Чем заполняют клапана двигателей

Клапанный механизм

Устройство газораспределительного механизма

Клапанный механизм включает в себя следующие детали: клапаны, на­правляющие втулки, седла клапанов, возвратные пружины, опорные тарел­ки, сухари, механизм вращения клапана (двигатель ЗИЛ-508.10).

Клапаны предназначены для герметизации цилиндра при тактах сжатия и рабочего хода и соединения их с трубопроводами впускной или выпускной системы при тактах впуска или выпуска в процессе газообмена.

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).

Назначение и особенности впускных и выпускных клапанов

Во вступлении мы указали, каково назначение клапанов отдельных типов, однако в данном разделе этот момент будет разобран в подробностях. Начнем с выпускного клапана. Для лучшего понимания всего, что будет описано дальше, рекомендуем автолюбителям ознакомиться с понятием фаз газораспределения. Выпускные клапаны ответственно за удаление уже отработавших газов из камер сгорания мотора. Выпуск происходит в тот момент, когда поршень направляется от т.н. нижней мертвой точки к верхней мертвой точки. Так как температура газов и перепады давлений особенно велики, выпускные клапаны должны иметь больший запас прочности, нежели впускные. Производители защищают изделия при помощи:

• Плазменно-порошковой наплавки;
• Лазерного легирования;
• Наплавки при помощи токов высокой частоты.

Для наплавки используются составы, включающие порошки кобальта или никеля. Наплавка позволяет создать тонкий защитный слой из указанных материалов, которые обеспечивают лучшую коррозионную защиту изделий, их лучшую устойчивость к механическим воздействиям и перепадам температур.

Теперь объясним, чем обусловлены столь высокие требования именно к выпускным клапанам и почему они имеют тарелки меньшего диаметра. Как только такт впуска сжатия подошел к концу, камера сгорания должна быть герметичной (клапаны закрыты). Происходит возгорание смеси, после которого отработавшие газы нужно оперативно удалить. Размещенный в головке блока цилиндров тарельчатый выпускной клапан берет эту задачу на себя. Давление в камере велико, так что отработавшие газы быстро проходят через клапан, получающий усилие от кулачка распредвала – его не нужно оснащать тарелкой большого диаметра, ведь газы фактически выталкиваются сами собой. Теперь мы можем сформулировать еще одно требования к такому клапану: точное соответствие геометрии тарелки геометрии седла. Если они не будут прижиматься друг к другу в нужный момент, то камера не будет герметизироваться. Как результат, отработавшие газы начнут прорываться через клапан.

В дальнейшем мы выделим неисправности клапанов в отдельных раздел, однако эксперты Avto.pro считают нужным сразу рассказать читателям, чем обусловлен выход из строя выпускных клапанов. Дело в том, что клапаны постепенно покрываются нагаром. Сильнее всего страдают тарелки, особенно если топливовоздушная смесь переобогащена и не сгорает полностью. Тарелка также может перегреваться. Она не оплавляется и практически не деформируется – следствие правильного подбора марки стали и технологии производства, – но вот предотвратить появление микротрещин на тарелке невозможно. Со временем именно они станут причиной потери герметичности и прорывом отработавших газов. Еще один момент: если выпускные клапаны не притираются к седлам должным образом, то герметичность также будет нарушена.

Как читатель уже наверняка догадался, впускные клапаны отвечают за пропуск в рабочие камеры сгорания или топливоздушной смеси, или одного только воздуха, что справедливо для дизеля и двигателей с непосредственным впрыском. Именно эти клапаны дают смеси и воздуху попасть в камеры, а затем герметизируют их перед началом такта сжатия. Работа впускных клапанов определяется угловым опережением распредвала. Впускные клапаны омываются свежим зарядом, а также находятся в относительно легких температурных условиях, так что требования к материалам для их изготовления не столь жесткие. Стоит добавить, что клапаны снабжают т.н. маслосъемными колпачками, о которых мы писали в данном материале. Колпачки не дают маслу попасть в камеру сгорания через образующийся в период такта впуска зазор.

Охлаждаемый клапан двигателя внутреннего сгорания

Номер патента: 1359442

. Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Изобретение относится к энергетическому машиностроению и, в частно.тп, может быть использовано в двигателестроении.Целью изобретения является повышение интенсивности охлаждения клапана путем стабилизации режима пузырькового кипения жидкости.На чертеже изображен охлаждаемый 10 клапан, общий вид.Клапан 1 выполнен из двух или более элементов, образующих герметичную полость 2, частично заполненную охлаждающей жидкостью 3, В герметичной 15 полости клапана свободно размещена засыпка из стальных шариков 4, которые под действием сил тяжести распо. лагаются на внутренней поверхности тарелки 5, 20При работе двигателя клапан нагревается и.

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.

Почему выполняется запаздывание и опережение срабатывания клапанов?

