Клапаны двигателя: конструктивные особенности и назначение

Клапанный механизм – это основной исполнительный компонент ГРМ (газораспределительный механизм) современного двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Именно этот узел отвечает за безупречно точную работу мотора и обеспечивает в процессе работы:

• своевременную подачу подготовленной топливовоздушной смеси в камеры сгорания цилиндров;
• последующий отвод выхлопных газов.

Клапаны – ключевые детали механизма, которые должны гарантировать полную герметизацию камеры сгорания при воспламенении в ней топлива. Во время работы мотора они испытывают постоянно высокую нагрузку. Вот почему к процессу их изготовления, а также особенностям конструкции, регулировкам и непосредственно самой работе клапанов ДВС предъявляются жесткие требования.

Общее устройство

Для нормальной работы двигателя в конструкции газораспределительного механизма предусмотрена установка двух типов клапанов: впускных и выпускных. Первые отвечают за пропуск в камеру сгорания топливовоздушной смеси, вторые – за отвод отработанных газов.

Клапанная группа (одновременно является оконечным элементом системы ГРМ) включает в себя основные детали:

• стальная пружина;
• устройство (механизм) для крепления возвратного механизма;
• втулка, направляющая движение;
• посадочное седло.

Эксперты MotorPage.Ru обращают внимание автовладельцев на тот факт, что именно сопряжение «седло-клапан» при работе мотора подвергается самой высокой степени воздействия экстремальных температур и разнонаправленным (вверх, вниз, в стороны) механическим нагрузкам.

Кроме того, из-за скоростной работы образуется недостаточное количество смазки. В результате – интенсивный износ и необходимость проведения ремонта двигателя, замены и установки новых деталей ГРМ с последующей регулировкой зазоров.

К каждой паре и группе клапанов предъявляются следующие требования:

• минимально возможный вес;
• антикоррозийная устойчивость;
• безупречная теплоотдача клапана;
• устойчивость к высоким температурам;
• герметичность работы при контакте с седлом;
• повышенная механическая прочность и жесткость одновременно;
• отличный показатель стойкости к механическим и ударным нагрузкам;
• максимальный уровень обтекаемости при поступлении рабочей смеси в камеру сгорания и выпуске отработанных газов.

Конструктивные особенности

Главное предназначение клапана – своевременное открывание и закрывание технологических отверстий в блоке цилиндров для выпуска отработанных газов и впуска очередной порции топливовоздушной смеси.

В процессе работы двигателя основание выпускного клапана нагревается до высоких температур. У бензиновых моторов этот параметр достигает 800 — 900°С, у дизельных силовых агрегатов – 500 — 700°С. Впускные работают при температуре порядка 300°С.

Чтобы обеспечить необходимый уровень устойчивости к таким нагрузкам, для изготовления выпускных клапанов используют специальные жаропрочные сплавы и материалы, содержащие большое количество легирующих присадок.

Конструктивно деталь состоит из двух частей:

• головка, изготавливаемая из материала, устойчивого к экстремальным нагревам;
• стержень из высококачественной легированной углеродистой стали.

Для защиты от коррозии поверхность выпускных клапанов в местах контакта с цилиндром покрывается специальным сплавом толщиной 1,5 – 2,5 мм.

К впускным клапанам требования не столь жесткие, поскольку в процессе работы двигателя они охлаждаются свежей топливовоздушной смесью. Для изготовления стержней используются низколегированные марки сплавов с повышенными параметрами прочности, а тарелки делают из жаропрочных сталей.

Требования к изготовлению пружин и втулок

Пружины. В системе ГРМ эта деталь работает в условиях экстремально высоких температурных и механических нагрузок. Задача – обеспечить плотный и надежный контакт между клапаном и седлом в момент их стыковки.

Нередко в процессе работы пружины ломаются, испытывая повышенные нагрузки, зачастую это происходит по причине вхождения ее в резонанс. Как отмечают эксперты Моторпейдж, риск подобных неисправностей гораздо ниже при использовании пружин с переменным шагом витков. Также достаточно эффективны конические или двойные (усиленные) модели.

Пружины для клапанов изготавливают из специальной легированной стальной проволоки. Ее закаляют и подвергают отпуску (технологические операции, используемые в металлургическом производстве). Защиту от коррозии обеспечивает дополнительная обработка оксидом цинка или кадмия.

Втулки. Обеспечивают отвод излишков тепловой энергии от стержня клапана, а также его перемещение в заданной (возвратно-поступательной) плоскости. Эти направляющие элементы системы постоянно омываются раскаленными парами и отработанными выхлопными газами. Функционируют также в условиях экстремальных температур.

Потому к материалу изготовления втулок тоже предъявляются высокие требования – хорошая износоустойчивость, стойкость к максимально допустимым температурам и трению. Данным запросам соответствуют некоторые виды чугуна, алюминиевая бронза, высокопрочная керамика. Именно эти материалы и используются для производства втулок.

