообработки или метода штамповки. Во время облегчения клапана механически удалятся часть металла в поверхностных слоях которого была заключена основная прочность всей детали. Термонагруженность тарелки возрастает вследствие чего материал клапана не способен выдерживать нагрузку и поддается деформации. Некоторые производители наносят специальные покрытия расширяющие свойства, в конце темы опишу подробнее. Из этого можно сделать вывод, вероятность обрыва тарелки 50/50, ведь вам не известна технология и материалы и действовать вы будете по опыту других или на глазок. Добавим вероятность заводского брака и возможную детонацию, и получите такой результат.
Однако не всегда так случается и судя по опыту немногих, облегченные клапаны ходят по 100тыс и продолжают исправно работать. Если вы все же решились на облегчение, задумайтесь об охлаждении тарелки, в этом поможет замена седел клапанов на бронзовые. Именно через седла отводится большая часть температуры. Об этом я уже писал в теме Седло клапана. Не допускайте острых краев и тонких кромок на тарелке, эти места будут чрезвычайно перегреты повысится вероятность детонации и приведет к прогару и разрушению клапана. Совершенно нет необходимости в фасках, сделайте плавный переход и скруглите кромку тарелки. Не забудьте притереть клапан к седлу, желательно не алмазными пастами. Рассмотрите варианты облегчения остальных подвижных частей- пружинные тарелки, коромысла или толкатели.
Предпочтение стоит отдавать конечно заводским Т- образным клапанам, не оставляя без внимания бренд, их надежность не заставит вас сомневаться. Не думайте опробовать производство из Китая даже если это титан.
4. Защищающие покрытия, методы нанесения.
Распространение получили три метода нанесения покрытия на металлы плазменно-порошковая наплавка, лазерное легирование, наплавка токами высокой частоты. Нанесенное покрытие совершенно другого металла на выпускной клапан расширяет защитные свойства детали, возможность противостоять агрессивной среде. Это позволяет выполнять клапан из более подходящих материалов по термостойкости и прочности, не прибегая к поиску золотой середины. Таким получаем прочный и легкий клапан, не способный противостоять окислению и износу, но применение тонкого слоя специального покрытия решит эту проблему.
Выхлопные газы высокой температуры наносят большой вред клапану, возникает газовая коррозия парами воды, окисление кислородом, оксидом углерода, оксидом серы, которые образуются в результате горения. Механическое воздействие расклепывает рабочую фаску увеличивается ее размер, нарушается герметичность, что приводит к прорыву раскалённых газов в щель и большему прогару.
Далее расскажу о методах нанесения покрытия, ознакомимся с каждым из них подробнее.
Плазменно-порошковая наплавка-
наиболее универсальный метод, подается гранулированный металлический порошок вместе с газом в плазмотрон. Такой метод позволяет наносить качественное покрытие толщеной 0.5-5.0мм, растворимость металла детали в наплавленном слое всего 5%, возможное отклонение от номинала толщены- 0.5мм, минимальная окисляемость наплавляемого слоя за счет подаваемого в плазмотрон газа, минимальная зона термического влияния.
Лазерное легирование-
на деталь воздействует луч лазера разогревая поверхность чуть больше температуры плавления основы. Температура регулируется мощностью лазера и диаметром луча. В результате происходит активное перемешивание легирующего металла размещенного на поверхности основы с металлом детали на глубину примерно 1-2 мм. Такой метод позволяет наносить покрытия стеллита, вольфрамохромокобальтового сплава. Растворимость основного металла в покрытии 5-10%.
Наплавка токами высокой частоты-
На тарелку клапана устанавливается кольцо из наплавляемого металла, между клапаном и кольцом находится порошковый флюс или газовая среда (аргон, азот) под действие тока высокой частоты разогревается кольцо и подогревается тарелка клапана до температуры диффузии металлов, место нанесения покрытия охлаждается водой с другой стороны клапана, таким образом происходит намораживание наплавляемого слоя, при этом клапан вращается для обеспечения равномерности нагрева. Таким образом наносят самофлюсующиеся сплавы ЭП616, ЭП616А, ЭП616Б, ЭП616В значительно дешевле кобальтовых стеллитов и имеют достаточную твердость и стойкость к коррозии. Растворимость основного металла в слое покрытия 20-30%.
Тарелка титанового клапана с покрытием нитрид хрома (CrN)
 |
 |
 |
|||
Пример с покрытием из нитрида титана, обеспечивает высокую твердость.
Противостоит отложению нагара и окислению.
Многоклапанные двигатели — Энциклопедия журнала «За рулем»
Когда нижнеклапанные двигатели ушли в прошлое, клапаны перекочевали наверх в головку блока, и с тех пор их расположение не менялось. Чтобы избежать длинных толкателей, которые ограничивали возможность форсирования двигателя по оборотам (такая конструкция — инерционная и нежесткая), распределительный вал перенесли в головку блока, чем и закончилась трансформация. Потом росли только степень сжатия и обороты. Но если «оборотистый» двигатель и годится для гонок (правда, не для всех), то для повседневной эксплуатации он не подходит: высоки требования к материалам, из которых сделаны детали, топливу и маслам, велики токсичность выхлопа и эксплуатационные расходы. Пришлось искать другие пути.