Чтобы улучшить наполнение цилиндров, а также обеспечить более интенсивную очистку от отработавших газов, срабатывание клапанов происходит не в момент достижения поршня мертвых точек, а с небольшим опережением или запаздыванием. Так, открытие впускного клапана выполняется до момента прохождения поршнем ВМТ (от 5° до 30°). Это позволяет обеспечить более интенсивное нагнетание свежего заряда в камеру сгорания. В свою очередь, закрытие впускного клапана происходит с запаздыванием (после того как поршень достиг нижней мертвой точки), что позволяет продолжить наполнение цилиндра горючим за счет сил инерции, так называемый инерционный наддув.

Выпускной клапан также открывается с опережением (от 40° до 80°) до момента достижения поршнем НМТ, что позволяет обеспечить выход большей части отработавших газов под действием собственного давления. Закрытие выпускного клапана, напротив, происходит с запаздыванием (после прохождения поршнем верхней мертвой точки), что позволяет силам инерции продолжить удаление отработавших газов из полости цилиндра и делает более эффективной его очистку.

Углы опережения и запаздывания не являются общими для всех двигателей. Более мощные и быстроходные имеют большие значения этих интервалов. Таким образом, их фазы газораспределения будут шире.

Этап работы двигателя, при котором оба клапана открыты одновременно, получил название перекрытие клапанов. Как правило, величина перекрытия составляет около 10°. При этом, поскольку длительность перекрытия очень мала, а раскрытие клапанов незначительно, утечки не происходит. Это довольно благоприятный этап для наполнения и очистки цилиндров, что особенно важно при высоких оборотах.

В начале открытия впускного клапана текущий уровень давления в камере сгорания выше, чем атмосферное. В результате отработавшие газы очень быстро перемещаются к выпускному клапану. Когда двигатель перейдет на такт впуска, в камере установится высокое разрежение, выпускной клапан полностью закроется, а впускной раскроется на достаточную для интенсивного наполнения цилиндра величину сечения.

Что нужно проконтролировать при замене клапанов?

Некачественно выполненный ремонт клапанов – это благоприятная среда для скорого выхода из строя всего двигателя автомобиля. Чем грешат не самые добросовестные автомеханики:

• Ударными приёмами. Когда мастер не утруждает себя взять профессиональный инструмент и предпочитает орудовать брутальными средствами – куском стальной трубки и молотком. Эффект проявится не сразу, но довольно скоро: вероятнее всего, после такого молоткового «рассухаривания» стержень клапана сломается в месте канавки для сухарей.
• Безалаберным нанесением пасты для притирки. Если этот состав (по сути, абразив) попадёт во втулку, поломок долго ждать не придётся. Мыть втулку после такого сложно и дорого, но необходимо.
• Регулировкой зазоров «на глазок». Здесь нужна почти ювелирная работа, потому что слишком маленькие зазоры неизбежно приведут к неплотной посадке в седло.
• Притиркой без правки седла. Казалось бы, для водителя же стараются – снижают расходы на лишние работы. На деле стараются для себя: заменив новый клапан и проведя притирку без регулировки осей, такие автомастера могут смело записывать клиента на следующий приём через неделю. Этого времени как раз хватит, чтобы новая деталь из-за несоосности износилась и застучала.

Отдавая машину на ремонт клапанов двигателя, не поленитесь уточнить, с чем будет работать автослесарь. Если у него в арсенале только молоток и гаечные ключи, лучше откажитесь от такой помощи. Ударные работы с клапанами не сулят ничего хорошего. Особенно современным машинам, в которых диаметры клапанных стержней совсем невелики (и сломать шток не так уж сложно).

Проверка камеры сгорания на герметичность пневмотестером или компрессором

Одна из основных функций клапанов – обеспечение герметичности камеры сгорания на такте сжатия для создания необходимого давления для воспламенения и горения топливовоздушной смеси.

Проверка двигателя пневмотестером: видео

При их повреждении газы и топливная смесь прорываются во впускной или выпускной коллектор, в результате не создается необходимого усилия для перемещения поршня и нарушается нормальная работа ДВС.

Достоверно установить наличие и причину разгерметизации позволяет пневмотестер. Стоимость такого прибора от 5 000 рублей, но вместо него можно использовать обычный автомобильный компрессор для накачивания шин с манометром. Альтернативный вариант – диагностика на СТО, за которую попросят от 500 рублей.

Как проверить состояние клапанов без снятия ГБЦ с помощью компрессора или пневмотестера:

1. Убедиться, что зазоры в клапанном механизме в пределах нормы.
2. Переместить поршень проверяемого цилиндра в верхнюю мертвую точку на такте сжатия, вращая коленвал или ведущее колесо на ближайшей к прямой (обычно 5-я) передаче.

Из герметичной камеры сгорания воздух выходить не должен. Если давление снижается, по звуку и движению воздуха определяем направление утечки – он укажет на конкретную неисправность.