Впускной клапан

Впускной клапан газораспределительного механизма открывает доступ в цилиндр топливо-воздушной смеси и прекращает доступ перед началом такта сжатия. В случае с дизельным двигателем клапан пропускает в камеру сгорания только воздух.

При обрыве ремня ГРМ впускные клапана «зависают», так как распредвал перестает вращаться. Тарелки клапанов, оказавшихся открытыми, ударяются о поверхность цилиндра

Клапана располагаются под углом от 30 до 45 градусов относительно вертикальной оси. Тарелка впускного клапана больше, чем у выпускного. Разница обусловлена тем, что в момент открытия впускного клапана в камере сгорания образуется разрежение, а в момент выпуска — повышенное давление. Сила разрежения ниже силы давления, поэтому для впуска требуются клапана с большей поверхностью головки, чтобы обеспечить пропускание необходимого объема топливо-воздушной смеси.

Устройство впускного клапана

Состоит клапан из тарелки и стержня. Плоская со стороны камеры сгорания тарелка впускного клапана имеет конусную форму со стороны распредвала (фаску). При полном закрытии она плотно прилегает к «седлу» (коническому отверстию) в головке блока цилиндров. Точную посадку впускного клапана обеспечивает направляющая втулка, в которой перемещается стержень клапана. Она запрессована в корпус головки блока цилиндров и зафиксирована стопорным кольцом.

Современная тенденция в конструировании ГРМ — увеличение количества впускных клапанов на один цилиндр. Это позволяет увеличить пропускную способность цилиндра и повысить мощность двигателя

Впускной клапан имеет внутреннюю и наружную цилиндрические пружины, которые крепятся на стержне клапана.

В действие впускной клапан приводится рычагом (рокером) от кулачка распределительного вала, или, в большинстве современных двигателей непосредственно давлением кулачка. Пружина обеспечивает постоянный контакт стержня впускного клапана с концом рокера или с кулачком.

Между кулачком распределительного вала и торцом стержня клапана конструктивно закладывается зазор. Это дает возможность компенсировать тепловое расширение впускного клапана. Величина такого зазора составляет 0,3-0,05 мм.

Принцип работы впускного клапана

Своевременное открытие и закрытие впускного клапана обеспечивает угловое положение распределительного вала, точно синхронизированного с таким же угловым положением коленчатого вала. То есть, угловое положение одного строго соответствует определенному угловому положению другого.

В зависимости от модели двигателя, впускных клапанов может быть и несколько на один цилиндр.

Для радикального изменения опережения открытия клапанов необходимо приобрести комплект спортивных распредвалов

Прежде, чем поршень достигнет высшей мертвой точки, начинает открываться впускной клапан — то есть, при такте впуска, к началу движения поршня вниз, клапан уже приоткрыт. Для разных моделей двигателей существует свое опережение открытия клапана. Пределы колебаний составляют 5-30 градусов.

А вот закрытие впускного клапана происходит с некоторой задержкой, после того как поршень достигает нижней мертвой точки и начинает движение вверх. Заполнение цилиндра продолжается даже после начала движения. Это происходит вследствие инерции во впускном коллекторе.

Характерные поломки впускных клапанов

Безусловно, самой распространенной поломкой клапанов необходимо признать их загибание в результате обрыва ремня ГРМ. То же самое может произойти и без обрыва, если заменой ремня занимался непрофессионал, ошибочно выставивший метки на шкивах коленвала и распредвала (или распредвалов). Особенно опасны обрывы для современных сложных двигателей, оснащенных механизмом изменяемых фаз газораспределения и прочими высокотехнологичными системами.

Еще одна распространенная неисправность клапанного механизма зарастание впускных и выпускных клапанов нагаром. Как правило, определить проблему можно на достаточно ранней стадии по снижению мощности и хлопкам во впускном и выпускном трубопроводах, металлическому стуку в головке блока цилиндров и падению мощности двигателя.

Отложение нагара на седлах и клапанах препятствует их плотному прилеганию и уменьшает компрессию. Вследствие этого уменьшается и мощность двигателя. Поломки пружин могут вызвать неплотное прилегание клапана к седлу и приводить к деформации головки блока цилиндров, образованию раковин или заеданию стержня. Большой тепловой зазор между рычагом и стержнем клапана также ведет к появлению резкого металлического стука и падению мощности двигателя.

Материалы для производства клапанов

Для изготовления впускных клапанов используется хромистая сталь, обладающая стойкостью против коррозии в газовых средах при температурах свыше 550 °C. Этот вид стали достаточно хрупок.

http://www.motorpage.ru/faq/klapani_dvigatelja__konstruktivnie_osobennosti_i_naznachenie_.html
https://blamper.ru/auto/wiki/dvigatel/vpusknoy-klapan-3027/