Площадь четырех вписанных кругов больше, чем двух; соответственно больше проходное сечение каналов, которые прикрыты клапанами.
Идею двигателя с четырьмя клапанами на цилиндр не назовешь особо оригинальной или новаторской, но нельзя отрицать и то, что это достаточно простой способ улучшить наполнение цилиндра горючей смесью и удаление отработавших газов из него. Нарисуйте окружность и впишите в нее две другие максимально возможного диаметра, а затем попробуйте изобразить то же, но уже с четырьмя. Большая окружность обозначает цилиндр, а малые — каналы, закрытые клапанами. Невооруженным глазом видно, в каком случае площадь, занимаемая вписанными кругами, больше и, следовательно, больше проходное сечение впускного и выпускного каналов в головке двигателя.
Четыре клапана «спустились» с высот формулы 1 сначала на другие гоночные, затем на более простые спортивные автомобили, а сейчас они бодро «шествуют» от дорогих машин в средний класс и дальше, к малым и дешевым
(этот этап начался в начале 1990-х).
Типичная схема механизма газораспределения двигателя (Mazda 121): зеленым цветом выделен распредвал, коричневым — клапаны с пружинами и фиксирующими деталями. Интересно, что рычаги распредвала выполнены из легкого сплава (показаны желтым цветом) и снабжены стальными роликами (красные). Видны винты для регулировки зазора с контргайками и свеча зажигания (эти детали — белые).
Двигателю с четырьмя клапанами на цилиндр вовсе не обязательно иметь два распределительных вала в головке, как думают иногда автолюбители. Есть моторы, в которых клапаны приводит один вал, например у «Мазды-121».
Двигатель автомобиля Mitsubishi Galant: два распределительных вала, гидравлические компенсаторы клапанного зазора — типичные для четырехклапанных моторов.
Двигатель более дорогого «Мицубиси-Галант» — уже с двумя распределительными валами, гидрокомпенсаторами клапанных зазоров. Заметим, что схема с двумя распредвалами применяется в четырехклапанных двигателях чаще.
Есть двигатели и с тремя клапанами на цилиндр: несколько таких моделей использует, например, Toyota на автомобилях Starlet и Corolla. В этом случае два клапана впускные, а один — выпускной. Это обусловлено тем, что для впуска требуется большее сечение: рабочая смесь хуже проходит по узким каналам, чем выхлопные газы.
Когда фирма Opel добавила к модификациям своей Vectra модную полноприводную, то едва не оступилась. Инертная трансмиссия, возросший вес машины почти свели на нет ее достоинства по сравнению с переднеприводной. Спасти положение помогла новая головка с четырьмя клапанами на цилиндр. Прибавилась мощность, динамика и скорость выросли под стать полноприводным амбициям. Это пример настоящей конструкторской удачи.
Если сечение каналов больше, это не значит, что топлива в цилиндры поступает больше и расход должен быть выше. Многоклапанные головки двигателя позволяют изменить распределение рабочей смеси по камере сгорания, снизить потери впуска и уменьшить количество оставшихся в цилиндрах отработавших газов. Все это увеличивает КПД двигателя, следовательно, появляется возможность уменьшить расход, хотя бы на некоторых режимах.
Двигатель потребляет не столько топлива, сколько войдет в цилиндры, система впрыска «определяют дозу» согласно желанию конструкторов. Но и разработчики иной раз вынуждены идти на уступки, например, применять высокооктановый бензин.
Конечно, улучшить характеристики автомобиля можно не только изменив конструкцию двигателя (увеличив число клапанов). Нередко вместе с этим изменяют передаточные числа в коробке передач, модифицируют систему впрыска топлива и т. д. Но все же ведущие фирмы широко применяют четырехклапанные двигатели.
В условиях современного производства затраты на выпуск технологически более сложной головки блока невелики, а повышенная цена автомобиля, как правило, оправдывается хорошими характеристиками и не отпугивает покупателя.
Некоторые ездят на четырехклапанных машинах, даже не подозревая об этом. Автомобильные фирмы иной раз упоминают о конструкции только в технических характеристиках: ведь потребителя волнуют эксплуатационные
показатели, а не устройство двигателя. Другие, наоборот, стремятся подчеркнуть технический уровень или спортивные качества модели, тогда в названии появляются обозначения «16V», «24V». Первое говорит о том, что двигатель имеет четыре цилиндра и четыре клапана на цилиндр, всего шестнадцать, а второе — шесть цилиндров, по четыре клапана на каждый (6X4=24). Индексы трехклапанных двигателей «12V», «18V». Те же надписи могут быть и на клапанной крышке, а кроме них «DOHC» и «Twincam», что означает «два распределительных вала в головке». Если же рядом с «DOHC» не стоит «12V» или «24V», то двигатель вовсе не обязательно четырехклапанный: два распредвала могут быть и у обычного, двухклапанного.